一種用于電力維修的爬桿機器人設計

國網安徽省電力有限公司電力科學研究院 馮 玉 吳少雷 吳 凱 國網安徽省電力有限公司銅陵供電公司 李 君

國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司 何水兵 安徽工程大學 韓 波

自二十世紀七十年代以來國內外專家學者從事對爬桿機器人的研究，目前研制出的爬桿機器人主要可分為三大類：連續運動式爬桿機器人、步進式爬桿機器人和冗余自由度爬桿機器人。

連續運動式爬桿機器人利用機器人與桿體接觸表面的摩擦力來實現快速爬桿運動，主要代表有國網霍邱公司研制出載人登桿裝置，其主要優點是運動連續，爬桿效率高和良好的負載特性，缺點是對于非圓桿物體或者圓桿物體表面存在障礙物時無法進行爬桿運動；步進式爬桿機器人通過循環往復的伸縮運動來實現爬桿運動，主要代表有武漢理工大學設計的曲柄滑塊機構爬桿機器人，但是其存在爬升速度低且無法越障等問題；冗余自由度爬桿機器人主要有蛇形機器人，通過纏繞在桿體的外表面，然后執行一套固定的時序動作從而實現爬桿運動，主要有上海交大開發的CRS 蛇形爬桿機器人、波士頓動力公司研制出RiSE V3多足攀爬機器人。

以上這些爬桿機器人存在整體質量較重、承載能力不足、攀爬效率低下以及攀爬路徑導航困難等問題，嚴重制約了其應用和推廣，難以直接應用到配電桿塔等作業環境。

圖1 國網霍邱公司載人登桿裝置

圖2 曲柄滑塊機構爬桿機器人

圖3 上海交通大學CRS 蛇形爬桿機器人

1 爬桿機器人機械結構簡介

本文中的爬桿機器人有左軀干和右軀干兩部分，主要采用類似人借助腳扣登桿的攀爬式原理，左右軀干分別具有上下兩個握爪機械手，類似人類的左右手和腳，左軀干和右軀干的握爪機械手對桿身交替夾緊放松，通過升降執行裝置使左軀干和右軀干二者交替升降，實現攀爬并可跨越如抱箍、橫擔等部分桿上障礙，而且通過抱爪上的輪式機構實現承載平臺的繞桿旋轉運動，使爬桿機器人可靈活越障和準確到達作業位置，并為帶電作業操作機構提供穩定靈活的作業平臺。

圖4 人借助腳扣登桿攀爬原理圖

圖5 爬桿機器人總體結構圖

圖6 爬桿機器人軀干總成工作原理圖

爬桿機器人軀干總成工作原理如圖6所示，其中1、2、3是動力總成的輸出鏈輪的三個運行狀態，1的狀態是右旋，左軀干上升；3的狀態是左旋，右軀干上升；2的狀態是旋轉至“0”位，軀干回中，此時四肢同時握桿時左、右部分是錯開的。執行機構電機輸出軸連接減速機組成動力總成，動力總成的輸出端安裝兩片鏈輪，兩條傳動鏈分別上、下對兜包裹于鏈輪上。

握桿抱爪機構。爬桿承載平臺四肢末端共四個握桿抱爪，上、下結構完全一樣，左、右外觀及內部布局結構完全對稱，擬采用的結構如圖7所示。握桿抱爪可以抓握等徑桿和拔梢桿，自動適應桿徑大小，自動完成抱桿、握緊桿、自鎖、撤桿的四個順序動作，并且能夠按實地工況要求實現繞桿圓周轉體動作，配合軀干的運動可以在爬桿過程中有效的避開、翻越障礙物，如圖8所示。

圖7 握桿抱爪機構結構圖

圖8 抱桿與撤桿動作示意圖

2 爬桿機器人電氣系統簡介

本文中的爬桿機器人主控器使用西門子S7-1200系列可編程控制器，S7-1200作為一款功能模塊化設計的PLC，擁有高精度AD 模塊、DA 模塊、串行通訊模塊以及網絡通訊模塊，可根據任務實際需求配置不同的功能模塊。S7-1200可完成各種復雜的邏輯控制，同時對于電機的運動控制提供的專業的功能模塊。

電動推桿不同于氣動推桿利用氣體介質的壓縮來實現推桿的運動，電動推桿通過內部的傳動機構將內部電機的旋轉運動轉換為推桿的直線運動。電動推桿作為一種電力驅動裝置，可實現遠距離、自動化控制。本文中使用電動推桿作為爬桿機器人的抱爪的執行單元，機構簡單可靠，可以簡易的實現爬桿機器人的抱桿動作。

圖9 基于S7-1200的主控制器

圖10 握桿抱爪電動推桿

3 爬桿機器人軟件系統設計

爬桿機器人動作時序。爬桿機器人的單個運動周期可分解為兩個左右兩側軀干對稱的運動過程，以左軀干運動進行簡單介紹：初始狀態時，左軀干抱緊，右軀干抱緊；步驟1，左夾爪松開，左軀干旋轉至最外側；步驟2，左軀干上升至指定位置；步驟3，左軀干旋轉至抱桿位置；步驟4，左夾爪抱緊，左右軀干此時恢復抱緊狀態。

圖11 爬桿機器人控制流程圖

目前隨著電網維護工作的日益繁重，高強度的工作量和較高的危險系數對基層的電網維護工作人員是一種較大工作的負擔。設計一款高效的爬桿機器人來逐步替代人工進行電網的維護工作是迫在眉睫的大事，本文中設計的爬桿機器人通過搭載不同的作業工具可以執行不同的維護任務，可以有效的降低人工的工作量，對整個電力系統的改善有著積極的影響。