220kV帶電線路樹枝修剪機器人結構設計及實現

姜 鵬，吳功平，楊 松，秦志軍

（1.武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072；2.國網吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300）

1 前言

高壓輸電線路走廊樹木的生長及在大風天氣下的擺動等情況使樹枝很容易與高壓線路距離過近導致短路，造成巨大的經濟損失。目前采取的措施是人工爬樹修剪或者相關作業車輛輔助人工修剪，這兩種方式勞動強度大，風險高。對于車輛難以進入的原始森林地區有時甚至會砍伐樹木，這將可能引發相關社會與法律問題。故利用機器人修剪高壓輸電線路走廊樹枝成為迫切需求。

美國安達略水力發電廠開發的一種修剪樹木的機器人系統，通過手動控制器遙控架空裝置末端的鋸片對樹枝進行修剪作業，使作業人員遠離這種危險的環境[1]，但對于車輛無法到達的山區線路無法進行修剪作業。文獻[2]提出了一種沿樹干直爬和螺旋攀爬兩種方式的機器人，在攀爬的同時完成對樹枝修剪的機器人[2]。文獻[3]設計了一款由爬升機構、鏈鋸機構、和控制器三部分組成，保持機器人始終在樹上而完成樹枝修剪作業的機器人[3]，但文獻[2-3]中的機器人均對樹木的形狀有一定的限制。文獻4研究了不同刀具刀片材料對切削力的影響，為末端執行機構修剪作業時切削力的計算提供了理論依據[4]。文獻[5]設計了一種通過超長絕緣操作臂攜帶末端工具實現對高壓線路走廊下方及兩側樹枝修剪作業的機器人構型[5]，但由于是在下相導線上行走，機器人上線后帶來的附加弧垂可能導致導線與樹枝間距離小于所要求的安全距離。

基于上述現狀，這里提出了沿地線行走的樹枝修剪機器人（Branch Trimming Robot，BTR），包括移動機器人平臺、絕緣繩卷揚升降及回轉平臺、末端作業平臺三部分。根據作業空間分析得出樹枝修剪機器人構型原理，并依此確定了相關構型參數；在SOLIDWORKS里建立了三維模型；利用遺傳算法求解得到了質量最小的絕緣組合臂參數最優解，并在ABAQUS里對絕緣組合臂進行了應力應變分析及模態分析；利用試驗樣機在吉林渾白線上進行了多次試驗，試驗結果表明其能夠完成對220kV帶電線路走廊樹枝修剪作業，驗證了其設計的合理性與可行性。

2 樹枝修剪機器人作業空間及構型原理

2.1 作業空間分析

如圖1（a）所示，當高壓輸電線路走廊樹枝與下相導線間距離小于相應電壓等級輸電線路所要求的距離時就可能導致短路跳閘等事故，故樹枝修剪機器人的作業任務就是修剪該區域內的樹枝，將該區域稱為待修剪區域，如圖1（b）中圓1，其半徑為R1。圓2為導線的危險區域，半徑為R2。

考慮到移動平臺若在下相導線上行走，在自重作用下帶來的附加弧垂可能導致機器人剛上線便會使下相導線與樹枝間距離過近發生短路的問題，故機器人選擇在地線上行走。盡管如此，為了上下線的方便及防止附加弧垂導致地線與上相導線間距離過近，須嚴格控制整個機器人的重量。為滿足圖1（b）中所示的待修剪區域，樹枝修剪機器人構型參數需滿足式（1）。

式中：R1—作業半徑；

f1—機器人上線后地線的總弧垂；

1997年，河北華雨與中國農機研究院合作，開創了大型電動噴灌機事業，逐步形成年產1000臺套的生產能力。2012年創建了齊齊哈爾華雨機械制造有限公司，新增年產1500臺套的生產能力。公司先后完成國家“九五”攻關項目DPP平移式噴灌機、DYP系列電動圓形噴灌機等多項重大科技攻關項目。其中“DYP系列電動圓形噴灌機”已列入國家支持推廣產品及各省補貼產品目錄。

f2—下相導線自然弧垂；

H1—地線懸掛點到下相導線懸掛點的垂直距離；

L1—作業臂長度；

L2—移動平臺到末端作業平臺的最大距離。

根據文獻[7]規定，220kV輸電線路導線與樹木（考慮自然生長高度）之間的最小垂直距離應該大于4.5m，即作業半徑R1=4.5m，故作業臂長度L1=4.5m[7]。根據文獻8，220kV輸電線路桿塔地線到下相導線最大距離為H1=22m[8]，f1與f2之差較小，此處忽略，故取L2=27m。另外，為保證修剪作業過程中的安全性，整個末端作業平臺需滿足220kV輸電線路帶電作業工具絕緣性能要求，故L2構件及L1構件應耐壓220kV，且作業臂的有效絕緣距離須大于R2=2.1m[7]。

如圖1（b）所示，當樹枝修剪機器人構型參數滿足上述要求后，其實際修剪區域為矩形EFGH區域，與待修剪區域圓1相比，圖中陰影部分區域無法覆蓋。故在實際應用過程中，對于不同型號的桿塔，須根據實際情況在作業臂根部加裝長度為L3的絕緣管，以完成對待修剪區域內所有樹枝的修剪。

圖1 樹枝修剪機器人作業空間分析圖Fig.1 Working Space Analysis of BTR

2.2 樹枝修剪機器人構型原理

根據2.1分析，設計的樹枝修剪機器人構型原理圖，如圖2所示。

圖2 樹枝修剪機器人構型原理圖Fig.2 BTR’s Mechanism Diagram

（1）移動平臺沿著地線通過行走輪的兩個旋轉關節1和2行走到達待修剪區域，移動關節5和6可實現“蠕動”式行走以利于通過線路上的防振錘等線路金具。

（2）到達待修剪區域后，兩個縱移關節3和4壓緊地線，防止機器人在修剪作業過程中發生傾覆。通過卷揚及定滑輪構成的關節7和8帶動末端作業平臺在鉛垂面內上下移動，調整末端作業平臺與樹枝間的鉛垂距離。同時，結合可以在水平面內360°旋轉的關節9，可以調整機器人末端與樹枝間的位姿狀態。

（3）調整好姿態后，考慮到樹枝的彈性，對于成束的樹枝及較粗的樹枝，首先利用夾爪上的兩個旋轉關節10和11夾住樹枝，在旋轉關節12的驅動下實現鋸片的緩慢進刀，完成對樹枝的修剪。

3 主要機械結構設計

根據樹枝修剪機器人構型原理圖，設計出樹枝修剪機器人虛擬樣機，如圖3所示。

圖3 樹枝修剪機器人虛擬樣機Fig.3 Virtual Prototype of BTR

樹枝修剪機器人主要包括移動機器人平臺、絕緣繩卷揚升降及回轉平臺、末端作業平臺三部分。絕緣繩卷揚升降及回轉平臺通過兩根絕緣繩連接在移動機器人機械臂兩端，利用卷揚可以調整末端作業平臺相對下相導線的距離，實現對不同高度樹枝的修剪。同時，通過減速箱中的蝸輪蝸桿機構帶動整個末端作業平臺在水平面內360°旋轉，調整末端作業平臺與樹枝間的位姿關系。

如圖4（a）所示，絕緣繩卷揚升降及回轉平臺主要包括絕緣繩，卷揚機構（包括卷揚滾筒、卷揚電機、滑輪）及橫桿。因為絕緣繩卷揚升降及回轉平臺分別與上相、中相、下相導線接觸，故絕緣繩必須滿足耐壓220kV要求。所選絕緣繩為防潮蠶絲繩，滿足絕緣性能要求。兩根絕緣繩繞過卷揚滾筒通過定滑輪改變方向，結合卷揚滾筒v字形結構，在重力作用下可以使絕緣繩在纏繞過程中盡量向滾筒的中垂面靠攏，極大的減小滾筒的直徑。

圖4 樹枝修剪機器人各部件結構圖Fig.4 The Structure of BTR Assembly

如圖4（b）所示，末端作業平臺包括絕緣組合臂、末端執行機構、控制箱三部分。為減小絕緣組合臂末端的撓度，將其設計為三段式結構，其中，中間一段采用兩根絕緣管上下并排布置的方式，另外兩段為單根絕緣管，再通過張緊的絕緣繩將中間一段絕緣管的上面一根絕緣管的兩端分別與第一段和第三段絕緣管連接在一起。其中，中間一段絕緣管長度為6m，其他兩段長度均為1.5m，即每側的有效絕緣距離為4.5m，大于2.1m，滿足220kV輸電線路帶電作業工具絕緣要求。另外，絕緣管的材料為環氧樹脂，這種材料具有較高的強度和柔韌性，且密度相對較低，斜拉式絕緣繩是直徑為8mm的防潮蠶絲繩，二者均滿足220kV耐壓要求。

如圖4（b）所示，考慮到樹枝的不同生長形態，末端執行機構根據圓盤鋸與水平面間夾角關系分為水平與垂直兩種布置方式，對于與水平面間夾角較大的樹枝，用水平布置的末端執行機構修剪。反之，則用垂直布置的末端執行機構修剪。如圖5（a）所示，因為樹枝具有一定的彈性，在鋸片修剪過程中可能發生反彈，必須先將樹枝夾住然后進行修剪，故設計的末端執行機構主要包括圓盤鋸、曲柄和夾爪三部分。因水平與垂直布置的末端執行機構修剪過程相同，此處只介紹垂直布置的末端執行機構修剪原理。對于直徑較小的樹枝，利用初始狀態進行修剪，如圖5（b）所示；對于直徑較大及成束的樹枝，首先曲柄旋轉90°，通過水平極限位傳感器檢測確定曲柄到達水平位置，接著夾爪張開到最大角度120°，如圖5（c），調整末端位姿，夾爪夾住樹枝，如圖5（d），最后鋸片在曲柄旋轉帶動下緩慢進給，完成對已被夾爪夾住樹枝的修剪，恢復到圖5（b）所示狀態，該狀態是通過豎直極限位傳感器確定曲柄到達豎直位置的。其中，末端擋板可以隨夾爪的開合而上下運動，可以有效的防止細小樹枝進入到夾爪的鉸接區域阻礙夾爪的開合。

圖5 末端執行機構及工作狀態圖Fig.5 End Effector and Working Condition Diagram

4 絕緣組合臂的優化及分析

4.1 基于遺傳算法的絕緣組合臂優化

根據上述樹枝修剪機器人構型設計，考慮到絕緣組合臂長度較長且為懸臂梁結構，同時為控制機器人重量，需對其參數進行優化設計。構型參數最優解主要從3個方面考慮：（1）滿足材料強度要求；（2）結構質量較小；（3）絕緣組合臂末端撓度較小。故將結構質量作為期望目標，建立數學優化模型，如式（2）、式（3）所示[9-10]。

圖6 絕緣組合臂Fig.6 Insulated Arm

目標函數為：

式中：D1—D4—絕緣臂的直徑；L0—L2—各段絕緣臂長度，L0=4500mm；h1—h2—絕緣臂壁厚；F為絕緣臂自重、末端集中載荷及斜拉絕緣繩向上分力三者等效在末端處的總載荷；I1—I2—各段絕緣臂的慣性矩；m0為絕緣組合臂的質量；絕緣臂的彈性模量E=14000MPa；絕緣臂許用應力［σ］=40MPa；w—末端撓度值；W—抗彎截面系數；Mmax—最大力矩；絕緣管密度ρ=1.8g∕cm3；實驗測得斜拉絕緣繩可提供的F拉=230N。為保證修剪過程中樹枝與絕緣組合臂盡可能少發生干涉，以及留出控制箱和末端執行機構的安裝位置，取L2=1.5m，h=0.2m。

根據上述建立的優化數學模型，可利用遺傳算法進行求解。因為從統計學來講，對于此類目標優化問題采用遺傳算法可以加快得到最優解的速度。設定種群大小為200，后代交叉比例為0.6，最大迭代次數為200，種群進化完畢后可得到pareto圖，如圖7所示。從圖中可以看出，采用遺傳算法經過105次迭代后，目標函數開始收斂。計算的最優解結果，如表1所示。

圖7 遺傳算法在Matlab里運行的結果Fig.7 Results of Genetic Algorithm in Matlab

表1 優化后的絕緣組合臂參數Tab.1 The Parameters of the Optimized Insulated Arm

4.2 絕緣組合臂的有限元分析

利用ABAQUS對上述求得的絕緣組合臂進行有限元分析，包括建立模型，設定材料屬性，進行網格劃分，添加載荷及邊界條件，提交計算。由圖8（a）知，最大應力在絕緣臂1的根部，值為35.2MPa，小于許用應力40MPa，滿足強度要求。其中沿絕緣臂長度方向的應力分布不均勻，主要由兩根絕緣臂的連接件處有應力集中引起，遠離連接處其應力分布均勻。由8（b）知，最大應變為154mm，與4.1中計算的應力及撓度值基本吻合。同時，利用ABAQUS對組合絕緣臂進行模態分析，前四階振型頻率分別為3Hz、7Hz、13Hz、14Hz，而末端鋸片的轉速為3000r∕min，即頻率為50Hz，絕緣組合臂振型頻率遠小于末端鋸片的頻率，故不會發生共振，符合設計要求[11]。

圖8 絕緣組合臂應力應變圖Fig.8 Insulated Arm’s Stress-Strain Diagram

5 樹枝修剪機器人試驗樣機

根據上述分析和計算，設計并開發出樹枝修剪機器人試驗樣機，并在吉林白山渾白線7號～8號桿塔檔段處進行現場試驗。試驗內容包括驗證樹枝修剪機器人各運動關節的運動性能和驗證樹枝修剪機器人對帶電線路走廊樹枝修剪的可行性。

圖9 樹枝修剪機器人現場作業Fig.9 The Operating Site of BTR

現場試驗時，樹枝修剪機器人在220kV帶電線路進行樹枝修剪的作業狀態，如圖10所示。

圖10 樹枝修剪機器人末端執行機構現場作業Fig.10 The Operating Site of BTR’s End Effector

經試驗，在220kV帶電線路環境中，樹枝修剪機器人各關節的運動性能良好，各機構耐壓性能良好，修剪過后的輸電線路走廊樹枝與導線間距離大于4.5m，能夠滿足220kV帶電線路走廊樹枝修剪作業要求。

6 結論

（1）根據220kV輸電線路走廊樹枝與導線間距離標準，確定了具體詳細的樹枝修剪機器人作業區域，由此確定了樹枝修剪機器人的構型參數，進一步建立了樹枝修剪機器人的三維模型。

（2）在保證結構強度和剛度以及實際需求的前提下，利用遺傳算法求得了絕緣組合臂質量最小的最優解，并利用ABAQUS對其進行了應力應變計算及模態分析，驗證了設計的合理性。

（3）將樹枝修剪機器人試驗樣機應用到吉林渾白線上進行樹枝修剪作業，可以完成對輸電線路走廊樹枝的修剪作業，驗證了樹枝修剪機器人設計的合理性與實用性。