電力鐵塔高效攀爬機器人機械系統設計與物理樣機開發

鄒德華，彭沙沙，劉蘭蘭，江 維，張宏偉

電力鐵塔高效攀爬機器人機械系統設計與物理樣機開發

鄒德華1,2，彭沙沙1,2，劉蘭蘭1,2，江 維*3，張宏偉3

(1. 智能帶電作業技術及裝備（機器人）湖南省重點實驗室（國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 長沙 420100；2. 帶電巡檢與智能作業技術國家電網公司實驗室（國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 長沙 420100；3.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430073)

采用架空高壓輸電線路進行電力輸送是遠距離輸送電力的重要方式，其安全穩定運行直接影響到電力供應質量。由于傳統電力檢修登塔時需借助敷設于鐵塔主材上的金屬軌道與鋼絞線防墜落保護裝置或者采用雙安全帶交替保護方式攀登鐵塔至作業位置，存在效率低下、成本較高等問題。因此本文摒棄傳統的工人防墜保護方法，創造性地引入智能機器人來輔助完成臨時防墜裝置的安裝，實現對傳統防墜方式的創新應用。本文提出了用于輸電鐵塔掛拆臨時高空防墜保護裝置用的智能機器系統，能夠完成從地面攜帶防墜落裝置沿鐵塔主材攀爬至作業點位置并安裝防墜繩掛拆裝置，基于閉鏈連桿結構的運動學和作業空間仿真，驗證了機械結構的可行性和有效性，開發了物理樣機系統并進行了作業實驗，在作業人員完成檢修工作后拆除防墜繩裝置并返回地面，完成防墜保護繩的掛拆操作，既可以保證工作人員的安全還能提高工作效率，對于電力企業來說具有巨大的經濟效益。

電力鐵塔；攀爬機器人；機械系統；物理樣機

0 引言

電力鐵塔[1-3]及電力線長期顯露在野外，分布地點多，絕大部分遠離城鎮，所處地形復雜，自然環境惡劣，因受到持續的機械張力、風吹日曬、材料老化等影響，經常會出現斷股、磨損、腐蝕、螺絲松動[4]等問題。隨著電網迅猛發展以及輸電線路走廊環境保護的加強，對電力鐵塔和線纜等輸電設備進行日常巡檢與維護是有效保證輸電設備安全、可靠運行的重要基礎工作。目前電力鐵塔和線纜等輸電設備的巡檢與維護主要是由專業作業人員進行，相關工作開展中需作業人員攀爬鐵塔至高空中完成。然而，鐵塔高度普遍超過30米，鐵塔在設計建設中，僅不超過5%的鐵塔安裝有防墜軌道[5]，且防墜軌道因安裝工藝不到位常出現錯位無法使用，作業人員攀爬鐵塔勞動強度大，上下鐵塔過程中因體力不支、觸電、手腳踏空、注意力不集中等突發情況易發生高空墜落事故。因此，只有采取必要的防高空墜落安全措施，才能保證高空作業人員的人身安全。如果能夠通過機械裝置先行攀爬鐵塔，并且攜帶吊鉤以及繩索上塔，將其與鐵塔的角鋼等部件穩定可靠連接，那么該繩索就可以作為攀爬鐵塔的工作人員的安全繩。吊鉤與安全繩就組成了電力鐵塔作業人員的可靠高空防墜落裝置，從而為作業人員的安全保駕護航。

為實現機械裝置攀爬鐵塔，上世紀90年代后期，英國、以色列、西班牙、中國等國家先后開展了相關研究工作。在國外，西班牙卡洛斯三世大學[6]研制了八個自由度的ROMA攀爬機械裝置，它采用步進式攀爬方式，利用機體兩側的夾爪實現與攀爬目標的固定與分離，但是其運行環境為規則的梁或柱狀物體，難以適應復雜多變的三維空間結構物。英國的威爾士班戈大學[7]研究出了一種三段式電磁吸附鐵塔攀爬機械裝置，其中部可轉向，頭尾通過導向桿與中部連接，并通過齒輪齒條實現相對中部運動。由于缺少垂直于前進方向的自由度，該機械裝置只能實現平面攀爬，不具備三維空間越障能力。以色列艾瑞爾中心大學[8]研制的電磁吸附式鐵塔攀爬機械裝置，具有八個自由度，采用多節串聯機構，以蠕動方式運動，具有一定的越障功能。但結構復雜，空間適應性較差，效率較低。在國內，華南理工大學[9]研究了一種五自由度攀爬機械裝置，由三個擺動關節，兩個回轉關節和兩個末端夾持器串聯而成，能夠實現對各種桿件、桁架的攀爬，能實現尺蠖式、扭轉式、翻轉式前進與越障。但結構較大，難以適應復雜多變的空間結構，控制復雜且效率偏低。四川大學[10]研究了一種具有5個自由度的電磁吸附式電力鐵塔攀爬的機械裝置，能在鐵塔角鋼結構上實現尺蠖式、扭轉式行走。因為機械裝置足部的原因，機械裝置只能通過夾緊角鋼一側進行攀爬，越障能力較差。此外，哈爾濱工業大學[11]研究的管外移動機械裝置，該機械裝置機構采用蠕動跨越式移動機構，可在一維、二維梁架環境下運動，具有較好的越障功能，但難以適應電力鐵塔環境要求。

綜上所述，上述電力鐵塔及三維桁架結構物攀爬機械裝置均采用多關節串聯機構，通過控制關節的旋轉、伸縮等實現機械裝置尺蠖式、蠕動式、扭轉式、翻轉式行進及越障。但它們都無法實現上/下線和高壓線路長距離巡檢，無法適應高壓線路中各種障礙物的跨越。因此，也極大制約了此類機械裝置在高壓線路巡檢工作中的應用范圍。因此，本文針對該問題對機器人提出了一種新的爬塔機器人基本構型及其鐵塔攀爬方法，由于串聯機械裝置擁有作業空間大的優點和累積誤差大的缺點；并聯機械裝置擁有精度高以及載重大的優點以及作業空間小的缺點。因此，本文在設計中將兩者的優點相結合，可以滿足鐵塔攀爬以及線路巡檢的要求。對于所提出的機構進行運動學分析和運動空間仿真，結果都表明作業空間能夠滿足爬塔運動和巡檢要求，最后通過現場鐵塔攀爬實驗也驗證了本文所提出機構的可行性和有效性。本文的研究是對電力檢修檢修維護的全新應用和探索，其研究和實施對于提升電力系統工作能效、推進電力系統自動化和智能化具有重要理論意義與實際應用價值。

1 鐵塔攀爬機器人作業環境及構型設計

1.1 鐵塔攀爬機器人作業環境

本文所研究的鐵塔攀爬機械裝置工作環境為電力鐵塔，如圖1所示。由于高壓輸電線路鐵塔種類繁多，結構尺寸差異較大，因此，機械裝置工作環境呈現為復雜多變的三維空間結構。機械裝置機構和運動功能需要對上述復雜工作環境具有較強的適應性，并完成一系列的攀爬越障以及滾動行走。攀爬機械裝置要經過輸電塔體、輸電塔籠、塔頭、橫臂。角鋼類鐵塔上的角鋼主要通過螺栓連接或者通過焊接連連接，所以在鐵塔上面就有焊縫、突出的螺栓和螺母等障礙。同時理想的角鋼表面可以看作是一個平面，但是角鋼可能因為長時間受力而發生變形。同時從塔籠到橫臂也會由于焊接變形和連接變形而導致兩個部分的角鋼表面不在一個平面。

圖1 鐵塔攀爬機器人的作業環境示意圖

1.2 鐵塔攀爬機器人機械構型設計

（a）側視圖（b）正視圖

為滿足上述爬塔需求，在有防墜軌道條件下，攀爬機械裝置可沿防墜軌道進行攀爬，聯想到我們現階段在用的防墜器，可在防墜軌道上進行滑動，因此，可將機械裝置做成類似防墜器的結構。初步結構設計如圖2所示。

在機器人鐵塔攀爬過程中，攀爬機械裝置通過不斷調整卡耳和電動推桿的位置，從而實現沿軌道攀爬，其運動形態仿真如圖3所示。

圖3 鐵塔攀爬機器人運動仿真示意圖

2 鐵塔攀爬機器人的運動學建模與運動空間仿真分析

2.1 鐵塔攀爬機器人的運動學建模

（2）

2.2 鐵塔攀爬機器人的運動空間仿真分析

當最終求解的結果達到一定的數量以后，即可得到并聯腿部的運動空間，且結果越多，求出的工作區間越精確。根據攀爬機械裝置運動學正解和并聯腿部正解，通過給定各個主動關節的角度，在MATLAB軟件中進行仿真計算，取點云數N=1000，可以得到攀爬機械裝置在三個方向上的工作空間點云圖如圖5所示，其中圖5（a）是機器人三維運動空間圖，圖5（b）是x-y運動投影圖，圖5（c）是y-z運動投影圖，圖5（d）是x-z運動投影圖。從三個方向的點云圖可以看出，爬塔機器人的運動能夠滿足其攀爬電力鐵塔的運動需求。

圖5 鐵塔攀爬機器人的運動空間意圖

3 鐵塔攀爬機器人物理樣機開發與現場爬塔試驗

3.1 鐵塔攀爬機器人物理樣機開發

圖6 爬塔機器人物理樣機模型

通過機械系統、測控系統、軟件系統和視覺系統的集成設計，形成了GIS巡檢機器人原理樣機系統，其物理模型如圖6所示。其中機械系統由機器人系統各部分連接機構組成，硬件系統主要由主控板、電機驅動、傳感器系統及電源系統等組成，軟件系統主要分為嵌入式控制層、通信交互層以及感知驅動層其具體結構如所示。采用系統分層的方法對控制系統進行設計能夠做到各層級之間相互獨立。層與層在設計上互不干涉，當某一層需要改動時其余各層之間不需要一同修改，能夠極大的增強系統的可維護性，避免大量的重復工作，為之后的軟件更新和系統升級提供了極大的便利。

3.2 現場鐵塔攀爬實驗與分析

在國家電網湖南省電力有限公司輸電檢修公司帶電作業中心所轄的電力鐵塔上進行模擬爬塔試驗，現場試驗整體流程為，首先工作人員將樣機取下，在上塔人員準備上塔時，塔下人員安裝上電池后把機器人架在導軌上，再打開電磁鐵吸住導軌防墜。齊次，塔下人員檢測4個主推桿和微型推桿是否能正常工作，檢測樣機的攀爬步態是否正常。再次，關閉電磁鐵，掛上牽引繩，攜帶一定質量的重物，做抗沖擊實驗。完成抗沖擊實驗后上塔人員開始爬塔，塔下人員控制機器人掛上檢修裝備載物上升。最后，樣機完成載物后，合上彈力扣，打開電磁鐵，人工拉下樣機，塔上人員下塔。

圖7 爬塔機器人沿鐵塔導軌的攀爬實驗

分別用兩組不使用機器對照試驗來測量機器人爬塔相比于日常工作的提升，經過統計可知，使用機器人輔助工作人員爬塔縮短了11分鐘的上下塔時間，具體對比圖表1所示，除此之外還通過機器人載物減少了上下塔的工作人員的體力消耗。

表1 使用機器和不使用機器對比分析

經過在不同天氣及不同時間進行多次實驗后得出結論，表明爬塔機器人可以實現在110KV及以上的輸電鐵塔上進行攀爬工作，并且可以穩定的載安全繩上塔，到達指定位置后可以啟動防墜，且可以承受20kg以內重物，在下塔過程中需人工拉下，但對電磁鐵的損傷較大，需定期更換，極大的節約了人力物力，使得爬塔的消耗大大減小。

4 結論

本文針對輸電線路檢修過程中人工電力鐵塔的攀爬勞動強度大、效率低、易墜落危險性差的問題，基于閉鏈五連桿的基本模型設計了一種適用于輸電線路電力鐵塔攀爬的機器人基本構型，并開發了相應的物理樣機系統進行了爬塔作業實驗，提高了作業效率，同時大大增強了人員的爬塔安全性。但是，爬塔機器人也存在一定改進的空間，比如在雨天情況下無法有效的攀爬鐵塔，不能實現完全自動化等，這些關鍵技術問題將是后續研究的重點。

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Mechanical System Design and Physical Prototype Development of Power Tower Efficient Climbing Robot

ZOU De-hua1,2, PENG Sha-sha1,2, LIU Lan-lan1,2, JIANG Wei3, ZHANG Hong-wei3

(1. Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Live Working Technology and Equipment (ROBOT) (State Grid Hunan Transmission Maintenance Company), Changsha Hunan 420100, China; 2. Live Inspection and Intelligent Operation Technology State Grid Corporation Laboratory(State Grid Hunan Transmission Maintenance Company), Changsha Hunan 420100, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

The use of overhead high-voltage transmission lines for power transmission is an important way to transmit power over long distances, and its safe and stable operation directly affects the quality of power supply. Since traditional electric power maintenance and tower climbing require the use of metal rails and steel strand anti-fall protection devices laid on the main material of the tower, or alternate protection of double safety belts to climb the tower to the working position, there are problems such as low efficiency and high cost. Therefore, this paper abandons the traditional fall protection methods for workers, creatively introduces intelligent robots to assist in the installation of temporary fall prevention devices, and realizes the innovative application of traditional fall prevention methods. This paper proposes an intelligent machine system used for temporary high-altitude fall protection devices for the hanging and dismantling of power transmission towers. It can carry the fall prevention device from the ground along the main material of the tower to the operating point and install the fall prevention rope hanging and dismantling device. The kinematics and work space simulation of the chain link structure verified the feasibility and effectiveness of the mechanical structure. The physical prototype system was developed and the operation experiment was carried out. After the operator completed the maintenance work, the anti-falling rope device was removed and returned to the ground. The completion of the hanging and dismantling operation of the anti-fall protection rope can not only ensure the safety of the staff but also improve the work efficiency, which has huge economic benefits for the electric power enterprise.

power tower; climbing robot; mechanical system; physical prototype

江維（1983-），男，講師，博士研究生，研究方向：電力作業機器人.

國網湖南省電力有限公司科技項目（5216AJ20000V）.

TP242.2

A

2095－414X(2021)06－0054－06