一種架空輸電線路爬塔機器人及其上下桿塔方法

國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司 毛 盾 鄒德華 劉蘭蘭 李 鵬 許文韜 喬明明

超特高壓輸電線路的檢修和運行維護關系著電網供電的可靠性，電力鐵塔的呼高越來越高，部分已達70米以上，人工爬鐵塔體力消耗大，從而作業危險性增高，有必要通過機器人輔助高空作業人員完成爬塔工作。上世紀90年代西班牙、以色列、英國等國及國內部分大學開展了爬塔機器人項目的研究，這些機器人按運動方式可大致分為夾持式、吸附式和蠕動式，國外研發的電磁式吸附鐵塔機器人和國內研發的具有機械臂和夾持爪的夾持式機器人在實際應用中都取得了較好的效果。這些機器人具有自由度高、靈活性好、能適應多種鐵塔或桿塔環境的優點，但也有結構復雜、成本高、活動空間大、保養維護不方便等缺點[1]。

1 爬塔機器人的運行環境描述

輸電線路鐵塔按形狀一般分為酒杯型、貓頭型、上字型、干字型和桶型五種，按用途分有耐張塔、直線塔、轉角塔、換位塔（更換導線相位位置塔）、終端塔和跨越塔等。整個鐵塔主要由塔頭、塔身和塔腿三大部分組成，酒杯型塔或貓頭型塔頸部以上為塔頭部分，一般將與基礎連接的那段桁架稱為塔腿，兩者之間的稱為塔身[2]。

輸電線路的鐵塔普遍較高，工作人員在攀登鐵塔作業過程若沒有有效的裝置保護，時時存在著高出墜落的危險，Q/GDW 1799.2-2013《國家電網公司電力安全工作規程線路部分》中明確規定：鋼管桿塔、30m以上桿塔和220kV及以上線路桿塔宜設置工作人員上下桿塔和桿塔水平移動的防墜安全保護裝置。目前普遍使用的安全保護裝置為軌道式攀登鐵塔防墜落裝置，但其存在一些缺點：軌道銹蝕出現卡阻、防墜軌道模塊廠家型號不統一、防墜軌道因安裝工藝不到位常出現錯位現象，對登高作業人員爬塔安全帶來一定的危險[3]。

2 爬塔機器人的結構設計

通過對作業任務的需求分析，本文所設計機器人需基本滿足上下攀爬功能、自鎖防墜功能和攜物提升功能。爬塔機器人整體結構根據功能需求劃分為基座設計、傳動設計和防墜設計三部分組成，機器人的機械本體由防墜器、防墜牽繩卡、主推桿、微型推桿、電源、固定器、擺桿支撐座、上提桁架、下推桁架、穩定扣、拉簧扣、止推桿和電磁剎車扣組成。按照日常檢修任務來劃分，機器人的工作模式主要分為上升模式、載人載物模式和下降模式，整個流程的走完才能算做一次工作任務的完成。

圖1 機器人的整體結構圖

爬塔機器人的基座由固定器、電池盒、芯片盒、止推桿、壓緊螺栓、拉簧扣、穩定扣、萬向頭、8個側部滑輪及2個頂部滾輪聯接構成，基座的主要作用是為傳動裝置和防墜裝置提供一個可聯接且能穩固的基座，同時可將整個機械裝置通過基座上的固定器扣在防墜導軌上。機械的基座由上下兩部分組成、依靠壓緊螺栓連接，壓緊螺栓可繞內部軸旋轉，具有一個自由度。下半部分基座中的固定器內置了芯片盒用來放置控制整個機械裝置的STM15的單片機，固定器內部放置了側部滑輪和頂部滾輪使整個裝置減少了摩擦力，能在防墜導軌上滑動。

在上固定器和下固定器之間使用一個由兩個三接頭組成的萬向頭進行一個軟連接，萬向頭有上下和前后兩個自由度。萬向頭和壓緊螺栓一起實現了機器人在遇到導軌錯位或導軌小彎曲的情況下能沿軌道轉彎而不被卡住的功能。基座的上半部分的止推桿、拉簧扣、穩定器三個結構共同實現控制上提桁架傾斜角度的功能，通過控制上提桁架的角度來調節機械裝置上半部分的運動狀態。機器人的基座是整個機器人的骨架，基座聯接著傳動和防墜兩個設計模塊，機器人要實現的功能都需要在這骨架上操作。

本文設計的機器人傳動裝置由4個電機和4個200N的主推桿結合的液壓式電動推桿以及上提桁架和下推桁架組成，廉價且有效的解決了機器人在攀爬鐵塔時抓取不牢固的問題。由于鐵塔的防墜導軌便面比較光滑，機器人在攀附在鐵塔上運動上爬時需要“抓”住導軌，如果采用機械臂抓住導軌或者用電磁鐵吸附在導軌這幾種方案，這無疑增加了設計的成本。

上下兩個桁架的在軌道上運行時受推桿的推力或拉力作用下會產生兩種方向不同的傾斜角。由于傾斜方向的不同，桁架底部與導軌的接觸的點也不一樣，并且金屬材料的接觸面會在潮濕的環境下容易打滑，所以在設計中人為的將桁架的A面變的粗糙而B面打磨光滑。桁架當A面接觸到導軌時處于卡死狀態，在B面接觸到導軌時處于移動狀態。上下兩個桁架在推桿推動或者縮回兩種工作方式下只會一個卡死，另一個可移動，且隨著推桿的工作方式交替改變兩個桁架的狀態也會相互交替轉換。機器人的傳動設計是機器人的四肢，傳動設計的穩定性的好壞決定著機器人爬升的速度和安全。

機器人的工作任務除了攀爬鐵塔之外，還需要攜帶檢修物資或者設備上塔。機器人的防墜裝置設計由微型推桿、防墜牽繩卡、彈力扣和電磁剎車扣組成。為了提高機械裝置防墜功能的可靠性，需要配置兩種不同的防墜方法，一種是依靠機械裝置設計的載物自鎖防墜，另一種是在機器人下降時防止它自由降落的電磁剎車防墜。微型推桿與防墜牽繩卡之間用推桿固定軸連接，通過微型推桿控制防墜牽繩卡的旋轉角度。防墜牽繩卡的頂部有牽繩拉環，底部有一段鋸齒邊緣。

牽繩拉環套著牽引繩實現載物的功能。牽繩拉環在載物時，拉動整個防墜牽繩卡的下部鋸齒邊緣與導軌接觸，隨著拉力的增大，使得鋸齒邊緣與導軌之間形成的摩擦力增大，實現自鎖防墜的功能。電磁剎車扣內的電磁鐵在通電后吸附在軌道表面，實現下降時的剎車防墜。通過兩種防墜，增加了機器運作時的安全可靠性。防墜裝置的設計有效的解決了物品上下塔的安全問題，保證了物資上下塔的安全性也為檢修人員節約了體力，方便了檢修的工作。

機器人全身材料采用鋁結構，除了價格便宜和整體有較強的硬度等優點之外還可適當的減輕機身的重量，其重量與其他類型的爬塔機器人相比僅有5公斤左右。除了機身的鋁結構外，整個機身還配備了4個液壓式200N電動推桿和電池。每個電動推桿自帶一個電機，電動推桿材質使用鋁合金和鋅合金，電動推桿的電機采用的有刷直流電機，可接12V的直流電壓，輸出5V的電流，額定功率36W～60W,工作時能耐受-25～+75℃的外部溫度。推桿內部兩頭各有一個行程限位開關，伸縮桿運行到底或者到頂后都會自動斷電，保護電機達到行程時不會空轉而燒機。

推桿工作時無信號輸出，無法旋轉，無法知道伸出的尺寸，但在任意位置且切斷電源運動都會停止，斷電后因推桿內部具有自鎖所以不會出現斷電下滑。機械裝置內部配備了12V的電池，電池可供機器人空載爬升3小時。機器人爬升運動速度為6～8m/min,裝置的最大荷載重量20kg，在最大負載狀態下可持續工作1h。機械裝置的整體性能基本滿足日常檢修維護工作的要求。

3 爬塔機器人的工作模式

機器人的工作模式主要分為三種，按照日常檢修任務來劃分，分別是上升模式、載人載物模式和下降模式。整個流程的走完才能算做一次工作任務的完成。

在上升模式中，機器人的4個推桿是同時推動和同縮回的。當它放置在防墜導軌上時，通過上下推桿同時推動上下桁架，下推桁架在推動過程中受到推桿向下的力處于卡死狀態，上提桁架在推動過程中受到向上的推力處于移動狀態，此時整個推動過程中由于下推桁架卡死不動、上提桁架可以移動，整個爬塔機器人以下推桁架為固定支點帶動整個機械上爬。

當推桿推到一定的限度時，整個裝置進入縮回狀態。此時下推桁架受到推桿的向上的拉力改變為移動狀態，上提桁架受到推桿向下的拉力改變為卡死狀態。此時整個拉過程中由于下推桁架可以移動，上提桁架卡死不動，整個機器人以上提桁架為固定支點，通過推桿的拉縮從而帶動整個機械上爬。因桁架要進入卡死狀態須有傾斜角度，如主推桿完全收回、桁架會垂直于導軌平面，所以主推桿不能完全縮回。機械裝置的持續爬升是依靠主推桿不斷進入推拉的循環過程而實現的。

在載人載物模式中，當機器人爬升到指定的高度后需完成載物的工作任務，在進行大重量載物過程中，需有防墜功能來保護工作人員的生命安全和公司的物資財產。機械進入自鎖防墜模式，需下方工作人員通過遙控器控制機械裝置中的微型推桿推動防墜牽繩卡繞微型推桿固定軸旋轉，使得防墜牽繩卡下方的鋸齒狀接觸面充分與導軌進行接觸，產生一種能防止機械墜落的摩擦力。與此同時，攜帶的人或物在限定范圍內的重量加大，會使得防墜牽繩卡底部的鋸齒狀接觸面對導軌的壓力增加，進而摩擦力也增加，機械也能自適應于攜帶物體重量的加大。

在下降模式中，當機器人在鐵塔上完成工作任務后機器人進入下降模式。在下降模式中機器人的電池對電磁鐵放電，電磁鐵通電后有一定的磁力吸附在導軌上，整個裝置在磁力的作用下產生向上的摩擦力克服了自身向下的重力，同時完全收回四根主推桿和微型推桿，并合上防墜牽繩卡的彈力扣。防墜牽繩卡的彈力扣主要是為了在人工拉動牽引繩下降時能卡住牽繩卡不使它旋轉，從而避免裝置進入自鎖狀態。此時上下推桁架均無傾斜角度可以移動，機械裝置完成相應的操作后，下方工作人員拉動牽引繩，在外力的作用下拉動整個機械裝置從防墜導軌上下降。

機器人現場試驗整體流程：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；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；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；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。

4 結語

通過實際作業試驗，驗證了所研制的爬塔機器人能夠實現預期各項功能：

沿軌道爬升和下降功能：通過對主推桿的遠程遙控，可實現機器人在鐵塔軌道上的正常爬升和下降的作業功能。試驗作業過程中可越過導軌上的腳釘的螺母，同時能規避鐵塔上面聯接的角鋼、障礙和角鋼上的缺陷。當遇到彎曲的導軌時，也可順利依靠萬向頭和壓緊螺栓的旋轉實現轉彎，能適應角鋼表面的誤差和形變，關鍵動作也滿足設計上的要求；防墜功能：機器人的電磁鐵可牢固吸附在導軌表面。防墜牽引繩的鋸齒邊緣也可適應載物重量的加大。兩種防墜同時開啟后能承受80kg左右的沖擊，實現了機器人的防墜功能，保證了工作人員的生命安全和設備的財產安全。

載物功能：機器人通過牽引繩可以勻速、穩定的將試驗物品搭上指定位置。整個載物上升和下降過程沒有出現牽引繩晃蕩、機器人固定不牢及機器人運動頓挫的現象。實現了機器人的在鐵塔軌道上的載物功能；上下塔功能：在實際攀爬作業試驗中，可通過塔上人員和塔下人員配合實現機器人的上下塔功能；人－機交互操作功能：機器人與地面通過遙控器采用無線遙控進行通信，通信信號穩定、控制可靠。當機器人攀爬至頂后也能可靠地進行遙控，實際效果滿足機器人的控制要求。