張屹 韓俊 張虎 楊龍 陳柳春

(三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

據(jù)國家電網(wǎng)部門的統(tǒng)計,截止2009年底,我國現(xiàn)有110(66)kV及以上高壓輸電線路約計553382 km,輸電鐵塔數(shù)量保守估計有180萬架,并且還在迅速增多,數(shù)量巨大,許多鐵塔需要檢測維護(hù).目前,輸電鐵塔和高壓線的檢修以及高壓輸電線路除冰機(jī)器人和巡線機(jī)器人等維護(hù)設(shè)備的安裝都是人工爬塔操作,加上近年來地震、雪災(zāi)、洪水、臺風(fēng)等突發(fā)災(zāi)害越來越多,使更多鐵塔遭到破壞,其中很多鐵塔存在潛在的危險,不及時檢修,就可能造成鐵塔倒塌,甚至人員傷亡,給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來嚴(yán)重影響,輸電鐵塔的安全檢測和維修十分重要.

目前,國內(nèi)市場尚未見輸電鐵塔安全檢測機(jī)器人,鐵塔的安全檢測有兩種方式:一是線路維護(hù)人員定期人工爬塔檢測[1],其檢測速度慢、效率低、帶電檢測危險大,并且不能完全排除安全隱患;二是安全監(jiān)控防盜系統(tǒng)實時監(jiān)控[2],雖然準(zhǔn)確性較高,但是其監(jiān)控系統(tǒng)本身穩(wěn)定性值得懷疑,且系統(tǒng)難以維護(hù),成本較高,只適合特高壓輸電線路,難以普及所有電網(wǎng).因此研發(fā)一種安全、高效、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的輸電鐵塔安全檢測機(jī)器人,代替人工定期檢測和監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控具有較好的應(yīng)用前景和市場價值.

1 輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機(jī)器人的機(jī)構(gòu)介紹

輸電鐵塔一般采用角鋼設(shè)計制作,鐵塔主體由4根豎立主角鋼以及連接主角鋼的其他角鋼構(gòu)成.在安全檢測時,只需要對輸電鐵塔上應(yīng)力集中的薄弱結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行檢測,以達(dá)到高效準(zhǔn)確[3].本文設(shè)計的新型實用輸電鐵塔安全檢測機(jī)器人,采用尺蠖行走的仿生學(xué)原理攀爬,具備的功能有:(1)行走越障裝置在主桿上自主上下行走;(2)行走越障裝置抓緊輸電鐵塔的主桿;(3)行走越障裝置感知并翻越障礙物;(4)檢測設(shè)備沿角鋼平穩(wěn)移動;(5)檢測設(shè)備檢測角鋼上的裂紋或斷裂等缺陷.

本文設(shè)計的輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機(jī)器人由行走越障裝置和檢測裝置兩大部分組成,其中行走越障裝置由主伸縮機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、抓手伸縮機(jī)構(gòu)、越障觸發(fā)傳感器4部分組成,檢測裝置由牽引機(jī)構(gòu)和檢測設(shè)備兩部分組成.檢測裝置設(shè)于兩個行走越障裝置之間,檢測裝置的牽引線兩端與固定在行走越障裝置外殼上的牽引機(jī)構(gòu)連接.利用行走越障裝置在輸電鐵塔主桿上自主上下行走來完成攀爬動作,利用檢測裝置沿角鋼移動檢測其是否存在銹蝕、裂紋、斷裂等情況,判斷輸電鐵塔的安全性.

機(jī)器人的部分設(shè)計參數(shù)如下:各機(jī)構(gòu)處于完全伸長狀態(tài)時,行走越障裝置體積為800mm×120 mm×300mm(長×寬×高);各機(jī)構(gòu)處于完全收縮狀態(tài)時,行走越障裝置體積為630mm×120mm×245 mm(長×寬×高);機(jī)器人總重量約為10 kg;行走越障裝置平穩(wěn)爬行速度約為0.48 m/min,檢測設(shè)備穩(wěn)定檢測速度約為2.5m/min,機(jī)器人的整體圖如圖1所示.

圖1 機(jī)器人工作示意圖

1.1 行走越障裝置

行走越障裝置由主伸縮機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、抓手伸縮機(jī)構(gòu)、越障觸發(fā)傳感器4部分組成,如圖2～3所示.

(1)主伸縮機(jī)構(gòu).主伸縮機(jī)構(gòu)5由電機(jī)、齒輪組、主螺紋桿、主導(dǎo)向套筒、主套筒、主導(dǎo)向鍵構(gòu)成,電機(jī)的輸出軸與齒輪組連接,主螺紋桿11一端穿過箱體15與主齒輪組10鍵連接,主螺紋桿11另一端與帶有內(nèi)螺紋的主套筒14螺紋連接,主螺紋桿11外面套有主導(dǎo)向套筒12,主導(dǎo)向套筒12與主套筒14通過主導(dǎo)向鍵13連接.電機(jī)通過主齒輪組10帶動主螺紋桿11轉(zhuǎn)動,通過主螺紋桿11與主套筒14內(nèi)螺紋之間的相對移動實現(xiàn)伸縮功能,完成行走越障裝置的行走動作.

(2)夾緊機(jī)構(gòu).夾緊機(jī)構(gòu)7由夾板、連接桿、電磁鐵構(gòu)成,夾板22一端與箱體14連接,連接桿23一端與夾板22連接,連接桿23另一端與抓手伸縮機(jī)構(gòu)9的套筒18下端連接,電磁鐵24安裝在套筒18的下端夾緊板上.這樣設(shè)計夾緊機(jī)構(gòu),使該機(jī)器人能根據(jù)角鋼的外形將其牢固夾緊在夾板內(nèi),可靠性強(qiáng).在抓緊的同時,電磁鐵24通電緊緊吸附在角鋼上,使機(jī)器人的夾緊力進(jìn)一步增大,保證穩(wěn)定抓緊.

(3)抓手伸縮機(jī)構(gòu).抓手伸縮機(jī)構(gòu)采用和主伸縮機(jī)構(gòu)同樣的原理實現(xiàn)伸縮動作.抓手伸縮機(jī)構(gòu)9由電機(jī)、齒輪組、螺紋桿、導(dǎo)向套筒、套筒、導(dǎo)向鍵構(gòu)成,電機(jī)21的輸出軸與齒輪組20連接,螺紋桿16一端穿過箱體14與齒輪組20連接,螺紋桿16另一端與帶有內(nèi)螺紋的套筒18螺紋連接,螺紋桿16外套有導(dǎo)向套筒19,導(dǎo)向套筒19與套筒18通過導(dǎo)向鍵17連接.利用抓手伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮帶動夾緊機(jī)構(gòu)松開或夾緊,簡化了結(jié)構(gòu),節(jié)約了能源.

(4)越障觸發(fā)傳感器.在主角鋼上有類似螺栓、連接板、攀爬桿等障礙物存在.機(jī)器人必須能準(zhǔn)確檢測到抓手伸縮機(jī)構(gòu)貼近角鋼進(jìn)行抓緊的過程中是否碰到障礙物,并確定下一步動作.越障觸發(fā)傳感器安裝在夾板22和套筒18的下端夾緊板上,采用紅外線距離傳感原理.在機(jī)械手進(jìn)行抓緊的過程中,如果感知到障礙物的存在,抓手伸縮機(jī)構(gòu)的電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),使夾緊機(jī)構(gòu)恢復(fù)松開狀態(tài),主伸縮機(jī)構(gòu)的電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),機(jī)械手向后收縮設(shè)定的距離再次進(jìn)行抓緊,反復(fù)動作直到順利抓緊為止,然后另一機(jī)械手開始動作,實現(xiàn)越障功能.

1.2 檢測裝置

根據(jù)輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文采用檢測設(shè)備沿角鋼伸長方向移動進(jìn)行檢測.檢測裝置由牽引機(jī)構(gòu)和檢測設(shè)備兩部分組成.

(1)牽引機(jī)構(gòu).為了實現(xiàn)檢測設(shè)備能沿角鋼伸長方向平穩(wěn)移動進(jìn)行檢測,采用繩索牽引的方式牽引檢測設(shè)備.根據(jù)行走越障裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),決定在機(jī)械手的外殼上固定安裝牽引機(jī)構(gòu)8.牽引機(jī)構(gòu)8由電機(jī)、卷筒、牽引孔和牽引線組成.通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動,帶動牽引線4上的檢測設(shè)備3沿角鋼伸長方向平穩(wěn)移動,實現(xiàn)對角鋼的安全檢測.在檢測時,牽引繩的方向并不與卷筒徑向垂直,設(shè)置牽引孔,是為了保證卷筒始終只承受徑向拉力,確保電機(jī)旋轉(zhuǎn)順暢,其他方向的拉力由牽引孔承受.在行走部分上下攀爬時,牽引繩處于松弛狀態(tài),方便機(jī)器人行走.

(2)檢測設(shè)備.機(jī)器人的行走越障裝置定點(diǎn)抓緊后,牽引機(jī)構(gòu)8的電機(jī)旋轉(zhuǎn),使?fàn)恳K沿角鋼方向拉直繃緊,檢測設(shè)備開始對角鋼進(jìn)行安全檢測.角鋼一般為銹蝕、裂紋、斷裂等形式的損壞.檢測設(shè)備采用模塊化設(shè)計,可以輕松更換,根據(jù)檢測的不同要求,可選擇超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測以及用CCD攝像頭記錄圖像等,擁有較寬的市場面.

2 輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機(jī)器人的運(yùn)動分析

2.1 Pro/E仿真模擬和慧魚模型制作

通過Pro/E仿真模擬和慧魚模型制作試驗,證實該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能,該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計可行,如圖6～7所示.

2.2 行走越障裝置的行走越障過程

機(jī)器人的行走越障動作是由兩個同樣的行走越障裝置2、2′完成的,所以行走越障裝置2、2′的行走越障原理一樣.本文僅對行走越障裝置2的行走越障過程(如圖8所示)作詳細(xì)介紹.

圖8 行走越障裝置的行走越障過程

第1步:啟動機(jī)械手6的電機(jī)21,通過齒輪組20帶動螺紋桿 16轉(zhuǎn)動,電磁鐵24斷電,使得套筒18向上移動,抓手伸縮機(jī)構(gòu)9向上收縮,同時聯(lián)動夾緊機(jī)構(gòu)7使夾板22松開.

第2步:抓手伸縮機(jī)構(gòu)9上升至上限位置時停止收縮,啟動主伸縮機(jī)構(gòu)5的電機(jī),通過主齒輪組10帶動主螺紋桿11轉(zhuǎn)動,使得主伸縮機(jī)構(gòu)5伸長,機(jī)械手6遠(yuǎn)離機(jī)械手6′.

第3步:主伸縮機(jī)構(gòu)5伸長到極限位置時停止伸長,抓手伸縮機(jī)構(gòu)9的電機(jī)21反向轉(zhuǎn)動,抓手伸縮機(jī)構(gòu)9向下伸出,聯(lián)動夾緊機(jī)構(gòu)7使夾板22夾緊角鋼,同時電磁鐵24通電,機(jī)械手6抓緊角鋼,完成行走越障裝置2的一次行走并越障過程.

再次行走時,控制機(jī)械手6′的抓手伸縮機(jī)構(gòu)9′收縮,再反向啟動主伸縮機(jī)構(gòu)5的電機(jī),通過主齒輪組10帶動主螺紋桿11轉(zhuǎn)動,使主伸縮機(jī)構(gòu)5收縮至極限位置并停止收縮,然后伸長抓手伸縮機(jī)構(gòu)9′,使機(jī)械手6′再次抓緊角鋼.如此循環(huán),實現(xiàn)機(jī)器人的行走越障動作.

2.3 檢測裝置的檢測過程

機(jī)器人開始工作時,先將兩行走越障裝置 2、2′分別放置在輸電鐵塔兩主桿1、1′上并將其抓緊.按上述行走越障過程控制兩行走越障裝置2、2′的行走越障動作,當(dāng)兩行走越障裝置2、2′行走至檢測設(shè)備3能實現(xiàn)檢測的特定位置時(如圖1所示),行走越障裝置2、2′停止行走并抓緊主桿 1、1′,檢測裝置開始工作,行走越障裝置2、2′上的牽引機(jī)構(gòu)8、8′的電機(jī)旋轉(zhuǎn),牽引線4沿角鋼伸長方向繃緊,再合理控制兩電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,牽引檢測設(shè)備3沿角鋼的伸長方向移動進(jìn)行安全檢測,并將檢測結(jié)果反饋給工作人員.檢測完成后,牽引機(jī)構(gòu)8、8′的電機(jī)旋轉(zhuǎn),牽引線4放松,兩行走越障裝置2、2′繼續(xù)行走到下個檢測位置定位,檢測設(shè)備3再進(jìn)行檢測,如此循環(huán),實現(xiàn)對輸電鐵塔角鋼的檢測.

3 機(jī)器人的創(chuàng)新點(diǎn)

(1)創(chuàng)新性:目前國內(nèi)尚未見采用機(jī)器人對輸電鐵塔、廣播電視信號發(fā)射塔等塔式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)檢測的先例;

(2)安全性:采用機(jī)器人檢測,避免了帶電高危環(huán)境下的人工爬塔作業(yè),減少了檢測工作的危險性,改善了檢測人員的工作環(huán)境;

(3)高效性:該機(jī)器人可以自主快速地行走和跨越障礙物,夠到達(dá)人工不便到達(dá)的地方,能進(jìn)行近距離、深度檢測,可發(fā)現(xiàn)輸電鐵塔一些潛在的問題,對事故的發(fā)生可以提前預(yù)知及預(yù)防;

(4)全面性:檢測設(shè)備采用模塊化設(shè)計,可根據(jù)檢測的不同要求,選擇超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測以及用CCD攝像頭記錄圖像等,擁有較寬的市場面;

(5)智能性:通過自動控制系統(tǒng)的控制以及檢測監(jiān)控終端的指揮,機(jī)器人能自主爬塔、越障,并完成各項檢測工作.

4 結(jié) 論

目前,國內(nèi)市場上尚未見類似對輸電鐵塔進(jìn)行安全檢測的機(jī)器人.本文設(shè)計的輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機(jī)器人,能很好地解決目前輸電鐵塔安全檢測存在的諸多問題.該機(jī)器人的檢測工作安全高效,可靠性強(qiáng),可帶電檢測,極大降低線路維護(hù)人員勞動強(qiáng)度;該機(jī)器人還具有結(jié)構(gòu)簡單可行、操作維修方便、適于推廣等優(yōu)點(diǎn),能不受周圍環(huán)境、天氣等因素的限制,隨時對輸電鐵塔進(jìn)行安全檢測.該機(jī)器人還可以用于信息通訊塔、廣播電視塔以及承受高負(fù)載的塔式工程機(jī)械等鋼結(jié)構(gòu)的安全檢測,具有廣泛的應(yīng)用前景和市場價值.

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