李紅衛(wèi)，趙世平，陸小龍

LI Hong-wei, ZHAO Shi-ping, LU Xiao-long

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

目前，采用高壓和超高壓架空電力線路進行電力輸送是遠距離輸送電力的主要方式[1]。電力鐵塔及電力線長期顯露在野外，分布地點多，絕大部分遠離城鎮(zhèn)，所處地形復雜，自然環(huán)境惡劣，因受到持續(xù)的機械張力、風吹日曬、材料老化等的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)斷股、磨損、腐蝕、螺絲松動等問題。因自然原因或人為破壞造成的微小損壞或缺陷，都可能擴大，最終導致嚴重的事故[2]。因此，對電力輸電設備的日常巡檢與維護是有效保障輸電設備安全、可靠輸送電力的基礎工作。

傳統(tǒng)的巡檢方法普遍采用的是人工巡檢、手工記錄的工作方式，需要工作人員逐塔巡視。這種方法費時費力，而且受惡劣的自然環(huán)境影響，工作條件艱苦、巡檢周期長、效率低，同時，人工攀爬鐵塔及上線檢測對工作人員存在安全隱患[3]。因此，急需開發(fā)可以替代或部分替代電力工人日常巡檢作業(yè)的新型設備。

隨著機器人技術的發(fā)展，電力特種機器人成為特種機器人領域的一個研究熱點。但目前對電力特種機器人的研發(fā)熱點基本上都是針對電力線巡檢的巡線機器人，國內(nèi)外已經(jīng)先后成功研發(fā)出一些巡線機器人，并在進一步的投入人力物力進行巡線機器人的研發(fā)工作。然而用于巡檢與維護電力鐵塔的機器人還未多見到相關的研究與報道。

因此，研究和開發(fā)用于攀爬電力鐵塔的巡檢機器人是很有必要的。研制攀爬電力鐵塔的機器人的意義在于能夠代替人工巡檢、提高效率和檢測精度、降低成本等，長遠來看，當攀爬電力鐵塔機器人技術達到一定程度，它還可以負載巡線機器人自主上線，甚至集攀爬鐵塔與上線巡線于一身，實現(xiàn)電力巡檢的全面自動化。

1 攀爬電力鐵塔機器人的研究現(xiàn)狀

1.1 攀爬電力鐵塔機器人爬行機構分類

到目前為止，國內(nèi)外設計的可以在電力鐵塔空間桁架上爬行的機器人主要有以下幾種爬行機構：電磁吸附式攀爬機構、步進式攀爬機構、蠕動跨越式移動機構。

1.2 電磁吸附式攀爬機構

英國威爾士班戈大學（University of Wales，Bangor）設計的一種電磁吸附式的攀爬電力鐵塔機器人方案，如圖1(a)(b)所示[4]。該機器人由三部分組成：中部、頭部和尾部。其中，中部具有旋轉(zhuǎn)機構，可以作轉(zhuǎn)向運動。頭部與尾部分別用導向桿與中部連接，在齒輪齒條的帶動下可以分別相對于中部作伸縮運動。三部分都有各自的電磁吸附裝置，同一時刻有兩部分吸附，另一部分運動。其運動方式如圖1(c)所示。但是由于該機器人沒有垂直于前進方向的自由度，電磁鐵部分又沒有抬升機構，該機器人只能在平坦的表面上移動，不具有越障功能。

圖1 班戈大學的攀爬電力鐵塔機器人

以色列艾瑞爾中心大學（Ariel University Center）的K&CG實驗室（Kinematics &Computational Geometry multidisciplinary laboratory）研制的電磁吸附式爬鐵塔機器人如圖2所示[5]，采用連桿結(jié)構形式，共有八個自由度，具有越障功能。

圖2 艾瑞爾中心大學的爬鐵塔機器人

1.3 步進式攀爬機構

西班牙馬德里的卡洛斯三世大學研制的ROMA攀爬機器人[6]就是一款典型的擁有步進式攀爬機構的3D復雜梁架環(huán)境攀爬機器人如圖3所示。

圖3 ROMA攀爬機器人

該機器人是根據(jù)蠕蟲移動的運動學原理而設計的，主要包括三部分如圖3所示：

1）機器人的主體。包括CPU，伺服多軸控制板，一個伺服發(fā)動機放大器（驅(qū)動器），電池，與地面操作系統(tǒng)通信的無線電波以太網(wǎng)，和輔助性的電子學，如多路技術系統(tǒng)；

2）運動系統(tǒng)由裝在機器人本體上的兩只爪子組成，實現(xiàn)其與要攀爬對象的攀附和分離，它們由交流電機和諧波驅(qū)動減速器驅(qū)動，這使得機器人能夠沿著復雜結(jié)構做3D運動；

3）傳感器平臺主要基于攝像機和激光測距儀，用來進行檢測操作和機器人導航。

該機器人共有八個自由度，四個用來控制兩爪子的運動和方向，兩個用來張開和閉合爪子，一個控制爪子的旋轉(zhuǎn)，一個用來延伸本體，它既可以沿著梁或桁架做1D運動(圖4.b)，也可以在兩個呈一定角度的位面間做2D運動 (圖4.c和4.d)，還可以實現(xiàn)在復雜環(huán)境中從一個平面到其他平面的3D運動 (圖4.e)。1D環(huán)境中挪動時，機器人的前爪抬起，本體伸長后前爪再抓緊，然后后爪抬起，本體收縮后后爪再抓緊；2D運動是在1D運動的基礎上增加本體和爪子的抬升和方向運動而實現(xiàn)的；復雜的3D運動時則是由全部的單獨運動配合來實現(xiàn)，包括爪子的旋轉(zhuǎn)運動。

該機器人有非常巧妙的運動機構，允許其在復雜環(huán)境中做各種運動和自由行走，并且安全級別較高。但它的運行環(huán)境仍然比較規(guī)則，通常為梁或柱結(jié)構的組合，仍很難適應電力鐵塔的角鋼結(jié)構；并且采用兩爪結(jié)構，對旋轉(zhuǎn)電機的要求很高，機器人整體移動速度太慢，無法在實際中的鐵塔檢測任務中使用。

1.4 蠕動跨越式移動機構

國內(nèi)在這方面的研究還極少,由哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制的管外移動機器人[7,8]采用蠕動跨越式移動機構，可以實現(xiàn)在1D、2D梁架環(huán)境下做各種運動。

該機器人具有很好的越障功能，可越過凸臺等障礙，也可用于2D環(huán)境如L型或T型管道的檢測。如圖5.a所示，機器人機構由手爪(1、2)、轉(zhuǎn)動關節(jié)(3、4)和移動關節(jié)(5)所組成。機器人每個關節(jié)都由一個電機通過減速裝置驅(qū)動，手爪采用對稱形結(jié)構。

直線行走時(設向左走)，如圖5.b所示，一個手爪(2)抓緊，手爪(1)松開后驅(qū)動移動關節(jié)(5)；之后手爪(1)抓緊管道，手爪(2)松開后驅(qū)動移動關節(jié)(5), 就前進一步；重夏上述過程即可實現(xiàn)直線運動。遇到凸臺時，如(圖5.c)所示，手爪(1)握住管道，松開手爪(2)，驅(qū)動關節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動關節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)180o，使手爪(2)握住管道；再令手爪(2)抓緊手爪(1)松開，驅(qū)動關節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動關節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)180o，使手爪(1)抓住管道即實現(xiàn)越過凸臺。遇到型L、T型管道時，如(圖(5).d)所示，手爪(1)握住管道，松開手爪(2)，驅(qū)動關節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)的同時驅(qū)動關節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)所需角度，讓手爪(2)抓緊豎直管道；再松開手爪(1)，驅(qū)動關節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)的同時驅(qū)動關節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)所需角度，使手爪(1)抓住管道即完成翻越。

該種機器人具備越障能力，但對鐵塔鋼架的適應能力、承載能力較差，同時只能在1D和2D環(huán)境中應用，在鐵塔的復雜3D環(huán)境中難以應用。

2 攀爬電力鐵塔機器人爬行方案設計[9]

在充分調(diào)研國內(nèi)外攀爬電力鐵塔機器人爬行機構發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，通過借鑒他們比較成熟的機構，我們已經(jīng)成功設計、裝配出了3代不同攀爬原理的攀爬電力鐵塔機器人物理樣機，并在試驗鐵塔上取得了成功，達到了預期目標。結(jié)合這三代物理樣機在試驗過程中出現(xiàn)的問題，在進一步分析國內(nèi)外攀爬電力鐵塔機器人本體結(jié)構特點并結(jié)合實際的基礎上，提出了以下兩種設計方案。

2.1 攀援式攀爬機構

攀援式攀爬機器人像肢節(jié)動物一樣，有可以靈活運用的手，能用四只爪子抓牢鋼架，像黑猩猩那樣去攀爬鐵塔。

圖6 攀援式攀爬機構

該類人機器人沒有任何用于把其本體固定于鐵塔上的特殊結(jié)構，而是像人一樣用爪子把其自身固定在鐵塔上。該機器人有16個自由度，四只手臂，手臂末端各安裝一V型爪子，當其中的三個爪子抓緊鐵塔鋼架的時候，另外一只手臂做伸縮運動探找新的著腳點，四只手臂依序交替運動，從而實現(xiàn)機器人本體的運動。該機器人攀爬電力鐵塔的步態(tài)如下(如圖6所示)：

1）上部的兩只爪子抓住上面對稱的兩個鋼架，同理下部也是如此。機器人可以牢固的將自己固定在鐵塔上。

2）釋放上部的其中一只爪子去抓取另一只鋼架。

3）釋放上部的另外一只爪子抓取對稱的鋼架。

4）下部的兩只爪子同樣以上部兩只爪子的運動方式進行運動。

5）四只手臂同時運動實現(xiàn)本體的移動。

2.2 仿人手臂攀爬機構

結(jié)合樹獺、黑猩猩和尺蠖攀爬的仿生學原理，設計出串聯(lián)的包括七個節(jié)點單元和兩端各有一雙“V”字型爪子的仿人手臂攀爬電力鐵塔機器人如圖7所示。

圖7 仿人手臂攀爬機構

該機器人結(jié)構近乎對稱，連桿3、4、5、6由金屬制圓筒構成，且分別有一旋轉(zhuǎn)接點7、8、9、10，這四個旋轉(zhuǎn)接點將金屬圓筒分為兩部分，內(nèi)置在圓筒中接點處的電機作用使兩部分在節(jié)點處可實現(xiàn)任意角度相對旋轉(zhuǎn)運動。轉(zhuǎn)動關節(jié)11、12、13也有電機作用使兩個連桿在0—330角度范圍內(nèi)做相對旋轉(zhuǎn)動作。我們知道一個控制結(jié)構如果有六個自由度就可以到達其在三維空間的任何地方，該攀爬機構共有七個旋轉(zhuǎn)節(jié)點單元，九個自由度，原理上可以接觸到電力鐵塔的任何部位，較好的實現(xiàn)越障功能，實現(xiàn)全面、詳細檢測。針對L型鐵塔鋼架結(jié)構設計雙“V”字型爪子1、2，這在設計上是一個難點，必須保證爪子牢固地抓緊鐵塔的鋼架結(jié)構并保持機器人的平衡。機器人由此七個連接單元和兩個爪子單元組成，模塊化的構成不但會減少設計、制造和維修的成本，而且我們可以容易的由這些連接單元組成具有任意數(shù)量自由度和其他結(jié)構的機器人。

3 攀爬電力鐵塔機器人爬行方案的確定

由以上設計的兩種爬行機構可知，攀援式攀爬機構有16個自由度，四只手臂有三只總是同時固定，可以保證本體的穩(wěn)定性，具備越障能力，對鐵塔鋼架的承載能力較強。仿人手臂攀爬機構靈巧度高，他的移動爪子可以接觸到3D工作空間的任何機構，允許其在復雜環(huán)境中做各種運動和自由行走，可以滿足攀爬和操作功能；緊密性好，緊湊嬌小的結(jié)構對于避免機器人和環(huán)境之間的碰撞是有好處的；重量輕。

比較兩種爬行機構知攀援式攀爬機構其體積大，對四只手臂的協(xié)調(diào)性要求較高，對鐵塔鋼架的適應能力較差，同時復雜的鐵塔鋼架結(jié)構使其路徑規(guī)劃和控制系統(tǒng)設計都較為復雜，同時在靈巧度及輕重量方面都不如仿人手臂攀爬機構。所以，確定仿人手臂攀爬機構為最終方案。

4 攀爬電力鐵塔機器人基于 SolidWorks的三維實體建模和基于ADAMS的虛擬仿真

在確定了攀爬電力鐵塔機器人整體方案的前提下，在SolidWorks平臺上進行了零件圖、子裝配圖、總裝圖的仿真設計與裝配，建立起了設計方案的三維實體模型，然后，將其導入ADAMS軟件中，進一步建立起虛擬樣機仿真模型，并對虛擬樣機進行了運動學及動力學方面的仿真與分析。仿真結(jié)果顯示，該攀爬機器人能很好的完成攀爬越障動作，運行穩(wěn)定，證明了該設計方案的可行性。

5 結(jié)論

以上通過分析、比較幾種爬行結(jié)構，結(jié)合攀爬電力鐵塔機器人的性能要求及工作環(huán)境確定了一種攀爬電力鐵塔機器人的爬行方案。通過在SolidWorks平臺上的三維建模，在ADAMS軟件中的虛擬仿真，驗證了設計方案的可行性。攀爬電力鐵塔機器人是一個復雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及到機構、控制、通信、定位系統(tǒng)、可動平臺上傳感器的融合、電源等多個領域。爬行方案的確定，是該項目研制的基礎。從樣機的試制，以至達到實用化的目標，仍需做大量的研究工作。

[1]陳中偉,肖華,吳功平.高壓巡線機器人電磁傳感器導航方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(9)：33-35.

[2]張運楚,梁自澤,譚民.架空電力線路巡線機器人的研究綜述[J].機器人,2004,26(5)：467-473.

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[5]http：//www.ariel.ac.il/projects/kcg/index.php/climbing-robot.

[6]C.Balaguer,A.Giménez,J.M.Pastor,V.M.Padrón,M.Abderrahim.A Climbing Autonomous Robot for Inspection Application in 3D Complex Environments[J].Robotica.2000. Vol.18.P.287-297.

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[8]安永植,姜國超.管外移動機器人機構的研究[J].機器人.1994,16(5)：275-280,285.

[9]龔振邦,汪勤愨,陳振華等.機器人機械設計[M].北京：電子工業(yè)出版社,1995.