輸電拉線除銹機器人的設計與實現

楊蔚華, 徐山青, 余波明, 方子帆， 何孔德

(1.三峽大學機械與動力學院, 宜昌 443002； 2.三峽大學機器人與智能系統宜昌市重點實驗室, 宜昌 443002； 3.江蘇省電力有限公司檢修分公司, 淮安 223001)

拉線是輸電線路拉門塔的關鍵受力部位，其質量的好壞直接影響到輸電線路的安全穩定。因輸電線路一般要經過地形氣候多變的復雜地段，一些不利的環境和自然因素都會導致拉線發生銹蝕，銹蝕將使得拉線工作能力下降，影響桿塔安全運行，嚴重時還會造成斷線倒桿，導致停電大事故，給電網及地方經濟帶來損失，而頻繁調整或更換拉線會大大增加運維工作量，因此有必要對拉線進行定期除銹防護，但目前普遍采用手工或簡易工具進行除銹防護，效率低、勞動強度高、安全性差且效果不理想。到目前為止，國內外使用纜索涂裝的方法主要有兩種，一種是針對小型斜拉橋使用的液壓升降平臺進行纜索涂裝，另一種是利用預先裝在塔頂的吊點，用鋼絲拖動吊籃搭載工作人員沿纜索進行涂裝。前一種方法的工作范圍十分有限，后一種方法采用人工方式，不僅效率低、成本高，而且安全性較差。鑒于這種現狀，采用爬纜機器人搭載噴涂裝置對纜索進行自動涂裝將成為發展趨勢，因此要實現對拉線的自動除銹和噴漆，前提是要實現在拉線上的自動爬升，也就是需要對管線爬升技術和裝置進行研究。由文獻檢索可知，目前尚未見專用于在拉線上爬升的裝置，但與此類似的自動爬升裝置已早有研究，即爬桿機器人和爬纜機器人，國內外許多高校和科研院所進行了相關的研究，綜合起來，根據移動和貼附功能的實現方式不同，現有的爬升機器人可以分為多輪驅動移動式[1-2]、夾緊蠕動式[3]、螺旋爬升式[4]和多足攀爬式[5]。夾緊蠕動式利用了仿生學原理，如仿尺蠖、樹懶、人類攀爬，其特點是運動間歇式，爬升速度較慢，結構相對復雜，工作效率較低。螺旋爬升式靈活性強，具有較好的越障能力，但是爬行速度較慢，執行能力單一，各部件的配合及運動控制復雜。多足攀爬式擁有較為強大的運動能力，但其機械結構與控制方法都比較復雜，造價高，只能在連續的表面上進行攀爬，機動性能較差，不適合纜索類表面爬升。相對于以上三種形式，多輪驅動移動式的突出優點是爬升速度快、結構簡單、運行可靠性較高、控制較簡單。

與針對輸電線路桿塔的拉線進行除銹噴漆研究之密切相關的就是輸電線路巡線機器人。從國內外已取得的研究成果可以看出，輸電線路巡線機器人技術已較為成熟，有的已處于實用階段。例如：肖時雨等[6]基于仿生學原理模仿人爬樹的運動姿態，設計了一種新型四臂式巡檢機器人；Shruthi等[7]研制了一種雙臂多自由度輸電線路巡檢機器人，具備較強爬坡和越障能力；何緣[8]研制了高壓輸電線路穿越式巡檢機器人；王吉岱等[9]模仿長臂猿手臂的運動特點，提出了一種基于靈長類動物特征的三臂對稱分布式高壓輸電線路仿生機器人，解決了傳統巡檢機器人作業范圍小、不能跨越引流線等問題。

以上機器人都是在某一特定環境下實現其功能的，對于像拉線這種直徑較小、斜度大、且爬升距離較長的特殊對象就不能適應了。綜上，在多規格尺寸、大傾角和細長型的拉線上進行自動除銹防護的機器人目前還沒有現成的方案和產品，為此，在借鑒前人關于多輪驅動移動式爬升機器人和輸電線路巡檢機器人的研究成果的基礎上，現通過設計和創新，研發一種拉線防銹防護機器人，代替人工操作，進行高空作業，提高工作效率和質量，將具有廣闊的市場前景和較好的經濟效益。

1 輸電拉線除銹機器人的系統設計

針對輸電拉線銹蝕缺陷的工程實際問題，通過設計和創新，研發一種拉線除銹機器人，使之在不拆卸拉線的情況下對拉線進行自動除銹防護。考慮輸電線路野外現場作業條件和環境的限制，要求具有輕量化、便于攜帶、易操作和安全性好的特點，設計的具體技術要求如下。

(1) 覆蓋常用拉線規格的直徑范圍：8～20 mm。

(2)作業高度：0～20 m。

(3)移動速度：300 m/h，具有最大45°的爬坡能力，續航時間2 h。

(4)負載能力≥2 kg；本體質量<8 kg。

(5)能提供足夠的附著在拉線上夾持力，防止墜落。

(6)控制方式：采用遠程無線控制，遙控距離>100 m。

1.1 系統工作原理及組成

(1)輸電拉線除銹機器人基本工作原理。在驅動機構的帶動下，使整個機器人在線上行走，并在機器人上搭載除銹模塊和刷漆防護模塊，在上升和下降的過程中完成除銹、清掃和刷漆工作，實現“行走、除銹、清掃、刷漆”為一體的多功能需求。

(2)系統組成。整體系統主要包括機械本體系統和控制系統，基本架構如圖1所示，其中機械系統作為功能實現的根本，主要是由行走系統、壓緊調節系統、除銹系統及刷漆系統組成，而運動控制系統、無線遙控系統及電源系統歸屬于控制系統。

圖1 輸電拉線除銹機器人的系統架構Fig.1 System architecture of rust removal robot

1.2 機械系統本體設計

輸電拉線除銹機器人本體包括行走機構、壓緊調節機構、除銹機構以及刷漆機構等。行走機構和壓緊機構分別與機架相連，行走機構與壓緊機構相配合，形成上下鎖合的結構形式，完成與拉線的貼合，使得裝置在拉線上拆裝簡單快捷，且保證作業時的安全性和穩定性。

1.2.1 行走機構

要實現對拉線的自動除銹和噴漆，前提是要實現在拉線上的爬升和下行，采用輪式行走機構，結構如圖2所示，為防止單輪打滑對運動造成影響，并考慮機器在線上鎖緊的要求，行走機構采用雙凹槽輪懸掛式結構，擁有前后對稱布置的兩個行走輪。為簡化傳動鏈，行走輪采用帶減速器的直流無刷電機直接驅動。

拉線材質為鍍鋅鋼絞線，行走輪采用高分子尼龍橡膠材料，行走輪與拉線之間的滾動摩擦因數f為0.4，裝置總質量m為10 kg，拉線安裝傾角θ為45°，根據裝置的爬坡動力學原理進行分析，受力分析簡圖如圖3所示。

圖2 行走機構Fig.2 Walking mechanism

F為牽引力；Ff為摩擦阻力；G為裝置重力圖3 受力分析簡圖Fig.3 Diagram of force analysis

裝置以勻速運動的方式沿拉線爬升時作用于行走輪的牽引力F應為

F=mgsinθ+fmgcosθ

(1)

代入相應參數，根據式(1)得F=97.02 N。

行走驅動電機所需的輸出扭矩T為

T=1.5Fr

(2)

式(2)中：r為行走輪的回轉半徑，為26 mm。

行走驅動所需的功率Pw為

(3)

式(3)中：n為行走輪的轉速，r/min。由爬線線速度300 m/h和行走輪回轉半徑26 mm，經計算可得n為30 r/min。

行走驅動電機所需的功率P1為

(4)

式(4)中：K為安全系數，考慮超載或功耗波動等影響，取1.2；η為機械效率，取0.9。

代入相關數據，根據式(4)計算可得行走驅動所需的功率P1為15.8 W，由于設計選用雙電機雙輪驅動的方式，因此選擇直接帶有減速器的直流無刷電機兩個，型號為：XD-WS37GB3525，工作電壓24 V，負載電流0.6 A，功率為10 W，工作轉速30 r/min，可正反轉。

1.2.2 壓緊調節機構

為防止機器從線上掉落，確保安全，設計了壓緊機構，結構如圖4所示，在兩行走輪之間設置兩個壓緊輪，通過壓緊輪提供足夠的壓緊力來實現行走輪與線纜之前的充分貼合及預緊。針對不同拉線直徑及表面銹蝕情況，增加了螺紋連接的調節功能，壓緊力通過調整螺母來調節，可以適應對不同直徑拉線的鎖緊。

圖4 壓緊調節機構Fig.4 Compressing and adjusting mechanism

1.2.3 除銹機構

除銹機構主要由上下兩把除銹刷、兩個除銹驅動電機組成(圖5)。除銹刷可看成是一種多刃切削刀具，每根刷絲皆能進行切削，在與拉線表面接觸的過程中，由于它們之間有擠壓力，利用驅動電機帶動除銹刷高速旋轉，通過它們之間的相對運動，借助于鋼絲刷對拉線的連續摩擦和切削，達到除銹的目的。為適應拉線圓柱表面的除銹，除銹刷在軸向方向做成內凹型，上、下兩個鋼絲刷形成對刷，能更好地除去拉線表面的鐵銹，且不受行走速度的限制，可以連續或間斷性工作。由于很難分析達到最佳除銹效果的條件，實際除銹阻力要由試驗確定，結構設計先對除銹阻力進行估算，假設除銹時刷子與拉線表面的最大正壓力為裝置自重G的1/3，于是有最大摩擦阻力F2為

(5)

式(5)中：G為裝置自重，為98 N；f′為滾動摩擦阻力因數，取0.3。根據式(5)可得F2=9.8 N。

圖5 除銹機構Fig.5 Rust removal mechanism

最大摩擦阻力矩Mf為

Mf=F2R

(6)

式(6)中：F2為最大摩擦阻力，為9.8 N；R為平均阻力半徑，25 mm。根據式(6)可得Mf=0.245 N·m。

除銹驅動電機所需功率P2為

P2=Mfω

(7)

式(7)中：Mf為最大摩擦阻力矩，為0.245 N·m；ω為除銹刷轉動角速度，為31.4 rad/s，根據式(7)可得P2=7.69 W。

根據以上計算結果，選取帶減速器的無刷直流電機，型號為：XD-WS37GB3525，工作電壓24 V，負載電流0.6 A，功率Pd為10 W，工作轉速 300 r/min。

1.2.4 刷漆機構

刷漆機構如圖6所示，采用模塊化搭載被動刷漆的方式，包括儲漆盒、油漆刷、漆刷盒、固定拉板。當儲漆盒注入油漆后，就會通過內置漏網滲透到拉線表面，儲漆盒采用旋轉開合設計，既方便從拉線上拆裝，又可以使油漆被漏網接住，有利于油漆均勻散布于拉線表面。另外附加了漆刷盒，兼具清掃和刷漆功能，當漆刷盒內的油漆刷經過時，可以把滴漏的油漆刷均勻。為了達到更好的刷漆效果，通過控制行走驅動電機的正反轉來實現裝置在線上的上行和下滑行走，讓裝置在拉線上來回多運行幾次，以便多刷幾道油漆，達到較好的防護效果。

圖6 刷漆機構Fig.6 Painting mechanism

1.3 控制系統

控制系統負責完成對機器人的啟動、爬升、下降回收、除銹作業的控制，由電機驅動控制系統和手持遙控系統構成。采用4個24 V的可充電鋰電池分別給行走機構和除銹機構的4個驅動電機供電，驅動電機的正、反轉、啟動和停止采用繼電器和限位開關來控制，根據設計要求對相關電氣設備和驅動電路進行設計，滿足了實際除銹作業的動作需求。為了方便投放和操作，整個機器人的工作過程采用手持無線遙控方式，設計了相應遙控器，遙控器能發出8條指令，分別控制啟動、關機、爬升、下降、除銹等工作狀態，控制距離可達200 m，適應野外作業需求，且操作方便快捷。

基于上述主要機構的設計結果，考慮各功能模塊的合理布置，進一步完成裝置整體布局設計，根據裝置的結構設計和布局設計，采用SolidWorks三維軟件，對整個裝置系統進行三維建模，并進行虛擬裝配，最后得到拉線除銹機器人的三維實體模型如圖7所示。

圖7 拉線除銹人三維實體模型Fig.7 3D solid model of rust removal robot

2 輸電拉線除銹機器人動力學仿真分析

2.1 虛擬樣機模型的建立

基于上述建立的拉線除銹機器人的三維實體模型進行動力學仿真，首先采用Parasolid格式導入ADAMS/View環境中，對導入模型后進行適當簡化。為減少約束的添加，提高仿真效率，在ADAMS中對獨立構件進行布爾運算將其重新構造成一個構件，為同一種材料的構件進行布爾加運算。然后對模型的各個構件添加質量和材料信息，盡量保證各個構件的質量與實際零部件的質量相一致，以保證仿真的準確性[10]。

為了能夠反映拉線除銹防護機器人的實際運動情況，對各個構件約束的添加必不可少。在地面與拉索線兩端添加固定約束；行走輪、壓緊輪以及除銹刷輪存在旋轉副的地方添加旋轉副；在驅動輪與拉線之間、除銹刷與拉線之間存在接觸，分別添加接觸約束[11]。接觸參數設置見表1。

根據機器人爬升過程中的運動及受力情況先進行重力設置，通過設置不同的x、y和z值，模擬機器在傾斜拉線上的爬升情況；然后對各個驅動輪和除銹刷輪添加旋轉驅動以及添加各個輪與纜索之間的接觸力，還原機器人的實際運動情況。最后建立了能夠反映設計特征參數的拉線除銹機器人的虛擬樣機，如圖8所示。

表1 接觸參數設置Table 1 Setting of contact parameters

圖8 虛擬樣機Fig.8 Virtual prototype

2.2 動力學仿真分析

除銹機器人實際的運行狀態比較復雜，很難通過虛擬樣機完全模擬，為簡化計算，提高仿真效率，做了如下假定：①由于拉線為鋼絞線，工作時始終處于拉緊狀態，因此假設纜索機器人各部件和拉線都是剛性的；②不考慮風載的影響；③拉線始終處于繃緊狀態，不考慮其撓度的影響。通過如上假定，機器人的虛擬樣機系統成為一個多剛體運動學系統，并可以滿足仿真精度的要求。

設置仿真時間和步數，仿真時間t=10 s，steps=1 000。對機器人在45°傾斜角度拉線上的爬升運動進行仿真分析，通過動畫仿真可以看出，機器人整體運動平穩，并得到有關動力學仿真結果曲線如圖9所示。

由圖9(a)機器人質心位移圖可以看出，位移是逐漸遞增的，說明機構能沿著拉線持續爬升；由圖9(b)機器人質心速度圖可以看出速度曲線啟動之初有波動，但從0.3 s開始總體呈現上升趨勢，約2 s 時到達峰值，之后基本維持在平均速度87.5 mm/s，只有小幅的波動，符合預定的爬升速度的要求，后期由于驅動扭矩的去除，速度開始加速下降。通過以上兩個運動線圖說明整個機構在拉線上能夠較穩定地爬升，滿足設定的爬升速度要求，且沒有出現墜落和原地打滑的現象，由此可見機構的理論分析和設計計算是正確的。

由圖9(c)機器人質心加速度圖可以看出在啟動的瞬間由于速度的突變存在一定的沖擊，但啟動后，加速度整體峰值沒有產生明顯的波動，整體趨于0，說明機器人在拉線上行進平穩，證明了裝置的運行穩定性。

由圖9(d)除銹刷接觸力線圖可以看出，除銹刷和拉線之間有持續的接觸力存在，雖然存在峰值波動但整體維持在穩定的水平，說明二者能保持直接接觸，且能夠通過相對運動產生摩擦力，從而達到除銹的效果，這符合除銹機器人沿拉線邊爬升邊除銹的工作要求。

3 輸電拉線除銹機器人試驗

根據設計圖紙，制定合理的制造工藝和精度，進行零部件制作，并進行機械結構的裝配以及電氣設備的安裝，得到了機器人的實物樣機，如圖10所示。

為驗證實際使用效果，實地選擇拉線塔，進行了現場除銹運行試驗，試驗在15 mm直徑的拉線上進行，拉線傾斜度為45°左右，表面有比較明顯的銹蝕。試驗場景如圖11(a)和圖11(b)所示，通過試驗證明了機器人能夠穩定地在拉線上爬升和下降，運動平穩，未出現翻轉、掉落等情況，并且可以連續或間斷地進行除銹操作，整個過程實現了遠程控制。除銹對比效果如圖11(c)所示，可以看出該裝置具有較好的除銹效果，達到了設計和使用要求。

圖9 仿真分析結果線圖Fig.9 Diagram of simulation analysis results

圖10 除銹機器人的實物樣機Fig.10 Physical prototype of rust removal robot

圖11 現場試驗圖Fig.11 Diagram of the scene simulation experiment

4 結論

(1)為解決在多規格、細長型、大傾角的輸電拉線上難以自動除銹防護的難題，設計并研制了一種新型拉線除銹防護機器人，該機器人集“行走、除銹、清掃、刷漆”多功能為一體，具有結構簡單、工作效率高、操作簡便、安全可靠的特點。

(2)基于SolidWorks和ADMAS建立了機器人的虛擬樣機，通過動力學仿真分析驗證了機器人本體機構設計計算的合理性。

(3)通過實物樣機的現場試驗，進一步證明了設計方案的可行性和有效性，實現了拉線表面的自動除銹和防護，節省了線路運維成本，而且防患于未然，保障了電網安全穩定運行，具有一定的推廣應用價值。