一種在架空導(dǎo)線上行走的單履帶機(jī)器人

湯春俊，許 劍，劉田野，毛水強(qiáng)，陳溫奇，胡 驍

(1.金華送變電工程有限公司,浙江 金華 310016) (2.金華鉑騰科技有限公司,浙江 金華 310016)

1 項(xiàng)目背景及現(xiàn)狀

架空高壓輸電線路是電力工業(yè)的大動(dòng)脈。隨著輸電線路向山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)延伸，對(duì)架線施工裝備的智能化與自動(dòng)化的要求不斷提高。在架線施工中，存在一些與輸電導(dǎo)線自身相關(guān)的作業(yè)工序。例如，緊線作業(yè)過程中對(duì)觀測檔的導(dǎo)線弧垂進(jìn)行觀測、緊線完成后對(duì)交叉跨越安全距離進(jìn)行驗(yàn)收、導(dǎo)線上指定間距噴印標(biāo)記來指導(dǎo)間隔棒的放置、導(dǎo)線上拉網(wǎng)等等。當(dāng)前，這些作業(yè)工序基本依賴人工完成，需要專業(yè)的現(xiàn)場人員及儀器，有時(shí)必須通過攀爬導(dǎo)線來開展高空作業(yè)(如圖1所示)，加大了勞動(dòng)強(qiáng)度及人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 架空輸電線路線上的人工作業(yè)

為提升以上這類作業(yè)工序的自動(dòng)化水平，需要研制一種適合在施工階段的導(dǎo)線上行走的機(jī)器人來開展各種作業(yè)活動(dòng)。

根據(jù)行業(yè)調(diào)查與文獻(xiàn)研究[1-6]，現(xiàn)有在線路上行走的機(jī)器人大多應(yīng)用于巡線作業(yè)。巡線機(jī)器人一般是在已拉緊的導(dǎo)地線上行走，其主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作多樣性與桿塔翻越功能，并不適合在起伏坡度較大、尚未拉緊且易隨風(fēng)擺動(dòng)的導(dǎo)線上作業(yè)。

本文所提出及研制的導(dǎo)線行走機(jī)器人，強(qiáng)調(diào)其在導(dǎo)線上行進(jìn)時(shí)的動(dòng)力性、可靠性與安全性，需具備足夠的爬坡能力與附著于導(dǎo)線的能力。此外，在架線施工中，兩相鄰鐵搭之間的導(dǎo)線上可能存在接續(xù)管，其外徑比導(dǎo)線大，要求行走機(jī)器人能翻越接續(xù)管。

2 機(jī)器人的總體方案與行走驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

本文針對(duì)輸電線路架線施工中所存在自動(dòng)化需求，提出了一種單履帶式導(dǎo)線行走機(jī)器人的總體方案，使其可在施工階段的輸電線路上行走并完成各項(xiàng)測量、牽引等作業(yè)，進(jìn)而開展詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算。

行走機(jī)器人的關(guān)鍵功能與指標(biāo)描述包括如下方面：

1)行走時(shí)不損傷鋁導(dǎo)線表面；

2)在導(dǎo)線上行走速度無級(jí)可調(diào)，并可達(dá)到2.5km/h；

3)可在較大坡度的導(dǎo)線上啟、停與巡航，爬坡能力最高可達(dá)45°；

4)可越過導(dǎo)線上的接續(xù)管(接續(xù)管的直徑最大為導(dǎo)線直徑的2倍)；

5) 能應(yīng)對(duì)5級(jí)風(fēng)速下的導(dǎo)線擺動(dòng)；

6) 續(xù)航里程超過3km。

該機(jī)器人的組成部分如圖2所示。

圖2 行走機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

導(dǎo)線行走機(jī)器人各部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)具體闡述如下。

2.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在導(dǎo)線上行進(jìn)的關(guān)鍵部分。鑒于目前主流的架空輸電線路采用鋼芯鋁導(dǎo)線，行走機(jī)構(gòu)需避免對(duì)材質(zhì)較軟的鋁導(dǎo)線表面造成損傷，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循緊湊、整體減重的原則。行走機(jī)構(gòu)的組成如圖3所示。

1—電機(jī)；2—減速機(jī)；3—驅(qū)動(dòng)輪；4—支撐輪；5—導(dǎo)向輪；6—測速傳感器

2.1.1結(jié)構(gòu)材料的選擇

為有效減重，框架結(jié)構(gòu)梁采用7075鋁合金，驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪以及導(dǎo)向輪均采用MC尼龍。

2.1.2行走部件

與導(dǎo)線接觸的部分采用單條橡膠履帶，可有效保護(hù)導(dǎo)線表面免受硬刮傷。

2.1.3附著于鋁導(dǎo)線的機(jī)能設(shè)計(jì)

采用兩組壓緊滾輪，分別布置于履帶前后兩端對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線下方。

壓緊滾輪組包括拉緊彈簧、滾輪、掛鉤與連桿(如圖4所示)。此結(jié)構(gòu)將履帶與滾輪分置于導(dǎo)線的上下兩側(cè)，并形成施加于導(dǎo)線的壓緊力。 通過改變壓緊力的大小，可以調(diào)節(jié)橡膠履帶與導(dǎo)線之間可產(chǎn)生的最大附著力。

圖4 壓緊滾輪組成與結(jié)構(gòu)

導(dǎo)線下方的壓緊滾輪為自帶滾動(dòng)軸承的自由輪，它雖承受來自導(dǎo)線的徑向推力并在軸承上產(chǎn)生一定的滾動(dòng)阻力扭矩， 但該阻力扭矩顯著低于導(dǎo)線對(duì)滾輪施加的摩擦產(chǎn)生的動(dòng)力扭矩。 因此，機(jī)器人在線上行走時(shí)，導(dǎo)線與滾輪不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，避免作業(yè)過程中對(duì)導(dǎo)線的滑動(dòng)磨損。

壓緊滾輪的輪槽采用大、小兩段圓弧輪廓設(shè)計(jì)，下端的小圓弧輪槽與導(dǎo)線輪廓一致并可靠接觸，使導(dǎo)線成為機(jī)器人行走的“軌道”，有效防止走偏。此外，壓緊滾輪的上端大圓弧輪廓以及掛鉤與拉簧可解決機(jī)器人在導(dǎo)線上行走時(shí)翻越接續(xù)管的難題。在行走機(jī)構(gòu)通過接續(xù)管時(shí)，壓緊滾輪上的拉簧被拉長，接續(xù)管外緣與滾輪上的大圓弧輪槽接觸，而滾輪兩側(cè)的掛鉤可圍繞掛鉤掛點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。掛點(diǎn)處的銅套與掛鉤形成滑動(dòng)副，減少旋轉(zhuǎn)摩擦阻力。

2.1.4將機(jī)器人安置于導(dǎo)線的過程

先將履帶結(jié)構(gòu)放置在導(dǎo)線上，將前后兩組壓緊滾輪的兩側(cè)掛鉤分別掛入履帶支撐梁兩側(cè)的銅套上，然后將滾輪兩側(cè)的拉簧拉伸后與履帶機(jī)構(gòu)上的掛點(diǎn)對(duì)接。如圖4(b)所示，在拉簧的拉力作用下，履帶、導(dǎo)線與壓緊滾輪三者順次接觸并壓緊，從而使行走機(jī)構(gòu)與導(dǎo)線可靠貼合。

2.2 行走驅(qū)動(dòng)與控制

行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力由直流無刷電機(jī)提供，并通過減速機(jī)調(diào)節(jié)至所需的輸出扭矩與轉(zhuǎn)速，減速機(jī)輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪連接，驅(qū)動(dòng)輪直接驅(qū)動(dòng)橡膠履帶，完成功率傳遞。減速機(jī)輸入軸與輸出軸成90°，使電機(jī)本體與履帶相平行，有效控制了機(jī)構(gòu)的寬度。

地面部分可通過無線通訊來遙控機(jī)器人的啟、停與巡航，并可在線調(diào)節(jié)行進(jìn)的速度；與此同時(shí)，操作人員可通過地面部分的計(jì)算機(jī)顯示屏實(shí)時(shí)獲取線上行走機(jī)器人經(jīng)由無線通訊傳來的反饋信息(如行走速度、其他測量數(shù)據(jù)、圖像等)。

2.3 行走力學(xué)分析與傳動(dòng)鏈校核計(jì)算

行走驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)鏈直接決定了機(jī)器人在導(dǎo)線上行走可達(dá)到的牽引力與行進(jìn)速度。在履帶特性、驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)尺寸選定的情況下，影響傳動(dòng)鏈的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為拉簧的拉力、電機(jī)與減速機(jī)的參數(shù)。進(jìn)行傳動(dòng)鏈計(jì)算及部件選型所依據(jù)的行走力學(xué)分析如圖5所示。

G—機(jī)器人自重；F1—拉簧拉力；f—履帶與導(dǎo)線之間的靜摩擦力；α—設(shè)計(jì)最大爬坡角度

將機(jī)器人所附著的導(dǎo)線近似為一個(gè)具有指定角度的 “斜坡”，機(jī)器人靜止在“斜坡”上時(shí)，履帶與導(dǎo)線之間的靜摩擦力f與機(jī)器人沿斜坡向下的自重分力Gsinα達(dá)到平衡并等值。若履帶與導(dǎo)線之間由機(jī)器人自重分力Gcosα所產(chǎn)生的靜摩擦力Gcosα小于Gsinα?xí)r，履帶將相對(duì)導(dǎo)線滑動(dòng)。為避免產(chǎn)生滑動(dòng)，需利用拉簧額外施加的拉力F1來增大履帶與導(dǎo)線之間的壓力，從而增大f的允許值，即

f=μ靜(F1+Gcosα)

(1)

式中:μ靜為履帶與導(dǎo)線的靜摩擦系數(shù)。

則拉簧拉力為：

(2)

理論上，拉簧施加的拉力F1只需能避免履帶相對(duì)導(dǎo)線下滑即可。取f=Gsinα，則可算出所需F1的最小值。在實(shí)際中，拉簧拉力可在此最小值基礎(chǔ)上增加適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>

另一方面，若設(shè)計(jì)擬達(dá)到的機(jī)器人行進(jìn)速度為v，履帶與導(dǎo)線的接觸半徑為r，則可根據(jù)式(3)、(4)算出所需的減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速nR以及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速nM。

(3)

nM=nRi

(4)

式中:i為減速機(jī)的速比。

另外，根據(jù)本文2.2所述，減速機(jī)輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪直連并驅(qū)動(dòng)履帶，其輸出扭矩為機(jī)器人提供了主動(dòng)牽引力。機(jī)器人的行駛阻力則包含爬坡阻力(自重分力Gsinα)、履帶與導(dǎo)線間的滾動(dòng)阻力等。為使機(jī)器人能在設(shè)計(jì)最大坡度的導(dǎo)線上持續(xù)行駛，必須確保牽引力超過最大行駛阻力，則可由此得出減速機(jī)的輸出扭矩TR。

(5)

式中：FX為滾動(dòng)阻力，可采用試驗(yàn)方式來估算，可將機(jī)器人放置于無坡度的導(dǎo)線上，并測試其被拖行所需的力。

進(jìn)一步可得出電機(jī)所需的輸出扭矩TM：

(6)

電機(jī)所需輸出功率PM：

(7)

通過以上分析，根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)最大爬坡角度α、行進(jìn)速度v、履帶與導(dǎo)線接觸半徑r、機(jī)器人自重G，并結(jié)合對(duì)滾動(dòng)阻力的試驗(yàn)測定，可估算出所需的電機(jī)功率；此外，通過電機(jī)與減速機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩的參數(shù)匹配，可進(jìn)一步完成電機(jī)與減速機(jī)的參數(shù)選型。

3 行走機(jī)器人的制作與試驗(yàn)應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的單履帶行走機(jī)器人的關(guān)鍵功能通過實(shí)際制作的樣機(jī)在導(dǎo)線上的作業(yè)得到了充分檢驗(yàn)。 如圖6所示，行走機(jī)器人不僅在給定遙控距離完成了線上行走、翻越壓接管，并可在一定載荷下進(jìn)行主動(dòng)牽引。

圖6 單履帶機(jī)器人的線上行走與作業(yè)

該行走機(jī)器人已被用于搭載及牽引其他檢測、監(jiān)測儀器，實(shí)現(xiàn)了線上無人化。

4 結(jié)束語

本文所提出并研制的單履帶導(dǎo)線行走機(jī)器人充分利用橡膠履帶的特點(diǎn)并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無損、可靠的導(dǎo)線上行走。地面人員可通過無線通訊來遙控線上機(jī)器人，也可通過機(jī)器人搭載的傳感與圖像功能來實(shí)時(shí)了解其在導(dǎo)線上的作業(yè)情況。通過真實(shí)架空導(dǎo)線上的試驗(yàn)，本文所設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的行走機(jī)器人表現(xiàn)了良好的牽引能力，且結(jié)構(gòu)緊湊，可作為各種線上檢測與作業(yè)的動(dòng)力主體。另一方面，行走機(jī)器人樣機(jī)尚在初步應(yīng)用階段，需要更詳細(xì)的分析與驗(yàn)證來優(yōu)化設(shè)計(jì),其環(huán)境適應(yīng)能力與防護(hù)等級(jí)也有待進(jìn)一步考核與提升。