一種用于電力維修的爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院 馮 玉 吳少雷 吳 凱 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司銅陵供電公司 李 君

國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司 何水兵 安徽工程大學(xué) 韓 波

自二十世紀(jì)七十年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者從事對(duì)爬桿機(jī)器人的研究，目前研制出的爬桿機(jī)器人主要可分為三大類(lèi)：連續(xù)運(yùn)動(dòng)式爬桿機(jī)器人、步進(jìn)式爬桿機(jī)器人和冗余自由度爬桿機(jī)器人。

連續(xù)運(yùn)動(dòng)式爬桿機(jī)器人利用機(jī)器人與桿體接觸表面的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)快速爬桿運(yùn)動(dòng)，主要代表有國(guó)網(wǎng)霍邱公司研制出載人登桿裝置，其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)連續(xù)，爬桿效率高和良好的負(fù)載特性，缺點(diǎn)是對(duì)于非圓桿物體或者圓桿物體表面存在障礙物時(shí)無(wú)法進(jìn)行爬桿運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)式爬桿機(jī)器人通過(guò)循環(huán)往復(fù)的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)爬桿運(yùn)動(dòng)，主要代表有武漢理工大學(xué)設(shè)計(jì)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)爬桿機(jī)器人，但是其存在爬升速度低且無(wú)法越障等問(wèn)題；冗余自由度爬桿機(jī)器人主要有蛇形機(jī)器人，通過(guò)纏繞在桿體的外表面，然后執(zhí)行一套固定的時(shí)序動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)爬桿運(yùn)動(dòng)，主要有上海交大開(kāi)發(fā)的CRS 蛇形爬桿機(jī)器人、波士頓動(dòng)力公司研制出RiSE V3多足攀爬機(jī)器人。

以上這些爬桿機(jī)器人存在整體質(zhì)量較重、承載能力不足、攀爬效率低下以及攀爬路徑導(dǎo)航困難等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用和推廣，難以直接應(yīng)用到配電桿塔等作業(yè)環(huán)境。

圖1 國(guó)網(wǎng)霍邱公司載人登桿裝置

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)爬桿機(jī)器人

圖3 上海交通大學(xué)CRS 蛇形爬桿機(jī)器人

1 爬桿機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文中的爬桿機(jī)器人有左軀干和右軀干兩部分，主要采用類(lèi)似人借助腳扣登桿的攀爬式原理，左右軀干分別具有上下兩個(gè)握爪機(jī)械手，類(lèi)似人類(lèi)的左右手和腳，左軀干和右軀干的握爪機(jī)械手對(duì)桿身交替夾緊放松，通過(guò)升降執(zhí)行裝置使左軀干和右軀干二者交替升降，實(shí)現(xiàn)攀爬并可跨越如抱箍、橫擔(dān)等部分桿上障礙，而且通過(guò)抱爪上的輪式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)承載平臺(tái)的繞桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使爬桿機(jī)器人可靈活越障和準(zhǔn)確到達(dá)作業(yè)位置，并為帶電作業(yè)操作機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定靈活的作業(yè)平臺(tái)。

圖4 人借助腳扣登桿攀爬原理圖

圖5 爬桿機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

圖6 爬桿機(jī)器人軀干總成工作原理圖

爬桿機(jī)器人軀干總成工作原理如圖6所示，其中1、2、3是動(dòng)力總成的輸出鏈輪的三個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，1的狀態(tài)是右旋，左軀干上升；3的狀態(tài)是左旋，右軀干上升；2的狀態(tài)是旋轉(zhuǎn)至“0”位，軀干回中，此時(shí)四肢同時(shí)握桿時(shí)左、右部分是錯(cuò)開(kāi)的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)輸出軸連接減速機(jī)組成動(dòng)力總成，動(dòng)力總成的輸出端安裝兩片鏈輪，兩條傳動(dòng)鏈分別上、下對(duì)兜包裹于鏈輪上。

握桿抱爪機(jī)構(gòu)。爬桿承載平臺(tái)四肢末端共四個(gè)握桿抱爪，上、下結(jié)構(gòu)完全一樣，左、右外觀及內(nèi)部布局結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，擬采用的結(jié)構(gòu)如圖7所示。握桿抱爪可以抓握等徑桿和拔梢桿，自動(dòng)適應(yīng)桿徑大小，自動(dòng)完成抱桿、握緊桿、自鎖、撤桿的四個(gè)順序動(dòng)作，并且能夠按實(shí)地工況要求實(shí)現(xiàn)繞桿圓周轉(zhuǎn)體動(dòng)作，配合軀干的運(yùn)動(dòng)可以在爬桿過(guò)程中有效的避開(kāi)、翻越障礙物，如圖8所示。

圖7 握桿抱爪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖8 抱桿與撤桿動(dòng)作示意圖

2 爬桿機(jī)器人電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文中的爬桿機(jī)器人主控器使用西門(mén)子S7-1200系列可編程控制器，S7-1200作為一款功能模塊化設(shè)計(jì)的PLC，擁有高精度AD 模塊、DA 模塊、串行通訊模塊以及網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，可根據(jù)任務(wù)實(shí)際需求配置不同的功能模塊。S7-1200可完成各種復(fù)雜的邏輯控制，同時(shí)對(duì)于電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制提供的專(zhuān)業(yè)的功能模塊。

電動(dòng)推桿不同于氣動(dòng)推桿利用氣體介質(zhì)的壓縮來(lái)實(shí)現(xiàn)推桿的運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)推桿通過(guò)內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將內(nèi)部電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為推桿的直線運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)推桿作為一種電力驅(qū)動(dòng)裝置，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化控制。本文中使用電動(dòng)推桿作為爬桿機(jī)器人的抱爪的執(zhí)行單元，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可以簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的抱桿動(dòng)作。

圖9 基于S7-1200的主控制器

圖10 握桿抱爪電動(dòng)推桿

3 爬桿機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

爬桿機(jī)器人動(dòng)作時(shí)序。爬桿機(jī)器人的單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期可分解為兩個(gè)左右兩側(cè)軀干對(duì)稱(chēng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以左軀干運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：初始狀態(tài)時(shí)，左軀干抱緊，右軀干抱緊；步驟1，左夾爪松開(kāi)，左軀干旋轉(zhuǎn)至最外側(cè)；步驟2，左軀干上升至指定位置；步驟3，左軀干旋轉(zhuǎn)至抱桿位置；步驟4，左夾爪抱緊，左右軀干此時(shí)恢復(fù)抱緊狀態(tài)。

圖11 爬桿機(jī)器人控制流程圖

目前隨著電網(wǎng)維護(hù)工作的日益繁重，高強(qiáng)度的工作量和較高的危險(xiǎn)系數(shù)對(duì)基層的電網(wǎng)維護(hù)工作人員是一種較大工作的負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)一款高效的爬桿機(jī)器人來(lái)逐步替代人工進(jìn)行電網(wǎng)的維護(hù)工作是迫在眉睫的大事，本文中設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人通過(guò)搭載不同的作業(yè)工具可以執(zhí)行不同的維護(hù)任務(wù)，可以有效的降低人工的工作量，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的改善有著積極的影響。