输电线路杆塔攀爬助力装置设计

费雅娆 董元杰

摘要：攀爬机器人不仅可以克服艰苦的工作环境，降低高空攀爬的安全隐患，多机联合工作更能大幅提升巡检效率。随着机器人技术的发展，各种电力特种机器人已经成功代替人工，完成包括输电线路巡检、带电作业等任务。但对攀爬输电铁塔挂拆高空防坠装置的机器人研究至今仍是空白。因此，设计一种可以进行输电杆塔攀爬以完成安全绳挂接并可携带电力巡检设备的机器人尤为重要。面对输电线路登塔检修领域减负增效的实际应用需求，本文设计了一种输电线路杆塔攀爬助力装置（简称“攀爬助力装置”），对其原理结构及电控系统等进行研究，在保证登塔作业过程安全性的基础上，降低登塔人员作业强度，提高输电线路人工登塔检修的工作效率与质量。

关键词：输电线路;杆塔;攀爬助力;圆偏心轮

引言

我国输电杆塔数量多、分布广，杆塔长期暴露于野外受到风吹日晒、粉尘等影响会存在安全隐患，甚至会发生安全事故，因此需要对其进行周期性的巡检与维护。传统方式下，架空输电线路的维护需电力人员登塔至高处进行作业，安全防坠装置是必不可少的防护工具，但首位登塔挂接及末位拆除安全防坠装置的人员均无法得到安全绳防坠保护。输电杆塔表面结构复杂且不规则，如螺栓固定区、连接处的节点板、脚钉角钢叠加区等区域给攀爬工作带来许多障碍，随着机器人技术的发展，多种电力特种机器人已经能够代替人工完成包括输电线巡检、带电作业等部分输电线路工作任务，采用机器人进行输电杆塔攀爬以完成安全防坠裝置的挂拆及携带电力巡检设备等任务已具备一定条件。输电杆塔攀爬机器人不仅可以承受恶劣的工作环境，降低高空攀爬的危险系数，多机联合工作更是可以大幅提升巡检维护作业的效率，缩短巡检时长。

1攀爬助力装置助力基本原理

攀爬助力装置作业时是垂直或接近垂直作业，防坠落导轨固定安装于杆塔带有攀爬脚钉的塔腿，作为攀爬助力装置和防坠器的共同运行轨道;登塔人员依靠攀爬脚钉进行攀爬作业，攀爬助力装置通过助力绳与登塔人员安全带相连，为登塔人员提供一定的提升力，以减轻体力消耗;防坠器通过安全绳与登塔人员安全带连接在一起，为登塔人员提供独立于攀爬助力装置的防坠保护功能。

为实现攀爬助力的作用，攀爬助力装置采用机械压紧方式夹紧防坠落导轨，与防坠落导轨间保持一定的正压力N，攀爬助力装置的电机驱动扭矩依靠由正压力N产生的摩擦力f，平衡其自身的重力G以及对登塔人员的提升力F。登塔人员在杆塔上的攀爬过程是动态的变化过程，其速度实时变化，攀爬助力装置对登塔人员的提升力F也是动态的变化力。

2攀爬机器人结构设计

2.1仿生结构设计

通过研究输电铁塔的结构与类型，可知机器人主要攀爬于空间桁架结构，攀爬过程中主要存在螺栓区、斜材、连接板、横担等障碍物，障碍物最大尺寸长400mm，高180mm。进行仿生学相似环境分析，对比自然界中形成的相似结构体系，发现蚕能在错综复杂的树枝间灵活移动，且可在狭窄不规则平面上跨障碍爬行，其爬行环境涵盖了复杂的铁塔攀爬环境。

2.2零部件结构设计

结合机器人构型示意图，拟定尾足、腹足、胸足采用相同结构以简化设计，其结构由左右足指构成，足指上端由一对齿轮驱动，保证开合过程始终成对称关系，足指由平行四边行构成，保证足指底端铁磁体始终平行于角钢面;尾部、胸部由横竖两个伸缩滑台组成，分别提供尾足、胸足的伸缩运动和升降运动，滑台为丝杠传动;腹部由一个旋转机构组成，用于连接尾部、胸部，并给腹足提供旋转运动。胸部结构和尾部结构决定了机器人的越障性能，根据铁塔障碍物最大尺寸，胸部和尾部的升降运动需使尾足、腹足、胸足分别抬升180mm以上。腹足固连在腹部上，为减少腹足升降运动自由度，可通过同时升降胸足和尾足来实现腹足的升降运动，初定胸部、尾部的升降行程为-200～200mm。胸部和尾部的伸缩运动需使躯体伸长400mm以上，初定胸部、尾部的伸缩行程为0～500mm。胸部和尾部结构主要由伸缩电机、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、伸缩连板、升降电机、梯形丝杠、梯形丝杠螺母、升降架组成。伸缩电机通过滚珠丝杠驱动滚珠丝杠螺母移动来实现伸缩连板的伸缩运动;升降电机通过梯形丝杠驱动梯形丝杠螺母移动来实现伸缩连板的升降运动。即固定其伸缩电机端，可实现与升降架相连的尾足（胸足）完成升降和伸缩运动。

3攀爬助力装置电控系统

攀爬助力装置动力电池采用6S锂电池，为控制系统提供动力来源，控制输入单元中运行开关和模式开关为登塔人员提供操作开关，攀爬助力装置的两种控制模式为助力模式和自主下塔模式，可通过模式开关进行切换;控制输入单元中力传感器和位移传感器为攀爬助力装置提供外部感知信号。

攀爬助力装置默认工作在助力模式下，为登塔人员上下塔提供助力功能。攀爬助力装置控制单元通过数据采集端口从控制输入单元获取操作开关控制信号和外部感知信号，同时基于电机驱动器反馈的速度和电流数据，通过数据处理中心对登塔人员攀爬状态和攀爬助力装置状态进行判断分析，通过数据输出端口发送控制信号到电机驱动器，控制电机运动，调整运行速度，对登塔人员提供助力，并确保攀爬助力装置安全运行，避免对登塔人员造成伤害;同时发送攀爬助力装置运行状态到显示单元，便于登塔人员及时掌握攀爬助力装置的工作状态。

在登塔人员到达指定工作位置后，可将攀爬助力装置切换到自主下塔模式下塔，不提供攀爬助力功能，无需对登塔人员攀爬状态进行分析，控制单元直接基于攀爬助力装置的状态分析，发送控制信号使其沿防坠落导轨向下运动。方便在地面等待的登塔人员使用，提高攀爬助力装置的利用率。

4物理样机实验验证

4.1室内角钢攀爬实验

加工制造物理样机，其主要包括胸足、腹足、尾足，胸部、腹部、尾部和控制箱。机器人胸足和尾足可通过开合实现上抬200mm，以跨越高180mm的横向角钢障碍物;可下降100mm，配合腹足开合上抬100mm，以保证腹足上抬总行程为200mm;腹足可左右旋转各180°，使机器人适应任意转角。为了缩短机器人总长，胸部、腹部均可伸长200mm，在腹部上加入一个移动行程为400mm的前后滑移机构，使机器人步长提升为600mm。最后对机器人进行轻量化设计，得到机器人总质量22.6kg。

4.2高压输电铁塔攀爬实验

铁塔为500kV高压输电铁塔，塔高60m，机器人以铁塔主材为路径进行攀爬，以胸足、尾足吸附，腹足前移;腹足吸附，胸足、尾足前移为循环步态。攀爬实验中，机器人负载10kg成功跨越了各种障碍物，完成单足吸附支撑，腹足吸附旋转等实验，平均速度可达1m/min。验证了该攀爬机器人能顺利攀爬于输电铁塔环境。

结语

本文对于输电线路杆塔攀爬助力装置的助力原理、机械结构和电控系统等进行了初步探讨。基于圆偏心轮自锁原理，依靠与防坠落导轨间的正压力与摩擦力，研制了输电线路杆塔攀爬助力装置样机，通过现场应用试验，验证了攀爬助力的设计目标。输电线路杆塔攀爬助力装置为一线登塔人员的登塔作业提供了新的思路，对于提高输电线路杆塔人力登塔方面的自动化水平具有重要意义。

参考文献

[1]冯晓红.输电线路维护检修专用铁塔攀爬机研究与应用[J].电力建设，2009，30（8）：123-126.

[2]李学斌，王志军，杨军宁，等.轻型载人式登塔装备的研制[J].电力建设，2013，34（6）：78-81.

[3]唐静静，范钦珊.工程力学（静力学和材料力学）[M].3版.北京：高等教育出版社，2017：50-51.