一种架空输电线路爬塔机器人及其上下杆塔方法

国网湖南省电力有限公司输电检修分公司 毛 盾 邹德华 刘兰兰 李 鹏 许文韬 乔明明

超特高压输电线路的检修和运行维护关系着电网供电的可靠性，电力铁塔的呼高越来越高，部分已达70米以上，人工爬铁塔体力消耗大，从而作业危险性增高，有必要通过机器人辅助高空作业人员完成爬塔工作。上世纪90年代西班牙、以色列、英国等国及国内部分大学开展了爬塔机器人项目的研究，这些机器人按运动方式可大致分为夹持式、吸附式和蠕动式，国外研发的电磁式吸附铁塔机器人和国内研发的具有机械臂和夹持爪的夹持式机器人在实际应用中都取得了较好的效果。这些机器人具有自由度高、灵活性好、能适应多种铁塔或杆塔环境的优点，但也有结构复杂、成本高、活动空间大、保养维护不方便等缺点[1]。

1 爬塔机器人的运行环境描述

输电线路铁塔按形状一般分为酒杯型、猫头型、上字型、干字型和桶型五种，按用途分有耐张塔、直线塔、转角塔、换位塔（更换导线相位位置塔）、终端塔和跨越塔等。整个铁塔主要由塔头、塔身和塔腿三大部分组成，酒杯型塔或猫头型塔颈部以上为塔头部分，一般将与基础连接的那段桁架称为塔腿，两者之间的称为塔身[2]。

输电线路的铁塔普遍较高，工作人员在攀登铁塔作业过程若没有有效的装置保护，时时存在着高出坠落的危险，Q/GDW 1799.2-2013《国家电网公司电力安全工作规程线路部分》中明确规定：钢管杆塔、30m以上杆塔和220kV及以上线路杆塔宜设置工作人员上下杆塔和杆塔水平移动的防坠安全保护装置。目前普遍使用的安全保护装置为轨道式攀登铁塔防坠落装置，但其存在一些缺点：轨道锈蚀出现卡阻、防坠轨道模块厂家型号不统一、防坠轨道因安装工艺不到位常出现错位现象，对登高作业人员爬塔安全带来一定的危险[3]。

2 爬塔机器人的结构设计

通过对作业任务的需求分析，本文所设计机器人需基本满足上下攀爬功能、自锁防坠功能和携物提升功能。爬塔机器人整体结构根据功能需求划分为基座设计、传动设计和防坠设计三部分组成，机器人的机械本体由防坠器、防坠牵绳卡、主推杆、微型推杆、电源、固定器、摆杆支撑座、上提桁架、下推桁架、稳定扣、拉簧扣、止推杆和电磁刹车扣组成。按照日常检修任务来划分，机器人的工作模式主要分为上升模式、载人载物模式和下降模式，整个流程的走完才能算做一次工作任务的完成。

图1 机器人的整体结构图

爬塔机器人的基座由固定器、电池盒、芯片盒、止推杆、压紧螺栓、拉簧扣、稳定扣、万向头、8个侧部滑轮及2个顶部滚轮联接构成，基座的主要作用是为传动装置和防坠装置提供一个可联接且能稳固的基座，同时可将整个机械装置通过基座上的固定器扣在防坠导轨上。机械的基座由上下两部分组成、依靠压紧螺栓连接，压紧螺栓可绕内部轴旋转，具有一个自由度。下半部分基座中的固定器内置了芯片盒用来放置控制整个机械装置的STM15的单片机，固定器内部放置了侧部滑轮和顶部滚轮使整个装置减少了摩擦力，能在防坠导轨上滑动。

在上固定器和下固定器之间使用一个由两个三接头组成的万向头进行一个软连接，万向头有上下和前后两个自由度。万向头和压紧螺栓一起实现了机器人在遇到导轨错位或导轨小弯曲的情况下能沿轨道转弯而不被卡住的功能。基座的上半部分的止推杆、拉簧扣、稳定器三个结构共同实现控制上提桁架倾斜角度的功能，通过控制上提桁架的角度来调节机械装置上半部分的运动状态。机器人的基座是整个机器人的骨架，基座联接着传动和防坠两个设计模块，机器人要实现的功能都需要在这骨架上操作。

本文设计的机器人传动装置由4个电机和4个200N的主推杆结合的液压式电动推杆以及上提桁架和下推桁架组成，廉价且有效的解决了机器人在攀爬铁塔时抓取不牢固的问题。由于铁塔的防坠导轨便面比较光滑，机器人在攀附在铁塔上运动上爬时需要“抓”住导轨，如果采用机械臂抓住导轨或者用电磁铁吸附在导轨这几种方案，这无疑增加了设计的成本。

上下两个桁架的在轨道上运行时受推杆的推力或拉力作用下会产生两种方向不同的倾斜角。由于倾斜方向的不同，桁架底部与导轨的接触的点也不一样，并且金属材料的接触面会在潮湿的环境下容易打滑，所以在设计中人为的将桁架的A面变的粗糙而B面打磨光滑。桁架当A面接触到导轨时处于卡死状态，在B面接触到导轨时处于移动状态。上下两个桁架在推杆推动或者缩回两种工作方式下只会一个卡死，另一个可移动，且随着推杆的工作方式交替改变两个桁架的状态也会相互交替转换。机器人的传动设计是机器人的四肢，传动设计的稳定性的好坏决定着机器人爬升的速度和安全。

机器人的工作任务除了攀爬铁塔之外，还需要携带检修物资或者设备上塔。机器人的防坠装置设计由微型推杆、防坠牵绳卡、弹力扣和电磁刹车扣组成。为了提高机械装置防坠功能的可靠性，需要配置两种不同的防坠方法，一种是依靠机械装置设计的载物自锁防坠，另一种是在机器人下降时防止它自由降落的电磁刹车防坠。微型推杆与防坠牵绳卡之间用推杆固定轴连接，通过微型推杆控制防坠牵绳卡的旋转角度。防坠牵绳卡的顶部有牵绳拉环，底部有一段锯齿边缘。

牵绳拉环套着牵引绳实现载物的功能。牵绳拉环在载物时，拉动整个防坠牵绳卡的下部锯齿边缘与导轨接触，随着拉力的增大，使得锯齿边缘与导轨之间形成的摩擦力增大，实现自锁防坠的功能。电磁刹车扣内的电磁铁在通电后吸附在轨道表面，实现下降时的刹车防坠。通过两种防坠，增加了机器运作时的安全可靠性。防坠装置的设计有效的解决了物品上下塔的安全问题，保证了物资上下塔的安全性也为检修人员节约了体力，方便了检修的工作。

机器人全身材料采用铝结构，除了价格便宜和整体有较强的硬度等优点之外还可适当的减轻机身的重量，其重量与其他类型的爬塔机器人相比仅有5公斤左右。除了机身的铝结构外，整个机身还配备了4个液压式200N电动推杆和电池。每个电动推杆自带一个电机，电动推杆材质使用铝合金和锌合金，电动推杆的电机采用的有刷直流电机，可接12V的直流电压，输出5V的电流，额定功率36W～60W,工作时能耐受-25～+75℃的外部温度。推杆内部两头各有一个行程限位开关，伸缩杆运行到底或者到顶后都会自动断电，保护电机达到行程时不会空转而烧机。

推杆工作时无信号输出，无法旋转，无法知道伸出的尺寸，但在任意位置且切断电源运动都会停止，断电后因推杆内部具有自锁所以不会出现断电下滑。机械装置内部配备了12V的电池，电池可供机器人空载爬升3小时。机器人爬升运动速度为6～8m/min,装置的最大荷载重量20kg，在最大负载状态下可持续工作1h。机械装置的整体性能基本满足日常检修维护工作的要求。

3 爬塔机器人的工作模式

机器人的工作模式主要分为三种，按照日常检修任务来划分，分别是上升模式、载人载物模式和下降模式。整个流程的走完才能算做一次工作任务的完成。

在上升模式中，机器人的4个推杆是同时推动和同缩回的。当它放置在防坠导轨上时，通过上下推杆同时推动上下桁架，下推桁架在推动过程中受到推杆向下的力处于卡死状态，上提桁架在推动过程中受到向上的推力处于移动状态，此时整个推动过程中由于下推桁架卡死不动、上提桁架可以移动，整个爬塔机器人以下推桁架为固定支点带动整个机械上爬。

当推杆推到一定的限度时，整个装置进入缩回状态。此时下推桁架受到推杆的向上的拉力改变为移动状态，上提桁架受到推杆向下的拉力改变为卡死状态。此时整个拉过程中由于下推桁架可以移动，上提桁架卡死不动，整个机器人以上提桁架为固定支点，通过推杆的拉缩从而带动整个机械上爬。因桁架要进入卡死状态须有倾斜角度，如主推杆完全收回、桁架会垂直于导轨平面，所以主推杆不能完全缩回。机械装置的持续爬升是依靠主推杆不断进入推拉的循环过程而实现的。

在载人载物模式中，当机器人爬升到指定的高度后需完成载物的工作任务，在进行大重量载物过程中，需有防坠功能来保护工作人员的生命安全和公司的物资财产。机械进入自锁防坠模式，需下方工作人员通过遥控器控制机械装置中的微型推杆推动防坠牵绳卡绕微型推杆固定轴旋转，使得防坠牵绳卡下方的锯齿状接触面充分与导轨进行接触，产生一种能防止机械坠落的摩擦力。与此同时，携带的人或物在限定范围内的重量加大，会使得防坠牵绳卡底部的锯齿状接触面对导轨的压力增加，进而摩擦力也增加，机械也能自适应于携带物体重量的加大。

在下降模式中，当机器人在铁塔上完成工作任务后机器人进入下降模式。在下降模式中机器人的电池对电磁铁放电，电磁铁通电后有一定的磁力吸附在导轨上，整个装置在磁力的作用下产生向上的摩擦力克服了自身向下的重力，同时完全收回四根主推杆和微型推杆，并合上防坠牵绳卡的弹力扣。防坠牵绳卡的弹力扣主要是为了在人工拉动牵引绳下降时能卡住牵绳卡不使它旋转，从而避免装置进入自锁状态。此时上下推桁架均无倾斜角度可以移动，机械装置完成相应的操作后，下方工作人员拉动牵引绳，在外力的作用下拉动整个机械装置从防坠导轨上下降。

机器人现场试验整体流程：工作人员将样机取下，在上塔人员准备上塔时，塔下人员安装上电池后把机器人架在导轨上，再打开电磁铁吸住导轨防坠；塔下人员检测4个主推杆和微型推杆是否能正常工作，检测样机的攀爬步态是否正常；关闭电磁铁、挂上牵引绳，携带一定质量的重物做抗冲击实验。完成抗冲击实验后上塔人员开始爬塔，塔下人员控制机器人挂上检修装备载物上升；样机完成载物后，合上弹力扣、打开电磁铁，人工拉下样机，塔上人员下塔。

4 结语

通过实际作业试验，验证了所研制的爬塔机器人能够实现预期各项功能：

沿轨道爬升和下降功能：通过对主推杆的远程遥控，可实现机器人在铁塔轨道上的正常爬升和下降的作业功能。试验作业过程中可越过导轨上的脚钉的螺母，同时能规避铁塔上面联接的角钢、障碍和角钢上的缺陷。当遇到弯曲的导轨时，也可顺利依靠万向头和压紧螺栓的旋转实现转弯，能适应角钢表面的误差和形变，关键动作也满足设计上的要求；防坠功能：机器人的电磁铁可牢固吸附在导轨表面。防坠牵引绳的锯齿边缘也可适应载物重量的加大。两种防坠同时开启后能承受80kg左右的冲击，实现了机器人的防坠功能，保证了工作人员的生命安全和设备的财产安全。

载物功能：机器人通过牵引绳可以匀速、稳定的将试验物品搭上指定位置。整个载物上升和下降过程没有出现牵引绳晃荡、机器人固定不牢及机器人运动顿挫的现象。实现了机器人的在铁塔轨道上的载物功能；上下塔功能：在实际攀爬作业试验中，可通过塔上人员和塔下人员配合实现机器人的上下塔功能；人－机交互操作功能：机器人与地面通过遥控器采用无线遥控进行通信，通信信号稳定、控制可靠。当机器人攀爬至顶后也能可靠地进行遥控，实际效果满足机器人的控制要求。