攀爬电力铁塔机器人的爬行方案设计

李红卫，赵世平，陆小龙

LI Hong-wei, ZHAO Shi-ping, LU Xiao-long

（四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065）

0 引言

目前，采用高压和超高压架空电力线路进行电力输送是远距离输送电力的主要方式[1]。电力铁塔及电力线长期显露在野外，分布地点多，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣，因受到持续的机械张力、风吹日晒、材料老化等的影响，经常会出现断股、磨损、腐蚀、螺丝松动等问题。因自然原因或人为破坏造成的微小损坏或缺陷，都可能扩大，最终导致严重的事故[2]。因此，对电力输电设备的日常巡检与维护是有效保障输电设备安全、可靠输送电力的基础工作。

传统的巡检方法普遍采用的是人工巡检、手工记录的工作方式，需要工作人员逐塔巡视。这种方法费时费力，而且受恶劣的自然环境影响，工作条件艰苦、巡检周期长、效率低，同时，人工攀爬铁塔及上线检测对工作人员存在安全隐患[3]。因此，急需开发可以替代或部分替代电力工人日常巡检作业的新型设备。

随着机器人技术的发展，电力特种机器人成为特种机器人领域的一个研究热点。但目前对电力特种机器人的研发热点基本上都是针对电力线巡检的巡线机器人，国内外已经先后成功研发出一些巡线机器人，并在进一步的投入人力物力进行巡线机器人的研发工作。然而用于巡检与维护电力铁塔的机器人还未多见到相关的研究与报道。

因此，研究和开发用于攀爬电力铁塔的巡检机器人是很有必要的。研制攀爬电力铁塔的机器人的意义在于能够代替人工巡检、提高效率和检测精度、降低成本等，长远来看，当攀爬电力铁塔机器人技术达到一定程度，它还可以负载巡线机器人自主上线，甚至集攀爬铁塔与上线巡线于一身，实现电力巡检的全面自动化。

1 攀爬电力铁塔机器人的研究现状

1.1 攀爬电力铁塔机器人爬行机构分类

到目前为止，国内外设计的可以在电力铁塔空间桁架上爬行的机器人主要有以下几种爬行机构：电磁吸附式攀爬机构、步进式攀爬机构、蠕动跨越式移动机构。

1.2 电磁吸附式攀爬机构

英国威尔士班戈大学（University of Wales，Bangor）设计的一种电磁吸附式的攀爬电力铁塔机器人方案，如图1(a)(b)所示[4]。该机器人由三部分组成：中部、头部和尾部。其中，中部具有旋转机构，可以作转向运动。头部与尾部分别用导向杆与中部连接，在齿轮齿条的带动下可以分别相对于中部作伸缩运动。三部分都有各自的电磁吸附装置，同一时刻有两部分吸附，另一部分运动。其运动方式如图1(c)所示。但是由于该机器人没有垂直于前进方向的自由度，电磁铁部分又没有抬升机构，该机器人只能在平坦的表面上移动，不具有越障功能。

图1 班戈大学的攀爬电力铁塔机器人

以色列艾瑞尔中心大学（Ariel University Center）的K&CG实验室（Kinematics &Computational Geometry multidisciplinary laboratory）研制的电磁吸附式爬铁塔机器人如图2所示[5]，采用连杆结构形式，共有八个自由度，具有越障功能。

图2 艾瑞尔中心大学的爬铁塔机器人

1.3 步进式攀爬机构

西班牙马德里的卡洛斯三世大学研制的ROMA攀爬机器人[6]就是一款典型的拥有步进式攀爬机构的3D复杂梁架环境攀爬机器人如图3所示。

图3 ROMA攀爬机器人

该机器人是根据蠕虫移动的运动学原理而设计的，主要包括三部分如图3所示：

1）机器人的主体。包括CPU，伺服多轴控制板，一个伺服发动机放大器（驱动器），电池，与地面操作系统通信的无线电波以太网，和辅助性的电子学，如多路技术系统；

2）运动系统由装在机器人本体上的两只爪子组成，实现其与要攀爬对象的攀附和分离，它们由交流电机和谐波驱动减速器驱动，这使得机器人能够沿着复杂结构做3D运动；

3）传感器平台主要基于摄像机和激光测距仪，用来进行检测操作和机器人导航。

该机器人共有八个自由度，四个用来控制两爪子的运动和方向，两个用来张开和闭合爪子，一个控制爪子的旋转，一个用来延伸本体，它既可以沿着梁或桁架做1D运动(图4.b)，也可以在两个呈一定角度的位面间做2D运动 (图4.c和4.d)，还可以实现在复杂环境中从一个平面到其他平面的3D运动 (图4.e)。1D环境中挪动时，机器人的前爪抬起，本体伸长后前爪再抓紧，然后后爪抬起，本体收缩后后爪再抓紧；2D运动是在1D运动的基础上增加本体和爪子的抬升和方向运动而实现的；复杂的3D运动时则是由全部的单独运动配合来实现，包括爪子的旋转运动。

该机器人有非常巧妙的运动机构，允许其在复杂环境中做各种运动和自由行走，并且安全级别较高。但它的运行环境仍然比较规则，通常为梁或柱结构的组合，仍很难适应电力铁塔的角钢结构；并且采用两爪结构，对旋转电机的要求很高，机器人整体移动速度太慢，无法在实际中的铁塔检测任务中使用。

1.4 蠕动跨越式移动机构

国内在这方面的研究还极少,由哈尔滨工业大学机器人研究所研制的管外移动机器人[7,8]采用蠕动跨越式移动机构，可以实现在1D、2D梁架环境下做各种运动。

该机器人具有很好的越障功能，可越过凸台等障碍，也可用于2D环境如L型或T型管道的检测。如图5.a所示，机器人机构由手爪(1、2)、转动关节(3、4)和移动关节(5)所组成。机器人每个关节都由一个电机通过减速装置驱动，手爪采用对称形结构。

直线行走时(设向左走)，如图5.b所示，一个手爪(2)抓紧，手爪(1)松开后驱动移动关节(5)；之后手爪(1)抓紧管道，手爪(2)松开后驱动移动关节(5), 就前进一步；重夏上述过程即可实现直线运动。遇到凸台时，如(图5.c)所示，手爪(1)握住管道，松开手爪(2)，驱动关节(3)旋转并驱动关节(4)旋转180o，使手爪(2)握住管道；再令手爪(2)抓紧手爪(1)松开，驱动关节(4)旋转并驱动关节(3)旋转180o，使手爪(1)抓住管道即实现越过凸台。遇到型L、T型管道时，如(图(5).d)所示，手爪(1)握住管道，松开手爪(2)，驱动关节(3)旋转的同时驱动关节(4)旋转所需角度，让手爪(2)抓紧竖直管道；再松开手爪(1)，驱动关节(4)旋转的同时驱动关节(3)旋转所需角度，使手爪(1)抓住管道即完成翻越。

该种机器人具备越障能力，但对铁塔钢架的适应能力、承载能力较差，同时只能在1D和2D环境中应用，在铁塔的复杂3D环境中难以应用。

2 攀爬电力铁塔机器人爬行方案设计[9]

在充分调研国内外攀爬电力铁塔机器人爬行机构发展现状的基础上，通过借鉴他们比较成熟的机构，我们已经成功设计、装配出了3代不同攀爬原理的攀爬电力铁塔机器人物理样机，并在试验铁塔上取得了成功，达到了预期目标。结合这三代物理样机在试验过程中出现的问题，在进一步分析国内外攀爬电力铁塔机器人本体结构特点并结合实际的基础上，提出了以下两种设计方案。

2.1 攀援式攀爬机构

攀援式攀爬机器人像肢节动物一样，有可以灵活运用的手，能用四只爪子抓牢钢架，像黑猩猩那样去攀爬铁塔。

图6 攀援式攀爬机构

该类人机器人没有任何用于把其本体固定于铁塔上的特殊结构，而是像人一样用爪子把其自身固定在铁塔上。该机器人有16个自由度，四只手臂，手臂末端各安装一V型爪子，当其中的三个爪子抓紧铁塔钢架的时候，另外一只手臂做伸缩运动探找新的着脚点，四只手臂依序交替运动，从而实现机器人本体的运动。该机器人攀爬电力铁塔的步态如下(如图6所示)：

1）上部的两只爪子抓住上面对称的两个钢架，同理下部也是如此。机器人可以牢固的将自己固定在铁塔上。

2）释放上部的其中一只爪子去抓取另一只钢架。

3）释放上部的另外一只爪子抓取对称的钢架。

4）下部的两只爪子同样以上部两只爪子的运动方式进行运动。

5）四只手臂同时运动实现本体的移动。

2.2 仿人手臂攀爬机构

结合树獭、黑猩猩和尺蠖攀爬的仿生学原理，设计出串联的包括七个节点单元和两端各有一双“V”字型爪子的仿人手臂攀爬电力铁塔机器人如图7所示。

图7 仿人手臂攀爬机构

该机器人结构近乎对称，连杆3、4、5、6由金属制圆筒构成，且分别有一旋转接点7、8、9、10，这四个旋转接点将金属圆筒分为两部分，内置在圆筒中接点处的电机作用使两部分在节点处可实现任意角度相对旋转运动。转动关节11、12、13也有电机作用使两个连杆在0—330角度范围内做相对旋转动作。我们知道一个控制结构如果有六个自由度就可以到达其在三维空间的任何地方，该攀爬机构共有七个旋转节点单元，九个自由度，原理上可以接触到电力铁塔的任何部位，较好的实现越障功能，实现全面、详细检测。针对L型铁塔钢架结构设计双“V”字型爪子1、2，这在设计上是一个难点，必须保证爪子牢固地抓紧铁塔的钢架结构并保持机器人的平衡。机器人由此七个连接单元和两个爪子单元组成，模块化的构成不但会减少设计、制造和维修的成本，而且我们可以容易的由这些连接单元组成具有任意数量自由度和其他结构的机器人。

3 攀爬电力铁塔机器人爬行方案的确定

由以上设计的两种爬行机构可知，攀援式攀爬机构有16个自由度，四只手臂有三只总是同时固定，可以保证本体的稳定性，具备越障能力，对铁塔钢架的承载能力较强。仿人手臂攀爬机构灵巧度高，他的移动爪子可以接触到3D工作空间的任何机构，允许其在复杂环境中做各种运动和自由行走，可以满足攀爬和操作功能；紧密性好，紧凑娇小的结构对于避免机器人和环境之间的碰撞是有好处的；重量轻。

比较两种爬行机构知攀援式攀爬机构其体积大，对四只手臂的协调性要求较高，对铁塔钢架的适应能力较差，同时复杂的铁塔钢架结构使其路径规划和控制系统设计都较为复杂，同时在灵巧度及轻重量方面都不如仿人手臂攀爬机构。所以，确定仿人手臂攀爬机构为最终方案。

4 攀爬电力铁塔机器人基于 SolidWorks的三维实体建模和基于ADAMS的虚拟仿真

在确定了攀爬电力铁塔机器人整体方案的前提下，在SolidWorks平台上进行了零件图、子装配图、总装图的仿真设计与装配，建立起了设计方案的三维实体模型，然后，将其导入ADAMS软件中，进一步建立起虚拟样机仿真模型，并对虚拟样机进行了运动学及动力学方面的仿真与分析。仿真结果显示，该攀爬机器人能很好的完成攀爬越障动作，运行稳定，证明了该设计方案的可行性。

5 结论

以上通过分析、比较几种爬行结构，结合攀爬电力铁塔机器人的性能要求及工作环境确定了一种攀爬电力铁塔机器人的爬行方案。通过在SolidWorks平台上的三维建模，在ADAMS软件中的虚拟仿真，验证了设计方案的可行性。攀爬电力铁塔机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及到机构、控制、通信、定位系统、可动平台上传感器的融合、电源等多个领域。爬行方案的确定，是该项目研制的基础。从样机的试制，以至达到实用化的目标，仍需做大量的研究工作。

[1]陈中伟,肖华,吴功平.高压巡线机器人电磁传感器导航方法[J].传感器与微系统,2006,25(9)：33-35.

[2]张运楚,梁自泽,谭民.架空电力线路巡线机器人的研究综述[J].机器人,2004,26(5)：467-473.

[3]左岐,谢植,梁自泽等.巡线机器人的发展与应用[J].机器人技术与应用,2007.3.

[4]Richard Pierce Owen.A climbing robot for inspection of electricity pylons[D].Dissertation for the degree of MEng(Hons) at Univesity of Wales,Bangor.2003.

[5]http：//www.ariel.ac.il/projects/kcg/index.php/climbing-robot.

[6]C.Balaguer,A.Giménez,J.M.Pastor,V.M.Padrón,M.Abderrahim.A Climbing Autonomous Robot for Inspection Application in 3D Complex Environments[J].Robotica.2000. Vol.18.P.287-297.

[7]安永植,郭伟,姜国超.蠕动式管外移动机器人模型I[J].高技术通讯.1994.11.P.32-33.

[8]安永植,姜国超.管外移动机器人机构的研究[J].机器人.1994,16(5)：275-280,285.

[9]龚振邦,汪勤悫,陈振华等.机器人机械设计[M].北京：电子工业出版社,1995.