一种多功能电杆爬杆机器人的研制

樊三军 卢兴福 龙武艺

摘要：介绍了一种多功能爬杆机器人的设计与研制过程，对爬杆机器人的结构和组成进行了详细介绍，并介绍了多功能机器人研制过程中，遇到的主要问题及相应解决办法。

关键词：电杆爬杆;多功能机器人;工作平台

0  引言

在电力系统中，配网系统的水泥电杆使用量一直很大，配网的水泥电杆上的异物去除、缺陷的巡查、重物沿杆提升等工作越来越多，现目前还是采用人工向上攀爬的方式进行操作，工作人员的工作量都比较大，劳动强度高，工作效率还低下，存在重大的安全隐患，这是目前需要解决的问题。

隨着传感器技术、信息技术、计算机技术、自动化技术以及人工智能等多学科的飞速发展，机器人代替人工去完成高重复性、低效率的工作已成必然趋势[1]。因此，我们设计了一种多功能电杆爬杆机器人，通过控制机器人来完成上述水泥电杆上的异物去除、缺陷的巡查、重物沿杆提升等工作，具备带电作业能力，能够建立一个自动控制工作平台减少人工风险，减轻了工作人员的劳动强度及提高工作效率，促进作业规范化、标准化开展，在电网危险地方避免了人员伤害情况的发生[2]。

1爬杆机器人技术参数与控制思路

考虑到机器人需要实现的功能，结合工作实际场景，对机器人的技术参数做了以下规定：1、机器人的外形尺寸长宽高都不超过1米，主机质量不超过50公斤;2、为了完成机器人负重爬升安装作业，要求其额定提升负重不低于100公斤，具有掉电防坠自锁功能，且恢复供电后，仍然能继续工作;4、具有爬升高度与爬升抱紧力、提升负载力进行实时监控;5、爬杆速度在1.5-3米/分钟之间，爬杆高度为15米，电杆直径为25-40厘米之间;6、机器人工作平台可以安装横担及自动扳手机构及相应的电气控制接口以及安装X-Y双轴机械臂+电动夹持手指及相应电气控制接口。

机器人本体采用特殊铝合金制成，具备刚度和韧性，通过螺母锁紧装置固定在电杆上。机器人的移动由控制装置操纵驱动电机，带动导轮滚动，当到达制定位置时，螺母锁紧装置再次将机器人固定在电杆上。当需要进行相关作业时，由控制装置操作机械臂或者其他自动装置完成。所有操作都通过相应传感器来感知定位，机器人工作依靠工作人员在电杆附近通过平板遥控操作，可通过视频接口查看相应操作过程。由于本机器人具备负重、安装及多重功能，因此本机器人的运动速度不宜设置太快，且结构设置上不能翻越障碍（电杆连接头除外）。

2爬杆机器人的组成

我们把整个机器人分成四个功能部分：一是固定系统，确保设备能固定在电杆上;二是升降系统，使得设备在电杆上移动;三是智能系统，实现人机之间交流、控制，操作设备;四是功能布置平台，安装机械臂，并配有摄像头。

2.1固定系统

固定系统是整个机器人的基础部件，确保设备能固定在电杆上，不会滑动或者跌落，由支撑装置和夹紧装置组成。支撑装置包括功能平台和支撑平台，功能平台位于支撑平台的上方并通过六根转轴活动连接，转轴顶端固定连接在功能平台的底部，在转轴的下部设有轴套，通过轴套上的凹槽卡接在支撑平台的弧形孔上，支撑平台的下方安装功能平台驱动电机。夹紧装置包括下支撑平台和对称的两块夹板，下支撑平台通过导向装置和驱动装置固定连接有可相向滑动的两块夹板，夹板上固定连接有相互垂直的两个装有滑轨的固定支架。支撑平台上的夹紧电机启动后，带动下层的丝杆旋转，进而使相对的两个螺纹套夹紧，机器人就固定在了电杆上。

2.2升降系统

升降系统包括提升电机和丝杆，提升电机固定连接在支撑平台上，通过联轴器与丝杆连接。机器人固定在电杆上后，操作控制装置爬升指令后，夹紧电机带动下夹板和丝杆旋转，通过压力传感器来监测设定的夹紧力，当夹紧力检测可靠后，驱动提升电机反转，带动底端的下支撑平台和顶端的支撑平台向上移动，达到设定的运动位移值后停止。这时启动底部的夹紧电机，当夹紧力检测可靠后，中部的夹紧电机反转打开夹紧装置，再启动提升电机正转，从而带动中部的夹紧装置向上移动，运动到设定值后停止。如此反复运动直至机器人运动到指定的高度，实现爬升功能。当需要将机器人下落时，操作控制装置，反向运动模式即可实现下降功能。

2.3智能系统

智能系统由PLC控制器、触摸屏控制装置、拉压力变送器、激光位移传感器等组成。通过PLC控制器完成主程序编辑，设定机器人移动方式，并确定步幅。触摸屏控制装置主要完成对机器人的移动控制以及发送停止指令，并操作功能布置平台上的机器臂完成异物去除、缺陷的巡查、重物沿杆提升等工作，也可操作其它自动装置来实现检修、摄像等功能。机器人的移动需要借助拉压力传感器来确定机器人本体是否固定好，在经过控制器确认后才执行下一步操作。激光位移传感器主要感知机器人移动的步幅和距离，起到机器人定位的作用。

2.4功能布置平台

功能平台位于支撑平台的上方，由机械臂、重物托举机构和摄像头等组成。机械臂可夹持直流电动扳手，完成相应的安装拆卸工作。托举机构具备夹持常规金具功能，可调节夹持宽度。摄像头为无线高清特制摄像头，并配备有视频接受装置，可以操纵摄像头对杆上情况进行观察，方便做出及时判断与操作。

3机器人研发过程主要问题及解决方法

在多功能电杆爬杆机器人研制过程中，遇到的主要问题及相应解决办法如下：

1、如何防止机器人在电杆上滑动。当夹紧电机开始工作时，夹紧电机的轴与丝杆连接并固定在下支撑平台上，采用丝杆上活动连接对称的相配合的两个螺纹套，螺纹套与固定座固定连接，螺纹套上安装压力传感器。夹板的侧边设有V型缺口，在V型缺口的侧边上固定连接有夹板垫。在夹紧装置定位在电杆上时，通过四块夹板垫固定定位在电杆上，防止滑动。

2、如何确保机器人移动中的安全。在提升轴丝牙套上安装压力传感器，可以监测机器人在运动过程中异物导致的阻力，当阻力达到设定的值后做到适时停机，实现对机器人的保护。且若夹紧压力不够时，下步幅不会动作。

3、当需要变换方位时，功能布置平台如何配合。功能布置平台通过六根转轴与支撑平台活动连接，且能沿支撑平台作相对旋转运动。当需要功能平台作一定角度旋转时，操作控制装置，驱动功能平台驱动电机转动，在齿轮的配合下，实现功能平台的角度旋转位移，来满足不同角度的需要。

4结语

本机器人采用仿生学原理，通过机械装置和智能控制系统，以直流电源作为动力，以步幅的形式实现机器人的登高，兼顾智能化与实用化，性价比高，易于操作、学习，竞争力强。登杆的速度为1-3米/分钟可调，满足目前无障碍物的配网系统水泥杆上作业要求，通过更换功能平台上的工装，满足不同工作的需要，在农网的升级改造中，带电故障处理等方面有广阔的应用前景，同时在参加2018国资委举办的熠星创新创业大赛中得到一致好评。

参考文献

[1]原魁，李园，房立新.多移动机器人系统研究发展近况[J]. 自动化学报，2007，33（8）： 785-794.

[2]柴作鸿.多功能巡检机器人的系统设计[D]. 天津：天津工业大学大学，2019.