输电线路树木修枝机械的研究现状与发展趋势

金勋俊， 李端玲

(陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

我国电力事业的不断发展为许多偏远地区提供了电力服务，但与此同时输电线路附近生长过高的树木也为线路的安全运行带来了很大的隐患，每年因树木接触下相导线从而造成电路短路、森林火灾和人畜触电伤亡等事故时有发生，并且由树木引起的输电线路事故都会给电力部门造成巨大的经济损失[1]。以广东云安县为例，2017年电路事故中因树木造成的故障占21%，投入抢修车辆及维护人员分别达325车次和1 672人次，清理线路附近树木65 820棵，砍伐竹子71 123棵，不仅耗费大量人力、物力与财力，更为电力供给的安全性及可靠性带来巨大挑战[2]。

为解决因树木引起输电线路发生电路事故的问题，通常需要对这些树木进行修剪或整株砍伐，这称之为树障清理，但整株砍伐容易引起经济纠纷，所以常对树木进行树枝修剪作业。传统的树障清理工作主要由人工手持刀具、手锯或油锯，通过树木攀爬登高作业、搭乘斗臂车高空作业或通过延长杆等方式完成，但人工清理树障存在工作效率低、劳动强度大和人员高处坠落及触电风险等问题[3-4]，人工修枝如图1所示。解决上述问题的有效措施是使用机械修枝代替人工修枝，机械修枝不仅可以提高工作效率，减小人员劳动强度和伤亡风险，还能够降低人工成本，以及极大的提高电力供给的安全性和可靠性。

图1 人工修枝作业

目前，输电线路树木修枝机械主要分为四种，即车载式、空中平台式、沿线路行走式和沿树干攀爬式[5]，本文对这四种修枝机械的研究现状进行了阐述，对其各自的优缺点进行了分析，最后针对输电线路树木修枝机械现有的问题进行了探讨，并对其今后的发展方向进行了展望。

1 输电线路树木修枝机械的研究现状

1.1 车载式修枝机械

车载式修枝机械出现较早，其结构主要由地面运输平台、机械臂和末端修剪工具等构成，地面运输平台多为车辆，工作过程一般是先由操作人员驾驶运输平台将机械臂运送至树障附近，再操纵机械臂调整其位姿使机械臂末端的修剪工具到达修剪点，最后由修剪工具清理树枝完成清障作业。

国外对车载式修枝机械的研究和应用较早，如Dixon R E[6]等设计了一款名为“Right-Of-Way”的树木修剪机器人，如图2所示，该机器人的机械臂由多段铰接式吊杆组成并安装于运载车辆上，机械臂末端安装有由一排圆盘锯组成的修剪工具，这款机器人主要用于清理农村地区输电线路附近的树枝。美国Goldenberg A[7]等设计了一种树障清理机器人，如图3所示，该机器人具有两个超长的大臂，在大臂末端安装有两个分别具有3自由度和6自由度的小臂，其清理树枝的高度可达到15 m。美国TerraTech公司设计了一种树障清理机械手[8]，如图4所示，该机械手具备多种功能，除了可切割树枝，还具有夹持装置用于防止清理掉的树枝倒向线路，另外还安装有一个化学喷头用于喷洒除草剂。

图2 “Right-Of-Way”的树木修剪机器人

图3 Goldenberg A树障清理机器人

图4 TerraTech机械手

郑子杰[9]等发明了一种基于多轴机械臂升降平台的输电线路树障清理装置，如图5所示。该装置的结构主要由升降平台、升降装置、多自由度机械臂和末端作业工具组成。升降平台可根据地面的倾斜度调整自身角度，使整个装置始终处于竖直状态，升降装置可将多自由度机械臂提升至一定高度，机械臂在调整位姿后，使用末端作业工具完成树障清理。

图5 多轴机械臂升降平台树障清理装置

1.2 空中平台式修枝机械

空中平台式修枝机械是指使用空中机器人作为空中平台搭载修剪工具实现树障清理的修枝机械，空中机器人一般是无人机和直升机，其具有自我感知和自主执行任务的能力。空中平台式修枝机械的结构一般由空中机器人、连接装置和末端修剪工具等组成，工作过程一般是由操作人员远程控制空中机器人将修剪工具运送至树障附近，然后由修剪工具完成树障清理。

Molina J等[10-11]基于多旋翼空中机器人平台开发了一种树障清理机器人，如图6所示。该机器人主要由空中机器人平台、悬挂装置和圆锯构成，在清理树枝之前，机器人先飞行到目标树枝下方，再通过悬挂装置悬挂在树枝上，随后用圆锯切断树枝完成树障清理，该机器人设计悬挂装置的目的是减少飞行时间从而增加续航时间。在此基础上，Molina J等人[12]根据树障清理的实际任务环境，通过参数计算设计了圆锯尺寸并确定了该悬挂式空中树障清理机器人的操作流程，最终进行了真实环境下的树枝切割实验，实现了对3 cm直径树枝的有效切割。

图6 Molina J树障清理机器人

南京航空航天大学的常乐[13]设计了一种吊挂刀锯式结构的树障清理空中机器人TBCARSS，并对该机器人的飞行控制技术进行了研究，包括机器人的姿态和位置控制及刀锯的摆角控制，设计了相应的控制器并通过树障清理实验验证了控制方案的合理性。李捷文[14]对一种空中树障清理机器人的刀具系统进行了研究，在刀具结构方面设计出单锯、双锯和可转动刀具结构，并根据不同种类的树木设计出不同参数的圆盘锯，然后对刀具的控制系统进行了研究和设计，最后将刀具和空中机器人的控制系统相结合，通过实验证明了该树障清理机器人具有良好的清障效果。王少辉[15]开发了一款用于树障清理的空中机器人COAR，如图7所示。王少辉设计了COAR的整体结构，然后对机器人在作业过程中受到的扰动情况进行了分析，并设计了具有鲁棒性的位姿控制器，最后搭建COAR样机验证了COAR进行树障清理的可行性。

图7 COAR树障清理机器人

1.3 沿线路行走式修枝机械

沿线路行走式修枝机械一般由移动平台、连接装置和末端修剪工具等构成。移动平台需与导线构成等电位，并可以运载整机设备沿线路行走，在进行修剪作业时，移动平台作为设备的支撑平台，连接装置需具备绝缘能力并决定设备的工作范围。沿线路行走式修枝机械的工作过程一般是先由移动平台携带作业设备沿线路行走，到达修剪区域后，移动平台与电线固定，然后连接装置调整位姿使末端修剪工具到达工作位置，最后由修剪工具清理树枝完成清障作业。

Chao Li[16]等提出了一种五自由度串联剪枝机器人。Chao Li等在应用Denavit-Hartenbreg(D-H)法对机器人的机械手建立模型后，对其求解出运动学正解和逆解，并运用Monte Carlo(蒙特卡罗)方法得到了剪枝机器人的工作空间，然后在工作空间内进行了轨迹规划仿真来确保剪枝过程中机械手的工作平稳性，最终验证该剪枝机器人可以灵活地清理1～1.5 m范围内的树枝。姜鹏[17]等设计了一种沿220 kV带电线路行走的修枝机器人，如图8所示。姜鹏等根据架空输电线路设计规范确定了修枝机器人的作业空间，再根据作业空间得出机器人的结构参数，然后对机器人连接装置中的绝缘臂进行了最优化处理以减轻质量，并利用ABAQUS对绝缘臂进行有限元分析以保证其结构满足强度及刚度要求，最后通过样机实验验证该机器人具备沿220 kV带电线路修枝的能力。

图8 220 KV带电线路修枝机器人

徐志翔[18]等提出了一种新的超长绝缘臂修枝机器人构型，并设计了一款用于修剪树枝的末端组合工具，如图9所示，考虑到修枝机器人在修剪树枝时可能发生机身翻转问题，因此在移动平台下方加入了重心调节装置，最后对机器人进行了典型工况的运动仿真和运动学与动力学特性分析，为后期优化设计提供了参考。张黎等[19]针对220 kV带电线路树枝修剪作业设计了一款修枝机器人，如图10所示，根据“线—树”安全距离、架空线下树木生长规律和修剪频率等条件确定了机器人构型，然后应用MATLAB建立机器人仿真模型，并对作业空间、逆运动学及轨迹规划进行仿真分析，最后通过样机实验证明可锯切5 cm的树枝。

图9 超长绝缘臂修枝机器人

图10 BTR修枝机器人

1.4 沿树干攀爬式修枝机械

沿树干攀爬式修枝机械的结构一般由爬升机构和末端修剪工具等组成，爬升机构是这类修枝机械的设计要点，其很大程度上决定了修枝机械的攀爬速度和适应性以及清障效率。

Ueki S[20]等设计了一种模仿伐木工人爬树方式的修枝机器人，如图11所示。该机器人配备了四个具有非反向驱动特性的轮子，每一个轮子都由直流伺服电机驱动，机器人可沿树干直线或螺旋方式向上攀爬。Ueki S等在室内使用直径0.25 m、摩擦系数0.4的树干作为对象对修枝机器人进行了基本性能评估、不均匀表面稳定性评估及修枝可行性等实验，实验结果表明该修枝机器人各项性能表现良好。Ishigure Y[21]等设计了一种具有节能链锯驱动的修枝机器人，如图12所示，该机器人由爬升机构、姿态调整机构和剪枝机构等构成，总重13 kg。爬升机构中的四个主动轮都装有转向装置，在树干上没有树枝间隔时能以0.25 m/s的速度直线攀爬，当有树枝间隔时能以0.02 m/s的速度螺旋攀爬，姿态调整机构可以调整机器人在攀爬和剪枝过程中出现的倾斜角度，剪枝机构具有防咬合、链锯姿态调整和低摩擦等功能及特性，并且节能链锯可以减少34%的电力消耗。

图11 Ueki S修枝机器人

图12 节能链锯修枝机器人

Guang-Hua Fu[22]等针对速生林设计了一种修枝机器人，如图13所示。该机器人由爬升机构、转台机构和剪枝机构构成，总重40 kg，可攀爬直径150 mm～350 mm的树干，爬树速度20 mm/s，最大修剪直径30 mm，机器人动力由24 V直流电池提供，该机器人可快速修剪树干侧枝，能够满足速生林修剪作业实际要求。朱和平[23]等发明了一种结构新颖的蛇形修枝装置，如图14所示，该装置主要由两部分构成，包括爬行机构和修剪机构，爬行机构由多个通过关节轴连接的蛇节构成，关节轴处设有关节扭簧且每个蛇节都装有车轮，修剪机构安装于爬行机构顶部，修剪工具主要是刀片。清理树障时，需要爬行机构绕树干往上攀爬至指定位置，然后由修剪工具完成清障作业，该装置对树干的通直度要求很高，且只能螺旋攀爬，所以攀爬速度和清障效率很低。

图13 速生林修枝机器人

图14 蛇形修枝机器人

1.5 四种修枝机械的优缺点分析

上述四种输电线路修枝机械由于结构特性等原因都具有各自的优势与局限性，在实际应用中可根据各自的优缺点选择合适的类型。车载式修枝机械具有作业时间长、负载能力大和效率高等优点，但制作成本较高，工作环境限制大，不适用于密林及地形复杂的区域；空中平台式与车载式修枝机械相比，最大的优势在于不受地形限制，但其续航时间短、负载能力小，进行切割作业时存在碰撞和飞行不稳定的问题；沿线路行走式修枝机械同样不受地形限制，且清障效率较高，但控制较为复杂，存在行走及修枝过程中设备重心不稳定从而可能发生倾翻的问题；沿树干攀爬式修枝机械运输方便，清障效率较快，但对树干的通直度要求很高，所以适用于某些特定树种的修枝作业。

2 输电线路树木修枝机械现存的问题及展望

2.1 现存的问题

从国内外研究现状来看，目前我国对输电线路树木修枝机械的研究多集中于理论研究与试验验证，且取得了一定的成果，但想要应用于实际还存有许多问题尚未解决：

(1)输电线路修枝机械多在野外工作，其应该具备长时间工作的能力，而空中平台式、沿线路行走式和沿树干攀爬式等修枝机械多用电力作为动力来源，其续航时间难以满足工作要求；

(2)障碍树枝的材质和尺寸多种多样，针对不同的材质和尺寸应使用不同的末端作业工具，这样可以提高修枝效率和延长作业工具的使用寿命，但目前各种修枝机械的末端作业工具种类较为单一；

(3)输电线路修枝机械对障碍树枝的识别与定位仍依靠人工，这导致修枝机械的自动化程度仍旧不高。

2.2 展望

针对以上存在的问题，现提出以下几点建议供输电线路修枝机械未来的研究作为参考。

(1)多措施并用以延长续航时间。如使用新型电池代替传统电池；优化机械结构，在满足功能需求的情况下尽可能使机械结构简单化；选用质量较轻且满足功能要求的材料来降低设备重量等。

(2)末端作业工具多功能化和集成化。用于修枝的末端作业工具可以分为三种，包括锯、剪和旋转刀具，锯片一般用于锯切直径较大、材质较硬的树枝，剪一般用于剪切细而脆的树枝，旋转刀具一般用于切割材质较软的树枝[24]，将这三种工具集成配备于修枝机械使其末端作业工具多功能化，则对障碍树枝的清理效率和适应性将大大提高。另外设计末端作业工具时应考虑机械结构(大小、形状、重量)和动力来源(电动、液压、气动)[25]，所设计的末端作业工具应紧凑而轻便，同时需考虑到与摄像机和传感器等其他部件的集成性。

(3)应用机器视觉技术进行树枝的自动识别与定位。机器视觉作为一种有效的分枝检测技术，在过去被广泛应用于各种果树修枝过程中，机器视觉在修枝过程中主要完成树的三维重建、分枝检测和剪枝点定位等任务，因此也可用于输电线路的树枝修剪过程[26]。树的三维重建可为修枝机械提供许多关键信息，包括树干和树枝的外观、直径、方向和结构等，分枝检测可确定障碍树枝的位置，剪枝点定位可确定修剪工具的作业点，因此将机器视觉技术应用于输电线路修枝机械可提高其自动化程度。

3 结束语

本文阐述了研究输电线路修枝机械的重要意义，对现在常见的四种输电线路修枝机械的国内外研究现状和各自的优缺点进行了分析，并探讨了输电线路树木修枝机械现存的问题，最后根据现存的问题提出了未来研究展望。根据国内外研究现状来看，我国输电线路树木修枝机械化与自动化水平还不高，需要解决的问题还很多，距离大规模实际应用还有一定的距离。常见的车载式、空中平台式、沿线路行走式和沿树干攀爬式等修枝机械由于结构特性等原因都具有各自的优势和局限性，合理利用其优势和完善解决其局限性对树障清理十分重要，另外在续航时间、末端作业工具多功能化和集成化以及应用机器视觉技术提高修枝机械的自动化程度等方面还需要进一步研究。