張屹 韓俊 張虎 楊龍 陳柳春

(三峽大學(xué)機械與材料學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

據(jù)國家電網(wǎng)部門的統(tǒng)計,截止2009年底,我國現(xiàn)有110(66)kV及以上高壓輸電線路約計553382 km,輸電鐵塔數(shù)量保守估計有180萬架,并且還在迅速增多,數(shù)量巨大,許多鐵塔需要檢測維護.目前,輸電鐵塔和高壓線的檢修以及高壓輸電線路除冰機器人和巡線機器人等維護設(shè)備的安裝都是人工爬塔操作,加上近年來地震、雪災(zāi)、洪水、臺風(fēng)等突發(fā)災(zāi)害越來越多,使更多鐵塔遭到破壞,其中很多鐵塔存在潛在的危險,不及時檢修,就可能造成鐵塔倒塌,甚至人員傷亡,給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來嚴重影響,輸電鐵塔的安全檢測和維修十分重要.

目前,國內(nèi)市場尚未見輸電鐵塔安全檢測機器人,鐵塔的安全檢測有兩種方式:一是線路維護人員定期人工爬塔檢測[1],其檢測速度慢、效率低、帶電檢測危險大,并且不能完全排除安全隱患;二是安全監(jiān)控防盜系統(tǒng)實時監(jiān)控[2],雖然準確性較高,但是其監(jiān)控系統(tǒng)本身穩(wěn)定性值得懷疑,且系統(tǒng)難以維護,成本較高,只適合特高壓輸電線路,難以普及所有電網(wǎng).因此研發(fā)一種安全、高效、準確、經(jīng)濟的輸電鐵塔安全檢測機器人,代替人工定期檢測和監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控具有較好的應(yīng)用前景和市場價值.

1 輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機器人的機構(gòu)介紹

輸電鐵塔一般采用角鋼設(shè)計制作,鐵塔主體由4根豎立主角鋼以及連接主角鋼的其他角鋼構(gòu)成.在安全檢測時,只需要對輸電鐵塔上應(yīng)力集中的薄弱結(jié)構(gòu)部位進行檢測,以達到高效準確[3].本文設(shè)計的新型實用輸電鐵塔安全檢測機器人,采用尺蠖行走的仿生學(xué)原理攀爬,具備的功能有:(1)行走越障裝置在主桿上自主上下行走;(2)行走越障裝置抓緊輸電鐵塔的主桿;(3)行走越障裝置感知并翻越障礙物;(4)檢測設(shè)備沿角鋼平穩(wěn)移動;(5)檢測設(shè)備檢測角鋼上的裂紋或斷裂等缺陷.

本文設(shè)計的輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機器人由行走越障裝置和檢測裝置兩大部分組成,其中行走越障裝置由主伸縮機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、抓手伸縮機構(gòu)、越障觸發(fā)傳感器4部分組成,檢測裝置由牽引機構(gòu)和檢測設(shè)備兩部分組成.檢測裝置設(shè)于兩個行走越障裝置之間,檢測裝置的牽引線兩端與固定在行走越障裝置外殼上的牽引機構(gòu)連接.利用行走越障裝置在輸電鐵塔主桿上自主上下行走來完成攀爬動作,利用檢測裝置沿角鋼移動檢測其是否存在銹蝕、裂紋、斷裂等情況,判斷輸電鐵塔的安全性.

機器人的部分設(shè)計參數(shù)如下:各機構(gòu)處于完全伸長狀態(tài)時,行走越障裝置體積為800mm×120 mm×300mm(長×寬×高);各機構(gòu)處于完全收縮狀態(tài)時,行走越障裝置體積為630mm×120mm×245 mm(長×寬×高);機器人總重量約為10 kg;行走越障裝置平穩(wěn)爬行速度約為0.48 m/min,檢測設(shè)備穩(wěn)定檢測速度約為2.5m/min,機器人的整體圖如圖1所示.

圖1 機器人工作示意圖

1.1 行走越障裝置

行走越障裝置由主伸縮機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、抓手伸縮機構(gòu)、越障觸發(fā)傳感器4部分組成,如圖2～3所示.

(1)主伸縮機構(gòu).主伸縮機構(gòu)5由電機、齒輪組、主螺紋桿、主導(dǎo)向套筒、主套筒、主導(dǎo)向鍵構(gòu)成,電機的輸出軸與齒輪組連接,主螺紋桿11一端穿過箱體15與主齒輪組10鍵連接,主螺紋桿11另一端與帶有內(nèi)螺紋的主套筒14螺紋連接,主螺紋桿11外面套有主導(dǎo)向套筒12,主導(dǎo)向套筒12與主套筒14通過主導(dǎo)向鍵13連接.電機通過主齒輪組10帶動主螺紋桿11轉(zhuǎn)動,通過主螺紋桿11與主套筒14內(nèi)螺紋之間的相對移動實現(xiàn)伸縮功能,完成行走越障裝置的行走動作.

(2)夾緊機構(gòu).夾緊機構(gòu)7由夾板、連接桿、電磁鐵構(gòu)成,夾板22一端與箱體14連接,連接桿23一端與夾板22連接,連接桿23另一端與抓手伸縮機構(gòu)9的套筒18下端連接,電磁鐵24安裝在套筒18的下端夾緊板上.這樣設(shè)計夾緊機構(gòu),使該機器人能根據(jù)角鋼的外形將其牢固夾緊在夾板內(nèi),可靠性強.在抓緊的同時,電磁鐵24通電緊緊吸附在角鋼上,使機器人的夾緊力進一步增大,保證穩(wěn)定抓緊.

(3)抓手伸縮機構(gòu).抓手伸縮機構(gòu)采用和主伸縮機構(gòu)同樣的原理實現(xiàn)伸縮動作.抓手伸縮機構(gòu)9由電機、齒輪組、螺紋桿、導(dǎo)向套筒、套筒、導(dǎo)向鍵構(gòu)成,電機21的輸出軸與齒輪組20連接,螺紋桿16一端穿過箱體14與齒輪組20連接,螺紋桿16另一端與帶有內(nèi)螺紋的套筒18螺紋連接,螺紋桿16外套有導(dǎo)向套筒19,導(dǎo)向套筒19與套筒18通過導(dǎo)向鍵17連接.利用抓手伸縮機構(gòu)的伸縮帶動夾緊機構(gòu)松開或夾緊,簡化了結(jié)構(gòu),節(jié)約了能源.

(4)越障觸發(fā)傳感器.在主角鋼上有類似螺栓、連接板、攀爬桿等障礙物存在.機器人必須能準確檢測到抓手伸縮機構(gòu)貼近角鋼進行抓緊的過程中是否碰到障礙物,并確定下一步動作.越障觸發(fā)傳感器安裝在夾板22和套筒18的下端夾緊板上,采用紅外線距離傳感原理.在機械手進行抓緊的過程中,如果感知到障礙物的存在,抓手伸縮機構(gòu)的電機反向旋轉(zhuǎn),使夾緊機構(gòu)恢復(fù)松開狀態(tài),主伸縮機構(gòu)的電機反向旋轉(zhuǎn),機械手向后收縮設(shè)定的距離再次進行抓緊,反復(fù)動作直到順利抓緊為止,然后另一機械手開始動作,實現(xiàn)越障功能.

1.2 檢測裝置

根據(jù)輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)特點,本文采用檢測設(shè)備沿角鋼伸長方向移動進行檢測.檢測裝置由牽引機構(gòu)和檢測設(shè)備兩部分組成.

(1)牽引機構(gòu).為了實現(xiàn)檢測設(shè)備能沿角鋼伸長方向平穩(wěn)移動進行檢測,采用繩索牽引的方式牽引檢測設(shè)備.根據(jù)行走越障裝置的結(jié)構(gòu)特點,決定在機械手的外殼上固定安裝牽引機構(gòu)8.牽引機構(gòu)8由電機、卷筒、牽引孔和牽引線組成.通過電機的轉(zhuǎn)動,帶動牽引線4上的檢測設(shè)備3沿角鋼伸長方向平穩(wěn)移動,實現(xiàn)對角鋼的安全檢測.在檢測時,牽引繩的方向并不與卷筒徑向垂直,設(shè)置牽引孔,是為了保證卷筒始終只承受徑向拉力,確保電機旋轉(zhuǎn)順暢,其他方向的拉力由牽引孔承受.在行走部分上下攀爬時,牽引繩處于松弛狀態(tài),方便機器人行走.

(2)檢測設(shè)備.機器人的行走越障裝置定點抓緊后,牽引機構(gòu)8的電機旋轉(zhuǎn),使牽引繩沿角鋼方向拉直繃緊,檢測設(shè)備開始對角鋼進行安全檢測.角鋼一般為銹蝕、裂紋、斷裂等形式的損壞.檢測設(shè)備采用模塊化設(shè)計,可以輕松更換,根據(jù)檢測的不同要求,可選擇超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測以及用CCD攝像頭記錄圖像等,擁有較寬的市場面.

2 輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機器人的運動分析

2.1 Pro/E仿真模擬和慧魚模型制作

通過Pro/E仿真模擬和慧魚模型制作試驗,證實該機器人能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能,該機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計可行,如圖6～7所示.

2.2 行走越障裝置的行走越障過程

機器人的行走越障動作是由兩個同樣的行走越障裝置2、2′完成的,所以行走越障裝置2、2′的行走越障原理一樣.本文僅對行走越障裝置2的行走越障過程(如圖8所示)作詳細介紹.

圖8 行走越障裝置的行走越障過程

第1步:啟動機械手6的電機21,通過齒輪組20帶動螺紋桿 16轉(zhuǎn)動,電磁鐵24斷電,使得套筒18向上移動,抓手伸縮機構(gòu)9向上收縮,同時聯(lián)動夾緊機構(gòu)7使夾板22松開.

第2步:抓手伸縮機構(gòu)9上升至上限位置時停止收縮,啟動主伸縮機構(gòu)5的電機,通過主齒輪組10帶動主螺紋桿11轉(zhuǎn)動,使得主伸縮機構(gòu)5伸長,機械手6遠離機械手6′.

第3步:主伸縮機構(gòu)5伸長到極限位置時停止伸長,抓手伸縮機構(gòu)9的電機21反向轉(zhuǎn)動,抓手伸縮機構(gòu)9向下伸出,聯(lián)動夾緊機構(gòu)7使夾板22夾緊角鋼,同時電磁鐵24通電,機械手6抓緊角鋼,完成行走越障裝置2的一次行走并越障過程.

再次行走時,控制機械手6′的抓手伸縮機構(gòu)9′收縮,再反向啟動主伸縮機構(gòu)5的電機,通過主齒輪組10帶動主螺紋桿11轉(zhuǎn)動,使主伸縮機構(gòu)5收縮至極限位置并停止收縮,然后伸長抓手伸縮機構(gòu)9′,使機械手6′再次抓緊角鋼.如此循環(huán),實現(xiàn)機器人的行走越障動作.

2.3 檢測裝置的檢測過程

機器人開始工作時,先將兩行走越障裝置 2、2′分別放置在輸電鐵塔兩主桿1、1′上并將其抓緊.按上述行走越障過程控制兩行走越障裝置2、2′的行走越障動作,當(dāng)兩行走越障裝置2、2′行走至檢測設(shè)備3能實現(xiàn)檢測的特定位置時(如圖1所示),行走越障裝置2、2′停止行走并抓緊主桿 1、1′,檢測裝置開始工作,行走越障裝置2、2′上的牽引機構(gòu)8、8′的電機旋轉(zhuǎn),牽引線4沿角鋼伸長方向繃緊,再合理控制兩電動機的旋轉(zhuǎn)方向,牽引檢測設(shè)備3沿角鋼的伸長方向移動進行安全檢測,并將檢測結(jié)果反饋給工作人員.檢測完成后,牽引機構(gòu)8、8′的電機旋轉(zhuǎn),牽引線4放松,兩行走越障裝置2、2′繼續(xù)行走到下個檢測位置定位,檢測設(shè)備3再進行檢測,如此循環(huán),實現(xiàn)對輸電鐵塔角鋼的檢測.

3 機器人的創(chuàng)新點

(1)創(chuàng)新性:目前國內(nèi)尚未見采用機器人對輸電鐵塔、廣播電視信號發(fā)射塔等塔式鋼結(jié)構(gòu)進行專業(yè)檢測的先例;

(2)安全性:采用機器人檢測,避免了帶電高危環(huán)境下的人工爬塔作業(yè),減少了檢測工作的危險性,改善了檢測人員的工作環(huán)境;

(3)高效性:該機器人可以自主快速地行走和跨越障礙物,夠到達人工不便到達的地方,能進行近距離、深度檢測,可發(fā)現(xiàn)輸電鐵塔一些潛在的問題,對事故的發(fā)生可以提前預(yù)知及預(yù)防;

(4)全面性:檢測設(shè)備采用模塊化設(shè)計,可根據(jù)檢測的不同要求,選擇超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測以及用CCD攝像頭記錄圖像等,擁有較寬的市場面;

(5)智能性:通過自動控制系統(tǒng)的控制以及檢測監(jiān)控終端的指揮,機器人能自主爬塔、越障,并完成各項檢測工作.

4 結(jié) 論

目前,國內(nèi)市場上尚未見類似對輸電鐵塔進行安全檢測的機器人.本文設(shè)計的輸電鐵塔應(yīng)急安全檢測機器人,能很好地解決目前輸電鐵塔安全檢測存在的諸多問題.該機器人的檢測工作安全高效,可靠性強,可帶電檢測,極大降低線路維護人員勞動強度;該機器人還具有結(jié)構(gòu)簡單可行、操作維修方便、適于推廣等優(yōu)點,能不受周圍環(huán)境、天氣等因素的限制,隨時對輸電鐵塔進行安全檢測.該機器人還可以用于信息通訊塔、廣播電視塔以及承受高負載的塔式工程機械等鋼結(jié)構(gòu)的安全檢測,具有廣泛的應(yīng)用前景和市場價值.

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[2］申紅崗,崔立忠.GSM電力桿塔防盜、防倒預(yù)警裝置的研發(fā)與應(yīng)用[J].長治學(xué)院學(xué)報,2009,26(5):28-30.

[3］張仁奇.加強輸電桿塔金屬檢測工作 提高桿塔可靠性[C].2008年抗冰保電優(yōu)秀論文集,2008:306-307.