金勛俊， 李端玲

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

我國(guó)電力事業(yè)的不斷發(fā)展為許多偏遠(yuǎn)地區(qū)提供了電力服務(wù)，但與此同時(shí)輸電線路附近生長(zhǎng)過高的樹木也為線路的安全運(yùn)行帶來了很大的隱患，每年因樹木接觸下相導(dǎo)線從而造成電路短路、森林火災(zāi)和人畜觸電傷亡等事故時(shí)有發(fā)生，并且由樹木引起的輸電線路事故都會(huì)給電力部門造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。以廣東云安縣為例，2017年電路事故中因樹木造成的故障占21%，投入搶修車輛及維護(hù)人員分別達(dá)325車次和1 672人次，清理線路附近樹木65 820棵，砍伐竹子71 123棵，不僅耗費(fèi)大量人力、物力與財(cái)力，更為電力供給的安全性及可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)[2]。

為解決因樹木引起輸電線路發(fā)生電路事故的問題，通常需要對(duì)這些樹木進(jìn)行修剪或整株砍伐，這稱之為樹障清理，但整株砍伐容易引起經(jīng)濟(jì)糾紛，所以常對(duì)樹木進(jìn)行樹枝修剪作業(yè)。傳統(tǒng)的樹障清理工作主要由人工手持刀具、手鋸或油鋸，通過樹木攀爬登高作業(yè)、搭乘斗臂車高空作業(yè)或通過延長(zhǎng)桿等方式完成，但人工清理樹障存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和人員高處墜落及觸電風(fēng)險(xiǎn)等問題[3-4]，人工修枝如圖1所示。解決上述問題的有效措施是使用機(jī)械修枝代替人工修枝，機(jī)械修枝不僅可以提高工作效率，減小人員勞動(dòng)強(qiáng)度和傷亡風(fēng)險(xiǎn)，還能夠降低人工成本，以及極大的提高電力供給的安全性和可靠性。

圖1 人工修枝作業(yè)

目前，輸電線路樹木修枝機(jī)械主要分為四種，即車載式、空中平臺(tái)式、沿線路行走式和沿樹干攀爬式[5]，本文對(duì)這四種修枝機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，對(duì)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后針對(duì)輸電線路樹木修枝機(jī)械現(xiàn)有的問題進(jìn)行了探討，并對(duì)其今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 輸電線路樹木修枝機(jī)械的研究現(xiàn)狀

1.1 車載式修枝機(jī)械

車載式修枝機(jī)械出現(xiàn)較早，其結(jié)構(gòu)主要由地面運(yùn)輸平臺(tái)、機(jī)械臂和末端修剪工具等構(gòu)成，地面運(yùn)輸平臺(tái)多為車輛，工作過程一般是先由操作人員駕駛運(yùn)輸平臺(tái)將機(jī)械臂運(yùn)送至樹障附近，再操縱機(jī)械臂調(diào)整其位姿使機(jī)械臂末端的修剪工具到達(dá)修剪點(diǎn)，最后由修剪工具清理樹枝完成清障作業(yè)。

國(guó)外對(duì)車載式修枝機(jī)械的研究和應(yīng)用較早，如Dixon R E[6]等設(shè)計(jì)了一款名為“Right-Of-Way”的樹木修剪機(jī)器人，如圖2所示，該機(jī)器人的機(jī)械臂由多段鉸接式吊桿組成并安裝于運(yùn)載車輛上，機(jī)械臂末端安裝有由一排圓盤鋸組成的修剪工具，這款機(jī)器人主要用于清理農(nóng)村地區(qū)輸電線路附近的樹枝。美國(guó)Goldenberg A[7]等設(shè)計(jì)了一種樹障清理機(jī)器人，如圖3所示，該機(jī)器人具有兩個(gè)超長(zhǎng)的大臂，在大臂末端安裝有兩個(gè)分別具有3自由度和6自由度的小臂，其清理樹枝的高度可達(dá)到15 m。美國(guó)TerraTech公司設(shè)計(jì)了一種樹障清理機(jī)械手[8]，如圖4所示，該機(jī)械手具備多種功能，除了可切割樹枝，還具有夾持裝置用于防止清理掉的樹枝倒向線路，另外還安裝有一個(gè)化學(xué)噴頭用于噴灑除草劑。

圖2 “Right-Of-Way”的樹木修剪機(jī)器人

圖3 Goldenberg A樹障清理機(jī)器人

圖4 TerraTech機(jī)械手

鄭子杰[9]等發(fā)明了一種基于多軸機(jī)械臂升降平臺(tái)的輸電線路樹障清理裝置，如圖5所示。該裝置的結(jié)構(gòu)主要由升降平臺(tái)、升降裝置、多自由度機(jī)械臂和末端作業(yè)工具組成。升降平臺(tái)可根據(jù)地面的傾斜度調(diào)整自身角度，使整個(gè)裝置始終處于豎直狀態(tài)，升降裝置可將多自由度機(jī)械臂提升至一定高度，機(jī)械臂在調(diào)整位姿后，使用末端作業(yè)工具完成樹障清理。

圖5 多軸機(jī)械臂升降平臺(tái)樹障清理裝置

1.2 空中平臺(tái)式修枝機(jī)械

空中平臺(tái)式修枝機(jī)械是指使用空中機(jī)器人作為空中平臺(tái)搭載修剪工具實(shí)現(xiàn)樹障清理的修枝機(jī)械，空中機(jī)器人一般是無(wú)人機(jī)和直升機(jī)，其具有自我感知和自主執(zhí)行任務(wù)的能力?？罩衅脚_(tái)式修枝機(jī)械的結(jié)構(gòu)一般由空中機(jī)器人、連接裝置和末端修剪工具等組成，工作過程一般是由操作人員遠(yuǎn)程控制空中機(jī)器人將修剪工具運(yùn)送至樹障附近，然后由修剪工具完成樹障清理。

Molina J等[10-11]基于多旋翼空中機(jī)器人平臺(tái)開發(fā)了一種樹障清理機(jī)器人，如圖6所示。該機(jī)器人主要由空中機(jī)器人平臺(tái)、懸掛裝置和圓鋸構(gòu)成，在清理樹枝之前，機(jī)器人先飛行到目標(biāo)樹枝下方，再通過懸掛裝置懸掛在樹枝上，隨后用圓鋸切斷樹枝完成樹障清理，該機(jī)器人設(shè)計(jì)懸掛裝置的目的是減少飛行時(shí)間從而增加續(xù)航時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，Molina J等人[12]根據(jù)樹障清理的實(shí)際任務(wù)環(huán)境，通過參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)了圓鋸尺寸并確定了該懸掛式空中樹障清理機(jī)器人的操作流程，最終進(jìn)行了真實(shí)環(huán)境下的樹枝切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3 cm直徑樹枝的有效切割。

圖6 Molina J樹障清理機(jī)器人

南京航空航天大學(xué)的常樂[13]設(shè)計(jì)了一種吊掛刀鋸式結(jié)構(gòu)的樹障清理空中機(jī)器人TBCARSS，并對(duì)該機(jī)器人的飛行控制技術(shù)進(jìn)行了研究，包括機(jī)器人的姿態(tài)和位置控制及刀鋸的擺角控制，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器并通過樹障清理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方案的合理性。李捷文[14]對(duì)一種空中樹障清理機(jī)器人的刀具系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在刀具結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)出單鋸、雙鋸和可轉(zhuǎn)動(dòng)刀具結(jié)構(gòu)，并根據(jù)不同種類的樹木設(shè)計(jì)出不同參數(shù)的圓盤鋸，然后對(duì)刀具的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，最后將刀具和空中機(jī)器人的控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)證明了該樹障清理機(jī)器人具有良好的清障效果。王少輝[15]開發(fā)了一款用于樹障清理的空中機(jī)器人COAR，如圖7所示。王少輝設(shè)計(jì)了COAR的整體結(jié)構(gòu)，然后對(duì)機(jī)器人在作業(yè)過程中受到的擾動(dòng)情況進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了具有魯棒性的位姿控制器，最后搭建COAR樣機(jī)驗(yàn)證了COAR進(jìn)行樹障清理的可行性。

圖7 COAR樹障清理機(jī)器人

1.3 沿線路行走式修枝機(jī)械

沿線路行走式修枝機(jī)械一般由移動(dòng)平臺(tái)、連接裝置和末端修剪工具等構(gòu)成。移動(dòng)平臺(tái)需與導(dǎo)線構(gòu)成等電位，并可以運(yùn)載整機(jī)設(shè)備沿線路行走，在進(jìn)行修剪作業(yè)時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)作為設(shè)備的支撐平臺(tái)，連接裝置需具備絕緣能力并決定設(shè)備的工作范圍。沿線路行走式修枝機(jī)械的工作過程一般是先由移動(dòng)平臺(tái)攜帶作業(yè)設(shè)備沿線路行走，到達(dá)修剪區(qū)域后，移動(dòng)平臺(tái)與電線固定，然后連接裝置調(diào)整位姿使末端修剪工具到達(dá)工作位置，最后由修剪工具清理樹枝完成清障作業(yè)。

Chao Li[16]等提出了一種五自由度串聯(lián)剪枝機(jī)器人。Chao Li等在應(yīng)用Denavit-Hartenbreg(D-H)法對(duì)機(jī)器人的機(jī)械手建立模型后，對(duì)其求解出運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和逆解，并運(yùn)用Monte Carlo(蒙特卡羅)方法得到了剪枝機(jī)器人的工作空間，然后在工作空間內(nèi)進(jìn)行了軌跡規(guī)劃仿真來確保剪枝過程中機(jī)械手的工作平穩(wěn)性，最終驗(yàn)證該剪枝機(jī)器人可以靈活地清理1～1.5 m范圍內(nèi)的樹枝。姜鵬[17]等設(shè)計(jì)了一種沿220 kV帶電線路行走的修枝機(jī)器人，如圖8所示。姜鵬等根據(jù)架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范確定了修枝機(jī)器人的作業(yè)空間，再根據(jù)作業(yè)空間得出機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后對(duì)機(jī)器人連接裝置中的絕緣臂進(jìn)行了最優(yōu)化處理以減輕質(zhì)量，并利用ABAQUS對(duì)絕緣臂進(jìn)行有限元分析以保證其結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度及剛度要求，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該機(jī)器人具備沿220 kV帶電線路修枝的能力。

圖8 220 KV帶電線路修枝機(jī)器人

徐志翔[18]等提出了一種新的超長(zhǎng)絕緣臂修枝機(jī)器人構(gòu)型，并設(shè)計(jì)了一款用于修剪樹枝的末端組合工具，如圖9所示，考慮到修枝機(jī)器人在修剪樹枝時(shí)可能發(fā)生機(jī)身翻轉(zhuǎn)問題，因此在移動(dòng)平臺(tái)下方加入了重心調(diào)節(jié)裝置，最后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了典型工況的運(yùn)動(dòng)仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性分析，為后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。張黎等[19]針對(duì)220 kV帶電線路樹枝修剪作業(yè)設(shè)計(jì)了一款修枝機(jī)器人，如圖10所示，根據(jù)“線—樹”安全距離、架空線下樹木生長(zhǎng)規(guī)律和修剪頻率等條件確定了機(jī)器人構(gòu)型，然后應(yīng)用MATLAB建立機(jī)器人仿真模型，并對(duì)作業(yè)空間、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及軌跡規(guī)劃進(jìn)行仿真分析，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明可鋸切5 cm的樹枝。

圖9 超長(zhǎng)絕緣臂修枝機(jī)器人

圖10 BTR修枝機(jī)器人

1.4 沿樹干攀爬式修枝機(jī)械

沿樹干攀爬式修枝機(jī)械的結(jié)構(gòu)一般由爬升機(jī)構(gòu)和末端修剪工具等組成，爬升機(jī)構(gòu)是這類修枝機(jī)械的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，其很大程度上決定了修枝機(jī)械的攀爬速度和適應(yīng)性以及清障效率。

Ueki S[20]等設(shè)計(jì)了一種模仿伐木工人爬樹方式的修枝機(jī)器人，如圖11所示。該機(jī)器人配備了四個(gè)具有非反向驅(qū)動(dòng)特性的輪子，每一個(gè)輪子都由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人可沿樹干直線或螺旋方式向上攀爬。Ueki S等在室內(nèi)使用直徑0.25 m、摩擦系數(shù)0.4的樹干作為對(duì)象對(duì)修枝機(jī)器人進(jìn)行了基本性能評(píng)估、不均勻表面穩(wěn)定性評(píng)估及修枝可行性等實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該修枝機(jī)器人各項(xiàng)性能表現(xiàn)良好。Ishigure Y[21]等設(shè)計(jì)了一種具有節(jié)能鏈鋸驅(qū)動(dòng)的修枝機(jī)器人，如圖12所示，該機(jī)器人由爬升機(jī)構(gòu)、姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和剪枝機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，總重13 kg。爬升機(jī)構(gòu)中的四個(gè)主動(dòng)輪都裝有轉(zhuǎn)向裝置，在樹干上沒有樹枝間隔時(shí)能以0.25 m/s的速度直線攀爬，當(dāng)有樹枝間隔時(shí)能以0.02 m/s的速度螺旋攀爬，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)可以調(diào)整機(jī)器人在攀爬和剪枝過程中出現(xiàn)的傾斜角度，剪枝機(jī)構(gòu)具有防咬合、鏈鋸姿態(tài)調(diào)整和低摩擦等功能及特性，并且節(jié)能鏈鋸可以減少34%的電力消耗。

圖11 Ueki S修枝機(jī)器人

圖12 節(jié)能鏈鋸修枝機(jī)器人

Guang-Hua Fu[22]等針對(duì)速生林設(shè)計(jì)了一種修枝機(jī)器人，如圖13所示。該機(jī)器人由爬升機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)和剪枝機(jī)構(gòu)構(gòu)成，總重40 kg，可攀爬直徑150 mm～350 mm的樹干，爬樹速度20 mm/s，最大修剪直徑30 mm，機(jī)器人動(dòng)力由24 V直流電池提供，該機(jī)器人可快速修剪樹干側(cè)枝，能夠滿足速生林修剪作業(yè)實(shí)際要求。朱和平[23]等發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)新穎的蛇形修枝裝置，如圖14所示，該裝置主要由兩部分構(gòu)成，包括爬行機(jī)構(gòu)和修剪機(jī)構(gòu)，爬行機(jī)構(gòu)由多個(gè)通過關(guān)節(jié)軸連接的蛇節(jié)構(gòu)成，關(guān)節(jié)軸處設(shè)有關(guān)節(jié)扭簧且每個(gè)蛇節(jié)都裝有車輪，修剪機(jī)構(gòu)安裝于爬行機(jī)構(gòu)頂部，修剪工具主要是刀片。清理樹障時(shí)，需要爬行機(jī)構(gòu)繞樹干往上攀爬至指定位置，然后由修剪工具完成清障作業(yè)，該裝置對(duì)樹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。

圖13 速生林修枝機(jī)器人

圖14 蛇形修枝機(jī)器人

1.5 四種修枝機(jī)械的優(yōu)缺點(diǎn)分析

上述四種輸電線路修枝機(jī)械由于結(jié)構(gòu)特性等原因都具有各自的優(yōu)勢(shì)與局限性，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)選擇合適的類型。車載式修枝機(jī)械具有作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)載能力大和效率高等優(yōu)點(diǎn)，但制作成本較高，工作環(huán)境限制大，不適用于密林及地形復(fù)雜的區(qū)域；空中平臺(tái)式與車載式修枝機(jī)械相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于不受地形限制，但其續(xù)航時(shí)間短、負(fù)載能力小，進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)存在碰撞和飛行不穩(wěn)定的問題；沿線路行走式修枝機(jī)械同樣不受地形限制，且清障效率較高，但控制較為復(fù)雜，存在行走及修枝過程中設(shè)備重心不穩(wěn)定從而可能發(fā)生傾翻的問題；沿樹干攀爬式修枝機(jī)械運(yùn)輸方便，清障效率較快，但對(duì)樹干的通直度要求很高，所以適用于某些特定樹種的修枝作業(yè)。

2 輸電線路樹木修枝機(jī)械現(xiàn)存的問題及展望

2.1 現(xiàn)存的問題

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，目前我國(guó)對(duì)輸電線路樹木修枝機(jī)械的研究多集中于理論研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，且取得了一定的成果，但想要應(yīng)用于實(shí)際還存有許多問題尚未解決：

(1)輸電線路修枝機(jī)械多在野外工作，其應(yīng)該具備長(zhǎng)時(shí)間工作的能力，而空中平臺(tái)式、沿線路行走式和沿樹干攀爬式等修枝機(jī)械多用電力作為動(dòng)力來源，其續(xù)航時(shí)間難以滿足工作要求；

(2)障礙樹枝的材質(zhì)和尺寸多種多樣，針對(duì)不同的材質(zhì)和尺寸應(yīng)使用不同的末端作業(yè)工具，這樣可以提高修枝效率和延長(zhǎng)作業(yè)工具的使用壽命，但目前各種修枝機(jī)械的末端作業(yè)工具種類較為單一；

(3)輸電線路修枝機(jī)械對(duì)障礙樹枝的識(shí)別與定位仍依靠人工，這導(dǎo)致修枝機(jī)械的自動(dòng)化程度仍舊不高。

2.2 展望

針對(duì)以上存在的問題，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)建議供輸電線路修枝機(jī)械未來的研究作為參考。

(1)多措施并用以延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。如使用新型電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池；優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，在滿足功能需求的情況下盡可能使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化；選用質(zhì)量較輕且滿足功能要求的材料來降低設(shè)備重量等。

(2)末端作業(yè)工具多功能化和集成化。用于修枝的末端作業(yè)工具可以分為三種，包括鋸、剪和旋轉(zhuǎn)刀具，鋸片一般用于鋸切直徑較大、材質(zhì)較硬的樹枝，剪一般用于剪切細(xì)而脆的樹枝，旋轉(zhuǎn)刀具一般用于切割材質(zhì)較軟的樹枝[24]，將這三種工具集成配備于修枝機(jī)械使其末端作業(yè)工具多功能化，則對(duì)障礙樹枝的清理效率和適應(yīng)性將大大提高。另外設(shè)計(jì)末端作業(yè)工具時(shí)應(yīng)考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)(大小、形狀、重量)和動(dòng)力來源(電動(dòng)、液壓、氣動(dòng))[25]，所設(shè)計(jì)的末端作業(yè)工具應(yīng)緊湊而輕便，同時(shí)需考慮到與攝像機(jī)和傳感器等其他部件的集成性。

(3)應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行樹枝的自動(dòng)識(shí)別與定位。機(jī)器視覺作為一種有效的分枝檢測(cè)技術(shù)，在過去被廣泛應(yīng)用于各種果樹修枝過程中，機(jī)器視覺在修枝過程中主要完成樹的三維重建、分枝檢測(cè)和剪枝點(diǎn)定位等任務(wù)，因此也可用于輸電線路的樹枝修剪過程[26]。樹的三維重建可為修枝機(jī)械提供許多關(guān)鍵信息，包括樹干和樹枝的外觀、直徑、方向和結(jié)構(gòu)等，分枝檢測(cè)可確定障礙樹枝的位置，剪枝點(diǎn)定位可確定修剪工具的作業(yè)點(diǎn)，因此將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于輸電線路修枝機(jī)械可提高其自動(dòng)化程度。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了研究輸電線路修枝機(jī)械的重要意義，對(duì)現(xiàn)在常見的四種輸電線路修枝機(jī)械的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并探討了輸電線路樹木修枝機(jī)械現(xiàn)存的問題，最后根據(jù)現(xiàn)存的問題提出了未來研究展望。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，我國(guó)輸電線路樹木修枝機(jī)械化與自動(dòng)化水平還不高，需要解決的問題還很多，距離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。常見的車載式、空中平臺(tái)式、沿線路行走式和沿樹干攀爬式等修枝機(jī)械由于結(jié)構(gòu)特性等原因都具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，合理利用其優(yōu)勢(shì)和完善解決其局限性對(duì)樹障清理十分重要，另外在續(xù)航時(shí)間、末端作業(yè)工具多功能化和集成化以及應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)提高修枝機(jī)械的自動(dòng)化程度等方面還需要進(jìn)一步研究。