带电作业爬杆机器人的设计与研究

带电作业爬杆机器人的设计与研究
发布时间：2023-07-10T07:57:01.331Z 来源：《科技潮》2023年12期作者：周迪[导读] 在电力线路的检修过程中，需要将杆塔进行停电，并对杆塔进行检修和维护工作。

国网瑞嘉（天津）智能机器人有限公司 300450摘要：介绍了一种带电作业爬杆机器人，并对其运动控制系统和安全保护系统进行了分析研究。

采用多模块并联组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，该系统可以实现对爬杆机器人的精确控制和安全保护。

对所设计的爬杆机器人进行了物理样机试验，试验结果表
明，该爬杆机器人可以在多种不同材质的悬臂式结构上运动，并能够实现悬臂式结构的上下升降、平移和旋转功能。

研究结果表明，所设计的爬杆机器人可以在悬臂式结构上实现各种功能，能够很好地完成带电作业工作；研究结果对电力线路检修工作具有重要的应用价值。

关键词：带电作业；机器人；设计
引言
在电力线路的检修过程中，需要将杆塔进行停电，并对杆塔进行检修和维护工作。

带电作业是指在不停电的情况下，利用绝缘工具、绝缘物品或其他绝缘工具对线路上的杆塔进行检修和维护，以保证电网运行的安全。

目前国内带电作业发展较为缓慢，在国内一些城市和地区已经出现了带电作业机器人。

其中一些机器人具有控制灵活、适应性强等特点，但也存在体积较大、重量较重等不足；另外一些机器人虽然可以实现自动化操作，但在空间狭小的环境下无法有效地完成工作任务。

因此，研制一种能在恶劣环境下工作、能够在空间狭小的环境中工作的带电作业爬杆机器人显得尤为重要。

本文主要研究了一种能够在悬臂式结构上实现各种功能的带电作业爬杆机器人。

该爬杆机器人主要由运动控制系统和安全保护系统两部分组成。

在运动控制系统方面，采用模块化组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，该运动控制系统包括运动控制器、传感器采集单元和数据处理单元三个部分。

其中，运动控制器主要完成对机器人运动方向的控制；传感器采集单元负责检测爬杆机器人当前位置以及姿态数据；数据处理单元主要完成对采集到的数据进行分析处理，并将结果反馈给运动控制器；数据处理单元主要完成对机器人当前位置和姿态数据的分析处理。

在安全保护系统方面，采用基于有限状态机理论的多模块并联组合方式设计了爬杆机器人的安全保护系统。

该安全保护系统分为两部分，一部分是对爬杆机器人进行控制，另一部分是对其进行安全保护。

其中，对爬杆机器人进行控制主要是通过对安全状态点进行检测并将检测结果反馈给运动控制器；对爬杆机器人进行安全保护主要是通过控制系统中的传感器对爬杆机器人的当前位置和姿态进行实时检测，并将检测结果反馈给运动控制器。

1爬杆机器人总体结构设计机器人的结构设计是爬杆机器人的重点和难点。

结构设计主要包括悬臂式结构和移动机构。

悬臂式结构包括悬挂于杆上的悬挂装置、支撑装置、导向装置、移动装置和其他辅助装置等。

悬挂装置的作用是在杆件与支撑装置之间起到支撑和导向作用，并根据悬臂的结构形式通过连接件与支撑装置相连。

悬挂装置上的导向机构主要起到导向作用，同时可以实现对机器人运动过程中的位置控制，使机器人在运动过程中可以根据工作环境变化而进行调整。

移动机构是爬杆机器人运动的核心，移动机构采用电动推杆与履带式底盘相结合的形式，驱动方式为步进电机驱动。

电动推杆由电动机和传动轴组成，电动机通过传动轴带动传动机构运转。

通过电动机驱动传动机构来控制履带式底盘与悬臂式结构之间的相对运动，从而实现机器人在杆件上的上下升降、平移和旋转功能。

为了方便机器人在杆件上进行上下升降、平移和旋转功能的实现，设计了一个六自由度移动机构，该机构可以在水平方向上实现上下升降和旋转功能。

为了达到对爬杆机器人运动过程中位置控制和姿态控制的要求，设计了一种基于双平行四边形机构并联组合方式的三模块结构。

三模块结构中第一模块为两个平行四边形并联机构，两个平行四边形结构之间通过一根连接杆连接。

两个平行四边形结构之间通过铰接销进行连接，实现了两个平行四边形机构之间的铰接；第二模块为一个六自由度移动机构，该六自由度移动机构由一个圆柱形驱动件和一个圆锥形导轨组成。

圆柱形驱动件由两个可动驱动轴组成，每一个驱动轴都可以实现六个自由度的运动；第三模块为一个六自由度旋转机构，该六自由度旋转机构由两个可动驱动轴组成。

第一模块和第二模块之间通过铰接销进行连接。

当第一模块和第二模块之间相对运动时，第一模块和第二模块之间可以通过铰接销进行连接；当第一模块和第二模块之间相对运动时，第二模块和第三模块之间可以通过铰接销进行连接。

其中第一节为悬臂式结构，第二节为悬挂装置；第三节为移动装置；第四节为导向装置；第五节为固定装置；第六节为移动装置；第七节为辅助装置。

爬杆机器人工作环境复杂、任务繁重，因此对机器人的工作性能要求较高。

为了确保机器人能够安全、高效地完成作业任务，设计了一种基于双平行四边形机构并联组合方式的爬杆机器人。

该机构由一个六自由度移动机构和一个六自由度旋转机构组成。

2运动控制系统设计
本文采用多模块并联组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统。

该系统采用基于 PC机的控制系统，控制器采用的是松下公司生产的DC-DC控制器，它能够满足对爬杆机器人控制系统的各种要求。

该控制器有两种工作模式，即恒压控制和恒流控制，两种模式下均可对机器人进行精确定位、速度控制和安全保护。

同时，该控制器具有非常高的可靠性和良好的抗干扰能力。

机器人运动控制系统由单片机（单片机型号：PIC16F877A）、舵机、步进电机、编码器以及相关传感器等组成。

机器人各模块之间采用无线通信方式连接，其中模块1与模块2之间采用无线通信方式，模块3与模块4之间采用无线通信方式。

在机器人的运动控制系统中，主控计算机通过串口与运动控制模块相连，同时通过串口与其他控制设备（如机械臂、云台、移动小车等）进行连接。

该系统中的通信协议包括：Modbus协议、 Socket协议和RS485协议等。

在机器人的运动控制系统中，为了使机器人能够在悬臂式结构上实现各种功能，需要采用相应的运动控制策略。

根据机器人的结构特点和功能需求，本文设计了一种基于 PC机的多模块并联组合方式的运动控制系统，该系统中的各模块均采用了相同的型号和配置，各模块之间可以进行自由组合，可以满足不同性能要求的运动控制需要。

其中，单片机负责机器人运动控制系统中各个模块之间的通信以及机器人运动过程中各种状态和数据的采集。

舵机负责机器人姿态角度和位置信息的获取，步进电机负责机器人移动速度和位置信息的获取，编码器负责机器人路径规划信息和轨迹跟踪信息的获取。

3安全保护系统设计
为了实现爬杆机器人在悬臂式结构上的安全保护，所设计的爬杆机器人采用了安全保护系统，其安全保护系统包括：1）安全保护开关控制电路；2）防坠器控制电路；3）无线通讯模块。

在安全保护开关控制电路中，采用了具有一定机械强度的弹簧作为动力电机的减速器，保证了机器人在悬臂式结构上运动过程中的稳定性；该弹簧具有一定的机械强度，能够承受一定的静载荷和冲击载荷；该机械强度足以保证机器人在悬臂式结构上的运动稳定性和安全性。

通过设置安全保护开关，当机器人在悬臂式结构上运动时，如果发生意外坠落，则安全保护开关会及时将机器人从悬臂式结构上收回并停止运动；若发生意外坠落，则安全保护开关会自动将机器人从悬臂式结构上收回并停止运动，以保证机器人在悬臂式结构上的安全性。

为了保证安全保护开关能够快速及时地将机器人从悬臂式结构上收回并停止运动，所设计的防坠器控制电路包括：1）无线通讯模块；2）防坠器控制模块。

在防坠器控制模块中，采用了具有一定机械强度的弹簧作为动力电机的减速器；当机器人在悬臂式结构上运动时，如果发生意外坠落，则防坠器控制模块会迅速将机器人从悬臂式结构上收回并停止运动，从而保证机器人在悬臂式结构上的安全性。

3.1无线通讯模块
本设计采用的无线通讯模块为 Siemens公司的PCA82C250。

该无线通讯模块具有低功耗、高可靠性和高数据传输率的特点，可以用于各种短距离通信。

该模块主要包括PCA82C250数据接收端和PCA82C250数据发送端，其工作原理如下：当输入端（PCA82C250）开始发送数据时，输入端的电流会增大，由于电流增大会引起线路上的电压升高，导致信号传输过程中出现较大的失真；同时由于输入端电流的增大，使电路的负载增加，会引起功耗增加。

为了提高系统的数据传输率，当输入端电流较小时，会采用低通滤波的方法来减小电路对信号的干扰。

同时，为了保证无线通讯模块能够准确地接收到信号并将其发送出去，设计了数据接收及发送电路。

该电路主要由两部分组成：1）通过对输入端的电流进行滤波处理后得到较低阻抗的低通滤波器；2）将输入端发出的信号进行放大和整形处理后得到高电压信号。

该电路中选用了一个8位的 ADC模块作为模数转换器，并在其前端加了一个限幅滤波电路以消除 ADC模块输出信号中可能存在的干扰。

3.2防坠器控制模块
在爬杆机器人的悬臂式结构上设置了防坠器控制模块，该模块包括了动力电机减速器和防坠器控制电路。

由于爬杆机器人在悬臂式结构上运动时，由于悬臂结构的限制，使得机器人无法像普通移动机械臂那样进行水平方向的移动，因此为了保证机器人在悬臂式结构上运动时的安全性，在悬臂式结构上设置了防坠器控制模块，该模块包括了动力电机减速器和防坠器控制电路。

动力电机减速器是动力电机与驱动电机的中间装置，其主要作用是将动力电机的转速降下来并将转速由0-400 rpm降低到0-250 rpm。

在此过程中，由于电机与减速机之间是通过电磁连接的方式进行连接的，因此要保证电磁连接部分不发生松动或者损坏就必须对其进行有效地固定。

防坠器控制模块中采用了电磁连接的方式，从而保证了其在悬臂式结构上的运动时具有一定的稳定性。

当机器人在悬臂式结构上运动时，防坠器控制模块中的电磁连接部分会与动力电机减速器进行有效地固定，从而保证了动力电机减速器与防坠器控制模块之间能够紧密地连接在一起。

结论
本文设计了一种电力线路检修爬杆机器人，主要对机器人的工作空间、运动控制系统和安全保护系统进行了研究分析，设计了一种新的爬杆机器人。

本文主要完成了以下几方面的工作：
（1）介绍了爬杆机器人的总体方案，并对其运动控制系统进行了分析。

针对电力线路检修工作中的危险环境，提出了爬杆机器人安全保护系统和运动控制系统的设计要求。

（2）采用多模块并联组合方式设计了爬杆机器人的运动控制系统，并对其进行了分析研究，对其各个模块进行了仿真分析和实际电路仿真。

（4）研制了一种新的爬杆机器人物理样机，并进行了实验研究。

（5）试验结果表明：所设计的爬杆机器人能够很好地完成电力线路检修工作，并且能够为电力线路检修工作提供一种新的工作方式。

参考文献：
[1]孙建.高压带电作业机器人的开发背景及技术动向[M].北京：机械工业出版社，2018.
[2]曾娜.高压带电作业机器人系统的研制[J].工具技术，2018，36（5）.。