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摘 要： 摘要 :在分析高壓輸電線路巡檢工作的特點和國內外高壓輸電線路巡線機器人的發展現狀和發展趨勢的基礎上, 結合高壓輸電線路上覆冰的去除方法, 主要介紹了設計的一種新型的高壓輸電線路除冰機器人.該機器人結構簡單, 可以在輸電線上穩定地行走, 能夠較好地解決自主越障的
摘要 :在分析高壓輸電線路巡檢工作的特點和國內外高壓輸電線路巡線機器人的發展現狀和發展趨勢的基礎上, 結合高壓輸電線路上覆冰的去除方法, 主要介紹了設計的一種新型的高壓輸電線路除冰機器人.該機器人結構簡單, 可以在輸電線上穩定地行走, 能夠較好地解決自主越障的問題, 完成輸電線上的除冰任務, 具有廣泛的應用前景.
關鍵詞:除冰機器人; 輸電線路 ; 越障; 除冰
隨著我國經濟的高速發展, 超高壓大容量輸電線路越建越多, 線路走廊穿越的地理環境更加復雜, 如經過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺, 給線路維護帶來很多困難 .而且在嚴冬及初春季節, 我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區常出現霧凇和雨凇現象, 造成架空輸電線路覆冰, 使線路舞動 、閃絡 、燒傷, 甚至斷線倒桿, 使電網結構遭到破壞, 安全運行受到嚴重威脅. 在緊急情況下, 尋道員用帶電操作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰線路除冰, 人工除冰有很高的危險性 [ 1] .
在國外, 一些國家的地理與氣候情況與我國相似, 甚至一些國家的情況更加惡劣, 為了保證電力系統的可靠性, 提高高壓輸電線除冰的效率, 減少損失, 維護工人的安全, 開發一種可以替代或部分替代工人進行除冰作業的新型設備一直是國內外相關研究的熱點 .因此, 研制安全有效的除冰機械以代替人進行導線除冰具有較好的應用前景和實用意義 .文章提出的除冰機器人即為一種既安全又有效的除冰裝置 .
1 高壓輸電線路除冰機器人的機構介紹
機器人是一個復雜的機電一體化系統, 涉及到機械結構、自動控制 、通信 、傳感器信息融合、電源技術等多個領域.但機械結構是整個系統的基礎, 也是目前制約機器人實用化的最大障礙 .針對這種情況設計了一種新型的實用的高壓輸電線路除冰機器人, 它具有以下一些功能:( 1) 能在輸電線上以預想的速度進行平穩爬行;( 2) 具有一定的爬坡能力;( 3) 能夠跨越輸電線上的防震錘, 線夾, 絕緣子等障礙物;( 4) 能夠除去輸電線上的冰雪.
機器人的參數如下:機器人的體積為 600 mm × 328 mm ×526 mm( 長 ×寬 ×高) ;重量約為 15 kg ;平穩爬行的速度約為 375 m/h .機器人的機械結構主要包括平穩爬行機構、越障機構和除冰機構, 其總體圖如圖 1 所示.
1 .1 平穩爬行機構的設計
為了使機器人的前行速度達到最快, 且前行平穩, 此機器人采用行走輪式機構, 如圖 1 中的平穩爬行機構.
1 .2 越障機構的設計
機器人的越障機構主要由行走箱機構、升降箱機構、夾緊機構和旋轉機構組成 .
( 1) 行走箱機構.機器人行走箱機構行走方式的構思來自蠕蟲的行走方式 .其主要由左、右行走箱機構以及行走螺桿和螺母組成, 如圖 2 所示.
( 2) 升降箱機構 [ 2] .機器人的升降方式也采用螺桿驅動機構升降的方式.升降箱機構的主要組成為上箱機構和下箱機構以及升降螺桿和螺母組成, 如圖 3 所示 .
( 3) 夾緊機構[ 3] .夾緊機構的夾緊夾圖如圖 4 所示, 1 為滑槽, 升降機構上箱上的伸出軸便在其中滑動, 2 為軸孔, 升降箱下箱機構的伸出軸便從中穿入, 而軸便帶動夾緊夾在升降箱上箱機構的槽中上下滑動, 從而帶動夾緊夾順 、逆時針旋轉, 3 為半圓形槽, 當夾緊夾到達死點位置時, 便夾緊導線 .夾緊夾的作用是夾緊導線, 其運動方式的簡圖如圖 6 和圖 7 所示.夾緊夾的松開狀態如圖 5 所示, 夾緊夾的夾緊狀態如圖 6 所示 .夾緊夾將導線夾緊, 便可保證機器人在越障時不會發生徑向和軸向側翻.
( 4) 旋轉機構 .旋轉機構采用的是一對齒輪的傳動, 齒輪安裝在行走箱機構的行走箱內, 如圖 7 所示. 1 為大齒輪, 以鍵連接的方式與 2 相連, 2 為箱座與升降機構的連接, 它的作用是將升降機構和箱座連接, 3 為小齒輪, 它靠驅動電機 4 驅動, 4 為小齒輪的驅動電機, 5 為螺母, 6 為插銷, 5 和 6 的作用是托住行走箱.當小齒輪旋轉時, 帶動大齒輪的旋轉, 而大齒輪則通過 2 帶動升降箱機構與除冰機構的旋轉 .
1 .3 除冰機構的設計
目前國內外已經研究出許多種除冰的方法[ 4] , 但是有許多在目前都只是提出, 并沒有實現.所設計的高壓輸電線路除冰機器人是在對巡線機器人作設計的基礎上添加除冰裝置, 既可以巡線也可以除冰, 結構比較簡單, 而且效率比較高.所設計的除冰機構分為兩個部分, 即銑刀部分與楔形塊部分 .先利用銑刀 1 從覆冰的中間銑出一條裂縫, 覆冰的其它部分便會裂開, 其后的楔形塊 4 再對覆冰進行擠壓, 覆冰便會被擠壓掉, 導線的除冰便完成 .如圖 8 所示.
機器人跨越懸垂絕緣子等障礙物時一只手臂懸空, 另一只手臂越過絕緣子, 而此時障礙物另一側導線上的覆冰未清除, 輪子和銑刀處于一個平面上面, 這樣就會造成輪子無法在電線上落腳的情況.基于這種情況的考慮, 提出了第 2 套除冰方案 .具體示意圖如圖 9 所示, 采用 2 個銑刀, 其中銑刀中心線和導線中心線垂直, 在無障礙物時和上面的除冰裝置類似, 銑刀電機驅動銑刀旋轉除導線兩側面的覆冰, 后面的楔形塊在機器向前行走的推力作用下可以破碎銑刀未清除的覆冰.當遇到懸垂線夾這樣的障礙物時, 首先還是行走電機停機, 然后啟動驅動螺桿運動的電機, 使電極正轉, 在螺桿轉動下帶動與螺母相連的楔形塊以及前面的銑刀一起向前推進, 直到將通過懸垂線夾并且將線夾前面的覆冰除掉, 直到當一只手臂越障后輪子可以落到導線上面為止 .當除完該段覆冰后, 螺桿電機反轉將剛前進的裝置收回, 然后再進行如上述的越障動作.
2 高壓輸電線路除冰機器人的運動過程
此機器人采用雙臂結構, 這樣可以滿足其在行走時的穩定性, 并且在雙臂的配合下可以完成相應的姿態調整以完成各種障礙的跨越和除冰[ 5] .機器人的整體機構的三維圖如圖 10 所示, 由于此機器人的驅動靠的是電機的驅動, 因此敘述其運動過程將以電機為線路對整體機構的運動過程作闡述
為了使運動過程分析起來簡單, 下面將采用機器人的結構簡圖作分析, 機器人的結構簡圖如圖 11 所示.由于兩邊機構基本對稱, 故下面簡圖只對一邊作了運動方式的標注 .
而若要完成基本的行走運動 、相應的障礙跨越和除冰, 那么機器人將要有以下基本的運動形式來互相配合完成基本的行走運動、相應的障礙跨越和除冰. ( 1) 行走運動 .雙臂依靠 8 和 9 前后行走輪, 可以在輸電上行走, 來完成除冰的任務 .( 2) 旋轉運動 .升降箱機構和除冰機構的整體旋轉可以依靠 3 和 14 各自的齒輪組旋轉來完成.在此機器人中, 只需要旋轉 180° 即可 .( 3) 升降運動.機器人的升降可以依靠 4 和 13 中各自的螺桿和螺母的相對運動來完成 .( 4) 夾緊運動.夾緊運動不需要電機的驅動來完成, 上面已介紹過當 4 和 13 升降機構進行升降運動時會帶動夾緊夾夾緊或松開輸電線 .( 5) 移行運動 .當除冰機構采用的是圖 9 的除冰機構時, 銑刀的伸出與縮回運動需要依靠 7 和 10 的螺桿與螺母的相對運動來完成 .
由于在輸電線上存在多種障礙物, 故只對其中一種典型的障礙物防震錘作跨越演示, 具體步驟如下.
第 1 步:當前臂接近防震錘時, 電機 1, 2 停止, 行走輪 8 和 9 停止前進, 電機 5 和 6 打開, 前后臂的升降螺桿順時針旋轉, 帶動升降箱下箱和行走箱一起上升, 夾緊夾 5 順時針旋轉和夾緊夾 12 逆時針旋轉, 當倆夾緊夾夾緊輸電線時, 電機 5 和 6 關閉.采用第 2 套除冰機構, 打開除冰機構的驅動電機, 通過冰刀在伸出和縮回的過程中, 將防震錘后方輸電線上的一段冰除去, 以便前臂的行走輪 8 安放 .如圖 12 所示.
第 2 步:前臂的電機 5 打開, 前臂的升降螺桿順時針旋轉, 由于后臂的夾緊夾 12 已將輸電線夾緊, 前臂中固定在上箱中的螺母向上運動, 螺母帶動上箱和除冰機構、行走輪向上運動, 此時夾緊夾 5 順時針旋轉, 當夾緊夾夾緊輸電線時, 此時將電機 5 關閉 .打開前臂旋轉機構的小齒輪驅動電機 7, 小齒輪帶動大齒輪旋轉, 當大齒輪逆時針旋轉 180°后, 關閉電機 7 .打開行走箱行走螺桿的驅動電機 9, 由于后臂的夾緊夾 12 將輸電線夾緊, 故前臂便在行走螺桿和螺母的相對移動下前進, 當移動到防震錘后方的不遠處, 關閉電機 9 .如圖 13 所示.
第 3 步 :打開前臂旋轉機構小齒輪驅動電機 7, 小齒輪帶動大齒輪旋轉, 當大齒輪順時針旋轉 180° 后, 關閉電機 7 .前臂的電機 5 打開, 前臂的升降螺桿逆時針旋轉, 升降箱和除冰機構下降, 當夾緊夾 5 將輸電線夾緊時, 關閉電機 5, 此時前臂便躍過防震錘. 如圖 14 所示.
第 4 步:后臂如同前臂過防震錘一樣跨越, 機器人便恢復到跨越防震錘前的情況 .如圖 15 所示.
3 結 論
以上所述為高壓輸電線路除冰機器人機械部分的設計, 該機器人為在高壓線上自動智能化的作業提供了一個良好的平臺, 同時該機器人在未結冰季節可以將前面的除冰裝置卸掉而換為巡線裝置, 這樣就變成了巡線機器人, 達到一機多用的目的 .該機器人采用兩手臂輪式行走結構, 使結構上更為簡便, 控制上更容易實現, 巧妙的線夾裝置和仿尺蠖越障行走的方式使得該機器人的的可靠性更高.通過仿真實驗表明, 該機器人可以在線路上穩定的除冰, 同時完全解決了直線段的自主越障問題, 變路徑自主越障還需要人工輔助, 基本上能夠較好地完成規定的除冰任務.——論文作者： 張 屹 邵 威 高虹亮 羅 成 楊 旸
參考文獻 :
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[ 3] 朱興龍, 王洪光, 房立金, 等.一種自主越障巡檢機器人行走夾持機構[ J] .機械設計, 2006, 23( 8) :11-13 .
[ 4] 苑吉河, 蔣興良, 易 輝, 等.輸電線路導線覆冰的國內外研究現狀[ J] .高電壓技術, 2004, 30( 1) :6-9.
[ 5] 耿 欣, 周延澤.巡線機器人的爬行方案設計[ J] .機器人技術與應用, 2002( 4) :19-21.
