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摘 要： 摘要：基于高壓輸電線路巡線機(jī)器人的研究，結(jié)合高壓輸電線路上覆冰的去除方法，設(shè)計(jì)了一種新型的高壓輸電線路除冰機(jī)器人。采用 ADAMS軟件對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及仿真。結(jié)果表明，該機(jī)器人能在輸電線上穩(wěn)定地行走，并能較好地解決自主越障的問(wèn)題，可完成
摘要：基于高壓輸電線路巡線機(jī)器人的研究，結(jié)合高壓輸電線路上覆冰的去除方法，設(shè)計(jì)了一種新型的高壓輸電線路除冰機(jī)器人。采用 ADAMS軟件對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及仿真。結(jié)果表明，該機(jī)器人能在輸電線上穩(wěn)定地行走，并能較好地解決自主越障的問(wèn)題，可完成輸電線上的除冰任務(wù)。
關(guān)鍵詞：架空輸電線路;除冰機(jī)器人;越障;運(yùn)動(dòng)學(xué);動(dòng)力學(xué);仿真
近年來(lái)，在俄羅斯、加拿大、美國(guó)、日本、英國(guó)、芬蘭、冰島和中國(guó)等眾多國(guó)家，由于輸電線路上的覆冰和積雪常引起線路跳閘、斷線、倒桿、絕緣子閃絡(luò)和通信中斷等事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研制安全有效的輸電線路除冰機(jī)械以代替人工除冰對(duì)保護(hù)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和減少人員傷亡均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于此方面的研究較少，主要由山東電力研究院在做相關(guān)的研究，但并無(wú)成熟的樣機(jī)出現(xiàn)，國(guó)際有關(guān)機(jī)構(gòu)雖在此方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但離實(shí)用化尚有很大距離。鑒此，本文基于高壓輸電線路巡線機(jī)器人的研究[1]，自主研制了一種穩(wěn)定性好、工作效率高的雙機(jī)械臂附加除冰裝置與夾緊裝置式的除冰機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)仿真，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性與可行性。
1 障礙類型與除冰機(jī)器人模型分析
1.1 障礙類型
構(gòu)成架空輸電線路的主要元件有：基礎(chǔ)(底盤、卡盤、現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土、巖石、掏挖、樁基等)、導(dǎo)線(架空地線、接地網(wǎng))、避雷線、電桿(水泥桿、橫擔(dān)、拉線及拉盤、鐵塔)、絕緣子串、各種金具等。這些元件有機(jī)地組合在一起就形成了一條架空輸電線路。而機(jī)器人作業(yè)時(shí)必須能跨越防振錘、懸垂金具及轉(zhuǎn)折線[2]3種類型的障礙物。其中，防振錘安裝于架空地線上，以抑制輸電線路在風(fēng)作用下產(chǎn)生的振動(dòng)。懸垂金具分單、雙懸垂金具，單懸垂金具間的距離約400mm，雙懸垂金具是由兩個(gè)單懸垂金具組成。轉(zhuǎn)折線在輸電線路改變方向的耐張塔路段內(nèi)[3]。
1.2 除冰機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，因此應(yīng)具備以下能力：①防滑能力;②上、下坡和制動(dòng)能力;③自主越障能力;④防摔落能力;⑤除冰雪能力。為滿足上述條件，自主設(shè)計(jì)了一種雙機(jī)械臂懸掛滾輪加夾緊裝置和除冰裝置式移動(dòng)機(jī)器人，本文主要介紹機(jī)器人的越障部分，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。
2 除冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2.1 數(shù)學(xué)模型的建立
因機(jī)器人兩臂在跨越障礙物時(shí)的動(dòng)作對(duì)稱，故分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)時(shí)，僅需分析單手臂，本文選取機(jī)器人的前臂進(jìn)行分析，采用D-H法建立除冰機(jī)器人單臂跨越障礙物時(shí)的桿坐標(biāo)系[4]，參數(shù)見(jiàn)表2，桿坐標(biāo)系示意圖見(jiàn)圖3。
2.2 越障動(dòng)作規(guī)劃
當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，采用仿尺蠖行走的方式跨越障礙物，除冰裝置始終位于行走輪的正前方，越障的動(dòng)作規(guī)劃為：當(dāng)前臂遇到障礙物時(shí)，前臂和后臂的下箱同時(shí)上升，直到兩手臂上的線夾夾緊輸電線;夾緊裝置移至前臂附近，其上箱帶動(dòng)線夾上升，直到可夾緊輸電線;前臂上箱帶動(dòng)行走輪及除冰裝置上升，致使行走輪完全脫離輸電線，線夾松開(kāi)輸電線，前臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°;右控制箱帶動(dòng)前臂相對(duì)左控制箱向前移動(dòng)，直到前臂跨越障礙物，前臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 180°，此時(shí)行走輪位于輸電線的正上方，前臂上箱帶動(dòng)行走輪及除冰裝置下降，直到行走輪落到輸電線上，這樣前臂即完成了越障作業(yè)。緊接著為后臂的越障，與前臂的越障方式對(duì)稱，重復(fù)上述動(dòng)作，整個(gè)機(jī)器人便可跨越障礙物。
3除冰機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析
3.1 無(wú)障礙段的力學(xué)
分析在輸電線路中，由于架空輸電線路的檔距較架空線的截面尺寸大很多，且架空線多采用多股細(xì)金屬線構(gòu)成的絞合線，所以架空線的剛性對(duì)其懸掛空間曲線形狀的影響很小。由此可假設(shè)懸掛在兩基桿塔間的架空線呈懸鏈線形狀。
3.3 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析
根據(jù)上述越障動(dòng)作的規(guī)劃，對(duì)前臂的越障動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可獲得所需相對(duì)大功率或扭矩部分的運(yùn)動(dòng)情況曲線及相應(yīng)關(guān)節(jié)所需的角速度、力矩、功率與時(shí)間的曲線，分別見(jiàn)圖4、5。由圖可看出：①前臂在越障的過(guò)程中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)均是間歇且相互獨(dú)立，且各時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)過(guò)程始 末速度均為零，加速到勻速再到減速的過(guò)程;②開(kāi)始時(shí)的力矩較大，是因剛開(kāi)始為一個(gè)角速度加速且前臂下箱需帶動(dòng)整個(gè)控制箱體與夾緊裝置上升過(guò)程，而完成此動(dòng)作后力矩變小而且平緩，原因在于此關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是前臂上箱帶動(dòng)質(zhì)量不大的前臂除冰裝置向上運(yùn)動(dòng)所需的力矩較小所致;③左箱體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于前臂懸空時(shí)機(jī)器人產(chǎn)生一定的振動(dòng)導(dǎo)致得到力矩的運(yùn)動(dòng)曲線不斷的產(chǎn)生波動(dòng);④ 第一個(gè)功率波動(dòng)曲線的峰值明顯大于之后兩個(gè)的峰值，其原因與力矩變化的原因相同。
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綜上可知：①機(jī)器人單臂越障的時(shí)間約為55s，故機(jī)器人雙臂跨越的時(shí)間約為110s。②機(jī)器人的越障動(dòng)作較緩慢，故驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的功率需求不大，功率的峰值分別約為7.40、17.28W，考慮到電機(jī)減速器的影響，假設(shè)效率為0.5，則采用電機(jī)功率峰值分別為20、40 W，可滿足要求。③運(yùn)動(dòng)時(shí)需要的扭矩較小，因此選用小型直流電機(jī)即可。④整個(gè)仿真過(guò)程很好地反映了式(5)中力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。
4 結(jié)語(yǔ)
a.研制了一種新型高壓輸電線路除冰機(jī)器人，分析了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，建立了機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，規(guī)劃了機(jī)器人單臂越障的動(dòng)作，建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS對(duì)機(jī)器人單臂跨越障礙物進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)合理、可行。
b.機(jī)器人越障時(shí)的穩(wěn)定性對(duì)機(jī)器人越障質(zhì)量影響較大，應(yīng)盡量減少機(jī)器人越障時(shí)的振動(dòng)。——論文作者：張 屹1，邵 威1，朱大林1，鄒圣權(quán)2，艾福洲2，朱險(xiǎn)峰3
參考文獻(xiàn)：
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