一種新型輸電線路除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)

許良　甘子?xùn)|

摘要：輸電線上的覆冰和積雪會(huì)破壞輸電線路，危害電網(wǎng)運(yùn)行安全，由于傳統(tǒng)的除冰方法效率低、成本高，受限制條件較多，所以采用機(jī)器人除冰在效率、成本和安全性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。文章基于國(guó)內(nèi)外輸電線路除冰機(jī)器人研究現(xiàn)狀，提出了一種能夠在線上越障的線上行走的新型機(jī)構(gòu)，并介紹了自主研發(fā)的除冰機(jī)器人。

關(guān)鍵詞：除冰機(jī)器人；輸電線路；行走機(jī)構(gòu)；控制系統(tǒng)；線上越障 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP24 文章編號(hào)：1009-2374（2016）25-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.004

1 概述

由于輸電線上的覆冰和積雪，常引起線路舞動(dòng)、燒傷、跳閘、斷線、倒桿、絕緣子閃絡(luò)和通信中斷等事故，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行以及對(duì)電力工人的生命安全造成了威脅。而我國(guó)是輸電線路覆冰最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，線路冰害事故發(fā)生的概率也居世界前列，同時(shí)我國(guó)傳統(tǒng)的除冰方式效率低、成本高，受限制條件較多，因此設(shè)計(jì)新的輸電除冰機(jī)器人，提高高壓輸電線的除冰效率，減少損失，保護(hù)工人安全，解決高壓輸電線上除冰難的問題。

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的輸電線除冰機(jī)器人大多數(shù)不能跨越線上障礙。由于高壓輸電線上的障礙種類繁多、情況復(fù)雜，輸電線上的環(huán)境也較為苛刻，因此現(xiàn)如今已知的能夠跨越障礙的除冰機(jī)器人都沒有投入到實(shí)際生產(chǎn)中。目前，國(guó)內(nèi)外采用的線上行走機(jī)構(gòu)主要有懸臂式、仿生手臂式、蛇形行走機(jī)構(gòu)。

本文根據(jù)以往的機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)提出一種新的能夠越障的輸電線上除冰機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)在輸電線上除冰越障以及巡檢功能。該機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)械、電子、控制于一體的設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活等特點(diǎn)，能夠良好地適應(yīng)復(fù)雜的輸電線線上的障礙與環(huán)境。

2 總體設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)，運(yùn)用不同領(lǐng)域的技術(shù)，使各個(gè)部分能夠協(xié)調(diào)工作。機(jī)器人主要由控制裝置、機(jī)械本體、檢測(cè)與測(cè)量模塊以及地面監(jiān)測(cè)四個(gè)部分組成，整體如圖1所示。

控制部分主要由主控芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和機(jī)載無線數(shù)傳三部分組成。主控芯片通過采集攝像機(jī)及傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，并且將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)回傳給地面站，主控綜合采集的數(shù)據(jù)和地面指令對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)來控制機(jī)器人的機(jī)械本體；機(jī)械部分主要由行走機(jī)構(gòu)和除冰機(jī)構(gòu)組成，是機(jī)器人工作時(shí)的執(zhí)行部件，用來完成行走和除冰任務(wù)；檢測(cè)與測(cè)量部分通過攝像機(jī)和超聲測(cè)距模塊將實(shí)時(shí)的圖像和距離信息反饋給主控，以提供給主控下一步執(zhí)行的依據(jù)；地面部分主要是地面站組成，地面的人員通過傳回的圖像信息做出判斷和決策以供機(jī)器人動(dòng)作。

下文將簡(jiǎn)單介紹各模塊組成和功能，本文重點(diǎn)介紹越障機(jī)構(gòu)和越障原理。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)工作的環(huán)境分析，機(jī)器人在線上行走的過程中會(huì)遇到以下問題和要求：（1）機(jī)器人在靠近電線桿塔的部分需要爬坡和下坡，因此機(jī)器人要具有由爬坡和制動(dòng)能力；（2）在面對(duì)輸電線上的各種障礙，機(jī)器人要具有能夠跨越障礙的能力；（3）機(jī)器人在越障的過程中，由于電線在與桿塔絕緣子相連的部分是一個(gè)曲線，因此要求機(jī)器人要具有較好的靈活性和柔韌性；（4）機(jī)器人在面對(duì)復(fù)雜的障礙時(shí)應(yīng)該具有良好的可操縱性，以使地面操作者能夠手動(dòng)操作機(jī)器人跨越障礙。

3.1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹

除冰機(jī)器人整體利用仿生學(xué)，根據(jù)蛇爬行的原理設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)整體示意圖如圖2所示，除冰機(jī)器人采用四臂機(jī)構(gòu)，每個(gè)臂上都有一個(gè)橡膠材質(zhì)的行走輪，行走輪靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用步進(jìn)電機(jī)具有大的靜力矩和扭矩以及高的控制精度等特點(diǎn)，能夠解決行走和制動(dòng)問題，同時(shí)四個(gè)行走輪可以單獨(dú)控制，因此增加了機(jī)器人控制的靈活性。每個(gè)臂都能夠在一定范圍內(nèi)和前后擺動(dòng)，在遇到爬坡的時(shí)候下部的機(jī)體能夠自適應(yīng)行走路線的坡度，限制臂前后擺動(dòng)范圍是為了防止臂的倒伏。每個(gè)臂都能夠左右移動(dòng)，在遇到桿塔障礙時(shí)能夠通過四個(gè)手臂的依次左右移動(dòng)使機(jī)器人手臂依次繞過障礙物。同時(shí)每個(gè)臂都具有升降功能，以便與行走輪越障時(shí)能夠脫離輸電線。四個(gè)臂的底座通過鉸鏈連接，可以使機(jī)器人具有一定的柔性，能夠適應(yīng)線上的任意曲線路徑。

1.控制箱；2.行走輪；3.后手臂；4.左右移動(dòng)滑臺(tái)；5.后輔助手臂；6.前輔助手臂；7.前手臂；8.除冰電機(jī)；9.拍打除冰機(jī)構(gòu)；10.除冰機(jī)構(gòu)升降臂；11.高壓線；12.底座

圖2 除冰機(jī)器人機(jī)械本體示意圖

3.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人的行走和越障是靠四個(gè)手臂協(xié)調(diào)動(dòng)作來完成的，手臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

A1是橡膠加工成的行走輪；A2是帶有同軸減速器的步進(jìn)電機(jī)，行走輪由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)裝置是帶減速器的步進(jìn)電機(jī)，所以能夠精確控制行走輪旋轉(zhuǎn)角度并且能夠輸出足夠大的扭矩，同時(shí)使用步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確的開環(huán)控制，可以省去各種檢測(cè)輪子位置的傳感器；A3是一個(gè)升降機(jī)構(gòu)，內(nèi)部是由電機(jī)和絲杠組成，在需要越障的時(shí)候A3升起使行走輪脫離輸電線A9；A7是個(gè)滑臺(tái)通過鉸鏈A4與A3連接一起，鉸鏈A4作用是使手臂能夠自適應(yīng)線上不同的曲線路徑，同時(shí)A4只能在很小的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，防止手臂前后擺動(dòng)幅度過大；絲杠A5與步進(jìn)電機(jī)A8通過聯(lián)軸器連接，步進(jìn)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)絲杠來帶動(dòng)滑臺(tái)A7，能夠精確控制滑臺(tái)A7左右移動(dòng)距離。

通過操作四個(gè)臂行走輪正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和剎車。行走過程中每個(gè)手臂的前后擺動(dòng)和底座鉸鏈連接可以使機(jī)器人自適應(yīng)不同的路況。行駛示意圖如圖4所示。在線上行走時(shí)尤其是在越障的時(shí)候輸電線不是直的，如果沒有可擺動(dòng)的手臂和底座，四個(gè)手臂就會(huì)相互干涉，并且在控制底座平衡的過程中需要精確控制不同手臂的臂長(zhǎng)來使機(jī)器人適應(yīng)環(huán)境，使控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。

3.3 越障原理

除冰機(jī)器人在線上行駛時(shí)會(huì)遇到不同障礙，如防震錘、塔桿絕緣子等，其中塔桿部分最為復(fù)雜。輸電線塔桿類型主要有直線塔和耐拉塔兩種，本文簡(jiǎn)單介紹一下機(jī)器人跨越直線塔障礙的過程。當(dāng)機(jī)器人遇到塔桿時(shí)，機(jī)器人上攜帶的相機(jī)實(shí)時(shí)將圖像傳送給地面站，同時(shí)機(jī)器人攜帶的測(cè)距傳感器將機(jī)器人與塔桿絕緣子距離數(shù)據(jù)也傳給地面，地面上的操作人員根據(jù)傳下的信息對(duì)機(jī)器人發(fā)出正確的指令。機(jī)器人將根據(jù)指令執(zhí)行越障動(dòng)作，越障過程如圖5所示，當(dāng)機(jī)器人走到障礙前時(shí)前手臂升降機(jī)構(gòu)升起將行走輪升起使其脫離輸電線，如圖5（a）所示；當(dāng)前手臂完全脫離輸電線后，手臂與底座相連的移動(dòng)滑臺(tái)向前進(jìn)方向左側(cè)滑動(dòng)，使前手臂避開絕緣子障礙，如圖5（b）所示；當(dāng)前手臂避開障礙后，控制后面三個(gè)行走輪向前運(yùn)動(dòng)使前手臂越過障礙，如圖5（c）所示；前手臂越過障礙后，移動(dòng)滑臺(tái)將手臂移動(dòng)到原來的位置，升降機(jī)構(gòu)收起使前手臂行走輪落回輸電線上，如圖5（d）所示，前手臂越過障礙后準(zhǔn)備下一個(gè)手臂

越障。

3.4 除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程上有很多方法進(jìn)行除冰，除冰機(jī)構(gòu)也很多，其中機(jī)械式除冰方式有沖擊式除冰，刨銑削式除冰、碾切式除冰、擠壓式、拍打式等。考慮到越障時(shí)除冰機(jī)構(gòu)要能夠方便的脫離輸電線，因此這里選用拍打式除冰方式，拍打式除冰方式設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、體積小并且易于控制，除冰機(jī)構(gòu)主要由直流電機(jī)、凸輪、拍打桿和升降機(jī)構(gòu)組成，升降機(jī)構(gòu)主要能在遇到障礙時(shí)或者在不需要除冰時(shí)將除冰機(jī)構(gòu)收起，以方便行走機(jī)構(gòu)跨越障礙。

4 控制系統(tǒng)硬件組成及其功能

除冰機(jī)器人是一種行駛在高壓輸電線上的機(jī)器，對(duì)其要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遙控操縱兩種方式，使機(jī)器人能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，同時(shí)在地面上能夠?qū)崟r(shí)圖像監(jiān)測(cè)機(jī)器人狀態(tài)。對(duì)于這種在特殊環(huán)境下工作的機(jī)器，要具備能夠在惡劣的環(huán)境中可靠工作的能力。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)可采用如圖6所示的分層式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即將系統(tǒng)分為管理層、規(guī)劃層和執(zhí)行層，其中管理層是地面監(jiān)控層，規(guī)劃層和執(zhí)行層是機(jī)械本體控制層，通過分層式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)除冰機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和除冰執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服控制。

管理層可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)和線上工作環(huán)境，地面人員可通過監(jiān)測(cè)到的信息對(duì)機(jī)器人實(shí)施遙控操作，在復(fù)雜環(huán)境下可以輔助機(jī)器人越障，保證越障除冰工作順利進(jìn)行。規(guī)劃層采用STM公司的32位單片機(jī)STM32F4系列芯片作為主控芯片，上面運(yùn)行實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)相機(jī)信號(hào)采集，接收地面站傳來的遙控指令，進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃和避障，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行傳輸控制，地面信號(hào)處理，對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行管理并對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)控制機(jī)械本體運(yùn)作。執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、除冰電機(jī)和升降電機(jī)的方向、位置和轉(zhuǎn)速等控制。可采用STM32系列電機(jī)專控芯片，驅(qū)動(dòng)芯片選用步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。通過各個(gè)模塊間配合工作，可使機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行。

5 結(jié)語

除冰機(jī)器人是結(jié)合許多學(xué)科領(lǐng)域的機(jī)電一體化產(chǎn)品，各領(lǐng)域的特點(diǎn)都能在除冰機(jī)器人身上體現(xiàn)出來。隨著除冰機(jī)器人研究工作的逐步深入，許多技術(shù)都已取得較大的進(jìn)展，然而仍然有許多關(guān)鍵問題都有待解決，這些問題限制除冰機(jī)器人應(yīng)用的范圍和環(huán)境，使除冰機(jī)器人不能夠大規(guī)模地使用。就除冰機(jī)器人來說，未來可以向以下三個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）多功能使用。除冰機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)是一個(gè)搭載平臺(tái)，可以在平臺(tái)上搭載其他設(shè)備，如搭載紅外相機(jī)、維修裝置等，就可以在除冰的同時(shí)完成對(duì)輸電線路的巡檢，這樣就可以提高工作效率，完成多個(gè)工作同時(shí)進(jìn)行；（2）機(jī)構(gòu)優(yōu)化。改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)，尋找新的材料，減少本身質(zhì)量，提高電池的能量密度來實(shí)現(xiàn)更高的效率以及更長(zhǎng)時(shí)間的工作；（3）多傳感器數(shù)據(jù)融合。除冰機(jī)器人上根據(jù)不同的工作環(huán)境可搭載多種傳感器，根據(jù)多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合，更好地判斷障礙類型識(shí)別、覆冰厚度檢測(cè)以及進(jìn)一步提高定位精度，使機(jī)器人向著更智能化的方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：許良（1965-），男，遼寧鞍山人，沈陽航空航天大學(xué)副教授，碩士，研究方向：航空材料疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)；甘子?xùn)|（1995-），男，安徽阜陽人，沈陽航空航天大學(xué)學(xué)生，研究方向：機(jī)械電子。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）