電線除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

王加年

摘 要：文章以電線除冰為目的，能夠在不停電的環(huán)境下，沿高壓輸電線路自主行走，并除去電線上附著的冰塊，避免出現(xiàn)因電線附冰而導(dǎo)致的鐵塔倒塌的情況，進(jìn)行機(jī)器設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真研究。保持輸電的穩(wěn)定，并最大程度地減少工人的作業(yè)強(qiáng)度，保證人身安全。

關(guān)鍵詞：除冰；自主行走；運(yùn)動(dòng)仿真

【中圖分類號(hào)】TP242

當(dāng)前全球氣候變化異常，凍雨天氣也是時(shí)常有可能發(fā)生。由于建造的有些高壓輸電設(shè)施在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮嚴(yán)重惡劣天氣的影響，不能保證有足夠的強(qiáng)度，因此，利用電線除冰機(jī)器人除去附著的冰塊，來(lái)彌補(bǔ)輸電設(shè)施的強(qiáng)度不足問(wèn)題，是一種可行的方法。

1 功能分析

機(jī)器人的總功能由以下幾個(gè)功能單元組成：

（1）能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行；根據(jù)實(shí)際線路的要求，在線行走速度為1m/s。

（2）能除去附著在電線上的冰塊，行走一次至少除去一半以上的附冰。

（3）能夠跨越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔和跳線等障礙。

（4）具有一定的爬坡能力；根據(jù)輸電線路的實(shí)際情況，其最大坡度出現(xiàn)在山谷到山頂兩塔桿之間，坡度為55°。但是由于桿塔附近跳線與耐張線夾之間角度要大于此值，因此確定機(jī)器人的最大爬坡角度為75°。

（5）在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機(jī)器人摔落。提供足夠的空間安裝攜帶電源等。

機(jī)器人功能目標(biāo)的約束條件為：

（1）外形：機(jī)器人得外形尺寸不得大于500mm*1000mm*2000mm。

（2）運(yùn)動(dòng)：要求機(jī)器人在輸電線路行走時(shí)要快速、穩(wěn)定、安全、可靠。

（3）重量：根據(jù)線路承載的要求，機(jī)器人重量越小越好，規(guī)定重量≤50kg。

（4）機(jī)器人承載重量≥7kg，主要是能夠攜帶電源等。

2 功能原理設(shè)計(jì)

在上述機(jī)器人的功能目標(biāo)中，在線行走、除冰和越障是電線除冰機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵功能。由于機(jī)器人在行走、除冰和越障時(shí)既要保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)，又要保持與其它導(dǎo)線和桿塔金屬部件及拉線的安全間距，并且還要容易控制。

2.1 行走功能

機(jī)器人的在線行走可以考慮用輪子壓著鋼索前行，這跟地面行走類似，只不過(guò)地面行走時(shí)只需要一個(gè)輪子靠重力壓住地面即可，而在線行走則需要一對(duì)輪子在同一個(gè)地方沿相反的方向同時(shí)壓住鋼索才能前進(jìn)。為保持平衡，機(jī)器人重心應(yīng)該在鋼索下面，起到圓周定向的功能。

也可以從仿生的觀點(diǎn)出發(fā)，模仿人在鋼絲行走的方式，可采用機(jī)器人主體懸掛在鋼索上，用機(jī)械手交替握住鋼索前行。

2.2 除冰功能

除去電線上附冰的方式，可以類似人在其它場(chǎng)合除冰的方式。模仿冰雕藝術(shù)家，用刀片對(duì)冰進(jìn)行切削；模仿路面的除雪除冰，用車將冰壓碎，撒融冰劑；電流加熱；振動(dòng)；除冰槍擊碎；模擬工人在高壓線上除冰，敲碎。

2.3 越障功能

機(jī)器人在線越障操作類似人的空中攀援行為。因此，仿生設(shè)計(jì)是解決機(jī)器人在線越障這一難題的有效方法。人體遇到線路障礙如懸垂線夾或防震錘，采用從線路下方穿越的方式越障，首先，人體進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，將人體重心放到起支撐作用的手上如左手。然后，另一只手右手松開(kāi)，并立即向前伸出繞過(guò)障礙，抓住線路的另一端，立即調(diào)整姿態(tài)，使重心前移，調(diào)整到另一只手右手上。然后，松開(kāi)剛才起支撐作用的手左手，繞過(guò)障礙也抓住線路的另一端，從而完成了障礙的穿越。

通過(guò)對(duì)人體跨越障礙的方法分析，機(jī)器人的越障功能完全可以通過(guò)模仿人體跨越障礙的方法實(shí)現(xiàn)。按照仿生機(jī)械設(shè)計(jì)的原理，機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有類似人體手臂功能的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，幫助機(jī)器人完成越障的任務(wù)。從上述分析看出，機(jī)器人至少要有兩臂組成，方能實(shí)現(xiàn)越障功能。從人體兩臂跨越障礙的過(guò)程中，我們可以了解到，人體要不斷地調(diào)整重心，使之保持在一定的范圍內(nèi)，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨越障礙的功能。而機(jī)器人要采用兩臂結(jié)構(gòu)，勢(shì)必要解決重心調(diào)整的難題。最有效的解決方法是采用具有多自由度的多只手臂結(jié)構(gòu)。在這里，初步選用3只手臂機(jī)器人。

3 確定方案

初步擬訂幾種能夠完成功能的方案，進(jìn)行分析。

方案一：用兩對(duì)齒輪咬碎電線上的冰塊前行，一對(duì)齒輪除去冰塊，另一對(duì)咬著電線前行。

方案二：像人體懸掛在繩索上行走一樣，行走并拍擊電線除冰。

方案三：利用六對(duì)具有凹圓槽的齒輪，呈一定規(guī)律分布行走越障，使用電機(jī)帶動(dòng)除冰棒工作完成除冰。

比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

第一種方案分析：

（1）前進(jìn)用的齒輪和除冰的齒輪分開(kāi)，采用不同結(jié)構(gòu)：前進(jìn)用的齒輪界面形狀和蝸輪形狀類似，適應(yīng)電線的圓柱形狀；除冰的齒輪采用較大的齒寬，先用齒輪壓碎冰，然后用一個(gè)錐形的圓筒將壓碎的冰塊排出。

（2）四齒輪安裝四電動(dòng)機(jī)，電瓶掛在下面。

（3）前進(jìn)用的齒輪間距在工作時(shí)不能調(diào)節(jié)，除冰的齒輪間距工作時(shí)可調(diào)節(jié)。

（4）如果還有少量碎冰粘在電線上，則錐形圓筒也能起到除冰功能；如果殘留的冰太多，則齒輪后退以后繼續(xù)壓冰，知道錐形圓筒能通過(guò)。

此方案不能完全實(shí)現(xiàn)跨越障礙的功能，適用范圍不夠廣，不能完全實(shí)現(xiàn)除冰的自動(dòng)化，需要較多的人工參與。

第二種方案分析：

將人體懸掛行走與雙臂攀緣進(jìn)行綜合，完成機(jī)器人的功能。機(jī)器人采用多只具有人體手臂關(guān)節(jié)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂上部安裝驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，機(jī)械臂只起連接作用。遇到障礙時(shí)，機(jī)械臂之間相互配合，采用仿人攀緣策略調(diào)整姿態(tài)，跨越障礙。由于采用多只多自由度機(jī)械臂，機(jī)器人可以完成更為復(fù)雜的空中姿態(tài)調(diào)整，因而可跨越各種類型的線路障礙。

此方案能實(shí)現(xiàn)跨越障礙的功能，適用范圍廣，當(dāng)上升角度過(guò)大時(shí)不能完全實(shí)現(xiàn)除冰的自動(dòng)化，仍需要人工參與。

第三種方案分析：

機(jī)器人行走越障機(jī)構(gòu)是由六對(duì)具有凹圓槽的齒輪對(duì)和一個(gè)電機(jī)組成，齒輪對(duì)兩對(duì)一組，分三組每組夾角120°平均分布于電機(jī)軸上，相鄰的四對(duì)齒輪組的凹圓槽壓緊電線，通過(guò)齒輪帶連接獲取電機(jī)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人線上行走功能。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到瓷瓶左側(cè)位置時(shí)，停止行走。此時(shí)機(jī)器人進(jìn)入越障狀態(tài)，以靠近瓷瓶的兩組齒輪對(duì)為中心，松開(kāi)另一組的齒輪對(duì)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，使另一組齒輪對(duì)越過(guò)瓷瓶障礙，到達(dá)瓷瓶右側(cè)，并且壓緊輸電線路。再以瓷瓶右側(cè)的齒輪組為中心，重復(fù)上一步動(dòng)作，完成越障。

評(píng)分法對(duì)三種方案進(jìn)行分析，最終確定第三種方案。

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