一种新型输电线路除冰机器人设计

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1、一种新型输电线路除冰机器人设计　　摘要：输电线上的覆冰和积雪会破坏输电线路，危害电网运行安全，由于传统的除冰方法效率低、成本高，受限制条件较多，所以采用机器人除冰在效率、成本和安全性方面具有很大的优势。文章基于国内外输电线路除冰机器人研究现状，提出了一种能够在线上越障的线上行走的新型机构，并介绍了自主研发的除冰机器人。　　关键词：除冰机器人；输电线路；行走机构；控制系统；线上越障文献标识码：A　　中图分类号：TP24文章编号：1009-2374（2016）25-0009-03DOI：10.13535/j.cnki.11-4406

2、/n.2016.25.004　　1概述　　由于输电线上的覆冰和积雪，常引起线路舞动、烧伤、跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故，带来了巨大的经济损失，同时影响了电网的安全运行以及对电力工人的生命安全造成了威胁。而我国是输电线路覆冰最为严重的国家之一，线路冰害事故发生的概率也居世界前列，同时我国传统的除冰方式效率低、成本高，受限制条件较多，因此设计新的输电除冰机器人，提高高压输电线的除冰效率，减少损失，保护工人安全，解决高压输电线上除冰难的问题。7　　目前，国内外现有的输电线除冰机器人大多数不能跨越线上障碍。由于高压输电线

3、上的障碍种类繁多、情况复杂，输电线上的环境也较为苛刻，因此现如今已知的能够跨越障碍的除冰机器人都没有投入到实际生产中。目前，国内外采用的线上行走机构主要有悬臂式、仿生手臂式、蛇形行走机构。　　本文根据以往的机构的特点提出一种新的能够越障的输电线上除冰机器人，能够实现在输电线上除冰越障以及巡检功能。该机器人是一种典型的机电一体化设计，结合机械、电子、控制于一体的设计，具有结构简单、操作灵活等特点，能够良好地适应复杂的输电线线上的障碍与环境。　　2总体设计　　除冰机器人是一个机电一体化的系统，运用不同领域的技术，使各个部分能够协调工

4、作。机器人主要由控制装置、机械本体、检测与测量模块以及地面监测四个部分组成，整体如图1所示。　　控制部分主要由主控芯片、电机驱动器和机载无线数传三部分组成。主控芯片通过采集摄像机及传感器数据进行处理和判断，并且将实时测量数据回传给地面站，主控综合采集的数据和地面指令对电机驱动器发出控制信号来控制机器人的机械本体；机械部分主要由行走机构和除冰机构组成，是机器人工作时的执行部件，用来完成行走和除冰任务；检测与测量部分通过摄像机和超声测距模块将实时的图像和距离信息反馈给主控，以提供给主控下一步执行的依据；地面部分主要是地面站组成，地面

5、的人员通过传回的图像信息做出判断和决策以供机器人动作。　　下文将简单介绍各模块组成和功能，本文重点介绍越障机构和越障原理。　　3机械结构设计7　　通过对工作的环境分析，机器人在线上行走的过程中会遇到以下问题和要求：（1）机器人在靠近电线杆塔的部分需要爬坡和下坡，因此机器人要具有由爬坡和制动能力；（2）在面对输电线上的各种障碍，机器人要具有能够跨越障碍的能力；（3）机器人在越障的过程中，由于电线在与杆塔绝缘子相连的部分是一个曲线，因此要求机器人要具有较好的灵活性和柔韧性；（4）机器人在面对复杂的障碍时应该具有良好的可操纵性，以使地

6、面操作者能够手动操作机器人跨越障碍。　　3.1整体机械结构介绍　　除冰机器人整体利用仿生学，根据蛇爬行的原理设计，机械结构整体示意图如图2所示，除冰机器人采用四臂机构，每个臂上都有一个橡胶材质的行走轮，行走轮靠步进电机驱动，利用步进电机具有大的静力矩和扭矩以及高的控制精度等特点，能够解决行走和制动问题，同时四个行走轮可以单独控制，因此增加了机器人控制的灵活性。每个臂都能够在一定范围内和前后摆动，在遇到爬坡的时候下部的机体能够自适应行走路线的坡度，限制臂前后摆动范围是为了防止臂的倒伏。每个臂都能够左右移动，在遇到杆塔障碍时能够通过

7、四个手臂的依次左右移动使机器人手臂依次绕过障碍物。同时每个臂都具有升降功能，以便与行走轮越障时能够脱离输电线。四个臂的底座通过铰链连接，可以使机器人具有一定的柔性，能够适应线上的任意曲线路径。　　1.控制箱；2.行走轮；3.后手臂；4.左右移动滑台；5.后辅助手臂；6.前辅助手臂；7.前手臂；8.除冰电机；9.拍打除冰机构；10.除冰机构升降臂；11.高压线；12.底座7　　图2除冰机器人机械本体示意图　　3.2行走机构设计　　除冰机器人的行走和越障是靠四个手臂协调动作来完成的，手臂结构示意图如图3所示：　　A1是橡胶加工成的行

8、走轮；A2是带有同轴减速器的步进电机，行走轮由步进电机直接驱动，因为驱动装置是带减速器的步进电机，所以能够精确控制行走轮旋转角度并且能够输出足够大的扭矩，同时使用步进电机可以实现精确的开环控制，可以省去各种检测轮子位置的传感器；A3是一个升降机构，内部是由电机和