架空输电线路除冰机器人的结构设计

1、第 3期 架空输电线路除冰机器人的结构设计杨 暘 , 高虹亮, 孟遂民, 罗 成, 马小强(三峡大学机械与材料学院 , 湖南省宜昌市 , 443002摘 要 利用机械除冰方法代替人工除冰具有较好的实用意义 。 应用模块化结构设计及仿生学原理设计了除冰机器人 。 机器人采用轮式行走装置 、 双手臂结构 , 除冰装置采用双旋转刀具组合碾压轮气动伸缩式除 冰方式 。 采用的平衡装置提高了越障时姿态稳定性 , 加上设计的夹紧保险装置 , 确保了机器人运动时整个机 构的运动平衡 。 该机器人能够实现对导线一般覆冰情况下的除冰和越障需求 , 并且可以通过更换机器人的结 构模块 , 可以将除冰机器人转变为巡

2、线机器人达到一机两用的目的 , 同时通过更改结构模块实现多分裂导线 的除冰功能 。 关键词 架空输电线路 ; 覆冰 ; 除冰机器人 ; 越障 ; 除冰 ; 平衡中图分类号 :TM72文献标志码 :A文章编号 :1000-7229(2009 03-0093-04收稿日期 :2008-08-01作者简介 :杨暘 (1987, 男 , 硕士研究生 , 主要从事输电线路力学方向的研究 。0引言严重的输电线路覆冰会导致杆塔倾斜 、 倒塌 、 断线及绝缘子闪络 , 以及因不均匀覆冰和不同期脱冰 所引起的导线舞动等现象 , 并由此引起线路跳闸 、 供 电中断等事故 1,2。 由于发生冰害时往往天气恶劣 ,

3、交 通受阻 , 通讯中断 , 抢修十分困难 , 因而造成系统长 时间的停电 , 给工农业生产和人们生活造成严重影 响 。 因此 , 寻找一种方便有效的除冰方法显得十分重 要 。目前国内外采用的导线除冰方法主要有热力除 冰和机械除冰 2类 3, 而对于较为严重的导线覆冰 一般以人工上线除冰最为有效 , 而人工除冰效率较 低且具有一定的危险性 。 因此 , 研制安全有效的除冰 机械以代替人工进行导线除冰具有较好的应用前景 和实用意义 。1除冰机器人整体方案目前国内没有技术成熟的除冰机器人 , 而国外技术相对比较成熟的代表产品是加拿大魁北克水电 研究院的 Serge Montambault 等人 2

4、000年开始研制 的 HQ LineROVer 遥控小车 , 它主要用于清除电力 传输线地线上的覆冰 , 但是该机器人质量过大 , 结构 复杂 , 并且只能清除两杆塔之间的覆冰 , 不具备越障 的功能 , 因此不能完全代替人工上线除冰 4, 5。借鉴国内外除冰机器人以及巡线机器人的 优点 , 本文设计了一种高压线路除冰机器人 。 本机器人 理论上可以满足直导线上覆冰不是太厚情况下的除 冰需求 , 同时具备自主越障功能及高效 、 环保 、 节能 的特点 。 本机器人运用模块化结构 , 采用仿生学原理 进行设计 , 组成模块包括夹紧装置 、 行走装置 、 除冰 装置 、 越障装置等 。 机构运动如

5、图 1所示 。机器人模型整体设计参数如下 :(1 导线直径D 25mm ;(2 小车自重 m 20kg ;(3 电机功率 P =1.2W , 电压 U =12V ;(4 小车行走速度 V =0.26m/s。2行走机构设计目前国内外巡线机器人的行走方式主要有步进式和轮式 2种 , 其中轮式爬行行走机构具有移动平 稳 、 速度快和效率高的特点 , 因此本除冰机器人采用 轮式行走机构 6。 具体行走装置如图 2所示 , 主要包电 力 建 设Electric Power Construction第 30卷 第 3期2009年 3月Vol . 30No. 3Mar, 200993电 力 建 设 第 30

6、卷 括驱动电机 、 减速器 、 联轴器 、 支撑轴承 、 行走轮 。 行 走机构通过上箱体伸出的两块板子相连接 , 电机驱 动行走轮行走而带动整个机器前进 。 由于整个机器 都靠轮子挂在电线上面 , 从而整机重量都压在上箱 与行走轮连接的轴上 , 而此轴同时又是电机驱动行 走轮的轴 , 若是直接连接的话 , 会影响电机的驱动 , 于是在这个轴与上箱连接的地方安装了一个角接触 球轴承 , 以承受机器本体的重量 。 由于机器人在高压 线上行走 , 轮子应制成绝缘的 , 同时由于覆冰上的摩 擦力相对较小 , 轮子内侧应选用摩擦力较大的材料 。3除冰机构设计考虑到节能性和本模型的可实现性 , 本机器人

7、 采用旋转刀具组合碾压钢轮气动伸缩式除冰装置 。 由于覆冰本身比较坚硬 , 一次性破碎比较困难 , 因此 本机器人采取的方案是首先利用旋转刀具在覆冰上 铣出一道凹槽 , 然后再利用后面的碾压钢轮产生的 碾压力进行碾压破冰 , 从而达到除冰目的 ; 由于导线 上的覆冰厚度不同 , 因此在除冰装置中增加了一套 左右开合装置来适应不同的覆冰 ; 由于导线上可能 存在特别坚硬的覆冰 , 导致除冰装置一次性除不动 的情况 , 因此在除冰装置中添加了气动伸缩装置 , 使 得除冰装置可以通过多次伸缩来达到除冰目的 。 本 机器人除冰机构包括旋转刀具电机 、 旋转刀具 、 碾压 轮电机 、 碾压轮 、 左右开

8、合装置 、 气压伸缩装置 、 支撑 杆件等 , 具体除冰装置布置图如图 3所示 。 其中刀具 和碾压轮的数量以及安装方式有多种 , 考虑到机器 人的除冰效率和越障能力 , 本机器人采用的是双旋 转刀具和双碾压轮 ; 同时考虑到导线上的障碍物如 悬垂绝缘子 、 防振锤等一般分布在导线的上下方 , 因 此除冰装置应首先考虑左右布置 ; 同时为了防止刀 具损伤导线 , 应该在在刀具顶端和除冰装置最前端 安装红外线传感器或者安装 CCD 摄像头等传感装 置来控制刀具动作 。机器人具体除冰动作如下 :首先启动左右两边 除冰装置中的电机和行走轮电机 , 使得机器人在直 导线上行走除冰 ; 当遇到覆冰一次性

9、除不动的情况 时 , 启动气动伸缩装置控制左右除冰装置来回往返 多次运动除冰 。 当遇到像悬垂线夹这样的障碍物时 , 首先是行走轮电机停机 , 然后启动开合装置使得左 右除冰装置开合度大于悬垂线夹的宽度 , 然后启动 伸缩气缸 , 使得除冰装置越过障碍物进行除冰 , 接着 行走轮可以继续前进一小段路程来减少气缸的伸缩 设计长度 , 机器人越障除冰长度以手臂越障后行走 轮可以落到导线上面为准 。 当除完该段覆冰后 , 气缸 伸缩将除冰装置收回 , 然后再进行越障动作 。4越障机构设计4.1越障机构除冰机器人越障时技术难度最大的是跨越导线 上的附属元件 , 包括绝缘子 、 线夹 、 防震锤和间隔棒

10、 等障碍物 。 机器人需要满足以下几个功能 :越障有 效 、 越障过程应平稳 、 越障完成后能适时随动 。 这也 就要求机器人在线上应能够保持姿态平稳 , 不与线 路附件干涉 。考虑到机器人越障时的平稳性 、 安全性和有效 性 , 机器人的越障方式是模仿猴子爬树的方式进行 越障 , 也就是采用手臂交替前进方式进行越障 。 目前 单导线巡线机器人的手臂模式主要有 2种 , 一种是 双手臂模式 , 一种是三手臂模式 。 综合考虑各因素 , 本除冰机器人采用双手臂结构 。 目前越障方式有 :手 臂上升式越障 、 手臂上升旋转式越障 、 手臂上升偏转 式越障 、 轮子剖分式越障 。 考虑到除冰装置和夹

11、紧装 置的安装以及通过减少控制电机数量来提高控制能 力方面考虑 , 本机器人采用的是上升偏转式越障 。 这 种越障方式有 2种实现方法 :一是采用 2个电机分 别控制上升和偏转这 2个动作 ; 二是设计一个可以 实现上升偏转的导轨 7, 8, 这样就可以通过一个电机 控制来完成手臂的上升和偏转动作 , 从而提高机器 人的控制性能 。 本设计中采用后者 。 具体越障动作 : 94第 3期 架 空 输 电 线 路 除 冰 机 器 人 的 结 构 设 计当机器人遇到障碍物时 , 首先机器人整体停机 , 启动 越障电机 , 电机带动越障手臂在越障导轨上上升到 行走轮脱离导线 , 越障电机继续工作带动整

12、个越障 手臂在越障导轨上发生偏转 , 直到整个越障手臂不 与障碍物发生干涉时 , 越障电机停止 ; 然后前面的整 个越障手臂在前进电机的带动下 , 通过丝杠推动整 个前面的机构部分越过障碍物 ; 越过障碍物后 , 越障 电机反转 , 越障手臂即可复位 。 在越障机构设计中 , 可以采用直线电机来取代电机加丝杠的驱动方式 , 使得机器人的结构更为简单 , 定位更加精确 , 反应速 度更快 。 机器人具体越障动作如图 4所示 。4.2平衡装置由于机器人需要在导线上这一特殊的环境中行走 , 尤其是当越障时由于只有一直手臂挂线 , 因此整 个个机器人的重心行走过程中不可避免地发生偏 移 , 为了确保机

13、构的安全性和姿态稳定性 , 需设计机 器人的平衡装置 。 在本机器人中一共采用了 3个平 衡装置 , 其中前后手臂上各 1个 , 导轨的下方也安装 了 1个平衡装置 。 手臂上的平衡装置是在手臂发生 偏转时候起平衡作用 , 防止机器人发生整体侧转 ; 导 轨上的平衡装置是在前后手臂在导轨上移动的时候 起平衡作用 , 防止机器人整体发生倾覆 。目前巡线机器人上整体平衡装置研究比较 完 善 , 本文主要阐述本机器人的手臂平衡装置 。 手臂平 衡装置主要由 3个定滑轮 、 1个配重块和 1条动导 线组成 , 如图 5所示 。 定滑轮 1安装在导轨上面 , 定 滑轮 2安装在支座外的板上面 , 定滑轮

14、 3安装在导 轨支座上 , 定滑轮 2和 3之间应设置一个角度 , 这样 配重块由于自重就会停留在定滑轮 3下面 , 并不产 生移动 , 只有当手臂发生偏转的时候 , 手臂带动上面 的可动导线移动 , 配重块才发生偏移 。 假设配重块质 量为 m , 配重块到中心线的距离为 L 1, 设置 L 1的原 因是因为手臂上升的时候 , 在车轮脱离导线的瞬间 , 由于手臂的重心并不是正好处在导线正上方 , 而是 位于偏离导线的一侧 。 假设初始状态时悬空手臂重 心距导轨中心的距离为 A 1, 单悬空手臂自身质量为M 1, 于是可以得出初始平衡计算公式 :m g L 1=M 1g A 1。 当越障手臂上

15、升到位后 , 越障手臂就开始发生偏转 , 此时上箱上的移动销就会带动可动导线随之 移动 。4.3夹紧机构在机器人越障时虽然可以通过平衡块的运动来保持整个机器人的运动平衡 , 但此时高压线上只有 单个行走轮充当支撑点 , 此时机器人依然存在发生 倾斜的可能 , 并且当机器人发生故障时 , 机器人需要 一个安全保险装置 , 于是设计了如图 6所示的夹紧 保险装置 9。机器人在除冰过程中 , 当未遇到线路上的障碍 物时 , 左右线夹呈张开状态 , 当机器人行走中遇到障 碍物时 , 夹紧装置上的电机启动驱动丝杠旋转 , 从而 带动左右线夹上的 2个反向螺母旋转 , 使得左右线 夹合拢夹紧导线 , 使得

16、机器人的越障过程更为安全 。 目前机器人的夹紧装置大多采用丝杠驱动 , 在本设 计中为了加快机器人的反应速度 , 将夹紧装置中的 电机丝杠控制装置改为电磁铁式控制装置 , 使得左图 4越障过程图图 6夹紧装置图 5手臂平衡装置95电 力 建 设 第 30卷Structural Design of Overhead Line Deicing RobotYANG Yang, GAO Hong-liang, MENG Sui-min,LUO Cheng ,MA Xiao-qiang(Collegeof Mechanical &Material Engineering, China Three Gor

17、ges University, Yichang 443002, ChinaAbstract Mechanical deicing is more practical than manual method. Deicing robot is developed based on modularized structural design and bionicprinciples. It is equipped with wheeled walking device, double-arm structure, and dual milling cutter and wedged block de

18、icing devices. Equilibrators that improve attitude stability when climbing over obstacles and safety clamping device ensure movement balance of entire machine when robot moves. The robot meets deicing and over obstacle requirements under normal conductor icing condition. By replacing structural modu

19、le, deicing robot can be transformed into line inspection robot. In the mean time, multi-bundle conductor deicing can be achieved by modifying structural module. Keywords overhead line; icing; deicing robot; climbing over obstacles; deicing; balance(责任编辑:魏希辉 右线夹的开合速度更为迅速快捷 。5除冰机器人三维模型及工作原理按照上述的各个结构模

20、块 , 运用 Solidworks 软件绘制除冰机器人三维模型图 。 机器人具体工作方 式如下 :工作时首先需要人工上线清除导线上一部 分覆冰 , 然后将除冰机器人放在导线上 , 若电磁干扰 在控制范围内 , 可以在机器人通过安装 CCD 摄像头 采用无线电遥控 ; 若电磁干扰很强则要加屏蔽防护 装置 , 这时可以将线路所有信息以程序形式输入到 机器人自身控制程序中 , 让机器人自主控制 。 假设除 冰机器人是向右运动除冰 , 那么控制顺序是在无障 碍物时 , 轮子驱动电机驱动整个机器人前进 , 当遇到 障碍物时 , 因为机器人的前端安装了一个行程开关 , 当机器人与障碍物接近到一定距离时 ,

21、 传感器就会 发出信号 , 机器人检测到信号后就会控制除冰装置 电机和手臂驱动电机停机 , 从而机器人停止前进 , 可 以防止发生碰撞 。 然后启动气缸带动除冰装置来清 除绝缘子另一侧的覆冰 , 紧接着开始进行越障动作 , 首先是后手臂上的夹紧电机启动使得线夹将导线夹 住 , 随后前手臂在上升越障电机驱动下使前手臂上 的行走轮脱离并偏离导线 , 最后机器人在后手臂前 进电机的驱动下使前手臂沿着导轨前进并越过障碍 物 , 这个过程中平衡块也同时向前手臂移动的相反 的方向移动 , 以防止整个机器人发生倾斜 , 当前手臂 完全越过障碍物后 , 前进电机停机 , 越障电机反转 , 使得前手臂又返回到导

22、线上作为驱动轮 , 完成机器 人前手臂的越障动作 。 紧接着前后两个车轮驱动电 机同时启动 , 再次驱动整个机器人前进一段距离 , 直 到后手臂上的传感器再次感应到悬垂绝缘子 , 然后 两个行走轮驱动电机同时停机 , 再次重复进行上述 越障动作来完成后手臂的越障动作 , 从而整个机器 人完成越障动作 。随着输电线路电压等级越来越高 , 杆塔设计高 度也越来越高 , 线路导线覆冰现象越来越严重 , 因此 对输电线路的防冰除冰方法的研究也显得格外重 要 。 本文所述的架空输电线路除冰机器人基本能够 满足在导线覆冰不是太厚情况下的直导线的除冰需 求 , 且具有高效 、 环保 、 节能的特点 。 本机器人还可以 在未覆冰季节通过更