110kv线路巡线机器人机械结构及控制系统设计

110kv线路巡线机器人机械结构及控制系统设计

电力系统最重要的任务是为高质量和高可靠的能源提供可靠和高可靠的能源。电力传输必须依靠高压输电线路,它的安全稳定运行直接影响到电力系统的可靠性,由于输电线路分布点多面广,绝大部分处在远离城镇,所处地形复杂,自然环境恶劣。电力线及杆塔附件长期暴露在野外,因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤,如不及时修复更换,原本微小的破损和缺陷就可能扩大,最终导致严重事故,造成大面积停电,从而带来极大的经济损失和严重的社会影响。所以,必须对输电线路进行定期巡视检查,随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况,以便及时发现和消除隐患,预防事故的发生,确保供电安全。传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦,特别是对于山区和跨越大江大河等的输电线路的巡检存在很大的困难,甚至有一些巡检项目靠常规方法难以完成,因此,利用机器人巡线就成为保障高压输电线安全运行的一种必要手段。针对110kV输电线路的特点,经过近两年的努力,我们研究并设计出了110kV输电线路自动巡线机器人,该机器人不仅能在档间相线上自主快速的行走,而且还能跨越诸如防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线、转弯等各种典型障碍,为下一步的产品化打下了较好的基础。本文对该巡线机器人的机械结构及其分布式计算机控制系统的设计进行了详细介绍。1速度平稳,可靠自锁巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统,涉及到机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域。但机械结构是整个系统的基础,也是目前制约巡线机器人实用化的最大障碍。巡线机器人对机械结构的要求是:(1)能在高压输电线上以要求的速度平稳运行,具有一定的爬坡能力;(2)能够较灵活地跨越高压线路上的防震锤、线夹、悬垂等障碍;(3)能够跨越杆塔;(4)体积小、重量轻,但必须提供足够的空间安装携带的电源、控制器、探测仪器等;(5)能可靠自锁,防止机器人从线上摔落。上述要求中,能实现灵活越障是自动巡线机器人机构设计的关键。由于机器人悬挂在架空线上,越障时既要保证机器人姿态平稳,又要保持与其它导线和线塔金属部件及拉线的安全间距,并且还要容易控制,因此机构设计具有想当大的难度。我们针对110kV输电线路具有防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线和转弯等各种障碍情况,借鉴前人成功经验,吸取他们失败的教训,摒弃机器人常规结构形式,设计并完成了适用于110kV输电线路的巡线机器人,机器人样机如图1所示。1.1精密蜗轮蜗杆动力学柔性臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手等部分组成,其结构示意图如图2所示。肩关节由精密蜗轮蜗杆减速器、水平转盘和垂直转盘组成。电机通过精密蜗轮蜗杆减速器带动水平转盘或垂直转盘转动,实现手臂在水平方向和垂直方向上的自如运动。大臂和小臂均采用新颖的两重四连杆机构,只需一个动作,就既能实现大臂俯仰时,小臂及手掌的姿态不变;又能实现小臂俯仰时,保持手掌姿态不变。在控制系统的控制下,还能够实现刚性与柔性的平滑转换,使机器人适应跨越转弯、跳线时位置和姿态的要求。而且还能通过调节连杆的长度,实现跨越不同跨度跳线的要求。1.2跳线能力的实现驱动装置由瑞士Maxon公司生产的直流电机、伞齿轮减速器、传动轴和驱动轮组成,其结构简图如图3所示。驱动轮设计成中间分离式,使其在跨越线夹、悬垂及跳线时能够打开,实现跨越。驱动轮采用高强度尼龙作骨架,以减轻驱动装置的重量;驱动轮外表面采用高弹性、高强度的聚氨酯耐磨材料,以增加驱动轮运动时与线路的摩擦系数,防止打滑。与此同时,又消除了对铝裸线的磨损。整个驱动装置不仅能够保证机器人在坡度不大于60°的档间相线上正常行走,在刹车装置的配合下,还能够实现爬越近80°的跳线。驱动轮支撑架(手掌)采用中空设计,使机器人单体遇到防震锤等障碍时,可直接越过,大大提高了机器人巡检速度。1.3刹车制动装置为了保证机器人在停止状态、有一只手打开、出现断线或故障情况下不出现脱线和下滑,设计了刹车制动装置。该装置由螺旋机构和曲柄滑块机构组成,如图4所示。螺旋机构带动曲柄滑块机构实现刹车片的抓线与脱线,并能旋转90°,使其不影响手掌跨越障碍,同时,整个刹车装置完全能够实现自锁。1.4组成和组成手掌开合装置由螺旋机构和三角形增力机构组成,如图4下半部分所示。在螺旋机构的驱动下,带动驱动支架开合,实现驱动轮的开合,开合行程为120mm。2机器人分布计算机网络系统的设计2.1系统的组成结构自动巡线机器人运行于110kV高压架空输电线的相线上,障碍物的类型多种多样,线路与障碍物的相对位姿和形态也不是非常固定,而且在实际运动过程中,还存在着许多其它不确定性的因素,因此对于这种特殊的工作环境,要求巡线机器人必须具备主从遥控操作控制和自动控制两种工作方式,并具有在恶劣环境中可靠工作的能力。根据巡线机器人的工作特点,其控制系统分为机器人本体控制系统和地面监控系统,其结构框图如图5所示,地面部分由监控计算机、人机接口及无线收发模块组成。一方面监视机器人的运行状况,另一方面可以实施对机器人本体的遥控操作,在环境特别复杂时辅助机器人越障,保证巡检工作的顺利进行;本体控制系统采用由规划级和直接控制级组成的两级分布式计算机控制结构,下面对机载控制系统加以详细叙述。2.2局部越障规划规划级由工控计算机系统(PC104主板)、控制输入装置(检修、调试用控制面板)、图像采集卡、具有PC/104总线标准的光隔输入、继电器输出的数字I/O接口卡、超声传感器、激光测距仪、CCD等多种传感器及无线收发装置等组成。巡线机器人沿输电线的相线爬行,要跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹等各种障碍,还要爬越直线跳线和转弯跳线。由于线路情况复杂,为非结构化的环境,因此规划级的运动轨迹规划主要是局部越障规划,它可以通过接收来自控制面板的控制命令(检修和调试时);或障碍情况特别复杂(机器人靠自身的传感器和逻辑判断,已不能实现自主越障功能,此时向地面基站发送报警信号)的情况下,地面基站工作人员通过无线通讯发送遥控命令(主从遥控操作控制方式);或根据传感器提供的机器人周围的局部环境信息,采用多传感器的信息融合技术并借助于专家系统自动生成下一步的控制策略(自动控制方式),确保机器人可靠、快速的越过障碍。规划级通过RS-232与直接控制级进行通信,指示直接控制级完成指令规定的运动轨迹,并通过高带宽、抗干扰能力强的无线收发设备实现与地面基站进行命令、数据及图像的远距离(不大于3km)可靠传输。2.3电机码盘和限位开关的设计直接控制级是直接面向被控对象,用来完成对各自由度的控制。它主要由单片机系统、电机驱动器、电机码盘和限位开关组成。它的任务是接收来自规划级的指令,完成规划路径的运动控制;收集各关节位置传感器的信息并进行预处理,然后传送给规划级,以便规划级进行下一轮的运动轨迹规划;完成对控制器、功率放大器的故障诊断,并把诊断结果送到规划级。3图像获取和处理巡检机器人样机在实验线路上自主行走的情况如图6所示。本体控制系统可向地面实时传输检测图像,地面计算机收到图像后对其进行处理时的照片如图7所示。任何情况下,地面工作人员都可以通过无线模块遥控机器人的运行。4进一步优化了机器人功能,提高了线路运行的可靠性。在实际线路上运行很110kV输