高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第30卷第6期2008年12月三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JofChinaThreeGorgesUniv.(NaturalSciences)Vol130No.6Dec12008高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)張屹邵威高虹亮羅成楊(三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北宜昌443002)摘要:在分析高壓輸電線(xiàn)路巡檢工作的特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外高壓輸電線(xiàn)路巡線(xiàn)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上,結(jié)合高壓輸電線(xiàn)路上覆冰的去除方法,主要介紹了設(shè)計(jì)的一種新型的高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人.該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以在輸電線(xiàn)上穩(wěn)定地行走,題,完成輸電線(xiàn)上的除冰任務(wù),具有廣泛的應(yīng)用前景.關(guān)鍵詞:除冰機(jī)器人;輸電線(xiàn)路;越障;除冰中圖分類(lèi)號(hào):

2、TH112文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A(2MechanicalDesignofaLinesZhangYiGaoLuoChengYangYang(Collegeof,ChinaThreeGorgesUniv.,Yichang443002,China)AbstractAforlinesdeicingisdesigned,basedonanalyzingthecharactersoftrans2missionlinesandtheadvanceoftherobotforinspectionoftransmissionlinesathomeandabroad;anddeicingcombiningthemethod

3、softransmissionlines.Theframeofthisrobotisverysimple.Itcanwalkonthetransmissionlines,andsolvetheproblemofspanningthebarrieritselfbetter,andcompletethedeicingtaskbasically.Therobothasabroadprospectofapplication.Keywordsdeicingrobot;transmissionlines;spanningthebarriers;deicing隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,超高壓大容量輸電線(xiàn)路越建

4、越多,線(xiàn)路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜,如經(jīng)過(guò)大面積的水庫(kù)、湖泊和崇山峻嶺,給線(xiàn)路維護(hù)帶來(lái)很多困難.而且在嚴(yán)冬及初春季節(jié),我國(guó)云貴高原、川陜一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn)霧凇和雨凇現(xiàn)象,造成架空輸電線(xiàn)路覆冰,使線(xiàn)路舞動(dòng)、閃絡(luò)、燒傷,甚至斷線(xiàn)倒桿,使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞,安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅.在緊急情況下,尋道員用帶電操作桿或其它類(lèi)似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰線(xiàn)路除冰,人工除冰有很高的危險(xiǎn)性1熱點(diǎn).因此,研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)除冰具有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用意義.文章提出的除冰機(jī)器人即為一種既安全又有效的除冰裝置.1高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)介紹機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng),涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)

5、、自動(dòng)控制、通信、傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域.但機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是目前制約機(jī)器人實(shí)用化的最大障礙.針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)了一種新型的實(shí)用的高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人,它具有以下一些功能:(1)能在輸電線(xiàn)上以預(yù)想的速度進(jìn)行平穩(wěn)爬行;(2)具有一定的爬坡能力;(3)能夠跨越輸電線(xiàn)上的防震錘,線(xiàn)夾,絕緣子等障礙物;(4)能夠除去輸電線(xiàn)上的冰雪.在國(guó)外,一些國(guó)家的地理與氣候情況與我國(guó)相似,甚至一些國(guó)家的情況更加惡劣,為了保證電力系統(tǒng)的可靠性,提高高壓輸電線(xiàn)除冰的效率,減少損失,維護(hù)工人的安全,開(kāi)發(fā)一種可以替代或部分替代工人進(jìn)行除冰作業(yè)的新型設(shè)備一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的收稿日期:20082082

6、23通訊作者:張屹(1976-),男,副教授,博士后,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法.70三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008年12月機(jī)器人的參數(shù)如下:機(jī)器人的體積為600mm×328mm×526mm(長(zhǎng)×寬×高);重量約為15kg;平穩(wěn)爬行的速度約為375m/h.機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括平穩(wěn)爬行機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)和除冰機(jī)構(gòu),其總體圖如圖1所示.(3)夾緊機(jī)構(gòu)3.夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊夾圖如圖4所示,1為滑槽,升降機(jī)構(gòu)上箱上的伸出軸便在其中滑動(dòng),2為軸孔,升降箱下箱機(jī)構(gòu)的伸出軸便從中穿入,而軸便帶動(dòng)夾緊夾在升降箱上箱機(jī)構(gòu)的槽中上下滑動(dòng),從而帶動(dòng)夾緊夾順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)

7、,3為半圓形槽,當(dāng)夾緊夾到達(dá)死點(diǎn)位置時(shí),便夾緊導(dǎo)線(xiàn).夾緊夾的作用是夾緊導(dǎo)線(xiàn),其運(yùn)動(dòng)方式的簡(jiǎn)圖如圖6和圖7所示.夾緊夾的松開(kāi)狀態(tài)如圖5所示,夾緊夾的夾緊狀態(tài)如圖6所示.夾緊夾將導(dǎo)線(xiàn)夾緊,便可保證機(jī)器人在越障時(shí)不會(huì)發(fā)生徑向和軸向側(cè)翻.圖1機(jī)器人的總體圖1.1平穩(wěn)爬行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為了使機(jī)器人的前行速度達(dá)到最快,且前行平穩(wěn),此機(jī)器人采用行走輪式機(jī)構(gòu),如圖1行機(jī)構(gòu).1.2越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、升降箱機(jī)構(gòu)、.(1).構(gòu)思來(lái)自蠕蟲(chóng)的行走方式.其主要由左、右行走箱機(jī)構(gòu)以及行走螺桿和螺母組成,如圖2所示.(4)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu).旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用的是一對(duì)齒輪的傳動(dòng),齒輪安裝在行走箱機(jī)構(gòu)的行走箱內(nèi),如圖7所示.1為大齒輪,以鍵連接的方

8、式與2相連,2為箱座與升圖2行走箱機(jī)構(gòu)降機(jī)構(gòu)的連接,它的作用是將升降機(jī)構(gòu)和箱座連接,3為小齒輪,它靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)4驅(qū)動(dòng),4為小齒輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī),5為螺母,6為插銷(xiāo),5和6的作用是托住行走箱.當(dāng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí),帶動(dòng)大齒輪的旋轉(zhuǎn),而大齒輪則通過(guò)2帶動(dòng)升降箱機(jī)構(gòu)與除冰機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn).1.3除冰機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(2)升降箱機(jī)構(gòu)2.機(jī)器人的升降方式也采用螺桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)升降的方式.升降箱機(jī)構(gòu)的主要組成為上箱機(jī)構(gòu)和下箱機(jī)構(gòu)以及升降螺桿和螺母組成,如圖3所示.目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研究出許多種除冰的方法4,但是有許多在目前都只是提出,并沒(méi)有實(shí)現(xiàn).所設(shè)計(jì)的高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人是在對(duì)巡線(xiàn)機(jī)器人作設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加除冰裝置,既可以巡線(xiàn)也可以除

9、冰,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,而且效率比較高.所設(shè)計(jì)的除冰機(jī)構(gòu)分為兩個(gè)部分,即銑刀部分與楔形塊部分.先利用銑刀1從覆冰的中間銑出一條裂縫,覆冰的其它部分便會(huì)裂開(kāi),其后的楔形塊4再對(duì)覆冰進(jìn)行擠壓,覆冰便會(huì)第30卷第6期張屹等高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)71被擠壓掉,導(dǎo)線(xiàn)的除冰便完成.如圖8所示.線(xiàn)路對(duì)整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程作闡述.1.銑刀;2.聯(lián)軸器;3.電機(jī);4.楔形塊;5.螺紋孔圖8除冰機(jī)構(gòu)機(jī)器人跨越懸垂絕緣子等障礙物時(shí)一只手臂懸空,另一只手臂越過(guò)絕緣子,而此時(shí)障礙物另一側(cè)導(dǎo)線(xiàn)上的覆冰未清除,輪子和銑刀處于一個(gè)平面上面,這樣就會(huì)造成輪子無(wú)法在電線(xiàn)上落腳的情況.基于這種情況的考慮,提出了第2套除冰方案.具

10、體示意圖如圖9所示,采用2個(gè)銑刀,其中銑刀中心線(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)中心線(xiàn)垂直,.,首,機(jī),使電極正轉(zhuǎn),形塊以及前面的銑刀一起向前推進(jìn),直到將通過(guò)懸垂線(xiàn)夾并且將線(xiàn)夾前面的覆冰除掉,直到當(dāng)一只手臂越障后輪子可以落到導(dǎo)線(xiàn)上面為止.當(dāng)除完該段覆冰后,螺桿電機(jī)反轉(zhuǎn)將剛前進(jìn)的裝置收回,然后再進(jìn)行如上述的越障動(dòng)作.圖10整體圖,下面將采用機(jī)器11所示.1.行走箱螺桿驅(qū)動(dòng)電機(jī);2.行走箱螺桿;3、14.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);4、11.升降箱機(jī)構(gòu);5、12.夾緊夾;6、11.除冰機(jī)構(gòu);7、10.螺桿;8、9.行走輪.圖11整體圖的簡(jiǎn)化圖而若要完成基本的行走運(yùn)動(dòng)、相應(yīng)的障礙跨越和除冰,那么機(jī)器人將要有以下基本的運(yùn)動(dòng)形式來(lái)互相配合完成基本

11、的行走運(yùn)動(dòng)、相應(yīng)的障礙跨越和除冰.(1)行走運(yùn)動(dòng).雙臂依靠8和9前后行走輪,可以在輸電上行走,來(lái)完成除冰的任務(wù).(2)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).升降箱機(jī)構(gòu)和除冰機(jī)構(gòu)的整體旋轉(zhuǎn)可以依靠3和14各自的齒輪組旋轉(zhuǎn)來(lái)完成.在此機(jī)器人中,只需要旋轉(zhuǎn)180°即可.(3)升降運(yùn)動(dòng).機(jī)器人的升降可以依靠4和13中各自的螺桿和螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成.(4)夾緊運(yùn)動(dòng).夾緊運(yùn)動(dòng)不需要電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)完成,上面已介紹過(guò)當(dāng)4和13升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)夾緊夾夾緊或松開(kāi)輸電線(xiàn).(5)移行運(yùn)動(dòng).當(dāng)除冰機(jī)構(gòu)采用的是圖9的除冰機(jī)構(gòu)時(shí),銑刀的伸出與縮回運(yùn)動(dòng)需要依靠7和10的螺桿與螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成.由于在輸電線(xiàn)上存在多種障礙物,故只

12、對(duì)其中一種典型的障礙物防震錘作跨越演示,具體步驟如下.第1步:當(dāng)前臂接近防震錘時(shí),電機(jī)1,2停止,行走輪8和9停止前進(jìn),電機(jī)5和6打開(kāi),前后臂的升圖9第2套方案除冰機(jī)構(gòu)2高壓輸電線(xiàn)路除冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程此機(jī)器人采用雙臂結(jié)構(gòu),這樣可以滿(mǎn)足其在行走時(shí)的穩(wěn)定性,并且在雙臂的配合下可以完成相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整以完成各種障礙的跨越和除冰5.機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)的三維圖如圖10所示,由于此機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)靠的是電機(jī)的驅(qū)動(dòng),因此敘述其運(yùn)動(dòng)過(guò)程將以電機(jī)為72三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008年12月降螺桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)升降箱下箱和行走箱一起上升,夾緊夾5順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和夾緊夾12逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),當(dāng)倆夾緊夾夾緊輸電線(xiàn)時(shí),電機(jī)5和6

13、關(guān)閉.采用第2套除冰機(jī)構(gòu),打開(kāi)除冰機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),通過(guò)冰刀在伸出和縮回的過(guò)程中,將防震錘后方輸電線(xiàn)上的一段冰除去,以便前臂的行走輪8安放.如圖12所示.第2步:前臂的電機(jī)5打開(kāi),前臂的升降螺桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn),由于后臂的夾緊夾12已將輸電線(xiàn)夾緊,前臂中固定在上箱中的螺母向上運(yùn)動(dòng),螺母帶動(dòng)上箱和除冰機(jī)構(gòu)、行走輪向上運(yùn)動(dòng),此時(shí)夾緊夾5順時(shí)針旋轉(zhuǎn),當(dāng)夾緊夾夾緊輸電線(xiàn)時(shí),此時(shí)將電機(jī)5關(guān)閉.打開(kāi)前臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)7,小齒輪帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn),當(dāng)大齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°后,關(guān)閉電機(jī)7.打開(kāi)行走箱行走螺桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)9,由于后臂的夾緊夾12將輸電線(xiàn)夾緊,故前臂便在行走螺桿和螺母的相對(duì)移動(dòng)下前進(jìn),當(dāng)移

14、動(dòng)到防震錘后方的不遠(yuǎn)處,關(guān)閉電機(jī)9.如圖13所示.第4步:后臂如同前臂過(guò)防震錘一樣跨越,機(jī)器人便恢復(fù)到跨越防震錘前的情況.如圖15所示.圖15雙臂都越過(guò)防震錘3結(jié)論,同時(shí)該機(jī)器人在未結(jié)冰季節(jié)可,這樣就變成了巡線(xiàn)機(jī)器人,達(dá)到一機(jī)多用的目的.該機(jī)器人采用兩手臂輪式行走結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)上更為簡(jiǎn)便,控制上更容易實(shí)現(xiàn),巧妙的線(xiàn)夾裝置和仿尺蠖越障行走的方式使得該機(jī)器人的的可靠性更高.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明,該機(jī)器人可以在線(xiàn)路上穩(wěn)定的除冰,同時(shí)完全解決了直線(xiàn)段的自主越障問(wèn)題,變路徑自主越障還需要人工輔助,基本上能夠較好地完成規(guī)定的除冰任務(wù).參考文獻(xiàn):1張運(yùn)楚,梁自澤,譚民.架空電力線(xiàn)路巡線(xiàn)機(jī)器人的研第3步:打開(kāi)前臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)小齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)7,小齒輪帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn),當(dāng)大齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°后,關(guān)閉電機(jī)7.前臂的電機(jī)5打開(kāi),前臂的升降螺桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),升降箱和除冰機(jī)構(gòu)下降,當(dāng)夾緊夾5將輸電線(xiàn)夾緊時(shí),關(guān)閉電機(jī)5,此時(shí)前臂便躍過(guò)防震錘.如圖14所示.究綜述J.機(jī)器人,2004,26(5):4672473.2吳俊飛,王