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科研实训

科研实践论文

题目：

高压线路巡线机器人的结构设计

姓名：

何伟林

学号：

11S020900140

年级：

2009级

学院：

机械工程及自动化学院

专业：

机械设计制造及其自动化

指导教师：

（签名）

成绩：

2013年2月25日

摘要

高压线路巡线机器人是机器人研究领域的前沿课题之一，是一种具有广阔应用前景的特种机器人。

该巡线机器人可以实现取代人力进行线路维护，不仅可以减轻巡线作业的强度，降低费用，也可以提高巡检作业的质量和管理技术水平，更保证了工作人员的安全。

本文主要研究内容如下：

首先探讨了高压线路巡线机器人的爬行方案。

提出了巡线机器人的运行可分为直线无障碍物阶段、直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段，并对直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段的动作进行了详细讨论。

其次针对高压线巡线机器人的作业环境和要求，设计了高压线路巡线机器人的本体结构，并草绘了高压线路巡线机器人的基本结构和工作原理简图。

关键词：

高压线路，巡线机器人

ABSTRACT

Highvoltagelineinspectionrobotisrobotresearchinthefieldoffrontierissue,isonekindhasthebroadapplicationprospectofspecialrobot.Theinspectionrobotcanrealizereplacehumanforlinemaintenance,itcannotonlyreducepatrolworkintensity,reducethecost,alsocanimprovethequalityoftheinspectionworkandmanagementtechnologylevel,moretoensurethesafetyofstaff.Thisarticlemainlyresearchcontentsareasfollows:

Thispaperfirstlyprobesthehighvoltagelineinspectionrobotcreepingscheme.Putforwardtheoperationoftheinspectionrobotcanbedividedintolinearnoobstaclestage,linearhaveobstaclesstageandovertensiontowerstage,andthelinehaveobstaclesstageandovertensiontowerstageofactionhavebeendiscussedindetails.

Secondlyaccordingtothehightensionlineinspectionrobotworkingenvironmentandrequirements,designthehighpressurelineinspectionrobotframestructure,andtheroughinspectionrobotforhighvoltagelinethebasicstructureandworkingprinciplediagram.

Keywords:

highvoltageline,inspectionrobot

前言

高压输电线路分布地点多、面积广，所处地形复杂，自然环境恶劣。

电力线及杆塔附件长期受机械张力、电气闪络、材料老化等的影响，会产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复，将导致严重事故，给电力传输带来极大隐患。

因此，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，及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。

目前，对输电线路的巡检主要采用地面人工目测巡检和直升飞机航测。

前者巡检精度低，劳动强度大，存在巡检盲区，森林疾病及野生动物也给巡视人员带来安全隐患；后者存在飞行安全隐患且巡线费用昂贵，直接限制了直升机巡检的广泛推广。

巡线机器人可以减轻工人巡线的劳动强度，降低高压输电的运行维护成本，提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，对于增强电力生产自动化综合能力，创造高的经济效益和社会效益都具有重要意义。

因此，专用巡线机器人的研制及其技术研发已成为当前特种机器领域的一个研究热点。

日本、加拿大、美国等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作，但都不具备越障功能，不能实现超高压输电线路的连续巡检。

中科院沈阳自动化所、山东大学、武汉大学、北京航空航天大学等单位也针对超高压输电线路的连续巡检需求开展这方面技术和设备的研制，取得了一定的相应成果，但也都不具备越障功能。

1巡线机器人本体结构设计

1.1巡线机器人设计要求：

针对目前的高压输电线路容易出现的问题，所设计的巡线机器人要求能以一定的速度沿地线爬行，巡线机器人必须具备自主越障和爬坡能力，能够以一定的速度沿架空线路运动，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹等常规障碍物，还必须能翻越各种类型的杆塔，利用机器人携带的传感仪器对输电线路实施接近检测，具有自动刹车自保功能，以避免从高空摔落。

经过分析我们将整个巡检爬行的过程划分为三个阶段如下图所示，巡线机器人作为线路巡检的载体，其作业任务主要包括沿两塔间的导线巡捡和翻越耐张塔。

其中，沿两塔间巡检时，分为直线无障碍阶段和直线有障碍阶段，其中在直线有障碍阶段，机器人需要跨越或避让直线塔、酒杯塔、猫头塔以及地线金具的各种障碍物，如防振锤、悬垂线夹等。

1.2提出方案

经过综合分析以及查询网上资料，可以得出如下两种设计方案：

方案一：

双臂巡线机器人

巡线机器人的设计不仅需要考虑在3D环境中运动的灵活性，而且需要考虑在最大化机器人自主性能的情况下最小化能耗。

考虑到巡线机器人重量问题，方案一的巡线机器人采用双臂结构，约定双臂分别为正臂和负臂。

设想的一种方案如下图所示：

这种方案即翻转机构，翻转时前面的正臂固定，后面的负臂连同基臂一起绕静面的正臂旋转180度，如此循环，从而达到翻越障碍物的目的。

弊端：

由于在每次翻越障碍物过程中都需要双臂的旋转，这样会产生很大转矩，容易使机构产生很大的功耗，这对于直流电源供电的机器人来说是不允许的。

此外对于巡检效率来说这种方案无疑会增大翻越的时间。

因此还需要考虑其他的机构形式。

在此基础上我们提出了下面的方案：

四杆机构（图2．7）：

四连杆式机器人的结构是：

有正负臂和一条基臂，正负臂通过左右摆动来达到避开障碍物的目的，这种机构对于缩短爬行时间，提高巡检效率具有很大的优势。

弊端：

此种机构在短距离的障碍物的翻越中有其优势，但在过杆塔时，为了跨越大跨距的障碍物，就需要加长正负臂，而这样就增加了机器人的重量，此外在翻越猫头塔时，大的臂长会与杆塔相碰。

这样就不会达到自主运行的要求。

在对上述方案对比选择的基础上我们选择了以双臂结构为主体的机器人运动机构方案（下图所示），此运动机构由两个臂、两个回转台、两个滑台和一个基臂组成。

该机构采用对称结构，每一臂由摆动关节和旋转关节组成，两臂通过滑台与基臂相联实现两臂的相对移动，共有五个自由度。

正负臂的摆动关节可以实现机器人升降，旋转关节实现机器人单臂旋转可以防止与另一手臂发生碰撞，采用平行四边形的摆臂结构主要是为了保持机械手结构的姿态不变，手爪与臂之间有一个旋转副是为了在抓紧柔性导线过程中调整手爪的位置。

此外我们在两臂的末端各有一个滚轮和一副手爪，滚轮实现机器人在平直导线上的运行，夹爪用于机器人越障及爬行阶段。

如前所述，该巡线机器人的行走任务主要分为三个阶段：

直线无障碍物阶段、直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段，其中直线无障碍物阶段考虑的是通过对两滚轮的驱动使机器人沿高压线路前行；对于直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段将分别对其爬行动作加以详细讨论。

其跨越直线障碍物阶段的过程及工作原理：

直线有障碍物阶段主要是指在直线塔、酒杯塔、猫头塔以及直线塔地线金具特征的导线段跨越或避让直线段的各种障碍物，如防震锤、悬垂线夹等。

下面详细讨论在这个翻越阶段中巡线机器人的动作分解过程：

1初始位置（下图所示）：

机器入的一个臂靠近防振锤，正负臂都处于与基臂垂直的姿态，这样可以保证在一个臂摆动过程中，另一个臂可以达到最大的上下移动。

此时以正臂为固定点，首先移动负臂越过障碍物。

2正臂抬升（下图所示）：

在此过程中，靠近防振锤的正臂摆动一定的角度，由于手臂是平行四边形结构，因此负臂可以保持姿态的恒定。

正臂摆动的角度要保证使负臂的整个机械手抬升至高压线之上。

3负臂旋转180度（下图所示）：

在此过程中，负臂绕自身轴旋转180度，使手抓机构转出电线平面，从而避免负臂机械手在沿基臂向正臂滑动过程中与正臂手抓机构发生碰撞。

4双臂互相滑动（下图所示）：

在此过程中，负臂沿着基臂的导轨滑动到基臂的另一侧，同时基臂也相对正臂滑动到障碍物的另一侧，直到到达最大位置。

5负臂旋转180度（下图所示）：

在此过程中，负臂绕自身旋转轴旋转180度，保证滚轮和机械手手爪处于导线正上方，且与导线位于同一垂直平面内。

6正臂下降（下图所示）：

在此过程中，正臂返回到与基臂垂直的姿态，此时，负臂也正好下降到与正臂同一高度，驱动机械手的手爪抓紧高压线。

松开正臂的手爪，再以负臂为固定点，重复上述过程使正臂越过障碍物，即可实现机器人在直线有障碍物阶段的自主爬行。

方案二：

三臂巡线机器人

巡线机器人结构的设计

上图巡线机嚣人的工作原理和过程为：

1）机器人上线；

2）机器人本体计算机在接到地面收身运行命令后。

驱动机器人沿避雷线行走

3）巡线机器人通过渡轮完成沿避雷线无障碍的行进．行进过程中检测装置不断检

机器人越障的基本分解动作示意图

测前方障碍物的情况，同时摄像机对线路和机器人本省的的工作状态进行拍摄，拍到的图像通过无线实时传输到地面工作基站。

地面工作基站对线路的情况进行拍摄，决定是否对线路进行维护I同时对机器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动给予干预；

4）机器人检测到前方有防振锤时，由于手掌采用中空设计，因此机器人无需做任何调整。

即可直接爬越；

5）当安装在机械手曹一的接近觉传感器检测到悬垂线夹时，机器人控制肘关节电机旋转，使末端执行器上移，直至驱动轮离开避雷线．然后手掌电机驱动手掌张开；其开合度要大于障碍宽度；之后，后面两只手驱动电机继续行走，当中间手接近悬垂线夹时，前臂回落，同时手掌合拢，直至挂线；然后中间手电机驱动齿轮齿条机构使中问手上移，然后手掌张开，接通前后两手的驱动电机．继续行走。

当后手接近悬垂线夹时，控制中间收回落，手掌合拢．直至驱动轮挂线；之后，后肘关节电机驱动后小臂选转，手掌张开，前两驱动轮继续行走；当后手跨越线夹后，手掌闭合回落，机器人完成跨越悬垂线夹的任务，继续行进；

6）当机器人跨越跳线时，手的脱线和抱线方法与跨越悬垂线夹时相同；首先前手脱线，通过前段视觉传感器，可检测到避雷线与跳线角度，这时大臂电机按此角度旋转。

使末端执行器位于跳线下方，前手抓住跳线，然后中间手脱线，启动前后手的驱动电机使机器人行走中间手接近跳线时停止行走，整前后柔性臂，使中间手抓住跳线，启动行走，当后手接近跳线时，停止行走，后手脱线；用前手和中间手驱动机器人继续行走，越过跳线线夹后，停止行走，可调整柔性臂，使后手抓住跳线，完成从直线到跳线的跨越；机器人由跳线到直线的跨越方法与上述过程相同，由于是一个上坡过程，为了使机器人不至于滑下来，需使用刹车装置；

7）检测到转弯跳线时，运动过程与跨越直线跳线不同的地方是柔性臂的姿态除了上下调整外，还需要水平调整，其余完全相同；I

8）当线路坡度较大，驱动轮摩擦驱动无法实现机器人行进时，直接表现为驱动轮打滑，此时机器人三个制动器立即抓线，并与丝杆螺旋副组成蠕动爬行机构，进行蠕动行进。

1.3综合比较两种方案：

方案一的巡线机器人机构虽然在短距离的障碍物的翻越中有其优势，但机构相比较于方案二相对较为复杂，而这样就增加了机器人的重量，在爬坡方面相比较与方案二的机器人较弱。

所以综合一些因素采用方案二的巡线机器人的结构设计。

2.三臂巡线机器人

由图2可知：

三臂巡线机器人由驱动装置、刹车制动装置、手掌开合装置、柔性臂、电源箱和控制箱等五部分组成。

2.1驱动装置

机器人驱动装置是带动各个关节到达指定位置的动力源。

通常动力是直接或经电缆、齿轮箱或其他方法送至各个关节。

机械手采用直流伺服电机驱动。

根据作业环境要求，机器人行进机构采用轮式移动机构与步进式蠕动爬行机构两种方式。

当线路坡度较小、驱动轮摩擦驱动可实现机器人移动时，机器人采用轮式移动机构；当线路坡度较大、驱动轮摩擦驱动无法实现机器人行进时，直接表现为驱动轮打滑，此时机器人三个制动器立即抓线，并与丝杠螺旋副组成蠕动爬行机构，进行蠕动行进。

（1）轮式移动机构

轮式移动机构驱动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴和驱动轮组成。

驱动轮采用高强度轻型材料，以减轻驱动装置重量；驱动轮外表面采用高强度耐磨材料，驱动轮支撑架（手掌）采用中空设

计，使机器人遇到防振锤等障碍时，可直接越过，大大提高了机器人巡线速度。

（2）步进式蠕动爬行机构步进式蠕动爬行机构驱动装置由直流电机、伞齿轮减速器、传动轴、滚珠丝杠、螺母和直线导轨组成。

滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。

由于滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦，可极大

地减小摩擦力，因此传动效率高，可以达到90%，只需要使用极小的驱动力就能够传递运动。

2.2刹车制动装置

为了保证机器人在停止状态、有一只手打开或出现故障情况下不脱线和下滑，设计了刹车装置。

它由活动制动爪、固定制动爪、销轴、弹簧、弹簧上底座、弹簧下底座和弹簧导向轴组成。

2.3手掌开合装置

手掌开合装置由涡轮蜗杆机构和平行四杆机构组成。

在蜗杆驱动下带动支架开合。

其中：

驱动轮固定在右侧支架上，制动机构固定在左侧支架上，如下图所示：

2.4柔性臂

机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。

为使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。

巡线机器人手臂要求能达到工作空间的任意位置，结构要简单，容易控制。

机械手的运动轨迹要求机械手端面平行于避雷

线，这样用两个旋转关节就可以使机械手的姿态满足要求，且机械结构更加简单，减轻了重量。

综合考虑后确定该机械手具有四个自由度，其中手臂两个自由度确定机械手的位置，后两个自由度确定手的姿态，最后确定其结构形式下图所示：

柔性臂由机座1、肩关节2、大臂3、肘关节4、小臂5、关节6和末端执行器7组成。

共有四个自由度，依次为大臂回转、小臂俯仰、手腕俯仰、手腕回转。

肩关节和肘关节均由精密涡轮蜗杆减速器和转盘组成。

电机通过精密涡轮蜗杆减速器带动转盘转动，实现手臂水平方向和竖直方向的自如运动。

通过控制电机的制动装置，还能够实现手臂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。

3.机器人装配模型

参考文献

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附图：