一種新型輸電線路除冰機器人設計

許良　甘子東

摘要：輸電線上的覆冰和積雪會破壞輸電線路，危害電網運行安全，由于傳統的除冰方法效率低、成本高，受限制條件較多，所以采用機器人除冰在效率、成本和安全性方面具有很大的優勢。文章基于國內外輸電線路除冰機器人研究現狀，提出了一種能夠在線上越障的線上行走的新型機構，并介紹了自主研發的除冰機器人。

關鍵詞：除冰機器人；輸電線路；行走機構；控制系統；線上越障 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP24 文章編號：1009-2374（2016）25-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.004

1 概述

由于輸電線上的覆冰和積雪，常引起線路舞動、燒傷、跳閘、斷線、倒桿、絕緣子閃絡和通信中斷等事故，帶來了巨大的經濟損失，同時影響了電網的安全運行以及對電力工人的生命安全造成了威脅。而我國是輸電線路覆冰最為嚴重的國家之一，線路冰害事故發生的概率也居世界前列，同時我國傳統的除冰方式效率低、成本高，受限制條件較多，因此設計新的輸電除冰機器人，提高高壓輸電線的除冰效率，減少損失，保護工人安全，解決高壓輸電線上除冰難的問題。

目前，國內外現有的輸電線除冰機器人大多數不能跨越線上障礙。由于高壓輸電線上的障礙種類繁多、情況復雜，輸電線上的環境也較為苛刻，因此現如今已知的能夠跨越障礙的除冰機器人都沒有投入到實際生產中。目前，國內外采用的線上行走機構主要有懸臂式、仿生手臂式、蛇形行走機構。

本文根據以往的機構的特點提出一種新的能夠越障的輸電線上除冰機器人，能夠實現在輸電線上除冰越障以及巡檢功能。該機器人是一種典型的機電一體化設計，結合機械、電子、控制于一體的設計，具有結構簡單、操作靈活等特點，能夠良好地適應復雜的輸電線線上的障礙與環境。

2 總體設計

除冰機器人是一個機電一體化的系統，運用不同領域的技術，使各個部分能夠協調工作。機器人主要由控制裝置、機械本體、檢測與測量模塊以及地面監測四個部分組成，整體如圖1所示。

控制部分主要由主控芯片、電機驅動器和機載無線數傳三部分組成。主控芯片通過采集攝像機及傳感器數據進行處理和判斷，并且將實時測量數據回傳給地面站，主控綜合采集的數據和地面指令對電機驅動器發出控制信號來控制機器人的機械本體；機械部分主要由行走機構和除冰機構組成，是機器人工作時的執行部件，用來完成行走和除冰任務；檢測與測量部分通過攝像機和超聲測距模塊將實時的圖像和距離信息反饋給主控，以提供給主控下一步執行的依據；地面部分主要是地面站組成，地面的人員通過傳回的圖像信息做出判斷和決策以供機器人動作。

下文將簡單介紹各模塊組成和功能，本文重點介紹越障機構和越障原理。

3 機械結構設計

通過對工作的環境分析，機器人在線上行走的過程中會遇到以下問題和要求：（1）機器人在靠近電線桿塔的部分需要爬坡和下坡，因此機器人要具有由爬坡和制動能力；（2）在面對輸電線上的各種障礙，機器人要具有能夠跨越障礙的能力；（3）機器人在越障的過程中，由于電線在與桿塔絕緣子相連的部分是一個曲線，因此要求機器人要具有較好的靈活性和柔韌性；（4）機器人在面對復雜的障礙時應該具有良好的可操縱性，以使地面操作者能夠手動操作機器人跨越障礙。

3.1 整體機械結構介紹

除冰機器人整體利用仿生學，根據蛇爬行的原理設計，機械結構整體示意圖如圖2所示，除冰機器人采用四臂機構，每個臂上都有一個橡膠材質的行走輪，行走輪靠步進電機驅動，利用步進電機具有大的靜力矩和扭矩以及高的控制精度等特點，能夠解決行走和制動問題，同時四個行走輪可以單獨控制，因此增加了機器人控制的靈活性。每個臂都能夠在一定范圍內和前后擺動，在遇到爬坡的時候下部的機體能夠自適應行走路線的坡度，限制臂前后擺動范圍是為了防止臂的倒伏。每個臂都能夠左右移動，在遇到桿塔障礙時能夠通過四個手臂的依次左右移動使機器人手臂依次繞過障礙物。同時每個臂都具有升降功能，以便與行走輪越障時能夠脫離輸電線。四個臂的底座通過鉸鏈連接，可以使機器人具有一定的柔性，能夠適應線上的任意曲線路徑。

1.控制箱；2.行走輪；3.后手臂；4.左右移動滑臺；5.后輔助手臂；6.前輔助手臂；7.前手臂；8.除冰電機；9.拍打除冰機構；10.除冰機構升降臂；11.高壓線；12.底座

圖2 除冰機器人機械本體示意圖

3.2 行走機構設計

除冰機器人的行走和越障是靠四個手臂協調動作來完成的，手臂結構示意圖如圖3所示：

A1是橡膠加工成的行走輪；A2是帶有同軸減速器的步進電機，行走輪由步進電機直接驅動，因為驅動裝置是帶減速器的步進電機，所以能夠精確控制行走輪旋轉角度并且能夠輸出足夠大的扭矩，同時使用步進電機可以實現精確的開環控制，可以省去各種檢測輪子位置的傳感器；A3是一個升降機構，內部是由電機和絲杠組成，在需要越障的時候A3升起使行走輪脫離輸電線A9；A7是個滑臺通過鉸鏈A4與A3連接一起，鉸鏈A4作用是使手臂能夠自適應線上不同的曲線路徑，同時A4只能在很小的范圍內轉動，防止手臂前后擺動幅度過大；絲杠A5與步進電機A8通過聯軸器連接，步進電機通過驅動絲杠來帶動滑臺A7，能夠精確控制滑臺A7左右移動距離。

通過操作四個臂行走輪正轉、反轉及停轉，能夠實現機器人的前進、后退和剎車。行走過程中每個手臂的前后擺動和底座鉸鏈連接可以使機器人自適應不同的路況。行駛示意圖如圖4所示。在線上行走時尤其是在越障的時候輸電線不是直的，如果沒有可擺動的手臂和底座，四個手臂就會相互干涉，并且在控制底座平衡的過程中需要精確控制不同手臂的臂長來使機器人適應環境，使控制系統變得更加復雜。

3.3 越障原理

除冰機器人在線上行駛時會遇到不同障礙，如防震錘、塔桿絕緣子等，其中塔桿部分最為復雜。輸電線塔桿類型主要有直線塔和耐拉塔兩種，本文簡單介紹一下機器人跨越直線塔障礙的過程。當機器人遇到塔桿時，機器人上攜帶的相機實時將圖像傳送給地面站，同時機器人攜帶的測距傳感器將機器人與塔桿絕緣子距離數據也傳給地面，地面上的操作人員根據傳下的信息對機器人發出正確的指令。機器人將根據指令執行越障動作，越障過程如圖5所示，當機器人走到障礙前時前手臂升降機構升起將行走輪升起使其脫離輸電線，如圖5（a）所示；當前手臂完全脫離輸電線后，手臂與底座相連的移動滑臺向前進方向左側滑動，使前手臂避開絕緣子障礙，如圖5（b）所示；當前手臂避開障礙后，控制后面三個行走輪向前運動使前手臂越過障礙，如圖5（c）所示；前手臂越過障礙后，移動滑臺將手臂移動到原來的位置，升降機構收起使前手臂行走輪落回輸電線上，如圖5（d）所示，前手臂越過障礙后準備下一個手臂

越障。

3.4 除冰機構設計

工程上有很多方法進行除冰，除冰機構也很多，其中機械式除冰方式有沖擊式除冰，刨銑削式除冰、碾切式除冰、擠壓式、拍打式等。考慮到越障時除冰機構要能夠方便的脫離輸電線，因此這里選用拍打式除冰方式，拍打式除冰方式設計比較簡單、體積小并且易于控制，除冰機構主要由直流電機、凸輪、拍打桿和升降機構組成，升降機構主要能在遇到障礙時或者在不需要除冰時將除冰機構收起，以方便行走機構跨越障礙。

4 控制系統硬件組成及其功能

除冰機器人是一種行駛在高壓輸電線上的機器，對其要實現自動控制和遙控操縱兩種方式，使機器人能夠適應各種復雜的環境，同時在地面上能夠實時圖像監測機器人狀態。對于這種在特殊環境下工作的機器，要具備能夠在惡劣的環境中可靠工作的能力。在設計控制系統時可采用如圖6所示的分層式控制系統結構，即將系統分為管理層、規劃層和執行層，其中管理層是地面監控層，規劃層和執行層是機械本體控制層，通過分層式設計控制系統，分別實現對除冰機器人運動機構和除冰執行機構的伺服控制。

管理層可以實時監測機器人運行狀態和線上工作環境，地面人員可通過監測到的信息對機器人實施遙控操作，在復雜環境下可以輔助機器人越障，保證越障除冰工作順利進行。規劃層采用STM公司的32位單片機STM32F4系列芯片作為主控芯片，上面運行實時處理系統，主要負責對相機信號采集，接收地面站傳來的遙控指令，進行動作規劃和避障，對圖像信號進行傳輸控制，地面信號處理，對電源系統進行管理并對電機驅動器發出信號控制機械本體運作。執行層主要負責對步進電機、除冰電機和升降電機的方向、位置和轉速等控制。可采用STM32系列電機專控芯片，驅動芯片選用步進電機專用驅動芯片。通過各個模塊間配合工作，可使機器人在復雜的環境下運行。

5 結語

除冰機器人是結合許多學科領域的機電一體化產品，各領域的特點都能在除冰機器人身上體現出來。隨著除冰機器人研究工作的逐步深入，許多技術都已取得較大的進展，然而仍然有許多關鍵問題都有待解決，這些問題限制除冰機器人應用的范圍和環境，使除冰機器人不能夠大規模地使用。就除冰機器人來說，未來可以向以下三個方面進行研究：（1）多功能使用。除冰機器人的行走機構是一個搭載平臺，可以在平臺上搭載其他設備，如搭載紅外相機、維修裝置等，就可以在除冰的同時完成對輸電線路的巡檢，這樣就可以提高工作效率，完成多個工作同時進行；（2）機構優化。改進現有機構，尋找新的材料，減少本身質量，提高電池的能量密度來實現更高的效率以及更長時間的工作；（3）多傳感器數據融合。除冰機器人上根據不同的工作環境可搭載多種傳感器，根據多個傳感器的數據融合，更好地判斷障礙類型識別、覆冰厚度檢測以及進一步提高定位精度，使機器人向著更智能化的方向發展。

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作者簡介：許良（1965-），男，遼寧鞍山人，沈陽航空航天大學副教授，碩士，研究方向：航空材料疲勞壽命預測技術；甘子東（1995-），男，安徽阜陽人，沈陽航空航天大學學生，研究方向：機械電子。

（責任編輯：黃銀芳）