關(guān)于高壓線路巡線機器人的研究設(shè)計

朱 巖，周柱昌，高 峰

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林537005）

0 前言

電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)是提供高質(zhì)量和高可靠性的電力。電力傳輸必須依靠高壓輸電線路，它的安全穩(wěn)定運行直接影響著電力系統(tǒng)的可靠性[1]。然而高壓輸電線路分布復(fù)雜，范圍廣闊，且暴露在野外，環(huán)境多變性大，日日夜夜的都要遭受風(fēng)吹日曬，高壓線路表面的材料容易氧化、老化以及磨損，而且無論南北方都會出現(xiàn)雨雪天氣，特別是南方的凍雨，在落下的時候是雨滴，落到高壓線上的時候就變成了冰塊掛在高壓線上，這更是大大增加了高壓線路的負擔(dān)。因此，必須定期檢查傳輸線，而高壓線巡線機器人也就成為了一種保障高壓線路安全的重要手段。

1 高壓線路巡線機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

巡線機器人研究始于80年代末，1988年到1990年屬于萌芽期，1990年到1995年為起步期，1996年到2010年為發(fā)展期，2011年至今已發(fā)展成熟，成為特種機器人的研究熱點。

對于高壓線路巡線機器人的研究，國外已經(jīng)開始進入實用階段，而且已經(jīng)可以實現(xiàn)很大程度的人工智能，所需花費的人力資源已經(jīng)大大減少，國內(nèi)雖然還不能正式投入實用，但是也都在很多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，并且國內(nèi)也對能夠?qū)崿F(xiàn)自助越障功能的機器人的研究進行了大量的投入，取得了多項顯著的研究成果。

2 主要研究內(nèi)容

目前在國內(nèi)高壓輸電線路的巡檢、維護主要有兩種方法：一種是人工檢查，其缺陷有人工勞動強度大、工作效率低、可靠性差、存在檢查的盲區(qū)；另一種是用直升機巡檢，具有檢測效率高和精度好特點，但也受一些環(huán)境因素的制約，同時不僅增加了巡檢的技術(shù)難度，還將大大增加巡檢的費用。所以急需一種可以替代之的工作方式。移動機器人技術(shù)的發(fā)展為高壓輸電線的檢查工作提供了新的手段。

3 高壓線路巡線機器人工作環(huán)境分析

由于巡線機器人工作的環(huán)境為室外高空曠野，自然環(huán)境例如烈日、大雨、狂風(fēng)、暴雪等自然惡劣環(huán)境也有可能成為其工作環(huán)境，所以巡線機器人必須要能夠克服這些環(huán)境才能進一步的進行其他的工作，因此要求巡線機器人必須要防水且不怕暴曬，且能保證高空中的穩(wěn)定性，隨時根據(jù)外界環(huán)境調(diào)整不同的狀態(tài)加以應(yīng)付。

其次，巡線機器人工作過程中需要經(jīng)過導(dǎo)線、絕緣子以及懸掛線夾等不同的障礙物，這就要求其能根據(jù)障礙物的不同，做出不同的越障動作功能，而這僅是在高壓線路上的時候的動作，在每兩條高壓線路之間還有一座鐵塔連接著這兩條高壓線路。

4 巡線機器人總體設(shè)計

因為巡線機器人屬于高空作業(yè)，考慮到機構(gòu)穩(wěn)定性，采取了雙線并聯(lián)四輪四臂行進式機器人。機器人關(guān)于中間絲杠相對稱，并且相隔的兩個滾輪位于同一條線上。其中兩個電機分別與一號和三號滾輪相連，負責(zé)帶動巡線機器人在高壓線路上平緩前進；剩下的一個電機則與絲杠通過聯(lián)軸器連接在一起，帶動絲杠轉(zhuǎn)動以改變絲杠上絲母的上下位置，進而決定滾輪是離開高壓線路還是壓緊高壓線路，從而實現(xiàn)不同的越障階段。為了增加機器人的穩(wěn)定性，在絲杠四周增加了一個不影響機械臂轉(zhuǎn)動的框。為了減少機構(gòu)的運動副，設(shè)計的兩邊的機械臂采用了加長臂的方法。四個滾輪則統(tǒng)一加上了輪子蓋以便與機械臂連在一起，中間的兩個機械臂直接焊接在中間連接板上的方法，以使巡線機器人的整體受力能更趨于均勻。

其總裝配圖如圖1所示。

圖1 巡線機器人總裝配圖

5 巡線機器人運動可行性分析

機器人的運動范圍為機械臂在空間或平面內(nèi)可到達的區(qū)域范圍，由于跨越某些障礙時對運動范圍有所限制，所以機械臂的上下運動幅度為300 mm，且只有與Z軸平行的一個自由度，在達到運動極點的時候，電機將進行空轉(zhuǎn)，即機械臂與絲杠將會實現(xiàn)同步移動，從而不會發(fā)生位置的偏置，這樣也從側(cè)面實現(xiàn)了對巡線機器人的過運行的線路保護。根據(jù)實體與模型1∶5的比例，鐵塔最小的三角結(jié)構(gòu)最小容納直徑為3 m的運動范圍，巡線機器人完全可以從容的越過障礙，所以，設(shè)計的機器人大小是合理的。

6 巡線機器人越障過程

在翻越懸垂線夾一類需要用到舵機的障礙物時，要做到機械臂的位置改變。詳細越障過程如下所述：

首先，絲杠電機正轉(zhuǎn)，一號、四號機械臂上升一定高度，舵機正向轉(zhuǎn)動90°，如圖2所示。

然后，滾輪電機正轉(zhuǎn)，帶動巡線機器人向前移動，一號機械臂越過懸垂線夾后滾輪電機停止，舵機反向轉(zhuǎn)動90°，絲杠電機反轉(zhuǎn)，一號和四號機械臂回到高壓線上，如圖3所示。

圖3 一號滾輪越過障礙物

緊接著，絲杠電機反轉(zhuǎn)，二號和三號機械臂離開高壓線上升到一定高度，舵機正轉(zhuǎn)90°，機械臂偏移，滾輪電機開始正轉(zhuǎn)，帶動機器人繼續(xù)向前運動，如圖4所示。

圖4 二號、三號滾輪開始越障

二號和三號機械臂越過障礙物后舵機反向轉(zhuǎn)動90°，使二號、三號機械臂回到原來位置，然后絲杠電機正轉(zhuǎn)，二號、三號滾輪回到高壓線上，如圖5所示。

圖5 二號三號滾輪越過障礙物

最后，絲杠電機持續(xù)正轉(zhuǎn)，一號和四號滾輪再次離開高壓線，上升到一定高度，舵機轉(zhuǎn)動90°，機械臂再次偏移，然后滾輪電機轉(zhuǎn)動，在四號滾輪越過障礙物后停止，如圖6所示。

圖6 四號滾輪開始越障

舵機反向轉(zhuǎn)動90°，絲杠電機反轉(zhuǎn)，一號和四號機械臂回到高壓線上，如圖7所示，越障動作完成。

圖7 四號滾輪越障結(jié)束

7 巡線機器人程序仿真

因為裝配的時候必然存在誤差，所以，為了最真實的還原零誤差時機器人的運行狀態(tài)，通過protues仿真軟件進行了巡線機器人的運動仿真（見圖8）。仿真圖中，共使用了四個arduino模塊以及三個放大器模塊，其中一個arduino模塊控制另外三個arduino模塊，這三個模塊連接三個放大器輸出放大的功率給直流電機，直流電機的運行情況通過連接在電機兩側(cè)的電壓表顯示。

圖8 巡線機器人protues仿真

8 結(jié)論

本次研究設(shè)計中，由于一切都只是理論基礎(chǔ)，所以我們設(shè)計了一個實驗?zāi)Ｐ鸵则炞C結(jié)論，但是在實驗時發(fā)現(xiàn)，實驗巡線機器人的絲杠由于滑塊需要上下滑動，所以需要裸露在空氣中，一段時間之后會與空氣發(fā)生氧化，從而影響巡線機器人的使用壽命，目前還沒有比較好的解決方法，歡迎廣大研究學(xué)者在此基礎(chǔ)上繼續(xù)改進、深入研究。