高壓輸電線路救援機器人結構設計與分析

顧曉陽

摘要：本文針對現有高壓輸電線路巡檢機器人技術尚不成熟，及當巡檢機器人在地線上出現故障時需人工上線拖回所存在的弊端，提出一種單檔段救援作業機器人。設計了救援機器人的總體結構形式和各總成的具體結構，并對所設計的結構進行了三維建模仿真。

關鍵詞：高壓輸電線;救援機器人;結構設計;分析

引言

隨著高壓輸電線路巡檢機器人技術的發展與應用，國內外電力系統越來越多的使用巡線機器人完成巡檢任務。近年來，國內外的巡線機器人功能逐漸多樣化，巡檢設備逐步完善，機器人結構及控制方法日趨復雜。在機器人結構和控制方法復雜化的同時，伴隨出現的一些故障也隨之增加，如在巡檢過程中可能出現的電池電量不足、溫度過高導致工控機死機等，這些故障都可能引起巡檢機器人滯停在巡檢線路上。當機器人滯停在兩塔之間的檔段地線上時，目前國內外都是采用人工上線拖回機器人的方式處理這類問題的。但是人工上線操作危險性高，效率低下，勞動強度大，同時受到地理條件的限制，且多數情況需要停電操作，而高壓輸電線路停電不僅流程繁瑣且會造成較大的電能損失。

1 救援機器人設計原理及作業規劃

根據線路的結構，以及對作業任務的分解，救援機器人設計成單機械臂懸掛雙滾輪式結構，且在兩行走輪中間配一對壓緊輪，以此達到護線和增加摩擦力的作用。由于穿/跨越機器人機械臂較長，且機械臂處空間較大，易于夾持，故選擇救援機器人夾持穿/跨越機器人機械臂的救援形式。救援機器人整體設計機構簡圖，如圖1 所示。行走機構提供機器人沿地線的移動（滾動），壓緊機構提供護線所需的壓緊運動，救援夾爪末端提供夾持被救援機器人所需的運動。

2 救援機器人機械結構

由圖1知，救援機器人由行走機構、壓緊機構、機械臂、救援夾爪及控制箱組成。其中控制箱由各種控制元器件和電池組成，安裝在機械臂的下端。

（1）行走機構的結構設計，如圖2（a）所示。行走機構由行走輪、行走輪軸、行走電機及減速器、編碼器、行走電機罩、驅動盤、軸承等組成。行走電機與驅動盤相連，驅動盤帶動行走輪轉動，行走輪與行走輪軸之間裝有軸承，實現機器人沿地線的滾動運動，其中編碼器接在電機的后端，實現對機器人行駛路程的記錄與反饋。其中，行走輪采用“V”型槽回轉結構適應地線形狀，當巡檢機器人在地線上行駛時，行走輪將地線包覆。“V”型槽結構能使行走輪與地線接觸面積增加，與壓緊輪一起，將地線約束在結構中，使得機器人在行駛中過程具有高安全性。

（2）壓緊機構的結構設計，如圖2（b）所示。壓緊機構由壓緊輪、壓緊輪支架、壓緊輪輪座、壓緊彈簧、壓緊螺母、碰檢擋板、磁鋼、霍爾傳感器等組成。壓緊機構通過絲桿螺母與機械臂連接，壓緊輪支架一端與壓緊螺母相連，一端套入壓緊輪輪座孔內，并可使壓緊輪輪座繞壓緊輪支架軸線左右擺動，以適應不同傾斜角的導線。壓緊輪采用尼龍66 材料制作，使壓緊輪耐磨、耐熱，且電絕緣性好。在壓緊輪的斷面均布四個磁鋼，壓緊輪每旋轉一周，安裝在壓緊輪輪座上的傳感器就會檢測到四個信號，由此可以計算壓緊輪轉速和行走距離。碰檢擋板通過兩彈簧與壓緊輪輪座側面柔性連接，并且擋板上裝有磁鋼，對應壓緊輪輪座上固定有霍爾傳感器。當機器人行走遇到防振錘等障礙物碰到碰檢擋板時，碰檢擋板受壓力與壓緊輪輪座貼緊時，傳感器傳出信號，從而告知前方有障礙物，此時電機驅動壓緊絲桿轉動從而帶動壓緊螺母及壓緊機構向下移動，以避開障礙物前行。

（3）機械臂的結構設計，如圖2（c）所示。機械臂總成由行走輪架、上下軸承座、壓緊絲桿、機臂、壓緊電機、軸承等組成。壓緊絲桿通過軸承和上下軸承座與機臂相連，壓緊機構的壓緊螺母與壓緊絲桿螺紋連接，兩行走機構通過行走輪軸與行走輪架相連，機械臂總成連接了行走機構、壓緊機構、救援夾爪機構和控制箱，并使它們相互配合與協調。根據地線上的路況，壓緊電機帶動壓緊絲桿轉動，從而通過壓緊螺母帶動壓緊機構上下移動，以調整姿態適應不同的路況。

（4）救援夾爪機構的結構設計，如圖2（d）所示。救援夾爪機構由電機、電機罩夾持座、移動螺母、連桿、絲桿、絲桿保護套、夾爪和橡膠等組成。電機罩與夾持座固定在救援機器人機械臂上，電機罩內的電機轉動帶動絲桿轉動，從而帶動移動螺母沿絲桿軸向方向的移動，通過連桿實現夾爪的開合。夾爪終端裝有橡膠材料，防止夾爪磨損被救援機器人的機械臂。絲桿末端裝有塑料材料的絲桿保護套，防止絲桿直接與被救援機器人的機械臂接觸，保護了絲桿與穿越機器人的機械臂。

采用Solidworks 三維建模軟件對救援機器人各總成進行實體建模并完成裝配，其虛擬樣機，如圖3 所示。

3 試驗運行

根據以上設計開發出樣機。穿越機器人在對杭州市某松長甲線上巡檢時，出現了一次故障，停滯在一檔段內，使用救援機器人將其拖回。由于救援機器人的結構設計緊湊，故其重量也較輕，只需一個工人背動其攀爬至桿塔上，并將其掛在底線上即可，操作簡單方便且需作業的人數很少。

救援機器人在救援過程中，機器視覺效果良好，碰檢系統判斷準確，控制系統控制機器人各運動流暢且高效。機器視覺、碰檢系統及控制系統的良好配合使救援夾爪與穿越機器人對接精準，拖動穿越機器人行駛平穩，并成功將其安全拖回至桿塔處。避免了高壓輸電線路停電及人工上線操作，既節約了電能也保障了工人的人身安全。

參考文獻：

[1]無配重欠驅動輸電線路巡檢機器人研究與試驗[J]. 張利霞，楊志成，張景勝.機械設計與研究.2017（03）.

[2]輸電線路檢修作業風險及安全監督管理分析[J]. 周耀湘.中國高新技術企業.2016（33）.

[3]可全程越障架空輸電線巡線機器人設計[J]. 劉國平，孫茂文，繆航，秦科技，俞振東.工程設計學報.2016（05）.

（作者單位：杭州市電力設計院有限公司）