架空电缆除冰机器人除冰锤转速质量关系的研究

【摘要】通过对架空电缆除冰机器人的分析，给出了该机器人的具体功能与结构的设计方法。最后对设计的合理性进行了相关分析，并在质量锤的质量、半径、电机转速、电流等方面进行了对比实验，得出除冰锤质量与除冰速度之间的关系。

【关键词】除冰机器人；除冰锤质量；电机转速；除冰速度

1.引言

我国南方湿度大且气候多变，2008年初南方冻雨给工农业生产造成了极大的破坏，特别是对电网的破坏直接影响到当地居民的正常生活，我们设计了一种新型架空电缆除冰机器人，队发展机器人除冰事业有着重大的意义。除冰锤是除冰的直接工件，因此，除冰锤的转速与其质量在除冰速度、除冰效果方面起到重要作用。

2.架空电缆除冰机器人设计

2.1 架空电缆除冰机器人组成

架空电缆除冰机器人由机器人本体、除冰机构和控制系统组成。机器人本体是机器人的载体部分，它有行走和承载两个功能。除冰机构安装在机器人本体的前端，它是机器人的执行机构。控制系统包括控制器、传感器和驱动电路等。

2.2 除冰机构的设计

除冰机构是除冰机器人的执行机构，也是核心部件，关系到除冰速度和除冰效果。执行机构如图1所示。

图中：1-机构本体、2-导冰槽、3-带齿的支架、4-电机、5-钢丝绳、6-、7-输出轴、8-螺纹轴、9-冻冰及障碍物、10-电缆、10-摄像头、11-下部基体驱动电机、12-电磁固定装置、13-连接缝隙、14-连轴器、16-竖直双向丝杠、17-摇摆电机、18-支点、19-月型双面齿轮、20击打锤。

当装在本体机构前方的摄像头、传感器发现障碍物时由控制器甄别，如果该障碍物是冻冰或冻雪时，控制器启动摇摆电机带动丝杠转动，丝杠螺纹带动月型双面齿轮转动，其内圆齿轮带动齿轮的支架摆动，同时钢丝绳可以根据摇摆电机的转动，带动竖直双向丝杠转动，双向丝杠带动月型双面齿轮上下运动，使得机器人除冰机构的高度，适应前面的冻冰、冻雪的高度。又因为在钢丝绳的顶端装有小的击打锤，它在高速旋转的同时又能提高该装置的动能，使得除冰机构遇到冻冰、冻雪后可以迅速将其击碎、打落。不同的组合可以达到不同的效果。这样分布在电缆上方和下方的冰雪就解决了。组合方式如图2所示。

2.3 机器人控制器系统设计

机器人在架空电缆工作时，需要接受地面控制中心的指挥，机器人控制器核心部件采用C8051F120单片机（MCU），它可以扩展数字和模拟两种电路，且具有8K字节的RAM以及128K字节的FLASH，可以满足存储程序和处理数据存储空间的需求。机器人与地面控制中心采用无线异步方式通讯，通过UART口连接无线通讯模块。数据收发可通过中断标志位的方式通知微控制器进行处理，大大提高了微控制器的工作效率。

在机器人除冰控制过程中，单片机首先对A/D接口、UART口进行初始化设置，单片机通过运算发出指令，控制驱动电路L298N，L298N根据MCU发出的指令做出相应的输出，L298N的输出端与摇摆电机、除冰电机相连，使得各执行机构进行前进、倒退、除冰、过障等操作。电路连接如图3所示。

3.架空电缆除冰机器人除冰效果研究

除冰装置要依据除冰过程严格设计，电机的输出转速要达到合适的转速，转速以对前面触及的冰连续敲击3-10次为宜，次数少说明电机输出过大使得旋转速度过快，不经济；次数多将影响前进速度。因此正确控制电压和转速才能实现高效除冰。

除冰机器人钢丝绳和丝杠的尺寸设计以除冰效果为依据，满足机器人除冰效果和速度的要求。首先根据机器人的各部分尺寸之间的比例关系，再通过试验数据分析，得到与机器人设计相关的尺寸，经试验和修正，电机及钢丝绳半径范围在18.5～35.5cm之间调节为宜，丝杠的长度与电缆的直径比为2：1，夹角为45度为最佳。实验具体数据如表1所示。

通过对上表中的数据计算和比较分析，得出，除冰锤半径为30cm、转速为500r/min时离心力最大。离心力和离心转速的换算公式如下（RCF为离心力，N为转速，R位半径）：

RCF=1.118×10-5×N2×R=0.8385g。

通过对上表中的数据的动能计算和比较分析，得出除冰锤的直径为30cm、转速为500r/min时，耗损电流较小（110mA），而此时的除冰速度最快（15.2cm/min）。

动能公式：

Ek=1/2mV2=1/2m×2πR/T=mπRf

当转速：

f=500，R=30时

Ek=5?3.14?0.3?500÷60=39.25焦耳，此时的动能最大。

因此，选择质量锤质量5g，半径30cm时除冰效果较为理想。

4.结语

首先对架空电缆除冰机器人的结构和组成进行了详细的分析，然后通过实验，计算出离心力和动能，筛选出最佳的实验数据，并从离心力、动能和能源消耗等多个方面进行综合评价，得到除冰锤的质量和半径设计的最佳数据。

参考文献

[1]汤靖邦.输变电线路除冰机器人[P].中国2008100 19735.3，2008-11-05.

[2]王耀南，刘睿，蒋文辉，等.架空线除冰机器人的除冰机构[P].中国200910043583.5，2009-11-04.

[3]王耀南，周原力，谭磊，等.架空线除冰机器人的冲击除冰机构[P].中国200910043582.0，2009-11-04.

作者简介：

邬涛，大学本科，研究方向，机器人控制。

曹梦露，大学本科，研究方向，机器人控制。