一种新型输电线路除冰机器人设计

摘要：输电线上的覆冰和积雪会破坏输电线路，危害电网运行安全，由于传统的除冰方法效率低、成本高，受限制条件较多，所以采用机器人除冰在效率、成本和安全性方面具有很大的优势。文章基于国内外输电线路除冰机器人研究现状，提出了一种能够在线上越障的线上行走的新型机构，并介绍了自主研发的除冰机器人。

关键词：除冰机器人；输电线路；行走机构；控制系统；线上越障 文献标识码：A

中图分类号：TP24 文章编号：1009-2374（2016）25-0009-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.25.004

1 概述

由于输电线上的覆冰和积雪，常引起线路舞动、烧伤、跳闸、断线、倒杆、绝缘子闪络和通信中断等事故，带来了巨大的经济损失，同时影响了电网的安全运行以及对电力工人的生命安全造成了威胁。而我国是输电线路覆冰最为严重的国家之一，线路冰害事故发生的概率也居世界前列，同时我国传统的除冰方式效率低、成本高，受限制条件较多，因此设计新的输电除冰机器人，提高高压输电线的除冰效率，减少损失，保护工人安全，解决高压输电线上除冰难的问题。

目前，国内外现有的输电线除冰机器人大多数不能跨越线上障碍。由于高压输电线上的障碍种类繁多、情况复杂，输电线上的环境也较为苛刻，因此现如今已知的能够跨越障碍的除冰机器人都没有投入到实际生产中。目前，国内外采用的线上行走机构主要有悬臂式、仿生手臂式、蛇形行走机构。

本文根据以往的机构的特点提出一种新的能够越障的输电线上除冰机器人，能够实现在输电线上除冰越障以及巡检功能。该机器人是一种典型的机电一体化设计，结合机械、电子、控制于一体的设计，具有结构简单、操作灵活等特点，能够良好地适应复杂的输电线线上的障碍与环境。

2 总体设计

除冰机器人是一个机电一体化的系统，运用不同领域的技术，使各个部分能够协调工作。机器人主要由控制装置、机械本体、检测与测量模块以及地面监测四个部分组成，整体如图1所示。

控制部分主要由主控芯片、电机驱动器和机载无线数传三部分组成。主控芯片通过采集摄像机及传感器数据进行处理和判断，并且将实时测量数据回传给地面站，主控综合采集的数据和地面指令对电机驱动器发出控制信号来控制机器人的机械本体；机械部分主要由行走机构和除冰机构组成，是机器人工作时的执行部件，用来完成行走和除冰任务；检测与测量部分通过摄像机和超声测距模块将实时的图像和距离信息反馈给主控，以提供给主控下一步执行的依据；地面部分主要是地面站组成，地面的人员通过传回的图像信息做出判断和决策以供机器人动作。

下文将简单介绍各模块组成和功能，本文重点介绍越障机构和越障原理。

3 机械结构设计

通过对工作的环境分析，机器人在线上行走的过程中会遇到以下问题和要求：（1）机器人在靠近电线杆塔的部分需要爬坡和下坡，因此机器人要具有由爬坡和制动能力；（2）在面对输电线上的各种障碍，机器人要具有能够跨越障碍的能力；（3）机器人在越障的过程中，由于电线在与杆塔绝缘子相连的部分是一个曲线，因此要求机器人要具有较好的灵活性和柔韧性；（4）机器人在面对复杂的障碍时应该具有良好的可操纵性，以使地面操作者能够手动操作机器人跨越障碍。

3.1 整体机械结构介绍

除冰机器人整体利用仿生学，根据蛇爬行的原理设计，机械结构整体示意图如图2所示，除冰机器人采用四臂机构，每个臂上都有一个橡胶材质的行走轮，行走轮靠步进电机驱动，利用步进电机具有大的静力矩和扭矩以及高的控制精度等特点，能够解决行走和制动问题，同时四个行走轮可以单独控制，因此增加了机器人控制的灵活性。每个臂都能够在一定范围内和前后摆动，在遇到爬坡的时候下部的机体能够自适应行走路线的坡度，限制臂前后摆动范围是为了防止臂的倒伏。每个臂都能够左右移动，在遇到杆塔障碍时能够通过四个手臂的依次左右移动使机器人手臂依次绕过障碍物。同时每个臂都具有升降功能，以便与行走轮越障时能够脱离输电线。四个臂的底座通过铰链连接，可以使机器人具有一定的柔性，能够适应线上的任意曲线路径。

1.控制箱；2.行走轮；3.后手臂；4.左右移动滑台；5.后辅助手臂；6.前辅助手臂；7.前手臂；8.除冰电机；9.拍打除冰机构；10.除冰机构升降臂；11.高压线；12.底座

图2 除冰机器人机械本体示意图

3.2 行走机构设计

除冰机器人的行走和越障是靠四个手臂协调动作来完成的，手臂结构示意图如图3所示：

A1是橡胶加工成的行走轮；A2是带有同轴减速器的步进电机，行走轮由步进电机直接驱动，因为驱动装置是带减速器的步进电机，所以能够精确控制行走轮旋转角度并且能够输出足够大的扭矩，同时使用步进电机可以实现精确的开环控制，可以省去各种检测轮子位置的传感器；A3是一个升降机构，内部是由电机和丝杠组成，在需要越障的时候A3升起使行走轮脱离输电线A9；A7是个滑台通过铰链A4与A3连接一起，铰链A4作用是使手臂能够自适应线上不同的曲线路径，同时A4只能在很小的范围内转动，防止手臂前后摆动幅度过大；丝杠A5与步进电机A8通过联轴器连接，步进电机通过驱动丝杠来带动滑台A7，能够精确控制滑台A7左右移动距离。

通过操作四个臂行走轮正转、反转及停转，能够实现机器人的前进、后退和刹车。行走过程中每个手臂的前后摆动和底座铰链连接可以使机器人自适应不同的路况。行驶示意图如图4所示。在线上行走时尤其是在越障的时候输电线不是直的，如果没有可摆动的手臂和底座，四个手臂就会相互干涉，并且在控制底座平衡的过程中需要精确控制不同手臂的臂长来使机器人适应环境，使控制系统变得更加复杂。

3.3 越障原理

除冰机器人在线上行驶时会遇到不同障碍，如防震锤、塔杆绝缘子等，其中塔杆部分最为复杂。输电线塔杆类型主要有直线塔和耐拉塔两种，本文简单介绍一下机器人跨越直线塔障碍的过程。当机器人遇到塔杆时，机器人上携带的相机实时将图像传送给地面站，同时机器人携带的测距传感器将机器人与塔杆绝缘子距离数据也传给地面，地面上的操作人员根据传下的信息对机器人发出正确的指令。机器人将根据指令执行越障动作，越障过程如图5所示，当机器人走到障碍前时前手臂升降机构升起将行走轮升起使其脱离输电线，如图5（a）所示；当前手臂完全脱离输电线后，手臂与底座相连的移动滑台向前进方向左侧滑动，使前手臂避开绝缘子障碍，如图5（b）所示；当前手臂避开障碍后，控制后面三个行走轮向前运动使前手臂越过障碍，如图5（c）所示；前手臂越过障碍后，移动滑台将手臂移动到原来的位置，升降机构收起使前手臂行走轮落回输电线上，如图5（d）所示，前手臂越过障碍后准备下一个手臂

越障。

3.4 除冰机构设计

工程上有很多方法进行除冰，除冰机构也很多，其中机械式除冰方式有冲击式除冰，刨铣削式除冰、碾切式除冰、挤压式、拍打式等。考虑到越障时除冰机构要能够方便的脱离输电线，因此这里选用拍打式除冰方式，拍打式除冰方式设计比较简单、体积小并且易于控制，除冰机构主要由直流电机、凸轮、拍打杆和升降机构组成，升降机构主要能在遇到障碍时或者在不需要除冰时将除冰机构收起，以方便行走机构跨越障碍。

4 控制系统硬件组成及其功能

除冰机器人是一种行驶在高压输电线上的机器，对其要实现自动控制和遥控操纵两种方式，使机器人能够适应各种复杂的环境，同时在地面上能够实时图像监测机器人状态。对于这种在特殊环境下工作的机器，要具备能够在恶劣的环境中可靠工作的能力。在设计控制系统时可采用如图6所示的分层式控制系统结构，即将系统分为管理层、规划层和执行层，其中管理层是地面监控层，规划层和执行层是机械本体控制层，通过分层式设计控制系统，分别实现对除冰机器人运动机构和除冰执行机构的伺服控制。

管理层可以实时监测机器人运行状态和线上工作环境，地面人员可通过监测到的信息对机器人实施遥控操作，在复杂环境下可以辅助机器人越障，保证越障除冰工作顺利进行。规划层采用STM公司的32位单片机STM32F4系列芯片作为主控芯片，上面运行实时处理系统，主要负责对相机信号采集，接收地面站传来的遥控指令，进行动作规划和避障，对图像信号进行传输控制，地面信号处理，对电源系统进行管理并对电机驱动器发出信号控制机械本体运作。执行层主要负责对步进电机、除冰电机和升降电机的方向、位置和转速等控制。可采用STM32系列电机专控芯片，驱动芯片选用步进电机专用驱动芯片。通过各个模块间配合工作，可使机器人在复杂的环境下运行。

5 结语

除冰机器人是结合许多学科领域的机电一体化产品，各领域的特点都能在除冰机器人身上体现出来。随着除冰机器人研究工作的逐步深入，许多技术都已取得较大的进展，然而仍然有许多关键问题都有待解决，这些问题限制除冰机器人应用的范围和环境，使除冰机器人不能够大规模地使用。就除冰机器人来说，未来可以向以下三个方面进行研究：（1）多功能使用。除冰机器人的行走机构是一个搭载平台，可以在平台上搭载其他设备，如搭载红外相机、维修装置等，就可以在除冰的同时完成对输电线路的巡检，这样就可以提高工作效率，完成多个工作同时进行；（2）机构优化。改进现有机构，寻找新的材料，减少本身质量，提高电池的能量密度来实现更高的效率以及更长时间的工作；（3）多传感器数据融合。除冰机器人上根据不同的工作环境可搭载多种传感器，根据多个传感器的数据融合，更好地判断障碍类型识别、覆冰厚度检测以及进一步提高定位精度，使机器人向着更智能化的方向发展。

参考文献

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作者简介：许良（1965-），男，辽宁鞍山人，沈阳航空航天大学副教授，硕士，研究方向：航空材料疲劳寿命预测技术；甘子东（1995-），男，安徽阜阳人，沈阳航空航天大学学生，研究方向：机械电子。