电线除冰机器人机构分析与设计

摘 要：文章以电线除冰为目的，能够在不停电的环境下，沿高压输电线路自主行走，并除去电线上附着的冰块，避免出现因电线附冰而导致的铁塔倒塌的情况，进行机器设计及运动仿真研究。保持输电的稳定，并最大程度地减少工人的作业强度，保证人身安全。

关键词：除冰；自主行走；运动仿真

【中图分类号】TP242

当前全球气候变化异常，冻雨天气也是时常有可能发生。由于建造的有些高压输电设施在设计时并没有考虑严重恶劣天气的影响，不能保证有足够的强度，因此，利用电线除冰机器人除去附着的冰块，来弥补输电设施的强度不足问题，是一种可行的方法。

1 功能分析

机器人的总功能由以下几个功能单元组成：

（1）能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行；根据实际线路的要求，在线行走速度为1m/s。

（2）能除去附着在电线上的冰块，行走一次至少除去一半以上的附冰。

（3）能够跨越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔和跳线等障碍。

（4）具有一定的爬坡能力；根据输电线路的实际情况，其最大坡度出现在山谷到山顶两塔杆之间，坡度为55°。但是由于杆塔附近跳线与耐张线夹之间角度要大于此值，因此确定机器人的最大爬坡角度为75°。

（5）在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落。提供足够的空间安装携带电源等。

机器人功能目标的约束条件为：

（1）外形：机器人得外形尺寸不得大于500mm*1000mm*2000mm。

（2）运动：要求机器人在输电线路行走时要快速、稳定、安全、可靠。

（3）重量：根据线路承载的要求，机器人重量越小越好，规定重量≤50kg。

（4）机器人承载重量≥7kg，主要是能够携带电源等。

2 功能原理设计

在上述机器人的功能目标中，在线行走、除冰和越障是电线除冰机器人机构设计的关键功能。由于机器人在行走、除冰和越障时既要保证机器人姿态平稳，又要保持与其它导线和杆塔金属部件及拉线的安全间距，并且还要容易控制。

2.1 行走功能

机器人的在线行走可以考虑用轮子压着钢索前行，这跟地面行走类似，只不过地面行走时只需要一个轮子靠重力压住地面即可，而在线行走则需要一对轮子在同一个地方沿相反的方向同时压住钢索才能前进。为保持平衡，机器人重心应该在钢索下面，起到圆周定向的功能。

也可以从仿生的观点出发，模仿人在钢丝行走的方式，可采用机器人主体悬挂在钢索上，用机械手交替握住钢索前行。

2.2 除冰功能

除去电线上附冰的方式，可以类似人在其它场合除冰的方式。模仿冰雕艺术家，用刀片对冰进行切削；模仿路面的除雪除冰，用车将冰压碎，撒融冰剂；电流加热；振动；除冰枪击碎；模拟工人在高压线上除冰，敲碎。

2.3 越障功能

机器人在线越障操作类似人的空中攀援行为。因此，仿生设计是解决机器人在线越障这一难题的有效方法。人体遇到线路障碍如悬垂线夹或防震锤，采用从线路下方穿越的方式越障，首先，人体进行姿态调整，将人体重心放到起支撑作用的手上如左手。然后，另一只手右手松开，并立即向前伸出@过障碍，抓住线路的另一端，立即调整姿态，使重心前移，调整到另一只手右手上。然后，松开刚才起支撑作用的手左手，绕过障碍也抓住线路的另一端，从而完成了障碍的穿越。

通过对人体跨越障碍的方法分析，机器人的越障功能完全可以通过模仿人体跨越障碍的方法实现。按照仿生机械设计的原理，机器人设计成具有类似人体手臂功能的机械臂结构，帮助机器人完成越障的任务。从上述分析看出，机器人至少要有两臂组成，方能实现越障功能。从人体两臂跨越障碍的过程中，我们可以了解到，人体要不断地调整重心，使之保持在一定的范围内，否则就无法实现跨越障碍的功能。而机器人要采用两臂结构，势必要解决重心调整的难题。最有效的解决方法是采用具有多自由度的多只手臂结构。在这里，初步选用3只手臂机器人。

3 确定方案

初步拟订几种能够完成功能的方案，进行分析。

方案一：用两对齿轮咬碎电线上的冰块前行，一对齿轮除去冰块，另一对咬着电线前行。

方案二：像人体悬挂在绳索上行走一样，行走并拍击电线除冰。

方案三：利用六对具有凹圆槽的齿轮，呈一定规律分布行走越障，使用电机带动除冰棒工作完成除冰。

比较各种方案的优缺点：

第一种方案分析：

（1）前进用的齿轮和除冰的齿轮分开，采用不同结构：前进用的齿轮界面形状和蜗轮形状类似，适应电线的圆柱形状；除冰的齿轮采用较大的齿宽，先用齿轮压碎冰，然后用一个锥形的圆筒将压碎的冰块排出。

（2）四齿轮安装四电动机，电瓶挂在下面。

（3）前进用的齿轮间距在工作时不能调节，除冰的齿轮间距工作时可调节。

（4）如果还有少量碎冰粘在电线上，则锥形圆筒也能起到除冰功能；如果残留的冰太多，则齿轮后退以后继续压冰，知道锥形圆筒能通过。

此方案不能完全实现跨越障碍的功能，适用范围不够广，不能完全实现除冰的自动化，需要较多的人工参与。

第二种方案分析：

将人体悬挂行走与双臂攀缘进行综合，完成机器人的功能。机器人采用多只具有人体手臂关节的机械臂结构，机械臂上部安装驱动行走机构。当机器人行走时，机械臂只起连接作用。遇到障碍时，机械臂之间相互配合，采用仿人攀缘策略调整姿态，跨越障碍。由于采用多只多自由度机械臂，机器人可以完成更为复杂的空中姿态调整，因而可跨越各种类型的线路障碍。

此方案能实现跨越障碍的功能，适用范围广，当上升角度过大时不能完全实现除冰的自动化，仍需要人工参与。

第三种方案分析：

机器人行走越障机构是由六对具有凹圆槽的齿轮对和一个电机组成，齿轮对两对一组，分三组每组夹角120°平均分布于电机轴上，相邻的四对齿轮组的凹圆槽压紧电线，通过齿轮带连接获取电机动力，实现机器人线上行走功能。

当机器人运动到瓷瓶左侧位置时，停止行走。此时机器人进入越障状态，以靠近瓷瓶的两组齿轮对为中心，松开另一组的齿轮对，电动机产生旋转动力，使另一组齿轮对越过瓷瓶障碍，到达瓷瓶右侧，并且压紧输电线路。再以瓷瓶右侧的齿轮组为中心，重复上一步动作，完成越障。

评分法对三种方案进行分析，最终确定第三种方案。

参考文献：

[1] 孙媛媛，何花.浅谈国际机器人竞赛[J].上海教育科研，2005（2）：52-54.

[4] 管会生.机器人教育与机器人产业[J].中国信息界，2011（9）：17-19.