高壓輸電線路救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

顧曉陽

摘要：本文針對(duì)現(xiàn)有高壓輸電線路巡檢機(jī)器人技術(shù)尚不成熟，及當(dāng)巡檢機(jī)器人在地線上出現(xiàn)故障時(shí)需人工上線拖回所存在的弊端，提出一種單檔段救援作業(yè)機(jī)器人。設(shè)計(jì)了救援機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)形式和各總成的具體結(jié)構(gòu)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模仿真。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線;救援機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);分析

引言

隨著高壓輸電線路巡檢機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，國內(nèi)外電力系統(tǒng)越來越多的使用巡線機(jī)器人完成巡檢任務(wù)。近年來，國內(nèi)外的巡線機(jī)器人功能逐漸多樣化，巡檢設(shè)備逐步完善，機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制方法日趨復(fù)雜。在機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制方法復(fù)雜化的同時(shí)，伴隨出現(xiàn)的一些故障也隨之增加，如在巡檢過程中可能出現(xiàn)的電池電量不足、溫度過高導(dǎo)致工控機(jī)死機(jī)等，這些故障都可能引起巡檢機(jī)器人滯停在巡檢線路上。當(dāng)機(jī)器人滯停在兩塔之間的檔段地線上時(shí)，目前國內(nèi)外都是采用人工上線拖回機(jī)器人的方式處理這類問題的。但是人工上線操作危險(xiǎn)性高，效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)受到地理?xiàng)l件的限制，且多數(shù)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(huì)造成較大的電能損失。

1 救援機(jī)器人設(shè)計(jì)原理及作業(yè)規(guī)劃

根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)，以及對(duì)作業(yè)任務(wù)的分解，救援機(jī)器人設(shè)計(jì)成單機(jī)械臂懸掛雙滾輪式結(jié)構(gòu)，且在兩行走輪中間配一對(duì)壓緊輪，以此達(dá)到護(hù)線和增加摩擦力的作用。由于穿/跨越機(jī)器人機(jī)械臂較長(zhǎng)，且機(jī)械臂處空間較大，易于夾持，故選擇救援機(jī)器人夾持穿/跨越機(jī)器人機(jī)械臂的救援形式。救援機(jī)器人整體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1 所示。行走機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人沿地線的移動(dòng)（滾動(dòng)），壓緊機(jī)構(gòu)提供護(hù)線所需的壓緊運(yùn)動(dòng)，救援夾爪末端提供夾持被救援機(jī)器人所需的運(yùn)動(dòng)。

2 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

由圖1知，救援機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、機(jī)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(jī)械臂的下端。

（1）行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2（a）所示。行走機(jī)構(gòu)由行走輪、行走輪軸、行走電機(jī)及減速器、編碼器、行走電機(jī)罩、驅(qū)動(dòng)盤、軸承等組成。行走電機(jī)與驅(qū)動(dòng)盤相連，驅(qū)動(dòng)盤帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行走輪與行走輪軸之間裝有軸承，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿地線的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，其中編碼器接在電機(jī)的后端，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行駛路程的記錄與反饋。其中，行走輪采用“V”型槽回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)適應(yīng)地線形狀，當(dāng)巡檢機(jī)器人在地線上行駛時(shí)，行走輪將地線包覆。“V”型槽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，使得機(jī)器人在行駛中過程具有高安全性。

（2）壓緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2（b）所示。壓緊機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)通過絲桿螺母與機(jī)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(nèi)，并可使壓緊輪輪座繞壓緊輪支架軸線左右擺動(dòng)，以適應(yīng)不同傾斜角的導(dǎo)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(gè)磁鋼，壓緊輪每旋轉(zhuǎn)一周，安裝在壓緊輪輪座上的傳感器就會(huì)檢測(cè)到四個(gè)信號(hào)，由此可以計(jì)算壓緊輪轉(zhuǎn)速和行走距離。碰檢擋板通過兩彈簧與壓緊輪輪座側(cè)面柔性連接，并且擋板上裝有磁鋼，對(duì)應(yīng)壓緊輪輪座上固定有霍爾傳感器。當(dāng)機(jī)器人行走遇到防振錘等障礙物碰到碰檢擋板時(shí)，碰檢擋板受壓力與壓緊輪輪座貼緊時(shí)，傳感器傳出信號(hào)，從而告知前方有障礙物，此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓緊絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)壓緊螺母及壓緊機(jī)構(gòu)向下移動(dòng)，以避開障礙物前行。

（3）機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2（c）所示。機(jī)械臂總成由行走輪架、上下軸承座、壓緊絲桿、機(jī)臂、壓緊電機(jī)、軸承等組成。壓緊絲桿通過軸承和上下軸承座與機(jī)臂相連，壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊螺母與壓緊絲桿螺紋連接，兩行走機(jī)構(gòu)通過行走輪軸與行走輪架相連，機(jī)械臂總成連接了行走機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、救援夾爪機(jī)構(gòu)和控制箱，并使它們相互配合與協(xié)調(diào)。根據(jù)地線上的路況，壓緊電機(jī)帶動(dòng)壓緊絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過壓緊螺母帶動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，以調(diào)整姿態(tài)適應(yīng)不同的路況。

（4）救援夾爪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2（d）所示。救援夾爪機(jī)構(gòu)由電機(jī)、電機(jī)罩夾持座、移動(dòng)螺母、連桿、絲桿、絲桿保護(hù)套、夾爪和橡膠等組成。電機(jī)罩與夾持座固定在救援機(jī)器人機(jī)械臂上，電機(jī)罩內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)移動(dòng)螺母沿絲桿軸向方向的移動(dòng)，通過連桿實(shí)現(xiàn)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(jī)器人的機(jī)械臂。絲桿末端裝有塑料材料的絲桿保護(hù)套，防止絲桿直接與被救援機(jī)器人的機(jī)械臂接觸，保護(hù)了絲桿與穿越機(jī)器人的機(jī)械臂。

采用Solidworks 三維建模軟件對(duì)救援機(jī)器人各總成進(jìn)行實(shí)體建模并完成裝配，其虛擬樣機(jī)，如圖3 所示。

3 試驗(yàn)運(yùn)行

根據(jù)以上設(shè)計(jì)開發(fā)出樣機(jī)。穿越機(jī)器人在對(duì)杭州市某松長(zhǎng)甲線上巡檢時(shí)，出現(xiàn)了一次故障，停滯在一檔段內(nèi)，使用救援機(jī)器人將其拖回。由于救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，故其重量也較輕，只需一個(gè)工人背動(dòng)其攀爬至桿塔上，并將其掛在底線上即可，操作簡(jiǎn)單方便且需作業(yè)的人數(shù)很少。

救援機(jī)器人在救援過程中，機(jī)器視覺效果良好，碰檢系統(tǒng)判斷準(zhǔn)確，控制系統(tǒng)控制機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)流暢且高效。機(jī)器視覺、碰檢系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的良好配合使救援夾爪與穿越機(jī)器人對(duì)接精準(zhǔn)，拖動(dòng)穿越機(jī)器人行駛平穩(wěn)，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(jié)約了電能也保障了工人的人身安全。

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（作者單位：杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司）