林堅(jiān)磊 劉文華 陳雪 侯智強(qiáng) 宋赫

摘 要： 針對(duì)高壓輸電線路的覆冰情況，提出了一種線路除冰機(jī)器人，該機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)、除冰工具、傳動(dòng)系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)組成。機(jī)器人利用固定在前端的除冰砂輪對(duì)覆冰切割，而后除冰錘實(shí)現(xiàn)180°半圓形往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)剩余覆冰進(jìn)行反復(fù)敲打清除；驅(qū)動(dòng)輪采用半圓型結(jié)構(gòu)，適應(yīng)一定范圍的線徑，為機(jī)器人提供了穩(wěn)定性。該機(jī)器人體積小，除冰效率高，可清除厚度為10～25 mm的覆冰。

關(guān)鍵詞： 高壓線； 機(jī)器人； 除冰； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP 242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）02-0063-04

0 引 言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，采用除冰機(jī)器人除冰已成為現(xiàn)實(shí)。國(guó)外的除冰機(jī)器人研發(fā)技術(shù)較為成熟，但除冰機(jī)器人體積較為笨重，成本較高[1-3]，而國(guó)內(nèi)的機(jī)器人研發(fā)處于實(shí)驗(yàn)室階段。

針對(duì)高壓輸電線的覆冰情況，本文提出了一種高效徹底、便捷式除冰機(jī)器人，主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和攝像機(jī)構(gòu)組成，具有線上“行走”功能，能夠在一條高壓電線上自動(dòng)越障完成各線塔間的除冰工作，還能檢測(cè)線路破損狀況。

1 除冰機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，但機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是制約機(jī)器人實(shí)用化的最大障礙。除冰機(jī)器人在輸電線路上的高壓線有一定坡度，能否平穩(wěn)越過(guò)障礙物、徹底高效的除冰？本文設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用的高壓輸電線路除冰機(jī)器人，該機(jī)器人具有以下功能：（1）能在輸電線上以預(yù)想速度平穩(wěn)爬行；（2）具有上下坡越障功能；（3）具有防打滑功能；（4）行進(jìn)速度與除冰速度保持相協(xié)調(diào)；（5）能夠高效、徹底地除去輸電線上的覆冰。圖1為除冰機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)。

2 除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)可以分為三條傳動(dòng)路線，如圖2所示。第一條：電機(jī)—花鍵軸—滑移齒輪—螺旋齒輪—皮帶輪—除冰砂輪。第二條：電機(jī)—錐齒輪—減速齒輪—齒輪—不完全齒輪—齒輪—除冰錘。第三條：電機(jī)—聯(lián)軸器—螺旋齒輪—升降螺母—行走輪。下面逐一介紹各個(gè)傳動(dòng)路線中主要零件計(jì)算參數(shù)。

第一條傳動(dòng)路線：除冰砂輪采用型號(hào)為SK-1081的普通切割砂輪φ=106 mm，砂輪由皮帶通過(guò)螺旋齒輪與電機(jī)相連，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到理想的轉(zhuǎn)速。皮帶輪采用5M-20齒同步輪BF款式。內(nèi)孔徑為8 mm，配帶寬為20 mm，齒面外徑31 mm，檔邊外徑35 mm，采用M4頂絲固定方式，臺(tái)階外徑為20 mm，臺(tái)階厚度為10 mm。

第二條傳動(dòng)路線：設(shè)定除冰錘的撞擊頻率為3.5次/s，則不完全齒輪轉(zhuǎn)速為210 r/min；行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為262.5 r/min。

2.2 越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證除冰機(jī)器人在高壓輸電線上平穩(wěn)行走和越障，采用滑移齒輪、升降螺母、絲杠、螺旋齒輪和張緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)行走輪的越障功能。在正常行走時(shí)，前端的行走輪（也稱附冰輪）不提供動(dòng)力，在工作的過(guò)程中保證高壓線水平與除冰錘在同一水平線上；中間行走輪提供動(dòng)力（與行走輪同軸相連一低轉(zhuǎn)速的行走電機(jī)）；中間行走輪與后行走輪靠皮帶連接傳輸動(dòng)力，在兩個(gè)行走輪之間安裝有張緊機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)越障時(shí)皮帶的松緊狀態(tài)。圖3為機(jī)器人越障過(guò)程原理。

由圖3（a）可見(jiàn)：當(dāng)附冰輪遇到障礙物時(shí)，滑移齒輪與前螺旋齒輪相互嚙合，使升降螺母上移，帶動(dòng)前面行走輪抬起，中間行走輪提供向前動(dòng)力，在前面行走輪抬起時(shí)，整個(gè)裝置保持前進(jìn)狀態(tài)。越過(guò)障礙后滑移齒輪反轉(zhuǎn)，恢復(fù)附冰輪的原始位置，完成附冰輪的越障功能。

由圖3（b）可見(jiàn)：當(dāng)中間行走輪遇到障礙時(shí)，滑移齒輪與中間螺旋齒輪相互嚙合，帶動(dòng)升降螺母上移，從而使行走輪抬起準(zhǔn)備越障。由于在兩輪之間設(shè)有張緊輪，在行走輪抬起時(shí)，由于彈簧處于壓縮狀態(tài)，使張緊輪一同被抬起。當(dāng)行走輪越過(guò)障礙時(shí)，控制電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，使升降螺母下移，帶動(dòng)附冰輪下降，完成行走輪的越障功能。

由圖3（c）可見(jiàn)：當(dāng)后行走輪遇到障礙時(shí)，滑移齒輪與中后螺旋齒輪相互嚙合，帶動(dòng)升降螺母上移，從而使行走輪抬起準(zhǔn)備越障。由于在兩輪之間設(shè)有張緊輪，在行走輪抬起時(shí)，彈簧被壓縮使張緊輪一同被抬起。當(dāng)后行走輪越過(guò)障礙時(shí)，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，使升降螺母下移，從而帶動(dòng)行走輪下降，張緊輪在彈簧的作用下隨之下降，保持皮帶始終擁有預(yù)緊力，越障過(guò)程結(jié)束。

2.3 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由電機(jī)、皮帶輪、行走輪、張緊輪組成。裝置設(shè)有三個(gè)行走輪，前邊為附冰輪，行走在覆冰未被切除的高壓線上，保證覆冰在被切除時(shí)高壓線形成一條水平線，進(jìn)而提高除冰的可靠性，在中間行走輪上安裝低轉(zhuǎn)速電機(jī)，中間行走輪和后行走輪之間采用皮帶進(jìn)行動(dòng)力傳遞，皮帶之間設(shè)有張緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行張緊，這樣可以減少驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)數(shù)量，張緊機(jī)構(gòu)中安裝有一定強(qiáng)度的彈簧，在機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)越障時(shí)，由于達(dá)到彈簧的強(qiáng)度極限使張緊輪隨之上升，保證了機(jī)器人在越障時(shí)為裝置提供連續(xù)的動(dòng)力。在除冰工作狀態(tài)下，三個(gè)行走輪保持與除冰錘中心在水平線上，通過(guò)各個(gè)零件之間的配合不僅能實(shí)現(xiàn)行走輪在高壓線上平穩(wěn)運(yùn)行，還能實(shí)現(xiàn)行走輪在垂直方向上升起和降落，達(dá)到機(jī)器人一邊行走、一邊越障的功能。根據(jù)線路的外形，除冰機(jī)器人行走輪采用半圓形凹槽機(jī)構(gòu)（如圖4所示），增大與高壓線的接觸面積，從而增大摩擦力；行走輪選用橡膠材料，進(jìn)一步提高與高壓線的摩擦系數(shù)來(lái)增大摩擦力，使行走更加地平穩(wěn)。

2.4 除冰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人的除冰工具由除冰砂輪和除冰錘組成，其中除冰砂輪為普通切割砂輪，根據(jù)不同形狀和不同強(qiáng)度厚度的冰更換不同規(guī)格的除冰砂輪。除冰砂輪安裝在機(jī)器人的前端，在電機(jī)帶動(dòng)下，除冰砂輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪對(duì)覆冰進(jìn)行切割，除冰錘不斷地做往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)剩余覆冰清除。

為保證機(jī)器人高效除冰，平穩(wěn)行走和越障，除冰機(jī)器人采用齒輪傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)兩種方式，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)力傳給與電機(jī)輸出軸同軸相連的減速齒輪，減速齒輪與兩個(gè)齒輪相互嚙合進(jìn)行動(dòng)力傳遞。除冰機(jī)構(gòu)關(guān)鍵之處是：除冰錘的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是靠?jī)蓚€(gè)不完全齒輪來(lái)完成，不完全齒輪在安裝時(shí)齒的方向是相互垂直的，來(lái)保證兩個(gè)除冰錘做180°往復(fù)周期間歇運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最佳的除冰效果。除冰錘運(yùn)動(dòng)0°和180°時(shí)的兩個(gè)極限位置如圖5所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1） 該除冰機(jī)器人不僅體積小，而且除冰效果良好，便于攜帶，彌補(bǔ)了以往除冰機(jī)器人體積大、除冰不徹底的缺陷。針對(duì)除冰機(jī)器人的除冰效率和行走穩(wěn)定性以及爬坡能力，由機(jī)械設(shè)計(jì)理論驗(yàn)證，能夠保證行走機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)的合理性。

（2） 傳動(dòng)系統(tǒng)采用螺旋齒輪進(jìn)行交錯(cuò)垂直軸間的動(dòng)力傳遞，增加滑移齒輪來(lái)控制除冰砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止和控制越障時(shí)各個(gè)行走輪升降的先后順序。驅(qū)動(dòng)輪采用半圓凹槽型，適用一定范圍的線徑線路，后面兩個(gè)行走輪之間用皮帶相連，在皮帶的中間處設(shè)有張緊機(jī)構(gòu)，保證了機(jī)器人前進(jìn)動(dòng)力的持續(xù)性；行走輪采用橡膠材料，增大與輸電線路之間的摩擦，使機(jī)器人擁有更加持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力。

（3） 機(jī)器人采用先切后撞的除冰方法，提高了除冰的效率。除冰機(jī)構(gòu)中增加不完全齒輪，使除冰錘在180°范圍內(nèi)做周期性運(yùn)動(dòng)，使除冰錘相互撞擊，達(dá)到除冰的目的。除冰錘為可拆卸式，可以根據(jù)不同線徑的尺寸更換不同規(guī)格的除冰錘，避免損壞高壓線路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張屹. 高壓輸電線路除冰機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，30（6）：54-60.

[2] SAWADA J，KUSUMOTO K，MAIKAWA Y，et al. A mobile robot for inspection of power transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2002，6（1）：309-315.

[3] ELIOT T. Robots and examine live lines in sever condtion[J]. Eletrical World，1999（5）：71-72.

Abstract： Aiming at icing conditions of high voltage lines， a kind of line deicing robot is proposed. It consists of moving mechanism， climbing obstacle structure， deicing hammer， gear drive and camera system. The robot utilizes the deicing wheel fixed in the fore-end to cut ice， and then the deicing hammer clears up the remaining icing. The driving wheel adopts semi-circular structure to meet a range of diameter and uses a locking mechanism to provide stability for the robot. The robot is of small size and with high efficiency deicing， and cleared icing thickness can reach from10 to 25mm.

Key words： high voltage line； robot； deicing； structure design

（責(zé)任編輯：徐興華）