巡檢機器人行走與安全保護機構(gòu)設(shè)計

紀德恒+王峰

摘 要：輸電線路巡檢機器人在高壓輸電線路的巡檢工作中發(fā)揮著非常重要的作用，在減輕工人勞動強度的同時，也大大提高了巡檢效率。文章針對巡檢機器人在工作過程的行走與越障制動保護功能需求，設(shè)計出一種新型的行走安全保護機構(gòu)，并通過樣機試驗證明了該機構(gòu)的實際性能。

關(guān)鍵詞：巡檢機器人；輸電線路巡檢；行走越障；行走保護機構(gòu)

引言

為保證高壓輸電線路安全穩(wěn)定運行，需要定期對高壓輸電線路進行巡檢。長期以來，普遍采用的是人工帶電作業(yè)的方式，極易發(fā)生人身傷亡事故。因此，如何使線路巡檢作業(yè)更加安全、效率更高，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點之一，近年來，世界各國都開展了對輸電線路巡檢機器人的廣泛研究并取得了豐碩成果。

機器人行走機構(gòu)是巡檢機器人的重要組成部分，如何改進行走機構(gòu)，讓機器人更加安全有效的完成線上作業(yè)，是眾多學(xué)者研究的熱點課題之一，本文從行走機構(gòu)的功能要求出發(fā)，展開對新型的行走安全保護機構(gòu)的研究。

1 行走與安全保護機構(gòu)功能要求

巡檢機器人的主要工作包括沿輸電線路巡檢并跨越各種線上障礙，機器人在工作時，要具備以下功能：

（1）正常行駛功能。行走輪可以有效的包絡(luò)在輸電線路上，輪子與輸電線之間有足夠的摩擦力可以保證機器人正常行駛。

（2）安全保護功能。在跨越障礙或者停車作業(yè)時，安全保護機構(gòu)擁有合適的夾持力，既能保證機器人不會產(chǎn)生與輸電導(dǎo)線的相對滑動，而且還不會對線路造成損傷。

（3）機械結(jié)構(gòu)合理。整個機械結(jié)構(gòu)應(yīng)該擁有足夠的強度，并且還應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕等優(yōu)點。

基于以上的功能要求以及巡檢機器人越障特點，在分析了傳統(tǒng)的懸臂梁式輪式行走、蝸輪蝸桿夾緊或翻轉(zhuǎn)式輪式行走安全保護機構(gòu)缺點的基礎(chǔ)上[1-2]，設(shè)計了側(cè)邊對開剖分輪式行走與安全保護機構(gòu)，以滿足機器人在高壓輸電線路上的工作要求。

2 行走與安全保護機構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，巡檢機器人行走安全保護機構(gòu)，主要分為由行走輪（1）、支撐架（2）、同步帶輪（3）、驅(qū)動電機（4）組成的行走機構(gòu)；由底座（5）、開合絲杠（6）、直線導(dǎo)軌1（7）、絲杠螺母座（8）、開合電機（9）組成的開合機構(gòu)；由夾緊輪（10）、夾緊輪座（11）、夾緊絲杠（12）、直線導(dǎo)軌2（13）和夾緊電機（14）組成的安全保護機構(gòu)；由位置傳感器（15）、觸板（16）、傳感器安裝架（17）組成的傳感器感應(yīng)機構(gòu)這四個功能模塊組成。

2.1 行走機構(gòu)設(shè)計

行走機構(gòu)由減速電機、同步帶輪和行走輪組成。行走輪設(shè)計成側(cè)邊對開剖分式結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動大半輪和輔助小半輪組成，兩個半輪子接合面采用錐形設(shè)計，保證兩半輪的有效閉合。行走輪的外表面包覆聚氨酯材料增大摩擦系數(shù)，同時，根據(jù)線路的外形，將行走輪設(shè)計成U形凹槽結(jié)構(gòu)，增大與高壓線的接觸面積和摩擦系數(shù)，防止打滑，使行走更加平穩(wěn)。

2.2 開合機構(gòu)設(shè)計

開合機構(gòu)的主要作用是保證行走輪順利開合完成越障任務(wù)[3]。主要由直線導(dǎo)軌、滑塊、左右旋變螺距變行程絲杠、開合電機等組成。開合電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母帶動滑塊完成水平開合運動，同時，絲杠采用左右旋的形式，可以實現(xiàn)驅(qū)動大半輪與輔助小半輪對向同步移動。從而完成整個行走輪的開合過程，輔助跨越各種障礙。

2.3 安全保護機構(gòu)設(shè)計

巡檢機器人在跨越障礙、檢測到故障時，需要剎車停止，在爬坡前進過程中，需要安全保護機構(gòu)頂緊輸電導(dǎo)線，保證行走輪與電線之間具有足夠的摩擦力，防止在爬坡時產(chǎn)生打滑或脫線現(xiàn)象。為此，在滿足功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕巧的安全保護機構(gòu)。

安全保護機構(gòu)同樣利用了絲杠傳動的原理，兩個夾緊輪固定于夾緊輪座，呈前后布置。夾緊輪座在夾緊電機作用下，通過夾緊絲杠與直線導(dǎo)軌轉(zhuǎn)化為直線上升與下降，完成剎車制動或者夾緊輸電線的功能。

2.4 傳感器感應(yīng)機構(gòu)設(shè)計

傳感器感應(yīng)機構(gòu)為附屬機構(gòu)，主要功能是為了滿足巡檢機器人的控制需求，機器人在巡檢過程中，利用傳感器識別前方障礙，完成自動巡檢工作。傳感器安裝架固定于底座上，傳感器安裝架上部反對稱布置兩個位置傳感器，傳感器頂端搭放一塊觸板，觸板固定于傳感器安裝架上。

3 樣機試驗

為了驗證該行走與安全保護機構(gòu)的性能，對裝置進行了樣機加工并在實驗室搭建了模擬線路，并設(shè)置了引流線、懸垂線夾、防震錘等障礙。試驗的主要測試內(nèi)容包括：（1）行走輪能否正常開合；（2）行走機構(gòu)能否正常行走；（3）安全保護機構(gòu)是否夾持力足夠，保證機器人能夠順利越障。圖2展示了樣機以及機器人線上試驗情況。

對三項測試內(nèi)容分別進行多次試驗，并統(tǒng)計測試成功率分別為：（1）開合功能正常，成功率100%；（2）行走功能正常，成功率100%；（3）越障功能效果一般，成功率60%。

對試驗成功率進行分析可知，該行走安全保護機構(gòu)輪子開合與行走功能效果理想，但在機器人上線后，由于機器人本體質(zhì)量過大，輪子接合面依然存在微小的閉合間隙；機器人行走速度相對較快，停車時有較大的慣性沖擊；跨越障礙時，安全保護機構(gòu)雖然能夠提供足夠大的夾持力，能保證機器人不會產(chǎn)生滑動，但由于試驗線路存在一定的柔性，加上機器人本體質(zhì)量過大，越障效果不明顯。綜上說明，雖然試驗結(jié)果存在一定偶然性且存在一定缺陷，但各項功能均能完成，證明了該機構(gòu)能夠滿足設(shè)計基本要求。

4 結(jié)束語

本文通過分析巡檢機器人的工作功能需求，設(shè)計了一種用于巡檢機器人的側(cè)邊對開剖分輪式行走與安全保護機構(gòu)，并研制出了樣機與機器人平臺，進行了模擬線路功能試驗。結(jié)果表明，搭載該機構(gòu)的機器人能夠有效的完成行走動作，但越障成功率較低，還需要后期進一步的優(yōu)化。

參考文獻

[1] 朱興龍.基于質(zhì)心調(diào)節(jié)的巡檢機器人機械系統(tǒng)研究[D].沈陽：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所博士后研究報告，2006，7.

[2] 楊鳳臣，吳白羽，于輝.高壓線巡檢機器人夾抓機構(gòu)的設(shè)計與分析[J].機械制造，2012，08：27-29.

[3]孔志增.輸電線路巡檢機器人系統(tǒng)及控制軟件研究[D].河北：華北電力大學(xué)，2008.

作者簡介：紀德恒（1991-），男，山東德州人，山東科技大學(xué)碩士生，主要從事智能機械設(shè)計等方面研究。