面向斷股補(bǔ)修作業(yè)任務(wù)的電力機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋屹峰，王洪光，康文杰,凌烈,姜勇

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所,遼寧 沈陽 110016； 2. 國網(wǎng)山西省電力公司 運(yùn)檢公司,山西 太原 030200)

面向斷股補(bǔ)修作業(yè)任務(wù)的電力機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋屹峰1，王洪光1，康文杰2,凌烈1,姜勇1

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所,遼寧 沈陽 110016； 2. 國網(wǎng)山西省電力公司 運(yùn)檢公司,山西 太原 030200)

輸電線路斷股補(bǔ)修機(jī)器人需要在特定野外環(huán)境下開展復(fù)雜作業(yè)任務(wù)。面向機(jī)器人補(bǔ)修作業(yè)任務(wù)特征開展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提升機(jī)器人作業(yè)性能，保證作業(yè)質(zhì)量。本文介紹了基于斷股補(bǔ)修作業(yè)任務(wù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用于機(jī)器人的各類機(jī)構(gòu)。根據(jù)行走、越障與捋線的作業(yè)目標(biāo)，結(jié)合外部環(huán)境約束，進(jìn)行機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)與補(bǔ)修機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。以增大附著力、削弱強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象為目標(biāo)設(shè)計(jì)了優(yōu)化闊線的驅(qū)動(dòng)輪作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)；以保證越障安全性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為越障機(jī)構(gòu)；以消除懸垂線路斷股為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了螺旋復(fù)位式捋線機(jī)構(gòu)作為補(bǔ)修機(jī)構(gòu)。通過理論分析、對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)，分析了所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在行走、越障與補(bǔ)修作業(yè)上的可行性、穩(wěn)定性與合理性。

機(jī)器人應(yīng)用；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)器人開發(fā)；機(jī)器人系統(tǒng)；輸電線路；電網(wǎng)；機(jī)器人控制

電力產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，直接對(duì)社會(huì)生產(chǎn)與人民生活產(chǎn)生巨大影響。作為電力能源傳輸?shù)闹鞲赏ǖ溃邏狠旊娋€路需要定期巡視檢修，以保持正常運(yùn)行。輸電線路架設(shè)距離長，經(jīng)過山川、河流、草原等復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)，登塔進(jìn)行維護(hù)檢修作業(yè)時(shí)，人員直接面對(duì)高空，強(qiáng)電磁環(huán)境。綜上所述，電力巡檢與維護(hù)工作具有作業(yè)環(huán)境特殊、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)，機(jī)器人被提出用于開展電力巡檢與維護(hù)作業(yè)，達(dá)到降低勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)性，提高作業(yè)自動(dòng)化程度。

電力巡檢與維護(hù)機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代，日本東京電力公司于1988年研制出世界上第1臺(tái)高壓線巡檢機(jī)器人樣機(jī)[1]，此后，國內(nèi)外的多家研究機(jī)構(gòu)先后對(duì)電力機(jī)器人展開了研究[2-7]，國外方面包括加拿大魁北克水利研究院(IREQ)開發(fā)的除冰機(jī)器人LineROver、多功能巡檢維護(hù)機(jī)器人LineScout，日本關(guān)西電力公司開發(fā)的巡檢機(jī)器人Expliner等；國內(nèi)方面，武漢大學(xué)、山東科技大學(xué)等單位均開發(fā)了各自的電力巡檢與維護(hù)機(jī)器人。

機(jī)器人在野外輸電線路上開展作業(yè)維護(hù)任務(wù)，需要機(jī)器人集成行走爬坡、越障、維護(hù)檢修等多種功能。加之外部存在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、變化的氣候狀況、電力設(shè)備的保護(hù)要求等設(shè)計(jì)約束條件，對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

基于機(jī)器人的總體任務(wù)需求，分析各分系統(tǒng)的功能需求，面向任務(wù)需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效地提升機(jī)器人的專項(xiàng)指標(biāo)，改善機(jī)器人總體性能[8]。本文以中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的斷股補(bǔ)修機(jī)器人為研究對(duì)象，針對(duì)架空地線斷股補(bǔ)修任務(wù)，重點(diǎn)就機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、越障機(jī)構(gòu)與修復(fù)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容展開研究。

1 斷股補(bǔ)修機(jī)器人任務(wù)分析

1.1 線路環(huán)境

機(jī)器人線路環(huán)境如圖1所示。

超高壓輸電線路由桿塔、架空地線、輸電導(dǎo)線組成，根據(jù)線路實(shí)際運(yùn)行需求，線路上安裝有防振錘等金具。架空地線一般架設(shè)于桿塔最上方，為整個(gè)輸電線路起到避雷作用。線路實(shí)際運(yùn)行過程中，雷電快速通過架空地線時(shí)，會(huì)引起局部溫度過高，從而熔斷線股，造成線路斷股。此外，架空地線上安裝有抑制線路隨風(fēng)振動(dòng)的防振錘，線路舞動(dòng)時(shí)與防振錘相互摩擦也會(huì)導(dǎo)致線路斷股。

1.2 作業(yè)任務(wù)分析

輸電線路斷股是一種嚴(yán)重的線路故障，斷股會(huì)降低架空地線與輸電線之間的安全距離，甚至引發(fā)閃絡(luò)，因此需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

機(jī)器人開展斷股補(bǔ)修任務(wù)，首要前提是兼顧電力設(shè)備及機(jī)器人自身安全。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人需要沿線路移動(dòng)，跨越防振錘，并對(duì)斷股進(jìn)行補(bǔ)修。斷股補(bǔ)修既要有效地降低斷股懸垂長度，增加架空地線與輸電線之間的安全距離，也要對(duì)斷股進(jìn)行牢固固定，防止斷股繼續(xù)散落斷開。綜上，機(jī)器人需要在移動(dòng)、越障及補(bǔ)修作業(yè)三方面進(jìn)行針對(duì)性的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 斷股補(bǔ)修作業(yè)任務(wù)

2 面向斷股補(bǔ)修任務(wù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 斷股補(bǔ)修機(jī)器人

如圖2所示，機(jī)器人由移動(dòng)本體與作業(yè)機(jī)構(gòu)組成。其中，移動(dòng)本體采用輪臂式結(jié)構(gòu)。輪式結(jié)構(gòu)可以保證機(jī)器人在線路上快速穩(wěn)定地行進(jìn)。在驅(qū)動(dòng)輪下方安裝有夾緊輪，采用夾緊輪可以提高驅(qū)動(dòng)輪的牽引附著力，使機(jī)器人具備一定的爬坡能力。在機(jī)器人的前后臂均安裝有被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，遇到障礙時(shí)，通過被動(dòng)改變構(gòu)型進(jìn)行越障。捋線工具安裝在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪旁，用于將斷股復(fù)位至線路線槽內(nèi)，減少斷股長度；壓接工具在復(fù)位的斷股處安裝壓接夾，對(duì)斷股進(jìn)行固定，防止斷股再次散開。

圖2 斷股補(bǔ)修機(jī)器人Fig.2 Broken strand repair robot

2.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 移動(dòng)任務(wù)描述

圖3所示為驅(qū)動(dòng)輪與線路接觸的截面圖，輸電線路由多條線股纏繞而成，其截面形狀為近似圓形。驅(qū)動(dòng)輪的闊線需特定設(shè)計(jì)以使機(jī)器人在線路上保持穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮兩點(diǎn)目標(biāo)：1)驅(qū)動(dòng)輪所能提供的牽引附著力;2)減少驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的能量損失。

圖3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪Fig.3 Driving wheel of the robot

此外，為使驅(qū)動(dòng)輪在線路上穩(wěn)定行走且處于正常摩擦狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)存在以下約束：1)驅(qū)動(dòng)輪與線路接觸時(shí)，接觸闊線的圓心角β>30°；2)驅(qū)動(dòng)輪外輪徑高度H設(shè)有上限，H=ηd，其中η∈[3.5,5.5]。

2.2.2 強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)分析

驅(qū)動(dòng)輪與線路的接觸位置是非等半徑的，這會(huì)造成驅(qū)動(dòng)輪上各點(diǎn)滑轉(zhuǎn)率也不相同，也就是驅(qū)動(dòng)輪部分位置的強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)。強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)越嚴(yán)重，則帶來的能量損失越大，強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)的程度可以通過驅(qū)動(dòng)輪最大半徑rmax與最小半徑rmin之差與線徑d的比值來表示：

(1)

2.2.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)輪最大半徑rmax與最小半徑rmin分別可以按照式(2)計(jì)算：

(2)

按幾何平均方法計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪等效半徑:

2.2.4 牽引附著力計(jì)算

(3)

對(duì)總牽引附著力Fx進(jìn)行分析可知，輪徑高度H變化范圍不大時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍較小，對(duì)Fx產(chǎn)生主要影響的因素為驅(qū)動(dòng)輪輪徑D。

通過式(1)、(2)兩式分析闊線起始角α、闊線圓心角β、外輪輪徑高度H等參數(shù)對(duì)牽引附著力與強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響，結(jié)合外部環(huán)境的設(shè)計(jì)約束，合理配置以上各驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)，完成設(shè)計(jì)。

2.3 越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 越障任務(wù)描述

輸電線路斷股補(bǔ)修機(jī)器人的作業(yè)范圍為一個(gè)檔距內(nèi)，跨越的障礙主要為防振錘障礙，如圖4所示。

圖4 線路障礙:防振錘Fig.4 Obstacle in the line: counterweight

由于防振錘具有上方開放的特點(diǎn)，可以采用適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)輪徑，使得驅(qū)動(dòng)輪D與障礙高度h滿足D>2h，進(jìn)而機(jī)器人可以直接跨越障礙，如圖5所示。

圖5 無被動(dòng)關(guān)節(jié)越障Fig.5 Obstacle-crossing without passive joints

值得注意的是，采用以上設(shè)計(jì)方案時(shí)，前后夾緊輪的閉合都會(huì)影響越障：當(dāng)前夾緊輪閉合時(shí)，很明顯前輪無法舉升越障；而當(dāng)后夾緊輪閉合時(shí)，閉合的夾緊輪會(huì)阻礙前輪舉升，也無法完成越障。而夾緊輪始終打開會(huì)在機(jī)器人越障時(shí)帶來一定的安全隱患，當(dāng)線路存在振動(dòng)、風(fēng)擺時(shí)，存在機(jī)器人越障后驅(qū)動(dòng)輪從線路滑落的危險(xiǎn)。經(jīng)過分析對(duì)以上機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在機(jī)器人手臂中部安裝具有復(fù)位彈簧的被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，使得機(jī)器人可以在越障過程中閉合非遇障輪的夾緊輪，保障越障安全。

2.3.2 具有被動(dòng)關(guān)節(jié)的越障機(jī)構(gòu)分析

如圖6所示，具備被動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人跨越障礙大致可以分為如下幾個(gè)步驟：前輪接觸障礙物后，在牽引力的作用下機(jī)器人前臂的被動(dòng)關(guān)節(jié)開始變形，隨著變形量增加，關(guān)節(jié)處由彈簧提供的力矩不斷增加，前臂關(guān)節(jié)停止變形。與此同時(shí)后臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)也發(fā)生一定變形，變形方向與前臂相反，機(jī)器人重心由于雙臂的變形被抬高一定高度。值得注意的是，此時(shí)機(jī)器人前輪是繞后臂被動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)抬起，因此后輪夾緊輪可以保持閉合，后輪下黑色方塊表示閉合的夾緊輪。而后機(jī)器人在牽引力作用下克服重力開始抬起前輪，雙臂被動(dòng)關(guān)節(jié)在此時(shí)開始恢復(fù)原狀態(tài)，該過程與之前由變形引起的重心上移一同構(gòu)成了有助于前輪跨越障礙物的有利因素。直至機(jī)器人前輪整體均高于障礙物，繼續(xù)前進(jìn)，完成整個(gè)前輪的跨越過程。

圖6 具有被動(dòng)關(guān)節(jié)越障Fig.6 Obstacle-crossing with passive joints

2.3.3 越障能力分析

對(duì)越障狀態(tài)下的機(jī)器人進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)受力分析，如圖7所示。

(a)無被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

(b)有被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)圖7 越障受力狀態(tài)分析Fig.7 Force analysis of obstacle-crossing

根據(jù)機(jī)器人沿線方向與垂直方向的力平衡方程與前輪軸心的力矩平衡方程。

可以得到受力平衡方程：

(4)

對(duì)于不含被動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人，i=1，對(duì)應(yīng)的A1、B1、C1分別為

對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)含被動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人，i=2，對(duì)應(yīng)的A2、B2、C2分別為

可以證明h2>h1，即具備被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的越障機(jī)構(gòu)可以跨越較高的障礙，具備更好的越障能力。

2.4 補(bǔ)修作業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 捋線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

補(bǔ)修作業(yè)機(jī)構(gòu)由捋線工具與斷股壓接機(jī)構(gòu)組成，這里以捋線機(jī)構(gòu)為例介紹補(bǔ)修作業(yè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。捋線機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的是消除懸垂的斷股，本方案設(shè)計(jì)的捋線機(jī)構(gòu)利用正常線股的螺旋線將斷股復(fù)位至原線槽內(nèi)。

2.4.3 懸尾實(shí)驗(yàn) 連續(xù)注射CORT 21 d后，小鼠禁食不禁水24 h后，將動(dòng)物尾巴靠近尾部部分固定在距離地面60 cm處，使其呈倒掛狀態(tài)，動(dòng)物之間留有一定距離，并視線彼此隔離，適應(yīng)30 s后，記錄動(dòng)物3 min內(nèi)四肢不動(dòng)時(shí)間。

針對(duì)上述架空地線由多股鋁合金線螺旋式纏繞方式的結(jié)構(gòu)，采用螺旋式前進(jìn)的工作方式，具備將地線斷股捋回至原線槽的功能，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(a)整體圖

(b)夾持器

(c)捋線環(huán)圖8 斷股捋回機(jī)構(gòu)Fig. 8 Broken strands repair mechanism

其具有如下特點(diǎn)：

1)具備被動(dòng)適應(yīng)能力，前進(jìn)及旋轉(zhuǎn)動(dòng)力來自其搭載的作業(yè)機(jī)器人本體；

2)充分利用地線線股間溝槽，捋線球頭沿溝槽滑動(dòng)，捋線器內(nèi)環(huán)被動(dòng)前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)，從而將斷股捋回原來線槽位置，達(dá)到斷股捋回目的；

3) 在捋線過程中，兩側(cè)捋線環(huán)通過掛鉤形成一個(gè)整體，捋線球頭位置與導(dǎo)線線槽位置吻合程度高，同時(shí)捋線球頭材質(zhì)采用耐磨性好的尼龍材料，減小對(duì)線路的磨損。

2.4.2 捋線機(jī)構(gòu)作業(yè)流程

1)準(zhǔn)備斷股修復(fù)工作前斷股捋回裝置處于初始狀態(tài)，捋線環(huán)第一組件安裝在夾持器第一組件的第一夾持座內(nèi)，捋線環(huán)第二組件安裝在夾持器第二組件的第一夾持座內(nèi)。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持器的第一組件和夾持器第二組件閉合，帶動(dòng)捋線環(huán)第一組件和捋線環(huán)第二組件閉合，構(gòu)成整體的捋線環(huán)，然后電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持器打開，捋線環(huán)與夾持器分離。

5)夾持器打開，機(jī)器人前進(jìn)至捋線環(huán)處于夾持器的第二夾座的位置上。

6)夾持器閉合，捋線環(huán)第一組件進(jìn)入并夾緊在夾持器第一組件的第二夾持座內(nèi)，捋線環(huán)第二組件進(jìn)入并夾緊在夾持器第二組件的第二夾持座內(nèi)。然后夾持器打開，捋線環(huán)第一組件和捋線環(huán)第二組件隨著夾持器第一組件和夾持器第二組件分離。完成斷股捋線過程。

2.4.3 捋線作業(yè)受力分析

進(jìn)行斷股捋回作業(yè)時(shí)受力情況復(fù)雜，通過分析可以簡化為螺母在螺旋線上運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力模型。架空地線外圈由n股鋁合金線旋繞而成，可以轉(zhuǎn)化為如圖9模型。將n條傾角為ψ的直線繞在圓柱上便形成了n條螺旋線，其中P為螺距，d2為中徑，ψ為螺旋升角。

圖9 線路簡化模型Fig.9 Simplified modeling of OGW

捋線環(huán)在機(jī)器人本體推力作用下的運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為作用在中徑的軸向力推動(dòng)捋線球頭釘沿螺旋線運(yùn)動(dòng)，將地線外層螺旋線沿中徑d2展開得一斜面。

圖10所示為捋線作業(yè)中工具及斷股的受力分析。

圖10 捋線作業(yè)受力分析Fig.10 Force analysis of broken strand repair

圖10(a)中Fa為捋線球頭受到來自機(jī)器人的軸向推力，F(xiàn)t為捋線球頭受到的切向力(轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的慣性力)，F(xiàn)n為法向反力，F(xiàn)f為摩擦力，ρ為摩擦角，法向反力Fn與摩擦力Ff的總反力為Fr。

圖10(b)中Fn1為斷股在捋回時(shí)受到捋線球頭的法向作用力，F(xiàn)b為斷股相鄰正常線股的支撐力，kl2為散股長度l的斷股復(fù)位反向力(包括重力和其他干擾因素，k為修正參數(shù))。

捋線環(huán)前進(jìn)但沒進(jìn)行斷股捋回時(shí)，單個(gè)捋線球頭受力為

Fa+Ft+Fr=0

(5)

Ff=Fntanρ

根據(jù)圖10(a)中受力關(guān)系可得

根據(jù)地線旋旋升角ψ及捋線球頭所用材料(尼龍)相對(duì)鋁合金(地線材料)的摩擦角ρ可知；

針對(duì)整個(gè)捋線環(huán)時(shí)(n為地線股數(shù))：

nFa+nFt+nFr=0

nFt>0

分析可知此時(shí)捋環(huán)能夠在機(jī)器人推動(dòng)下螺旋式前進(jìn)。

捋線工具內(nèi)存在一股斷股進(jìn)行捋線作業(yè)時(shí)，存在以下力平衡方程：

(6)

式中：

機(jī)器人的軸向推力nFa由驅(qū)動(dòng)輪提供，等于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)牽引附著力Fx，在斷股捋回作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪相比無斷股單獨(dú)推動(dòng)捋線環(huán)時(shí)需要額外提供Fr1-Fr的力。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 驅(qū)動(dòng)輪優(yōu)化仿真

分別按照式(1)與(2)計(jì)算闊線圓心角β、闊線起始角α、等效輪徑D對(duì)驅(qū)動(dòng)輪牽引附著力與強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)的影響，仿真結(jié)果如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)增加闊線起始角α，闊線圓心角β均可以減弱強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)的效應(yīng)。在輪徑一定時(shí)，減小闊線起始角α和闊線圓心角β均可以提高等效輪徑，有利于增加附著力。綜合以上分析,設(shè)計(jì)18 mm線徑的驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，取α=10°，β=30°，H=85mm。

圖11 驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)對(duì)性能影響Fig.11 Influence of driving wheel parameters to performance

3.2 機(jī)器人越障仿真

采用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)機(jī)器人越障過程進(jìn)行仿真計(jì)算，圖12為具有被動(dòng)關(guān)節(jié)的越障機(jī)構(gòu)在20°線路角度時(shí)越障狀態(tài)下的關(guān)節(jié)角度變化；圖13表示具備與不具備被動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人在越障時(shí)的重心變化。

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以有效減少越障時(shí)的沖擊，機(jī)器人重心在越障時(shí)上升較為平穩(wěn)。具備被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的機(jī)器人可以在越障時(shí)閉合非遇障輪的夾緊輪，保障了機(jī)器人越障時(shí)的安全。

圖12 越障時(shí)被動(dòng)關(guān)節(jié)角曲線Fig.12 Curve of passive joint position during obstacle-crossing

圖13 重心位置曲線Fig.13 Centroid position curve

3.3 機(jī)器人斷股補(bǔ)修作業(yè)實(shí)驗(yàn)

如圖14所示，機(jī)器人首先在實(shí)驗(yàn)室線路環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了沿線行走、跨越障礙、斷股補(bǔ)修作業(yè)等任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人在實(shí)際帶電線路上完成了斷股補(bǔ)修作業(yè)。實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人能夠穩(wěn)定的沿線路行走移動(dòng)，在夾緊輪閉合狀態(tài)安全跨越防振錘，斷股捋線機(jī)構(gòu)可以將斷股重置回線槽內(nèi)，有效的降低了懸垂線股的長度，壓接工具可以對(duì)復(fù)位斷股進(jìn)行牢固固定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人具有良好的作業(yè)性能，體現(xiàn)了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與有效性。

(a)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

(b)實(shí)際線路環(huán)境圖14 機(jī)器人斷股補(bǔ)修作業(yè)實(shí)驗(yàn)Fig.14 Robot broken strand repair experiment

4 結(jié)束語

本文根據(jù)斷股補(bǔ)修機(jī)器人在實(shí)際作業(yè)時(shí)所面臨的行走、越障與補(bǔ)修的作業(yè)任務(wù)，提取出相應(yīng)的作業(yè)目標(biāo)，結(jié)合外部環(huán)境約束，完成了優(yōu)化闊線的驅(qū)動(dòng)輪、具有被動(dòng)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的越障機(jī)構(gòu)及剖分式捋線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪牽引力大、克服了強(qiáng)制滑轉(zhuǎn)效應(yīng)；越障機(jī)構(gòu)通過實(shí)現(xiàn)夾緊輪閉合越障時(shí)保障機(jī)器人安全；捋線機(jī)構(gòu)可以快速穩(wěn)定地完成懸垂斷股復(fù)位。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與合理性。

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宋屹峰，男，1984年生，副研究員，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、電力機(jī)器人、機(jī)器人性能分析與優(yōu)化。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

王洪光，男，1965年生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、特種機(jī)器人和機(jī)電一體化技術(shù)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇，獲得發(fā)明和實(shí)用新型專利30余項(xiàng)。

Optimizing electric power robot design for broken-strand repair tasks

SONG Yifeng1, WANG Hongguang1, KANG Wenjie2, LING Lie1， JIANG Yong1

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016， China； 2. State Grid Shanxi Electric Power Company Maintenance Company， Taiyuan 030200， China)

Power transmission line maintenance robots that focus on repairing broken strands are required to complete complex maintenance tasks in the field. Designing the appropriate mechanisms based on the features of the given maintenance tasks can enhance operational performance and ensure operational quality. In this paper, we present various mechanisms that align broken-strand repair tasks with power transmission line maintenance robots. More specifically, our design focuses on the objectives of walking, negotiating obstacles, and sorting wires, all in conjunction with handling outer environment constraints and the mechanisms of movement, crossing obstacles, and performing repairs. We designed an optimized driving wheel to serve as the mechanism of movement to increase the adhesive force and lessen the inherent track slippage. We also designed passive rotary joints as the mechanism for crossing obstacles to ensure safety. Finally, we designed a spiral resetting-type sorting tool to serve as the broken-strand repair mechanism in eliminating reclinate broken strands. Given these designs, through theoretical analysis, comparative simulations, and experiments, we analyzed the feasibility, stability, and reasonability of our robot design for walking, crossing obstacles, and repairing broken strands.

robot applications；mechanism design；robot development；robot system；power line；maintenance；grid；robot control

2016-05-04.

日期：2017-02-17.

國家電網(wǎng)山西省公司科技項(xiàng)目

宋屹峰. E-mail：songyifeng@sia.cn.

OI:10.11992/tis.201605004

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20170217.0954.008.html

TP24

A

1673-4785(2017)02-0150-08

宋屹峰，王洪光，王慧剛,等. 面向斷股補(bǔ)修作業(yè)任務(wù)的電力機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2017, 12(2): 150-157.

英文引用格式：SONG Yifeng, WANG Hongguang, WANG Huigang, et al. Optimizing electric power robot design for broken-strand repair tasks[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2017, 12(2): 150-157.