林堅磊 劉文華 陳雪 侯智強 宋赫

摘 要： 針對高壓輸電線路的覆冰情況，提出了一種線路除冰機器人，該機器人由行走機構(gòu)、越障機構(gòu)、除冰工具、傳動系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)組成。機器人利用固定在前端的除冰砂輪對覆冰切割，而后除冰錘實現(xiàn)180°半圓形往復運動對剩余覆冰進行反復敲打清除；驅(qū)動輪采用半圓型結(jié)構(gòu)，適應一定范圍的線徑，為機器人提供了穩(wěn)定性。該機器人體積小，除冰效率高，可清除厚度為10～25 mm的覆冰。

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

中圖分類號： TP 242 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）02-0063-04

0 引 言

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

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

1 除冰機器人的總體設(shè)計

機器人是一個復雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及到機械結(jié)構(gòu)、自動控制、通信技術(shù)等多個領(lǐng)域，但機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是制約機器人實用化的最大障礙。除冰機器人在輸電線路上的高壓線有一定坡度，能否平穩(wěn)越過障礙物、徹底高效的除冰？本文設(shè)計了一種新型實用的高壓輸電線路除冰機器人，該機器人具有以下功能：（1）能在輸電線上以預想速度平穩(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為除冰機器人的本體結(jié)構(gòu)。

2 除冰機器人的機構(gòu)設(shè)計

2.1 傳動機構(gòu)的設(shè)計

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

第一條傳動路線：除冰砂輪采用型號為SK-1081的普通切割砂輪φ=106 mm，砂輪由皮帶通過螺旋齒輪與電機相連，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速就可以達到理想的轉(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，臺階外徑為20 mm，臺階厚度為10 mm。

第二條傳動路線：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)動電機的轉(zhuǎn)速為262.5 r/min。

2.2 越障機構(gòu)設(shè)計

為了保證除冰機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、螺旋齒輪和張緊機構(gòu)，實現(xiàn)行走輪的越障功能。在正常行走時，前端的行走輪（也稱附冰輪）不提供動力，在工作的過程中保證高壓線水平與除冰錘在同一水平線上；中間行走輪提供動力（與行走輪同軸相連一低轉(zhuǎn)速的行走電機）；中間行走輪與后行走輪靠皮帶連接傳輸動力，在兩個行走輪之間安裝有張緊機構(gòu)，調(diào)節(jié)機構(gòu)越障時皮帶的松緊狀態(tài)。圖3為機器人越障過程原理。

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

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

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

2.3 行走機構(gòu)設(shè)計

機器人的行走機構(gòu)由電機、皮帶輪、行走輪、張緊輪組成。裝置設(shè)有三個行走輪，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高壓線形成一條水平線，進而提高除冰的可靠性，在中間行走輪上安裝低轉(zhuǎn)速電機，中間行走輪和后行走輪之間采用皮帶進行動力傳遞，皮帶之間設(shè)有張緊機構(gòu)進行張緊，這樣可以減少驅(qū)動行走機構(gòu)的電機數(shù)量，張緊機構(gòu)中安裝有一定強度的彈簧，在機構(gòu)實現(xiàn)越障時，由于達到彈簧的強度極限使張緊輪隨之上升，保證了機器人在越障時為裝置提供連續(xù)的動力。在除冰工作狀態(tài)下，三個行走輪保持與除冰錘中心在水平線上，通過各個零件之間的配合不僅能實現(xiàn)行走輪在高壓線上平穩(wěn)運行，還能實現(xiàn)行走輪在垂直方向上升起和降落，達到機器人一邊行走、一邊越障的功能。根據(jù)線路的外形，除冰機器人行走輪采用半圓形凹槽機構(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，進一步提高與高壓線的摩擦系數(shù)來增大摩擦力，使行走更加地平穩(wěn)。

2.4 除冰機構(gòu)設(shè)計

除冰機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。除冰砂輪安裝在機器人的前端，在電機帶動下，除冰砂輪快速轉(zhuǎn)動，高速轉(zhuǎn)動的砂輪對覆冰進行切割，除冰錘不斷地做往復運動對剩余覆冰清除。

為保證機器人高效除冰，平穩(wěn)行走和越障，除冰機器人采用齒輪傳動和皮帶傳動兩種方式，電機轉(zhuǎn)動將動力傳給與電機輸出軸同軸相連的減速齒輪，減速齒輪與兩個齒輪相互嚙合進行動力傳遞。除冰機構(gòu)關(guān)鍵之處是：除冰錘的往復運動是靠兩個不完全齒輪來完成，不完全齒輪在安裝時齒的方向是相互垂直的，來保證兩個除冰錘做180°往復周期間歇運動，達到最佳的除冰效果。除冰錘運動0°和180°時的兩個極限位置如圖5所示。

3 結(jié)束語

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

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

（3） 機器人采用先切后撞的除冰方法，提高了除冰的效率。除冰機構(gòu)中增加不完全齒輪，使除冰錘在180°范圍內(nèi)做周期性運動，使除冰錘相互撞擊，達到除冰的目的。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：

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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

（責任編輯：徐興華）