高压输电线路救援机器人结构设计与分析

顾晓阳

摘要：本文针对现有高压输电线路巡检机器人技术尚不成熟，及当巡检机器人在地线上出现故障时需人工上线拖回所存在的弊端，提出一种单档段救援作业机器人。设计了救援机器人的总体结构形式和各总成的具体结构，并对所设计的结构进行了三维建模仿真。

关键词：高压输电线;救援机器人;结构设计;分析

引言

随着高压输电线路巡检机器人技术的发展与应用，国内外电力系统越来越多的使用巡线机器人完成巡检任务。近年来，国内外的巡线机器人功能逐渐多样化，巡检设备逐步完善，机器人结构及控制方法日趋复杂。在机器人结构和控制方法复杂化的同时，伴随出现的一些故障也随之增加，如在巡检过程中可能出现的电池电量不足、温度过高导致工控机死机等，这些故障都可能引起巡检机器人滞停在巡检线路上。当机器人滞停在两塔之间的档段地线上时，目前国内外都是采用人工上线拖回机器人的方式处理这类问题的。但是人工上线操作危险性高，效率低下，劳动强度大，同时受到地理条件的限制，且多数情况需要停电操作，而高压输电线路停电不仅流程繁琐且会造成较大的电能损失。

1 救援机器人设计原理及作业规划

根据线路的结构，以及对作业任务的分解，救援机器人设计成单机械臂悬挂双滚轮式结构，且在两行走轮中间配一对压紧轮，以此达到护线和增加摩擦力的作用。由于穿/跨越机器人机械臂较长，且机械臂处空间较大，易于夹持，故选择救援机器人夹持穿/跨越机器人机械臂的救援形式。救援机器人整体设计机构简图，如图1 所示。行走机构提供机器人沿地线的移动（滚动），压紧机构提供护线所需的压紧运动，救援夹爪末端提供夹持被救援机器人所需的运动。

2 救援机器人机械结构

由图1知，救援机器人由行走机构、压紧机构、机械臂、救援夹爪及控制箱组成。其中控制箱由各种控制元器件和电池组成，安装在机械臂的下端。

（1）行走机构的结构设计，如图2（a）所示。行走机构由行走轮、行走轮轴、行走电机及减速器、编码器、行走电机罩、驅动盘、轴承等组成。行走电机与驱动盘相连，驱动盘带动行走轮转动，行走轮与行走轮轴之间装有轴承，实现机器人沿地线的滚动运动，其中编码器接在电机的后端，实现对机器人行驶路程的记录与反馈。其中，行走轮采用“V”型槽回转结构适应地线形状，当巡检机器人在地线上行驶时，行走轮将地线包覆。“V”型槽结构能使行走轮与地线接触面积增加，与压紧轮一起，将地线约束在结构中，使得机器人在行驶中过程具有高安全性。

（2）压紧机构的结构设计，如图2（b）所示。压紧机构由压紧轮、压紧轮支架、压紧轮轮座、压紧弹簧、压紧螺母、碰检挡板、磁钢、霍尔传感器等组成。压紧机构通过丝杆螺母与机械臂连接，压紧轮支架一端与压紧螺母相连，一端套入压紧轮轮座孔内，并可使压紧轮轮座绕压紧轮支架轴线左右摆动，以适应不同倾斜角的导线。压紧轮采用尼龙66 材料制作，使压紧轮耐磨、耐热，且电绝缘性好。在压紧轮的断面均布四个磁钢，压紧轮每旋转一周，安装在压紧轮轮座上的传感器就会检测到四个信号，由此可以计算压紧轮转速和行走距离。碰检挡板通过两弹簧与压紧轮轮座侧面柔性连接，并且挡板上装有磁钢，对应压紧轮轮座上固定有霍尔传感器。当机器人行走遇到防振锤等障碍物碰到碰检挡板时，碰检挡板受压力与压紧轮轮座贴紧时，传感器传出信号，从而告知前方有障碍物，此时电机驱动压紧丝杆转动从而带动压紧螺母及压紧机构向下移动，以避开障碍物前行。

（3）机械臂的结构设计，如图2（c）所示。机械臂总成由行走轮架、上下轴承座、压紧丝杆、机臂、压紧电机、轴承等组成。压紧丝杆通过轴承和上下轴承座与机臂相连，压紧机构的压紧螺母与压紧丝杆螺纹连接，两行走机构通过行走轮轴与行走轮架相连，机械臂总成连接了行走机构、压紧机构、救援夹爪机构和控制箱，并使它们相互配合与协调。根据地线上的路况，压紧电机带动压紧丝杆转动，从而通过压紧螺母带动压紧机构上下移动，以调整姿态适应不同的路况。

（4）救援夹爪机构的结构设计，如图2（d）所示。救援夹爪机构由电机、电机罩夹持座、移动螺母、连杆、丝杆、丝杆保护套、夹爪和橡胶等组成。电机罩与夹持座固定在救援机器人机械臂上，电机罩内的电机转动带动丝杆转动，从而带动移动螺母沿丝杆轴向方向的移动，通过连杆实现夹爪的开合。夹爪终端装有橡胶材料，防止夹爪磨损被救援机器人的机械臂。丝杆末端装有塑料材料的丝杆保护套，防止丝杆直接与被救援机器人的机械臂接触，保护了丝杆与穿越机器人的机械臂。

采用Solidworks 三维建模软件对救援机器人各总成进行实体建模并完成装配，其虚拟样机，如图3 所示。

3 试验运行

根据以上设计开发出样机。穿越机器人在对杭州市某松长甲线上巡检时，出现了一次故障，停滞在一档段内，使用救援机器人将其拖回。由于救援机器人的结构设计紧凑，故其重量也较轻，只需一个工人背动其攀爬至杆塔上，并将其挂在底线上即可，操作简单方便且需作业的人数很少。

救援机器人在救援过程中，机器视觉效果良好，碰检系统判断准确，控制系统控制机器人各运动流畅且高效。机器视觉、碰检系统及控制系统的良好配合使救援夹爪与穿越机器人对接精准，拖动穿越机器人行驶平稳，并成功将其安全拖回至杆塔处。避免了高压输电线路停电及人工上线操作，既节约了电能也保障了工人的人身安全。

参考文献：

[1]无配重欠驱动输电线路巡检机器人研究与试验[J]. 张利霞，杨志成，张景胜.机械设计与研究.2017（03）.

[2]输电线路检修作业风险及安全监督管理分析[J]. 周耀湘.中国高新技术企业.2016（33）.

[3]可全程越障架空输电线巡线机器人设计[J]. 刘国平，孙茂文，缪航，秦科技，俞振东.工程设计学报.2016（05）.

（作者单位：杭州市电力设计院有限公司）