具 有 快 速 上 下 线 功 能 的 带 电 作 业 机 器 人 欧 乃 成 李 稳 邹 德 华 郑 思 2 ( 国 网 湖 南 省 电 力 公 司 带 电 作 业 中 心, 长 沙 40007 2 湖 南 电 力 建 设 监 理 咨 询 有 限 公 司, 长 沙 470007) 摘 要 : 本 文 主 要 研 究 了 一 种 输 电 线 路 带 电 作 业 机 器 人 机 器 人 主 要 由 带 电 作 业 机 器 人 本 体 和 作 业 平 台 组 成 作 业 平 台 用 于 上 线 或 下 线 时 支 撑 带 电 作 业 机 器 人, 由 绝 缘 绞 盘 与 绝 缘 绳 协 同 动 作, 在 电 机 的 作 用 下 提 供 作 业 平 台 与 带 电 作 业 机 器 人 上 升 时 的 升 力 以 及 下 降 时 的 支 持 力 本 文 所 研 究 的 自 主 上 下 线 作 业 机 器 人 能 够 更 加 方 便 快 捷 地 实 现 上 下 线 操 作 关 键 词 : 越 障 ; 带 电 检 修 ; 机 器 人 ; 重 心 保 持 引 言 电 能 在 发 电 厂 产 生 后 需 通 过 高 压 输 电 线 路 传 送 至 各 处, 所 以 高 压 输 电 线 路 遍 布 各 个 角 落, 包 括 城 市, 农 村 等 等 高 压 输 电 线 一 般 指 电 压 在 220V 或 以 上 的 线 路, 对 高 压 输 电 线 路 的 维 护 和 保 养 受 到 各 种 情 况 的 限 制, 首 先, 由 于 线 路 带 电, 如 直 接 人 工 操 作 存 在 安 全 隐 患, 其 次, 由 于 高 压 输 电 线 路 所 处 环 境 或 地 形 地 貌, 可 能 存 在 工 人 难 以 或 无 法 触 及 或 接 近 的 高 压 输 电 线 路, 故 存 在 对 于 高 压 输 电 线 路 的 自 动 维 护 或 保 养 或 维 修 装 置 的 需 求, 高 压 输 电 线 路 机 器 人 应 运 而 生 目 前 存 在 的 高 压 输 电 线 路 机 器 人 通 常 用 于 高 压 线 路 巡 检, 尽 管 其 能 够 替 代 人 工 巡 检, 并 具 备 作 业 质 量 稳 定, 效 率 高 等 等 优 点, 但 其 无 法 进 行 基 本 的 维 护 作 业, 例 如 如 绝 缘 子 串 更 换 耐 张 线 夹 螺 栓 紧 固 等 工 作, 这 些 工 作 还 需 人 工 带 电 操 作, 存 在 较 大 的 安 全 隐 患 为 降 低 工 人 操 作 危 险, 可 以 构 想 的 是, 在 机 器 人 上 加 装 机 械 臂, 并 采 用 不 同 的 机 械 臂 末 端 来 实 现 各 种 带 电 操 作, 例 如 中 国 发 明 专 利 申 请 号 204022660.8 中 公 开 一 种 高 压 输 电 线 路 带 电 操 作 机 器 人, 其 中 通 过 在 机 器 人 机 械 臂 上 配 备 不 同 的 末 端 装 置 来 实 现 各 种 带 电 作 业 其 中 末 端 包 括 上 夹 爪 和 下 夹 爪, 操 作 时 下 夹 爪 固 定 碗 头 挂 板 而 上 夹 爪 推 出 或 送 入 W 销 在 以 往 实 践 中, 上 述 类 型 的 机 器 人 通 常 通 过 人 工 和 纤 绳 牵 拉 来 上 升 到 导 线 上 然 后 通 过 作 业 机 器 人 的 机 械 臂 吊 挂 至 导 线 上 然 而 在 吊 挂 过 程 中 需 要 在 水 平 面 中 旋 转 作 业 机 器 人 使 得 机 器 人, 使 其 机 械 臂 与 导 线 错 开, 使 得 机 器 人 的 机 械 臂 可 以 上 升 至 导 线 上 方 而 不 会 受 到 导 线 妨 碍, 从 而 方 便 机 器 人 机 械 臂 的 夹 持 在 现 有 技 术 中 通 常 通 过 操 作 者 在 机 器 人 下 方 通 过 拉 绳 来 使 带 电 作 业 机 器 人 旋 转, 然 而 这 通 常 需 要 5-7 个 人 的 人 力 来 执 行 该 操 作, 并 且 人 工 操 作 的 稳 定 性 较 差, 通 常 会 浪 费 时 间 和 人 力 所 需 要 的 是 一 种 协 助 带 电 作 业 机 器 人 上 线 和 下 线 的 工 具, 以 简 化 上 线 和 下 线 操 作, 提 高 自 动 化 程 度 和 稳 定 性 机 器 人 总 体 设 计 本 研 究 的 目 的 在 于 研 究 一 种 在 带 电 作 业 机 器 人 上 线 和 下 线 时 提 供 支 撑 的 自 动 化 更 高 的 机 器 人 作 业 平 台 以 及 机 器 人 本 体, 该 机 器 人 结 构 简 单, 操 作 方 便, 执 行 工 作 稳 定 性 高
本 文 设 计 了 一 种 用 于 带 电 作 业 机 器 人, 其 包 括 带 电 作 业 机 器 人 本 体 和 作 业 平 台, 作 业 平 台 在 作 业 机 器 人 上 线 或 下 线 时 起 支 撑 作 用, 作 业 平 台 包 括 由 电 机 驱 动 的 绝 缘 磨 绳 绞 盘 和 绝 缘 磨 绳, 绝 缘 磨 绳 绞 盘 与 绝 缘 磨 绳 协 作, 在 电 机 的 作 用 下 提 供 作 业 平 台 与 带 电 作 业 机 器 人 上 升 时 的 升 力 以 及 下 降 时 的 支 持 力 磨 绳 悬 挂 于 导 线 上, 其 穿 过 所 述 作 业 平 台, 并 与 作 业 平 台 的 磨 绳 绞 盘 接 合 带 电 作 业 机 器 人 的 作 业 平 台 大 致 为 立 方 体, 平 台 内 部 设 有 电 机 2 上 下 线 方 式 设 计 带 电 作 业 机 器 人 上 线 主 要 利 用 由 磨 绳 绞 盘 连 接 的 电 机 驱 动 磨 绳 绞 盘 旋 转, 从 而 使 带 电 作 业 机 器 人 组 件 上 升, 磨 绳 绞 盘 与 磨 绳 之 间 的 摩 擦 力 足 够 大 以 支 撑 带 电 作 业 机 器 人 在 带 电 作 业 机 器 人 上 升 一 定 程 度 后, 通 过 设 在 机 器 人 本 体 或 作 业 平 台 上 的 风 机 使 机 器 人 旋 转, 这 样 机 器 人 本 体 的 机 械 臂 与 导 线 错 开, 继 续 使 机 器 人 上 升, 并 再 次 使 其 旋 转 成 机 械 臂 与 导 线 共 线, 机 械 臂 末 端 的 滑 轮 落 于 导 线 上, 最 后 撤 除 磨 绳 和 作 业 平 台 下 线 步 骤 即 相 反 地 执 行 上 线 步 骤 综 上 所 述, 本 文 所 研 制 的 带 电 作 业 机 器 人 操 作 方 便, 并 且 其 能 够 有 助 于 带 电 机 器 人 的 上 线 和 下 线 操 作, 使 操 作 稳 定 性 提 高, 节 省 人 力 成 本, 提 高 整 个 系 统 的 自 动 化 程 度, 提 高 操 作 效 率 3 机 器 人 结 构 设 计 高 压 输 电 线 路 带 电 作 业 机 器 人 的 结 构 如 图 所 示, 文 中 描 述 中 所 使 用 的 方 位 用 语 例 如 横 向, 纵 向 以 及 x, y, z 轴 方 向 等 都 为 相 对 方 向, 后 文 不 再 赘 述 由 图 可 知, 机 器 人 本 体 0 通 过 机 械 臂 悬 20,30 挂 于 高 压 输 电 线 路 上, 机 械 臂 20,30 优 选 地 设 于 高 压 输 电 线 路 两 侧, 各 个 机 械 臂 20,30 在 接 近 高 压 输 电 线 路 端 设 有 滑 轮, 该 滑 轮 包 括 行 走 轮 2,3 用 于 机 器 人 沿 高 压 输 电 线 路 行 走, 以 及 等 电 位 轮 22,32 用 于 等 电 位 连 接 行 走 轮 2,3 为 主 动 轮, 其 可 采 用 独 立 驱 动 并 选 用 maxon 公 司 的 带 位 置 和 电 流 反 馈 的 双 闭 环 驱 动 装 置 ( 电 机 - 减 速 器 - 编 码 器 和 双 闭 环 伺 服 驱 动 器 ) 此 外 各 个 滑 轮 系 还 包 括 夹 爪 23,33 以 保 护 机 器 人 不 会 从 高 压 输 电 线 路 上 坠 落 图 带 电 作 业 机 器 人 的 整 体 结 构 示 意 图 在 机 器 人 前 端 靠 左 侧 设 有 两 条 或 更 多 机 器 人 机 械 臂 40,50, 各 个 机 器 人 机 械 臂 40,50 可 沿 多 个 自 由 2
度 移 动, 包 括 沿 x,y,z 轴 平 移, 绕 x,y,z 轴 旋 转 等, 简 而 言 之, 各 个 机 械 臂 适 于 将 执 行 实 际 操 作 的 机 械 臂 末 端 60,70 移 动 到 便 于 执 行 任 务 的 位 置 第 一 机 械 臂 40 依 次 设 有 第 一 机 械 臂 旋 转 关 节 4, 第 一 机 械 臂 伸 缩 关 节 42 以 及 第 一 机 械 臂 纵 向 移 动 关 节 43, 而 第 二 机 械 臂 50 依 次 设 有 第 二 机 械 臂 旋 转 关 节 5, 第 二 机 械 臂 旋 转 关 节 52, 第 二 机 械 臂 伸 缩 关 节 53 以 及 第 二 机 械 手 纵 向 移 动 关 节 54 此 外, 机 械 臂 末 端 用 于 执 行 绝 缘 子 串 更 换 任 务, 即 在 第 一 机 械 臂 上 设 有 根 据 如 前 文 所 列 举 的 专 利 中 示 出 的 W 销 推 入 和 推 出 末 端 70, 在 第 二 机 械 臂 上 设 有 绝 缘 子 串 推 送 末 端 60 在 现 有 技 术 中, 将 机 械 臂 20,30 末 端 的 滑 轮 挂 于 导 线 上 通 常 采 用 牵 吊 的 方 式 在 牵 吊 高 于 导 线 后 需 要 人 力 拉 扯 纤 绳, 例 如 5-7 人 来 使 机 器 人 旋 转, 从 而 使 机 械 臂 20,30 与 导 线 错 开 并 在 导 线 两 侧 升 高 至 导 线 之 上, 然 后 再 通 过 人 力 使 机 器 人 旋 转, 以 使 机 械 臂 20,30 末 端 的 滑 轮 处 于 导 线 之 上, 以 便 于 滑 轮 装 在 导 线 上 本 文 研 究 具 有 高 自 动 化, 节 省 人 力 的 上 线 和 下 线 机 器 人 如 图 2 所 示, 图 所 示 的 带 电 作 业 机 器 人 在 图 2 中 以 300 标 注, 而 带 电 作 业 机 器 人 作 业 平 台 以 400 标 注 带 电 作 业 机 器 人 300 支 撑 于 作 业 平 台 400 上, 并 通 过 自 由 轮 支 撑 于 作 业 平 台 400 上 磨 绳 的 上 端 具 有 用 于 锁 定 至 导 线 上 的 保 险 锁 扣 308, 该 保 险 锁 扣 308 在 需 要 撤 除 作 业 平 台 和 磨 绳 时 可 通 过 机 器 人 本 体 的 机 械 臂 打 开 图 2 带 电 作 业 机 器 人 立 体 图 作 业 平 台 侧 视 图 如 图 3 所 示, 其 包 括 从 其 中 穿 过 的 磨 绳 403, 磨 绳 与 绝 缘 磨 绳 绞 盘 402 接 合, 而 绝 缘 磨 绳 绞 盘 402 由 驱 动 电 机 40 驱 动, 磨 绳 的 第 一 端 与 导 线 接 合 并 从 导 线 悬 下 带 电 作 业 机 器 人 300 连 同 作 业 平 台 400 可 一 起 沿 磨 绳 竖 直 上 升 至 其 便 于 悬 挂 于 导 线 之 上 的 位 置 作 业 平 台 400 上 方 设 有 自 由 轮 404 以 使 带 电 作 业 机 器 人 300 可 在 作 业 平 台 400 上 滑 动 这 对 于 机 器 人 的 初 始 定 位 和 磨 绳 的 居 中 定 位 等 操 作 是 非 常 有 利 的 3
图 3 作 业 平 台 侧 视 图 带 电 作 业 机 器 人 侧 视 图 如 图 4 所 示, 带 电 作 业 机 器 人 300 的 底 部 的 相 对 侧 上 设 有 风 机 405 以 向 其 自 身 提 供 旋 转 扭 矩, 以 实 现 在 水 平 面 中 的 旋 转 操 作, 该 相 对 侧 上 的 风 机 405 优 选 地 可 提 供 两 个 方 向 上 的 扭 矩, 即 使 机 器 人 300 可 沿 两 个 方 向 旋 转 由 于 作 业 平 台 400 上 设 有 自 由 轮, 故 带 电 作 业 机 器 人 300 的 旋 转 不 会 带 动 转 动 惯 量 较 大 的 作 业 平 台 400 一 起 旋 转, 而 可 在 作 业 平 台 400 上 自 由 旋 转, 故 风 机 可 设 计 成 仅 提 供 较 小 的 转 矩 图 4 带 电 作 业 机 器 人 侧 视 图 带 电 作 业 机 器 人 侧 视 图 如 图 5 所 示, 风 机 406 也 可 设 在 作 业 平 台 400 的 相 对 侧 上, 从 而 使 作 业 平 台 400 与 带 电 作 业 机 器 人 300 一 起 旋 转 作 业 机 器 人 300 可 固 定 至 作 业 平 台 400 以 便 与 其 一 同 旋 转 可 设 想, 也 可 在 作 业 平 台 400 上 设 置 自 由 轮 和 固 定 设 施 以 适 应 两 种 不 用 的 旋 转 方 式, 即, 风 机 安 装 在 作 业 平 台 400 上 和 安 装 在 带 电 作 业 机 器 人 300 上 4
图 5 带 电 作 业 机 器 人 侧 视 图 结 论 经 过 理 论 构 想 样 机 实 验 及 实 地 考 察, 均 发 现 : 通 过 使 用 本 文 所 论 述 的 这 种 机 器 人 上 下 线 组 件, 带 电 作 业 机 器 人 可 以 极 其 高 效 地 实 现 其 上 线 与 下 线 功 能 提 高 操 作 可 靠 性, 并 大 大 节 省 了 相 应 的 作 业 人 力 成 本 参 考 文 献 [] Alutei A., Tatar M. O.,Cirebea C.Model and test of a modular inspection robotic system [J]. Mechanika, 200,84 (4):58-6. [2] Fung E. H. K., Wong Y. K., Zhang X. Z., et al.fuzzy logic control of a novel robotic hanger for garment inspection: Modeling, simulation and experimental implementation [J]. Expert Systems with Applications, 20,38 (8):9924-9938. [3] Katranik J., Pernu F.,Likar B.A survey of mobile robots for distribution power line inspection [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 200,25 ():485-493. [4] 郭 伟 斌, 王 洪 光, 姜 勇, 等. 一 种 输 电 线 路 巡 检 机 器 人 越 障 规 划 方 法 [J]. 机 器 人, 202 (04):505-52. [5] 苏 伟, 王 吉 岱, 孙 爱 芹, 等. 高 压 输 电 线 路 巡 检 机 器 人 的 专 家 控 制 系 统 [J]. 计 算 机 工 程, 202 (5):66-68+7. [6] 孙 翠 莲, 王 洪 光, 王 鲁 单, 等. 一 种 改 进 的 超 高 压 输 电 线 路 巡 检 机 器 人 越 障 方 法 [J]. 机 器 人, 2006 (04):379-384. [7] Aghili F.,Parsa K.A reconfigurable robot with lockable cylindrical joints [J]. IEEE Transactions on Robotics, 2009,25 (4):785-797. [8] Mateo Sanguino T. J.,Andujar Marquez J. M.Simulation tool for teaching and learning 3D kinematics workspaces of serial robotic arms with up to 5-DOF [J]. Computer Applications in 5
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