具有越障功能的输电线路除冰机器人设计

来源：SCI期刊网分类：电子论文时间：2022-03-02 09:29 热度：

摘要：摘要分析国内除冰机器人设计概况, 针对输电线路结构特点, 提出了一种具有越障功能的除冰机器人设计方案, 包括机械系统、控制系统两部分。机械系统由行走装置、越障装置和除冰装置组

　　摘要分析国内除冰机器人设计概况, 针对输电线路结构特点, 提出了一种具有越障功能的除冰机器人设计方案, 包括机械系统、控制系统两部分。机械系统由行走装置、越障装置和除冰装置组成;控制系统包括主控模块、无线操作模块、电机驱动模块和状态信息反馈模块。实验室以及野外真实线路性能测试实验表明, 除冰机器人的机械系统设计合理, 控制系统稳定有效。

具有越障功能的输电线路除冰机器人设计

　　关键词输电线路除冰机器人越障机械系统控制系统

　　0 引言

　　在严冬及初春季节, 我国大部分地区常出现雾凇和雨凇现象, 造成输电线路覆冰, 使线路舞动、闪络、烧伤, 甚至断线倒塔, 使电网系统遭到破坏, 安全运行受到严重威胁。由于人工除冰( 图 1) 效率低、危险性高, 机器人除冰技术已成为国内相关研究的热点和趋势[ 1] 31 。

　　在国家电网系统提出高效率、低能耗、无伤亡率、防灾减灾技术要求的情况下, 国内已设计出多种高压线路除冰机器人, 有值得借鉴之处, 各自也都存在一些不足。其中, 北京邮电大学设计的除冰机器人采用滚刀除冰, 无法越障, 上线安装较难[ 2] ;国防科技大学设计的除冰机器人采用两臂越障, 单臂承受偏矩较大, 可能影响正常越障[ 3] ;西南交通大学设计的除冰机器人采用冲击头撞击除冰, 无法越障, 上线安装较难[ 4] ;兰州理工大学设计的除冰机器人采用五轮夹线行走和冰刀撞击除冰, 无法越障, 上线安装较难[ 5] ;湖南大学等合作设计的两臂除冰机器人采用轮爪结构越障, 手臂增加导线爪夹, 但也是单臂承受偏矩, 可能影响正常越障[ 6] ;山东科技大学等合作设计的三臂除冰机器人采用锯片纵向铣削, 手臂的水平扭转容易使锯片误伤导线[ 7 -8] , 山东电力研究院设计的除冰机器人无法越障, 上线安装较难[ 9] 。在国内已有的除冰机器人设计基础上, 结合输电线路结构特点, 本课题组设计了一种具有越障功能的三机械臂高压输电线路除冰机器人。

　　1 机器人整体结构

　　我们设计的输电线路除冰机器人采用除冰杆敲击式除冰, 不伤导线, 安全有效, 采用三手臂通过旋转伸缩动作进行越障, 操作简单可行, 结合辅助设备上下线装置进行上、下线安装, 操作方便。除冰机器人主要分为机械系统和控制系统两部分。机械系统包括行走装置、除冰装置和越障装置 3 部分 ;控制系统包括主控模块、驱动模块、无线操作模块和状态信息反馈模块 4 部分, 机器人实物如图 2 所示。

　　高压输电线路除冰机器人主要技术指标如表 1 所示。

　　机器人通过前、后臂上的滚轮可沿导线行走;在越障时, 中间手臂可夹紧导线保证机器人的稳定性和可靠性 ;前、后臂之间可相对移动调整间距 ;前、后臂各有 1 个移动和旋转自由度, 结合中间手臂通过动作规划可以实现越障;除冰装置采用 3 个除冰杆从上方交替敲击的方式, 以较小的能量消耗达到除冰的效果。控制系统的主控模块负责接收无线操作模块发出的指令, 并将新指令传送给驱动模块;驱动模块接收到指令实时控制各电机的转动 ;无线操作模块负责将工作人员的控制信息直接发送给主控模块;状态信息反馈模块负责将机器人各部件的位置状态实时反馈给主控模块, 为下一步动作提供状态信息。在实际操作中, 除冰机器人通过地面遥控和程序自动控制相结合的方式实现作业。

　　2 机械系统

　　2 .1 行走装置

　　行走装置作为机器人前进的动力装置, 需要保证机器人能够在导线上平稳快速前进。由于高压输电导线结构特殊, 机器人采用滚动原理进行移动。行走装置主要包括电机、支撑轴承、行走轮、丝杆、导向杆、夹紧块、圆锥滚轮、支撑板等。行走装置与手臂外筒固定连接, 行走电机驱动滚轮旋转带动整个机器前进, 夹紧电机驱动夹紧块夹紧导线。设计结构图如图 3 所示。

　　机器人前臂在进行越障时, 重心会出现向前偏移, 后臂可能向上抬升脱离导线, 使机器人前臂出现一定程度的向下倾斜, 可能无法顺利越障。后臂越障时, 也会出现同样的现象。为了避免上述问题的发生, 在行走装置上增加夹紧机构辅助越障。该机构的夹紧滚轮设计为上小下大的圆锥形, 可以保证在夹紧导线时手臂不会向上抬升脱离导线。

　　2 .2 越障装置

　　据前述可知, 国内的除冰机器人很多都无法越障, 大大影响机器人的实用性。机器人能否自主越障已成为除冰机器人结构设计的关键之一。本文中我们设计的机器人具有越障装置, 能顺利越过绝缘子、线夹、防震锤和直线塔等一般性障碍物。越障装置包括行走箱、前后旋转伸缩手臂和中间夹紧手臂 4 个主要部件, 各部件设计结构图如图 4 ～图 6 所示。

　　具体越障动作规划( 前臂越绝缘子为例) 为:

　　( 1) 机器人中间手臂前进至极限位置。

　　( 2) 前后臂同时收缩, 中间臂抬升夹紧导线。

　　( 3) 前臂升高, 行走轮脱离导线。

　　( 4) 前臂旋转 180°, 行走轮等偏离导线。

　　( 5) 行走箱错动, 前臂前进至障碍物另一侧。

　　( 6) 前臂旋转 180°, 行走轮位于导线上方。

　　( 7) 前臂收缩, 行走轮等回落至导线上。此时前臂成功越障。后臂越障动作规划与前臂基本一致。

　　2 .3 除冰装置

　　目前, 国内可采用的机械除冰方式有敲击、冲击、铣削、切削、铲刮、振动等[ 1] 33-34 。本团队在实验室进行了敲击、铣削和切削 3 种方式的除冰实验, 通过分析比较发现敲击除冰相对更安全有效。该除冰装置结构简单, 原理是电机通过凸轮机构带动除冰杆上下运动, 通过 3 个除冰杆从上方交替敲击覆冰的方式, 以较小的能量消耗实现较好的除冰效果。设置的限位导轮, 可以图 6 中间夹紧手臂结构图避免除冰杆损伤高压输电线。除冰装置通过滑块导轨机构与机器人手臂活动连接, 设置的吸振弹簧和滑块配合, 可始终使限位导轮压紧在高压输电线上, 并可以吸收除冰杆敲击除冰时产生的振动能量, 减小振动对机器人其他部件的影响, 遇到带坡度的导线时, 还能实时调整除冰装置相对手臂的高度, 保证除冰效果。相对目前广泛使用的直流热力融冰技术, 具有除冰效果明显、成本低、易操作的优点。除冰装置如图 7 所示。

　　2 .4 机器人仿真分析

　　我们通过仿真分析以验证机器人能越障的可行性。用Pro/E 进行三维建模, 在 ADAMS 中按照预定的行走越障动作规划进行运动学仿真分析。这里以前臂跨越 FR3 型防震锤为例, 其分析结果如图8 、图 9 所示。

　　机器人能否成功跨越防震锤有两个指标, 一是越障时前臂横向( X 轴) 是否与防震锤发生碰撞;二是前臂纵向( Z 轴) 能否完全跨过防震锤。防震锤中心点坐标为 ( -309, 190, -669) , 由图8 可知越障时前臂中心距防震锤中心 125 mm,由于前臂最宽边130 mm, 防震锤直径57 mm, 故极限位置有31 .5 mm 间隙, 指标一满足;由图9 可知前臂跨越距离为 440 mm, 完全可以跨越防震锤, 指标二满足。综上可知, 除冰机器人能跨越障碍物。故机器人机构设计合理, 越障动作规划可行。

　　2 .5 机器人上下线装置

　　机器人顺利上线安装是进行除冰作业的前提。机器人约45 kg, 检修人员无法徒手携带机器人安全上下线安装, 同时考虑到机器人出现故障时能够方便及时下线维修等要求, 我们设计了该上下线装置, 以解决除冰机器人的上下线安装问题。

　　上下线装置包括固联滑轮、吊篮、提升绳、防晃绳、配重块等。固联滑轮是用“Z” 形钢筋将两个滑轮固接, 防止相对移动。在吊篮正下方添加配重块, 上下线安装时可降低重心, 更加平稳。该装置结构简单, 功效明显, 实物如图 10 、图 11 所示。

　　机器人上线动作规划如下 :

　　( 1) 将固联滑轮在导线上安装好, 放下提升绳并系在吊篮上, 同时在吊篮上系上防晃绳, 将机器人前后手臂外转 180°并放入吊篮。

　　( 2) 缓慢提升吊篮至行走轮高于导线, 机器人手臂内旋180°, 使行走轮位于导线正上方。

　　( 3) 缓慢放松提升绳让行走轮自动挂上导线, 放下吊篮, 线上人员适当调整, 保证机器人初始状态, 卸下滑轮, 完成除冰机器人的上线工作。机器人下线原理与上线一样。采用上下线装置安装机器人, 既方便快捷, 又安全有效, 是一种可行的除冰机器人上下线安装方式。野外现场除冰机器人上下线安装试验如图 12 所示。

　　3 控制系统

　　高压输电线路除冰机器人主要采用人机结合、局部智能的控制方式[ 10] 。机器人在高压输电线路上除冰时可以在3 种状态下工作, 即全手动、单流程自动以及多流程自动。操作人员根据实际需要可通过遥控键盘进行无间隙切换。控制系统的结构框图如图 13 所示, 主要包括主控模块 ( MCU2 ) 、无线操作模块 (MCU1) 、驱动模块、状态信息反馈模块等。机器人电源系统采用 12 V 锂电池供电, 具有体积小、容量大、质量轻、寿命长等优点。

　　3 .1 主控模块

　　主控模块即主控制器模块, 本系统采用AVR 系列单片机Mega128, 原理图如图 14 所示, 包括程序下载接口、复位电路、以及时钟电路等。机器人主控模块主要负责接收无线操作模块发出的控制指令, 根据除冰机器人动作规划, 将处理后的新指令传送给驱动模块来控制电动机转动, 以实现机器人各种动作。

　　在主控制器得到发送过来的控制指令时, 首先对该指令进行一次有效性判断, 如果得到的指令存在误码或乱码, 则舍弃该指令, 以防止机器人发生错误动作。主控制器程序可以实现单流程自动、多流程自动以及所有流程全手动等工作模态无隙切换。其软件设计流程如图15 所示。

　　3 .2 无线操作模块

　　操作人员与机器人之间的通信全部由无线键盘发出, 主要包括机器人工作方式选择、电机正反转状态控制、故障急停等。为方便控制电机的正、反转和停止 3种状态, 本系统选用单刀三掷开关, 开关的每一个状态分别与电机的状态相对应。由于每个按键有 3 个挡位, 需要单片机的两个 I/O 端口作为键值信息通道, 系统共设计了 16 个按键, 另外加上无线发射的引脚, 因此至少需要单片机有 34 个独立引脚。系统选用AVR 系列的单片机 Mega128 作为主控芯片, 该芯片内部含有丰富的硬件资源, 能够十分方便的与无线收发模块 APC220 进行通信。

　　APC220 模块是高度集成的半双工微功率无线数据传输模块, 其嵌入了高速单片机和高性能射频芯片。采用高效的循环交织纠检错编码, 抗干扰和灵敏度都大大提高, 最大可以纠正 24 bits 连续突发错误。与单片机的连接原理图如图 16 所示。

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　　为使无线键盘发射的性能更加稳定, 系统在键盘信息之前加上了一个字节校验密码, 只有当接受端得到了以该密码开头的信息才视为有效, 否则机器人不接受该信息。实验表明, 这种方法能让机器人安全可靠的工作, 有效地降低了控制出错率。其软件设计流程如图17 所示。图17 无线键盘软件设计流程图

　　3 .3 电机驱动模块

　　电机驱动模块采用 Freescale 公司的 MC3386, 该驱动可以同时驱动两个电机, 最大驱动峰值电流可达 6A, 为得到更好的驱动性能, 本系统将每个芯片上的两个通道并联在一起去驱动一个电机。使用该芯片可以方便地进行正、反转和刹车等控制, 同时也可以使用脉冲宽度调制( PWM) 对电机进行调速, 机器人前后臂的升降旋转就运用了 PWM 进行调速。

　　每个芯片使用单片机的两个 I/O 端口进行操作, 实验表明使用 MC33886 作为除冰机器人的动力电机的驱动能够完成机器人的各种动作, 性能良好。使用该芯片的原理图如图 18 所示。

　　3 .4 状态信息反馈模块

　　当机器人在高空的高压输电线路上作业时, 人眼无法看清楚, 而机器人的每个动作必须在掌控中, 因此机器人的每个动作是否完成必须有明确的反馈信息。本系统采用金属接近开关作为机器人行程信息反馈的传感器, 当有金属靠近接近开关约2 ～ 3 mm 时, 在外围电路作用下( 图 19) , 接近开关便向单片机发出一个高电平信号, 当在其接触头 2 ～ 3 mm 范围内没有金属时, 接近开关向单片机发出一个低电平信号。

　　图19 中的 TLP521 是一个光耦合器件, 使用该芯片的作用有两个 :一是将 12 V 的高电平转换为单片机能够读取的 3 ～ 5 V ;二是起到光电隔离的作用, 防止电机工作时对单片机的正常工作产生影响。实验效果表明, 使用接近开关作为机器人状态反馈传感器能够准确的监控机器人的动作流程, 为实现机器人自动除冰和越障提供了准确的反馈信息。

　　4 结论

　　该高压输电线路除冰机器人属于工作于输电线路的特种机器人, 本身集合了机械结构设计、自动控制和无线通讯等方面的技术。野外真实线路性能测试表明, 除冰机器人满足前述的性能指标, 对解决输电线路除冰问题十分有效。对于不同电压级别的输电线路, 其结构上的主要区别是导线、绝缘子和防震锤规格不同。机器人可通过更换行走轮、适当调整控制程序参数, 便能在不同规格高压输电线路上进行作业, 扩大了使用范围。

　　除冰机器人野外真实线路实验取得成功, 证实了除冰机器人的机械系统设计合理, 控制系统稳定有效。图20 所示为机器人在野外真实线路上进行跨越绝缘子的实验。——论文作者：张屹1 韩俊1 刘艳2 丁昌鹏1 朱大林1

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