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本科毕业设计（论文）
文献综述
题 目 缆线机器人的机构设计及仿真
姓 名
专 业 机械设计制造及其自动化
学 号
指导教师
郑州科技学院 机械工程学院
二○一六年四月
目 录
1 引言 .......................................................................................................................... 3
2 国内外机器人研究成果 .......................................................................................... 4
2.1 国外机器人研究成果 ................................................................................... 4
2.2国内机器人研究成果 .................................................................................... 8
3 总结 ........................................................................................................................ 10
参考文献 .................................................................................................................... 12
1 引言
随着我国经济的高速发展，超高压大容量输电线路越建越多，线路走廊穿越的地理环境更加复杂，如经过大面积的水库、湖泊和崇山峻岭，给线路维护带来很多困难。而且在严冬及初春季节，我国云贵高原、川陕一带及两湖地区常出现雾凇和雨凇现象，造成架空输电线路覆冰，使线路舞动、闪络、烧伤，甚至断线倒杆，使电网结构遭到破坏，安全运行受到严重威胁。在紧急情况下，寻道员用带电操作杆或其它类似的绝缘棒只能为很少的一部分覆冰线路除冰，人工除冰有很高的危险性。
在国外，一些国家的地理与气候情况与我国相似，甚至一些国家的情况更加恶劣，为了保证电力系统的可靠性，提高高压输电线除冰的效率，减少损失，维护人工的安全，开发一种可以替代或部分替代工人进行除冰作业的新型设备一直是国内外相关研究的热点。因此，研制安全有效的除冰机械以代替人进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。
2 国内外机器人研究成果
2.1 国外机器人研究成果
从20世纪80年代末，国外已经开展了巡线机器人的研究。而除冰机器人是比巡线机器人更复杂的机电一体化结构，目前国内没有技术成熟的除冰机器人。
1988年，东京电力公司的Sawada等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线（OPGW）巡检移动机器人，如图2-1。当遇到杆塔时，该机器人利用自身携带的导轨从杆塔侧面滑过，待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。机器人携带的导轨约100kg，由于自身质量过大，对能源的要求较高。其携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线铠装层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上
[1,2][1]，由于存储量有限，巡检完一段距离的线路后就需要读出数据，实际应用受到了限制。
图2-1 OPGW巡检机器人
1989年，日本NTT公司的Shinichi Aoshima等人研制了一种由多个独立单元组成的机器人。如图2-2所示。机器人采用了“头部决策，尾部跟随”的仿生控制方式，类似一个蛇形机构，由六对左右对称、相互联接的小车组成，每个单元小车有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制联接前后小车的旋转关节的关节角；左右小车采用具有自保安功能的磁锁机构联接，磁锁机构用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧，使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电缆平稳爬行。当机器人遇到分支线、绝缘子等障碍物时，每对小车
上磁锁机构中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开，机器人再改变两侧旋转关节的关节角，使左右小车分开，小车依次通过障碍物后，控制两侧旋转关节使左右小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人恢复正常行走状态。该机器人本体的缺点是驱动关节较多，能耗大且控制复杂。
图2-2 蛇形巡检机器人
美国TRC公司1989年研制了一台悬臂式巡线机器人，如图2-3所示。在架空线路上主要以爬行的方式运动，携带相关设备可以执行电晕损耗检查和绝缘子、压接管等视觉检查的任务，将探测到的故障数据经预处理后传给地面。当该机器人遇到杆塔时，还采用仿人攀援的方法从塔的侧面越过杆塔[1,3]。
图2-3 美国TRC悬臂式巡检机器人
由日本Sato公司生产的电力线损伤探测器也采用了单体小车结构，如图2-4所示。能够在地面人员的遥控下，沿电力线行走，利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回收复查，进一步确定损伤情况。探测器不具备越障功能，遇到线路附件等障碍物时便可自动停止前进。该损伤探测器于1993年赢得Shibusawa大奖。
图2-4 日本Sato公司生产的巡检机器人
加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault 等人2000年开始了HQ LincROVer遥控小车的研制工作，如图2-5所示。该机器人起初用于清除输电线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机
52结构紧凑，仅重25千克，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬的坡，通信
距离可达1千米。小车采用灵活的模块化结构，安装不同的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接管状态评估、导线和底线更换、导线清污和除冰带
电作业，已在工作电流为800A的315KV电力线上[8]进行了多次现场测试。但
[9]是，HQ LincROVer无越障能力，只能在两线塔之间的电力线上工作。目前，
研究组正在开发具有越障功能的自治移动小车，试验结果表明，新一代HQ LincROVer能在无人干预的情况下跨越障碍物，巡检范围达4KM[1,4]。
图2-5 HQ LincROVer遥控小车
2002年，巴西米纳斯邦联大学的Mario F.M.Campos等人也研制了一种多功能巡检机器人，如图2-6所示。该机器人采用缆车结构，通过安装不同的设备，能实现线路巡检或在线路上安装、移除航空预警球等多种功能，但这种机器人也不具备越障功能，只能在两杆塔间的线路上作业，其应用范围受到限制[1,5]。
图2-6 预警球安装作业机器人
20世纪80年代到现在，这些国家先后开展了巡检机器人的研究工作，并取得了阶段性的成果，在两个杆塔之间巡检的机器人技术一室相对成熟，有些已
达到产品化的程度。
2.2 国内机器人研究成果
相比于国外，国内对巡检机器人的研究起步相对较晚，开展相关研究的机构也不多，90年代末，国内的一些研究机构和高等院校也开始了巡检机器人的研究工作，并已经研制出多种机构类型的巡检机器人样机。武汉大学和山东大学在这方面的研究起步较早。在“十五”国家高新技术发展计划（863计划）的支持下，中科院沈阳自动化所、武汉大学与沈阳供电公司、中科院自动化所与山东大学等同时开展了对架空输电线巡检机器人的研制工作。
中国科学院自动化研究所、山东大学所研制的机器人采用了三臂结构，如图2-7所示，能在线路上行进，并可自主跨越线路上防震锤等障碍物，但机器人结构重，耗能多，作业控制复杂
[1,7][1,6]。武汉大学设计的机器人采用了双臂结构，如图2-8所示，可利用臂上的滚轮在线路上行驶，并具有一定的越障作业的能力，但该设计方案以相线作为机器人的作业路径，相线上相对复杂的环境给机器人的作业控制带来了困难，且机器人在相线上带电作业的危险性较大[10]。
图2-7 山东大学研制的三臂式巡检机器人机械结构
图2-8 武汉大学研制的双臂式巡检机器人的机械结构
综上所述，目前国内外设计的高压线巡检机器人[11]多选取相线作为巡检作业路径，与选取地线作为作业路径的机器人设计方案相比，相线的作业模式存在以下问题：
（1）机器人悬挂在相线上时，处于带电作业状态，危险性高。
（2）巡视检测的范围小，视野窄。
（3）相线的悬垂弧度较大，机器人在相线上运行时更能耗时耗能。
（4）机器人在相线上运行，容易损伤线路。
（5）相比于地线，相线上的温度较高，一些线路故障段的温度可达100C以上高温[12]，机器人长期处于高温环境，会影响机体和电子设备的正常工作[13]。
（6）突遇雷电时，相线上运行的机器人容易产生放电现象，影响机器人本体的安全性[14]。
3 总结
高压输电线路是当今社会经济的生命线，对其有效的监督和巡查是电力部门的重要任务之一。了解输电线路的组成对巡线机器人的研究设计起着重要作用，输电线路中的各种附属设备对巡线机器人的在线行走起到了阻碍，因此，在巡线机器人的越障结构设计中，必须考虑这些金具的特点和结构，机器人在线路上行走时，不仅要能够跨越这些障碍物，而且还要保证线路的安全[15]。随着对巡检机器人研究的不断深入，人们对机器人的结构设计必然会提出更高的要求，主要表现在轻量化、操作简单化和越障高效化等方面。
通过以上对高压输电线路和巡检机器人作业环境的分析，也对巡检机器人本体机构的设计提出了要求：
（1）高压线巡检机器人的结构和重量
巡检机器人以输电线为作业路径，在高压线路上移动来完成线路的检测任务，机器人本身以及所携带的设备重量都将由线路承担，高压线本身的承载能力有限，根据电路部门提供的技术要求，高压线的负载不应超过200kg然，机器人本体的重量应低于这个标准。
（2）高压线巡检机器人本体机构的功能和设计要求
机械结构是巡检机器人能否适应高压线路的环境、完成作业要求的关键。巡检机器人的机械结构应满足以下设计要求：
① 移动能力：能在坡度较为平缓的线路上以稳定的速度快速移动，并能保障机器人本体的安全，沿线移动是巡检机器人的基本作业要求。
② 爬坡能力：线路存在着弧垂效应，因此即使在水平地面架设的线路都存在着一定的坡度，此外，在山区环境中，坡度将更为陡峭，如塔架分别位于山
55顶和山谷，该档距段的线路坡度可能超过[17][16]，显，因此，巡检机器人应该具有
一定的爬坡能力。
③ 越障能力：越障能力的大小影响着机器人的作业范围，因此是巡检机器人机械机构设计的重要指标
人移动的各种附属设备。 [18]，所设计的机械机构应能跨越线路上的阻碍机器
④ 承载能力：机器人悬挂在线路上，所承载的重量除自身机械机构的重量外，还包括控制系统和检测设备的重量，机器人本体还应提供足够的空间用于携带控制系统和检测设备。
在比较现有设计方案的基础上，我提出并设计一种新的适合高压输电线作业环境的机器人本体机构，从最初的机构剑突到具体的运动机构，并阐述该机器人机构本体主要部件的构成和功能作用，利用三维软件和CAD技术给出机器人的实体模型和零件图，并对机器人巡检作业和越障过程给予规划和分析，总结当前的主要工作，分析不足，并对进一步的设计工作提出展望。
参考文献
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