王加年

摘 要：文章以電線除冰為目的，能夠在不停電的環(huán)境下，沿高壓輸電線路自主行走，并除去電線上附著的冰塊，避免出現(xiàn)因電線附冰而導(dǎo)致的鐵塔倒塌的情況，進行機器設(shè)計及運動仿真研究。保持輸電的穩(wěn)定，并最大程度地減少工人的作業(yè)強度，保證人身安全。

關(guān)鍵詞：除冰；自主行走；運動仿真

【中圖分類號】TP242

當(dāng)前全球氣候變化異常，凍雨天氣也是時常有可能發(fā)生。由于建造的有些高壓輸電設(shè)施在設(shè)計時并沒有考慮嚴重惡劣天氣的影響，不能保證有足夠的強度，因此，利用電線除冰機器人除去附著的冰塊，來彌補輸電設(shè)施的強度不足問題，是一種可行的方法。

1 功能分析

機器人的總功能由以下幾個功能單元組成：

（1）能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行；根據(jù)實際線路的要求，在線行走速度為1m/s。

（2）能除去附著在電線上的冰塊，行走一次至少除去一半以上的附冰。

（3）能夠跨越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔和跳線等障礙。

（4）具有一定的爬坡能力；根據(jù)輸電線路的實際情況，其最大坡度出現(xiàn)在山谷到山頂兩塔桿之間，坡度為55°。但是由于桿塔附近跳線與耐張線夾之間角度要大于此值，因此確定機器人的最大爬坡角度為75°。

（5）在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機器人摔落。提供足夠的空間安裝攜帶電源等。

機器人功能目標(biāo)的約束條件為：

（1）外形：機器人得外形尺寸不得大于500mm*1000mm*2000mm。

（2）運動：要求機器人在輸電線路行走時要快速、穩(wěn)定、安全、可靠。

（3）重量：根據(jù)線路承載的要求，機器人重量越小越好，規(guī)定重量≤50kg。

（4）機器人承載重量≥7kg，主要是能夠攜帶電源等。

2 功能原理設(shè)計

在上述機器人的功能目標(biāo)中，在線行走、除冰和越障是電線除冰機器人機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵功能。由于機器人在行走、除冰和越障時既要保證機器人姿態(tài)平穩(wěn)，又要保持與其它導(dǎo)線和桿塔金屬部件及拉線的安全間距，并且還要容易控制。

2.1 行走功能

機器人的在線行走可以考慮用輪子壓著鋼索前行，這跟地面行走類似，只不過地面行走時只需要一個輪子靠重力壓住地面即可，而在線行走則需要一對輪子在同一個地方沿相反的方向同時壓住鋼索才能前進。為保持平衡，機器人重心應(yīng)該在鋼索下面，起到圓周定向的功能。

也可以從仿生的觀點出發(fā)，模仿人在鋼絲行走的方式，可采用機器人主體懸掛在鋼索上，用機械手交替握住鋼索前行。

2.2 除冰功能

除去電線上附冰的方式，可以類似人在其它場合除冰的方式。模仿冰雕藝術(shù)家，用刀片對冰進行切削；模仿路面的除雪除冰，用車將冰壓碎，撒融冰劑；電流加熱；振動；除冰槍擊碎；模擬工人在高壓線上除冰，敲碎。

2.3 越障功能

機器人在線越障操作類似人的空中攀援行為。因此，仿生設(shè)計是解決機器人在線越障這一難題的有效方法。人體遇到線路障礙如懸垂線夾或防震錘，采用從線路下方穿越的方式越障，首先，人體進行姿態(tài)調(diào)整，將人體重心放到起支撐作用的手上如左手。然后，另一只手右手松開，并立即向前伸出繞過障礙，抓住線路的另一端，立即調(diào)整姿態(tài)，使重心前移，調(diào)整到另一只手右手上。然后，松開剛才起支撐作用的手左手，繞過障礙也抓住線路的另一端，從而完成了障礙的穿越。

通過對人體跨越障礙的方法分析，機器人的越障功能完全可以通過模仿人體跨越障礙的方法實現(xiàn)。按照仿生機械設(shè)計的原理，機器人設(shè)計成具有類似人體手臂功能的機械臂結(jié)構(gòu)，幫助機器人完成越障的任務(wù)。從上述分析看出，機器人至少要有兩臂組成，方能實現(xiàn)越障功能。從人體兩臂跨越障礙的過程中，我們可以了解到，人體要不斷地調(diào)整重心，使之保持在一定的范圍內(nèi)，否則就無法實現(xiàn)跨越障礙的功能。而機器人要采用兩臂結(jié)構(gòu)，勢必要解決重心調(diào)整的難題。最有效的解決方法是采用具有多自由度的多只手臂結(jié)構(gòu)。在這里，初步選用3只手臂機器人。

3 確定方案

初步擬訂幾種能夠完成功能的方案，進行分析。

方案一：用兩對齒輪咬碎電線上的冰塊前行，一對齒輪除去冰塊，另一對咬著電線前行。

方案二：像人體懸掛在繩索上行走一樣，行走并拍擊電線除冰。

方案三：利用六對具有凹圓槽的齒輪，呈一定規(guī)律分布行走越障，使用電機帶動除冰棒工作完成除冰。

比較各種方案的優(yōu)缺點：

第一種方案分析：

（1）前進用的齒輪和除冰的齒輪分開，采用不同結(jié)構(gòu)：前進用的齒輪界面形狀和蝸輪形狀類似，適應(yīng)電線的圓柱形狀；除冰的齒輪采用較大的齒寬，先用齒輪壓碎冰，然后用一個錐形的圓筒將壓碎的冰塊排出。

（2）四齒輪安裝四電動機，電瓶掛在下面。

（3）前進用的齒輪間距在工作時不能調(diào)節(jié)，除冰的齒輪間距工作時可調(diào)節(jié)。

（4）如果還有少量碎冰粘在電線上，則錐形圓筒也能起到除冰功能；如果殘留的冰太多，則齒輪后退以后繼續(xù)壓冰，知道錐形圓筒能通過。

此方案不能完全實現(xiàn)跨越障礙的功能，適用范圍不夠廣，不能完全實現(xiàn)除冰的自動化，需要較多的人工參與。

第二種方案分析：

將人體懸掛行走與雙臂攀緣進行綜合，完成機器人的功能。機器人采用多只具有人體手臂關(guān)節(jié)的機械臂結(jié)構(gòu)，機械臂上部安裝驅(qū)動行走機構(gòu)。當(dāng)機器人行走時，機械臂只起連接作用。遇到障礙時，機械臂之間相互配合，采用仿人攀緣策略調(diào)整姿態(tài)，跨越障礙。由于采用多只多自由度機械臂，機器人可以完成更為復(fù)雜的空中姿態(tài)調(diào)整，因而可跨越各種類型的線路障礙。

此方案能實現(xiàn)跨越障礙的功能，適用范圍廣，當(dāng)上升角度過大時不能完全實現(xiàn)除冰的自動化，仍需要人工參與。

第三種方案分析：

機器人行走越障機構(gòu)是由六對具有凹圓槽的齒輪對和一個電機組成，齒輪對兩對一組，分三組每組夾角120°平均分布于電機軸上，相鄰的四對齒輪組的凹圓槽壓緊電線，通過齒輪帶連接獲取電機動力，實現(xiàn)機器人線上行走功能。

當(dāng)機器人運動到瓷瓶左側(cè)位置時，停止行走。此時機器人進入越障狀態(tài)，以靠近瓷瓶的兩組齒輪對為中心，松開另一組的齒輪對，電動機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力，使另一組齒輪對越過瓷瓶障礙，到達瓷瓶右側(cè)，并且壓緊輸電線路。再以瓷瓶右側(cè)的齒輪組為中心，重復(fù)上一步動作，完成越障。

評分法對三種方案進行分析，最終確定第三種方案。

參考文獻：

[1] 孫媛媛，何花.淺談國際機器人競賽[J].上海教育科研，2005（2）：52-54.

[4] 管會生.機器人教育與機器人產(chǎn)業(yè)[J].中國信息界，2011（9）：17-19.