紀(jì)德恒+王峰

摘 要：輸電線路巡檢機(jī)器人在高壓輸電線路的巡檢工作中發(fā)揮著非常重要的作用，在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，也大大提高了巡檢效率。文章針對(duì)巡檢機(jī)器人在工作過程的行走與越障制動(dòng)保護(hù)功能需求，設(shè)計(jì)出一種新型的行走安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，并通過樣機(jī)試驗(yàn)證明了該機(jī)構(gòu)的實(shí)際性能。

關(guān)鍵詞：巡檢機(jī)器人；輸電線路巡檢；行走越障；行走保護(hù)機(jī)構(gòu)

引言

為保證高壓輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行巡檢。長期以來，普遍采用的是人工帶電作業(yè)的方式，極易發(fā)生人身傷亡事故。因此，如何使線路巡檢作業(yè)更加安全、效率更高，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，近年來，世界各國都開展了對(duì)輸電線路巡檢機(jī)器人的廣泛研究并取得了豐碩成果。

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)是巡檢機(jī)器人的重要組成部分，如何改進(jìn)行走機(jī)構(gòu)，讓機(jī)器人更加安全有效的完成線上作業(yè)，是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題之一，本文從行走機(jī)構(gòu)的功能要求出發(fā)，展開對(duì)新型的行走安全保護(hù)機(jī)構(gòu)的研究。

1 行走與安全保護(hù)機(jī)構(gòu)功能要求

巡檢機(jī)器人的主要工作包括沿輸電線路巡檢并跨越各種線上障礙，機(jī)器人在工作時(shí)，要具備以下功能：

（1）正常行駛功能。行走輪可以有效的包絡(luò)在輸電線路上，輪子與輸電線之間有足夠的摩擦力可以保證機(jī)器人正常行駛。

（2）安全保護(hù)功能。在跨越障礙或者停車作業(yè)時(shí)，安全保護(hù)機(jī)構(gòu)擁有合適的夾持力，既能保證機(jī)器人不會(huì)產(chǎn)生與輸電導(dǎo)線的相對(duì)滑動(dòng)，而且還不會(huì)對(duì)線路造成損傷。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)合理。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該擁有足夠的強(qiáng)度，并且還應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。

基于以上的功能要求以及巡檢機(jī)器人越障特點(diǎn)，在分析了傳統(tǒng)的懸臂梁式輪式行走、蝸輪蝸桿夾緊或翻轉(zhuǎn)式輪式行走安全保護(hù)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上[1-2]，設(shè)計(jì)了側(cè)邊對(duì)開剖分輪式行走與安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，以滿足機(jī)器人在高壓輸電線路上的工作要求。

2 行走與安全保護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，巡檢機(jī)器人行走安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，主要分為由行走輪（1）、支撐架（2）、同步帶輪（3）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)（4）組成的行走機(jī)構(gòu)；由底座（5）、開合絲杠（6）、直線導(dǎo)軌1（7）、絲杠螺母座（8）、開合電機(jī)（9）組成的開合機(jī)構(gòu)；由夾緊輪（10）、夾緊輪座（11）、夾緊絲杠（12）、直線導(dǎo)軌2（13）和夾緊電機(jī)（14）組成的安全保護(hù)機(jī)構(gòu)；由位置傳感器（15）、觸板（16）、傳感器安裝架（17）組成的傳感器感應(yīng)機(jī)構(gòu)這四個(gè)功能模塊組成。

2.1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)、同步帶輪和行走輪組成。行走輪設(shè)計(jì)成側(cè)邊對(duì)開剖分式結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)大半輪和輔助小半輪組成，兩個(gè)半輪子接合面采用錐形設(shè)計(jì)，保證兩半輪的有效閉合。行走輪的外表面包覆聚氨酯材料增大摩擦系數(shù)，同時(shí)，根據(jù)線路的外形，將行走輪設(shè)計(jì)成U形凹槽結(jié)構(gòu)，增大與高壓線的接觸面積和摩擦系數(shù)，防止打滑，使行走更加平穩(wěn)。

2.2 開合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

開合機(jī)構(gòu)的主要作用是保證行走輪順利開合完成越障任務(wù)[3]。主要由直線導(dǎo)軌、滑塊、左右旋變螺距變行程絲杠、開合電機(jī)等組成。開合電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母帶動(dòng)滑塊完成水平開合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，絲杠采用左右旋的形式，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)大半輪與輔助小半輪對(duì)向同步移動(dòng)。從而完成整個(gè)行走輪的開合過程，輔助跨越各種障礙。

2.3 安全保護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人在跨越障礙、檢測到故障時(shí)，需要?jiǎng)x車停止，在爬坡前進(jìn)過程中，需要安全保護(hù)機(jī)構(gòu)頂緊輸電導(dǎo)線，保證行走輪與電線之間具有足夠的摩擦力，防止在爬坡時(shí)產(chǎn)生打滑或脫線現(xiàn)象。為此，在滿足功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕巧的安全保護(hù)機(jī)構(gòu)。

安全保護(hù)機(jī)構(gòu)同樣利用了絲杠傳動(dòng)的原理，兩個(gè)夾緊輪固定于夾緊輪座，呈前后布置。夾緊輪座在夾緊電機(jī)作用下，通過夾緊絲杠與直線導(dǎo)軌轉(zhuǎn)化為直線上升與下降，完成剎車制動(dòng)或者夾緊輸電線的功能。

2.4 傳感器感應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器感應(yīng)機(jī)構(gòu)為附屬機(jī)構(gòu)，主要功能是為了滿足巡檢機(jī)器人的控制需求，機(jī)器人在巡檢過程中，利用傳感器識(shí)別前方障礙，完成自動(dòng)巡檢工作。傳感器安裝架固定于底座上，傳感器安裝架上部反對(duì)稱布置兩個(gè)位置傳感器，傳感器頂端搭放一塊觸板，觸板固定于傳感器安裝架上。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該行走與安全保護(hù)機(jī)構(gòu)的性能，對(duì)裝置進(jìn)行了樣機(jī)加工并在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬線路，并設(shè)置了引流線、懸垂線夾、防震錘等障礙。試驗(yàn)的主要測試內(nèi)容包括：（1）行走輪能否正常開合；（2）行走機(jī)構(gòu)能否正常行走；（3）安全保護(hù)機(jī)構(gòu)是否夾持力足夠，保證機(jī)器人能夠順利越障。圖2展示了樣機(jī)以及機(jī)器人線上試驗(yàn)情況。

對(duì)三項(xiàng)測試內(nèi)容分別進(jìn)行多次試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)測試成功率分別為：（1）開合功能正常，成功率100%；（2）行走功能正常，成功率100%；（3）越障功能效果一般，成功率60%。

對(duì)試驗(yàn)成功率進(jìn)行分析可知，該行走安全保護(hù)機(jī)構(gòu)輪子開合與行走功能效果理想，但在機(jī)器人上線后，由于機(jī)器人本體質(zhì)量過大，輪子接合面依然存在微小的閉合間隙；機(jī)器人行走速度相對(duì)較快，停車時(shí)有較大的慣性沖擊；跨越障礙時(shí)，安全保護(hù)機(jī)構(gòu)雖然能夠提供足夠大的夾持力，能保證機(jī)器人不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，但由于試驗(yàn)線路存在一定的柔性，加上機(jī)器人本體質(zhì)量過大，越障效果不明顯。綜上說明，雖然試驗(yàn)結(jié)果存在一定偶然性且存在一定缺陷，但各項(xiàng)功能均能完成，證明了該機(jī)構(gòu)能夠滿足設(shè)計(jì)基本要求。

4 結(jié)束語

本文通過分析巡檢機(jī)器人的工作功能需求，設(shè)計(jì)了一種用于巡檢機(jī)器人的側(cè)邊對(duì)開剖分輪式行走與安全保護(hù)機(jī)構(gòu)，并研制出了樣機(jī)與機(jī)器人平臺(tái)，進(jìn)行了模擬線路功能試驗(yàn)。結(jié)果表明，搭載該機(jī)構(gòu)的機(jī)器人能夠有效的完成行走動(dòng)作，但越障成功率較低，還需要后期進(jìn)一步的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱興龍.基于質(zhì)心調(diào)節(jié)的巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)研究[D].沈陽：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所博士后研究報(bào)告，2006，7.

[2] 楊鳳臣，吳白羽，于輝.高壓線巡檢機(jī)器人夾抓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械制造，2012，08：27-29.

[3]孔志增.輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)及控制軟件研究[D].河北：華北電力大學(xué)，2008.

作者簡介：紀(jì)德恒（1991-），男，山東德州人，山東科技大學(xué)碩士生，主要從事智能機(jī)械設(shè)計(jì)等方面研究。