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500kv线路自升降带电作业机器人的设计与分析 电力线路通常远离城市，自然环境差。它受到持续机械张力、电气闪电和老化的影响。易受损坏、磨损、腐蚀等损坏的影响，需要及时修复和更换。传统巡线主要包括人力巡线、车辆巡线和直升飞机巡线。人力巡线效率低,劳动强度大, 还受到地理条件的限制;车辆巡线受地面交通的限制,一些地方根本无法实现车辆巡线;直升机巡线的费用较高,且难以达到所需要的巡检精度。 巡线机器人的研究在国外于20世纪80年代末开始。日本东京电力公司的Sawada等人、美国TRC 公司、加拿大魁北克水电研究院的SergeMontambault等人先后开展了巡线机器人的研究工作。他们研制的巡线机器人仍需要人工参与或只能完成两线塔之间电力线路的检查, 作业范围小, 自治程度低。国内于2002年开始,在国家863计划项目的资助下, 全国一些研究机构及大学与供电局先后开展了一系列有关巡线机器人的研究,从10 kV及以下电压等级到220 kV,330 kV,500 kV的实验都取得了阶段性成果。主要的研究机构与合作单位有沈阳自动化研究所、山东电力研究院、武汉电力研究院、武汉大学、上海大学、南宁供电局、甘肃电力公司等。2005年04月12日由甘肃电力公司、上海交通大学和兰州供电局联合研制了国内首台330 kV变电设备高压带电清扫机器人,2009年7月沈阳自动化所研制成功了超高压输电线路巡检机器人,2011年2月21—22日山东电力超高压公司开展了±660 kV银东直流输电线路首次带电作业模拟试验。目前国内所研制的巡线机器人均为单线行走式,需人工辅助完成机器人的上线和下线,且只有巡检功能。 文中提出一种用于500 kV输电线路的带电作业机器人。该机器人通过两组行走轮跨在两条同相电缆上行走,并可自动上、下线,无需人员带电上线,使作业更加安全,可完全实现带电作业。机器人运行时无论是正常行走还是跨越障碍,始终有4个轮子两两分别跨在两条线路上。因此,姿态更加稳定,采集信息时基本不受风力的影响。同时机器人还装有机械手可完成一些维修工作。 1 机器人升降机构设计 设定机器人在一个耐张段内作业,可跨越直线塔,其中需要跨越的障碍物有:悬垂吊架、防振锤和间隔棒。机器人的任务是携带巡检设备及机械手在导线上行走。巡检设备对导线断股、螺栓松动或脱落、金具脱落或损坏等情况进行检视,记录检视结果或将检视结果通过无线信号传到地面。操作人员可以根据机器人发回的信息制定维修方案,并可控制机械手完成部分维修工作。为使机器人能够自动上、下线,设计了独立于机器人的升降机。可有效减轻机器人本体的工作载荷。图1为机器人上线示意图。 机器人本体由6部分组成:轮式行走装置、可开合的吊臂、防滑装置、维修机械手、测距及自救传感器系统、电源及控制系统。机器人采用双排吊臂轮式行走机构,行走轮分别跨在两条同相导线上,姿态稳定性好,基本不受风力影响。障碍跨越机构只有2个自由度,可使机构和控制都达到精简、可靠的目的。 升降机由5部分组成:机架、自锁轮式爬升机构、自调平及定位传感器系统、电源及控制系统。升降机采用两组可沿绝缘绳爬行的自锁轮,每组自锁轮由一个主动轮和一个从动轮构成,结构简单、工作可靠。 该机构将机器人本体和升降机分成两个独立的整体。减轻了机器人本体的重力,减少了机器人行进时的能量消耗,机器人发生故障时便于施救。 2 机器人工作原理与运动学分析 2.1 吊臂跨条线路下的运动方案比选 行走部分设计中的重点是越障行走机构。现有的越障行走机构一般都有多个自由度,且结构比较复杂。文中所设计的越障行走机构只有两个自由度。具体结构是在一个框架上安装8只吊臂,每只吊臂上端设有行走轮,如图2 所示。为保证机器人运行姿态的稳定性,每条导线上应至少有2只行走轮压在导线上。为此,将8只吊臂分为2组,每组4只。一组用于正常行走,另一组用于跨越障碍时过渡行走。每组行走轮中两只前轮为驱动轮,2只后轮为从动轮。为使每次跨越障碍吊臂的运动次数最少,将中间的4个轮分成一组做为正常行走轮,外侧的4个轮分为一组做为过渡行走轮。图2为跨越方案对比示意。通过对比可见,方案4为最佳方案。 吊臂的上线与离线依靠绕同心铰链摆动的动作来实现。为实现吊臂在任一位置都可自锁,采用蜗杆减速机驱动曲柄摇杆机构的方法来实现。当吊臂上线时即承受载荷时,曲柄处于死点位置,可使减速机几乎不承受转矩载荷。如图3所示。 同心铰链回转中心位置的确定以行走轮的轮缘与导线不发生运动干涉为原则,确定方式见图4,图4中: H=Btanα(1) 2.2 压紧机构的关闭 机器人在有坡度的输电线路上行走时可能产生滑移。为避免滑移,在每个驱动轮下方设置了压紧轮。跨越障碍时,压紧机构可以随驱动轮同时开合。为避免机器人行走消耗附加功率,压紧力根据驱动轮的滑移率自动调整。在驱动轮和从