输电线路防冰除冰机器人设计与仿真

0引言
在中国南方的冬季，高压输电线路常因雨雪天气、湿度偏大及气温偏低而发生覆冰现象[1]。

严重的覆冰现象，可
能导致杆塔倾斜、倒塌、断线及绝缘子闪络、
供电中断等事故，使国民经济遭受打击，
给民众生活带来不便[2]。

而人工除冰是在恶劣气候环境下的野外高空作业，工作强度大，危险性高[3]。

在危险工作场合，采用机器人代替人工操作提高安全性，是大势所趋[4-5]。

基于此，为减轻工作人员的劳动强度，
降低企业的劳动力成本，提高安全保障和工作效率，采用机器人对高压输电线路进行防冰除冰是近年来的发展趋势[6-8]。

如湖南大学、中科院沈阳自动化研究所研制了用于输电线路除冰的系列巡检机器人[9-10]，为输电线路机器人的发展提供了参
考。

当前市面上的除冰机器人除冰功能强大，
同时成本也较高，且主要以除冰为主。

本文提出“预防为主，防除结合”的新型防冰除冰机械器人设计理念，为设计结构简单，成本可控的高压输电线路专用防冰除冰机器人提供参考。

1总体设计1.1设计要求
结合国内110V 高压线路的基本情况及障碍物的类
型尺寸，综合高压线的承受载荷特点，
机器人的结构设计和相关指标主要包括：①为节约能源，提高工作效率，
整机重量应不超过35kg ；②工作线路为应用广泛的Φ40mm 钢铰线；③具有输电线路清除和防止覆冰功能；④具有高安
全性，当遇到外界环境突变时，
可立即停止工作并将高压线抱死；⑤运动平稳，具备越障能力，
能平稳地跨越防震锤等障碍物。

1.2系统构成
防冰除冰机器人是涉及到机械、
电气与控制的集成系统，基于功能分析和结构规划，
将机器人系统划分为机械部分、控制部分和传感部分三部分，如图1所示。

通过不同系统和模块之间的协调工作，
实现机器人的自动防冰和除冰功能。

输电线路防冰除冰机器人设计与仿真
The Design and Simulation of Anti-icing and Deicing Robots for High-voltage Transmission Lines
郝俊杰HAO Jun-jie ;张琼湘ZHANG Qiong-xiang ;冯天赐FENG Tian-ci ;周枫林ZHOU Feng-lin
（湖南工业大学机械工程学院，株洲412007）
（College of Mechanical Engineering ，Hunan University of Technology ，Zhuzhou 412007，China ）
摘要:在高湿低温环境，高压输电线路易发生覆冰现象，人工除冰是在恶劣气候条件下的野外高空作业，
工作强度大危险性高。

通过对现有除冰技术的分析和再创新，提出“预防为主，防除结合”的除冰机器人设计理念。

对机器人总体设计的基础上，对除冰防冰
机构、行走越障机构、辅助固定夹爪机构和辅助平衡装置等进行了功能规划和结构设计。

虚拟样机及运动仿真分析表明，
机器人运动稳定，工作可靠，设计方案具有可行性。

Abstract:In high humidity and low temperature environment,icing occurs on high-voltage transmission lines.Artificial deicing is a field high -altitude operation under adverse weather conditions,with high work intensity and high risk.Through the analysis and re innovation of the existing deicing technology,the design concept of "prevention first and combination of prevention and deicing"is put forward.Based on the overall design of the robot,the function planning and structure design of deicing and anti icing mechanism,walking obstacle crossing mechanism,auxiliary fixed claw mechanism and auxiliary balance device are carried out.The virtual prototype and motion simulation analysis show that the robot has stable motion,reliable operation and feasibility of the design scheme.
关键词:高压输电线；防冰除冰机器人；结构设计；运动仿真Key words:high-voltage lines ；anti-icing and deicing robots ；structural design ；motion simulation 中图分类号:TP242.6文献标识码:A 文章编号:1006-4311（2021）31-151-04doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2021.31.048
——————————————————————
—基金项目:湖南省大学生创新创业训练计划项目———输电线路防
冰除冰机器人结构设计及运动仿真（湘教通[2020]191
号-3082），郝俊杰，张琼湘，
冯天赐，湖南工业大学机械工匠创新创业实验班成员。

作者简介:郝俊杰（2001-），男，黑龙江七台河人，本科在读。

图1除冰防冰机器人系统构成
控制系统
显示器
控制器
无线传输模块无线传输模块微控制处理器驱动模块
机械系统
辅助平衡装置固定夹紧机构行走越障机构防冰机构除冰机构传感器响应模块测距传感器
图像采集传感系统. All Rights Reserved.
图5
辅助固定夹爪机构
为了使机器人能适应更多复杂的环境，采用攀附于
单根高压电线上的工作模式。

为减轻机器人的总体重量，机器人的主体选用铝合金材料，部分承重不大的支撑板采用POM 乙缩醛共聚物材料。

控制方面由STM32单片机进行控制，机器人本体电源采用12V 铅酸蓄电池，续航能力较强。

防冰除冰机器人各机械结构部分组成及功能规划如下：①除冰机构：能高效的去除高压电线上覆盖的冰层。

②防冰机构：进一步清洁剩余碎冰并将防冻液涂抹至输电线上。

③驱动与越障机构：使机器人能够稳定的在输电导线
上运行。

由于输电线路上有各种各样的防震锤，
要确保机器人可以越过障碍。

④辅助固定夹爪机构：机器人设计为攀附于一条输电导线上的机构，且机器人与输电线路的接触点在越障时会减少。

为确保除冰机器人能稳定的抓取于导线上，需设计辅助固定装置使机构和输电导线本身能保持可靠的连接。

⑤辅助平衡装置：为保证机器人整体的重心处于输电线和机器人的中线位置且位于输电线下方，防止机构
在运行过程中发生倾覆和晃动，
影响除冰效果的机构。

2结构设计
2.1除冰机构设计与分析
短路电流融冰方法需要切断短路融冰输电线网络，
难以选择满足融冰所需的能源供应[10-11]。

常用的除冰方法有铣削法和敲击法，其中铣削法可能会损坏高压线的绝缘外皮，因此该机器人采用敲击法除冰。

如图2所示，除冰机构安装在机体架末端支撑板上，除
冰机构整体主要有驱动电机、
除冰盘、除冰棒等组成。

除冰盘上均匀安装有四根可以转动的除冰棒。

在运行过程中，除冰棒随着除冰盘的旋转而旋转，
除冰棒在高速旋转运动时，与高压线上的覆冰相碰撞，将覆冰击碎，实现除冰功能。

2.2除冰机构设计与分析如图3所示，防冰刷装置主要由防冰刷、
储液瓶和控制阀等组成。

在除冰机构击落导线上覆冰后，难免会有冰屑难以清除，防冰刷可以对整个输电导线进行二次清理，让冰屑最大程度被清理。

同时，
为了防止在除冰过后可能会发生的二次冻结，防冰刷将渗透到海绵毛刷上的防冻液
均匀地刷至高压线表面，
使除冰效果更加持久。

2.3驱动与越障机构如图4所示，驱动部分由驱动电机、驱动轮组成。

驱动
轮形状为内凹的盘型，保证与输电导线相契合，
驱动轮紧贴于输电导线，使机器人可以稳定的向前运动。

机器人在线上不仅要能保证正常的行走，
而且要对基本的障碍物，如防震锤等物体进行顺利的跨越，所以越障
机构的设计也是必要的。

越障机构由两对齿轮齿条、
两对驱动电机组成。

在实际运动过程中，
遇到障碍物时，电机可驱动齿轮转动，带动齿条上下平移，
使得驱动轮也可上下平移。

通过这样的调整，可以确保机器人在越障的过程中，
驱动轮部分仍保持稳定的抓取和摩擦力，
同时也可以不被导电线路上的辅助元器件所妨碍。

为了提高除冰的效率，必须保证机器人单位时间内走过的路程s 要小于或等于除冰锤单位时间内所除掉覆冰的有效距离l 。

已知除冰锤1s 内除冰有效距离为32mm 。

现设定行走轮的直径Ф为40mm ，轮宽d=69mm ，槽宽d 1=40mm ，槽深d 2=18mm ，行走速度v=30mm/s 。

由于v=wr （1）则w=v r
=1.5rad/s （2）
又由w=2πn ，得到n=w 2π
=14.3r/min （3）
故驱动电机的转速为14.3r/min 。

2.4辅助固定夹爪机构
在机器人运行过程中，光靠驱动轮使整个机体固定在
输电导线上明显是不够稳定的，
当一个驱动轮进行越障时，机体与导线只有一个接触点，此时机体非常容易是去平衡导致倾斜或者掉落。

因此，提出一种辅助固定夹爪机构。

如图5所示，辅助固定夹爪机构由一对抓取杆组和由
电机带动的螺纹螺杆传动器组成。

两对杆组为四杆机构的变形且并联在一起。

当滑块正向运动时从动杆件向内收缩，同时其安装在铰链处的辅助轮也向内收缩，
辅助轮具有内凹的型面，可以与输电导线稳定结合，
即可保证整个
机构稳定的和输电导线相贴合。

图2
除冰机构
图3防冰机构图4驱动与越障机构
（b ）
双边整体
（a ）单边局部. All Rights Reserved.
2.5辅助平衡装置如图6所示，为保证机器人整体重心的处于输电线和机器人的中线位置且位于输电线下方，防止机构在运行过
程中发生倾覆和晃动，影响除冰效果，
在除冰机器人机架两边放置了不同质量的质量块，
并且对虚拟样机进行质量仿真，达到平衡效果。

2.6三维虚拟样机设计及工程图绘制
在对各分机构进行设计计算的基础上，设计了除冰
机器人的虚拟样机，
如图7所示。

3运动仿真
SolidWorks Motion 具有强大的动力求解器，在计算中
可考虑材料属性和质量及惯性，
对装配体进行精确模拟和运动单元的分析[11-12]。

利用SolidWorks Motion 功能对机器人辅助固定夹爪机构进行运动仿真，针对其理论模型进行
分析。

因为空间和设计要求，大部分运动零件由电机直接驱动，动力元件为电机，主动件选择为螺纹螺杆机构，由于辅
助固定夹爪机构是由两个并联的四杆机构组成，
则对每个部件进行运动仿真。

理论上来说，要使整个驱动过程平稳，应尽量使整个
机构保持平衡状态，故初步假定，
给予滑块一个稳定的速度V 平，使其做匀速直线运动，对其他构件的运动规律进行仿真分析。

已知公式：V 平=L 工T V 平=49mm 7s =7mm/s （4）
L 工：是一个区间内的指工作行程。

T ：一个工作周期。

首先对辅助长杆进行分析，
则其中辅助长杆的角位移变化如图8所示。

从辅助长杆的角速度变化如图9所示。

辅助长杆的角加速度变化如图10所示。

再对辅助短杆进行分析，则其中辅助短杆的角位移变化如图11所示。

辅助短杆的角速度变化如图12所示。

辅助短杆的角加速度变化如图13所示。

通过辅助长杆和辅助短杆角位移和角速度的变化曲线图，表明了辅助固定夹爪机构在越障时运动平稳性好，工作可靠。

4结语
在分析现有机器人设计理论和机械结构基础上，设计
了一款高压输电线路除冰防冰机器人。

机器人利用除冰棒惯性敲击进行除冰，采用防冰刷残余碎冰，
并将防冻液涂
刷至线路上预防结冰。

设计了辅助平衡机构确保机器人运
图6辅助平衡装置
图7除冰防冰机器人虚拟样机
图8辅助长杆角位移
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. All Rights Reserved.
行平稳，越障机构使机器人在工作中能跨越防震锤等障碍
物。

通过运动仿真表明，机器人运动稳定，工作可靠，设计
方案可行。

参考文献院
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图13辅助短杆角加速度
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4.14.34.4图10辅助长杆角加速度
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