高压输电线路除冰机器人的机构设计
高压线除冰机器人本体结构设计
１ 除 冰 机 器 人 的 总体 设计
机 器 人 是 一 个 复 杂 的 机 电一 体 化 系 统 。涉 及
到 机械 结构 、 自动控 制 、 通信 技 术 等多 个领 域 。 但
机 械 结 构 是 整 个 系 统 的基 础 ，也 是 制线 路上 的高
１ ３ ２ ０ ２ １ ）
赫
（ 北华 大 学 机 械 工程 学 院 ，吉林 吉林
摘
要 ：针 对 高 压 输 电 线 路 的 覆 冰情 况 ， 提 出 了一 种 线 路 除冰 机 器 人 ， 该 机 器 人 由行 走 机 构 、 越 障机构 、 除 冰
工具 、 传 动 系统 和 摄 像 系 统 组成 。 机 器人 利 用 固定 在 前 端 的 除 冰 砂 轮对 覆 冰 切 割 ， 而后除冰锤实现 １ ８ ０ ￣ 半 圆 形 往 复 运 动 对 剩余 覆 冰进 行 反 复 敲 打 清 除 ； 驱 动 轮 采 用 半 圆型 结 构 ， 适 应 一 定 范 围的 线 径 ， 为机 器人 提供 了稳 定
冰已成为 现实 。国外 的除冰机器人研发技术较为成 熟， 但 除冰机器人体积较为笨重 ． 成本较 高［ １ － ３ １ ． 而国 内的机器 人研发 处于实验室 阶段 针对 高压输 电线 的覆 冰情 况 ．本 文提 出了一
种 高效彻 底 、便捷 式 除冰机器 人 ，主要 由传动 机
构、 越 障机 构 、 除 冰机 构 、 行走 机 构 和摄像 机 构 组 成， 具有线 上 “ 行走” 功能 ， 能 够在一 条高压 电线 上 自动越 障完成各 线塔 间的除 冰工作 ，还能 检测 线
２ 除冰 机 器 人 的机 构 设 计
２ ． １ 传 动 机 构 的 设 计
一种新型输电线路除冰机器人的本体结构设计
参考文 献
ｌ Ｖ ｓＰ ＤＰ， ｃＣ ｎ ，ｔ １ ｌｃｒ ａ ａｈｎ ｓａｄｄ ｖ ｓ ｒｓｎ ａｄ Ｊ ａ ｈ ＤＳ ， ｅｇｅ ａ． ｅｔ ｃｌｍ ｃｉｅ ｎ ｒ ｅ： ｅｅ ｔ ｎ １ Ｅ ｉ ｉ ｐ
ｆ ｕｅ ］ ａ Ｊ Ｅｅｔ】ｃ ｎ ａｃ ｎ ｒ ｃ ０ ｄ ｓ ｉ ｐｉ ｔ ｎ ｕ ｒ ｃ ． ｒ ｔ ｙ １ ｒ ｅｈ ｉ ｌ ｏ ｆ ｅ ｅ ｎｎ ｕｔａＡ ｌ ａ ｏ ｓ ｔ ［ Ｂ ｉａ ： ｃＩ Ｉ ｔ ｃ ｅ ｎ Ｉ ｒｌｐ ｃ ｉ
集聚起来布满物体表面冻结成覆冰。 输电线路覆冰严重时会导致 效的除冰机器人 以替代人工进行导线除冰具有很好的应用前景
规定的转速下 ， 转够设定的圈数 ， 而停下来。 在检测的过程 中 ， 到后级 电路 的影响 。由于驱动 电路采用 Ｉ ２ ０ 由 Ｒ １ １驱动 Ｉ 采用 ｃ， 于是对正交编码盘某一相输出脉 冲进行 的双边沿检测 ， 以每转 Ｉ Ｆ ２ ０Ｍ Ｓ Ｅ Ｔ构成三相全控桥 ， 所 Ｒ Ｒ ２ Ｏ Ｆ Ｆ 运用二二导通方式 ， 使本设
一
圈有 １ ２ ０ ４个边沿触发 ， 即每转 Ｏ ５ ５２ ． １６ ５角度就 产生一个触 计的驱动能力＞ ２ ，２ 增大 了电机的转矩 。 ３ １ Ｖ ＞ Ａ， 实验结果表明 ： 本系统方案可行 ， 安全可靠 ， 简单实用 。
发信号 ， 能比较精确的确定 电机位置。 同样在实现这一功能的时
Байду номын сангаас
６ 周立功 ． ＭＣｒｘ －３ Ａ Ｒ ｏｔ－Ｍ 开发指南 ． 广州致远电子有限公司， ０． ｅ 中国 ２ ２ ０ 驱动 电路与微控制 电路也是隔离开来 ，微控制 电路不会受 ［］
第 ５期
输电线路除冰机器人除冰机构设计
第一章绪言1.1引言2008年1月，郴州市出现了连续近一个月的低温雨雪冰冻天气，遭受了历史罕见的冰雪灾害。
国家减灾委员会专家已定性为：“郴州发生的这次冰雪灾害，是世界上一次大面积、极端性气候事件，是江南地区持续时间最长的一次雨雪冰冻过程，影响地区的人口之多是世界罕见的”。
这次郴州冰灾造成中心城区正值春节期间停电、停水10多天，个别地方达到20多天，交通、通讯、电视均出现不同程度的中断，成为了一座与外界隔绝的“孤城”。
郴州成为我国南方冰雪灾害最严重的地区之一。
特别是电力系统遭受毁灭性重创，冰灾引起了倒塔,现场调查了2008年湖南冰灾期间≥220kV输电线路的受损情况,发现倒塔线路覆冰厚度主要集中在20～60mm,同时微地形和微气象造成覆冰加重和覆冰的不均匀性,档距、塔形等对线路倒塔也存在影响。
分析倒杆断线的形式认为覆冰太厚超过设计值、垂直荷载压垮和不平衡张力拉垮是造成线路倒塔。
专家解说，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以承受2-3倍的重量。
但如果下雨凇，可能会承受10-20倍的电线重量。
电线结冰，遇冷收缩，风吹引起震荡，就使电线不胜重荷而断裂。
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，维护工人的安全，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。
高压输电线主动防冰除冰机器人控制系统设计
㊀２０２１年３月第２４卷第３期电力大数据大数据专题㊀Ｆｅｂ.２０２１ꎬＶｏｌ.２４ꎬＮｏ.３ＰＯＷＥＲＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＢＩＧＤＡＴＡＢｉｇＤａｔａＳｐｅｃｉａｌＲｅｐｏｒｔｓ高压输电线主动防冰/除冰机器人控制系统设计庄红军１ꎬ彭赤２ꎬ陈友坤１ꎬ莫刚１ꎬ华强３ꎬ鲁彩江３(１.贵州电网有限责任公司毕节供电局ꎬ贵州毕节３３０００６ꎻ２.贵州电网有限责任公司ꎬ贵州贵阳５５０００２ꎻ３.西南交通大学机械工程学院机电测控系ꎬ四川成都６１００３６)摘㊀要:针对现有除冰机器人防冰功能不足和远程操控困难的问题ꎬ本文介绍了一种１１０ＫＶ高压输电线主动防冰/除冰机器人ꎬ提出了一种基于马氏距离的覆冰判断模型ꎮ设计了以地面监控端和机器人本体控制系统相结合的系统总体框架ꎮ地面监控端实现了对输电线路现场复杂环境的实时监测以及对机器人本体的远程控制ꎬ机器人本体控制系统实现了关节电机的联动控制ꎮ地面监控端简洁的可视化操作界面搭配机器人本体控制系统程序逻辑ꎬ不仅提高了机器人线上自主作业的能力ꎬ也增强了地面人员对机器人的远程调控能力ꎮ试验表明ꎬ系统响应速度快ꎬ具有较高的实时性㊁可靠性以及良好的人机交互性ꎬ提出的马氏距离覆冰判断模型预测覆冰准确性较高ꎬ机器人能较好地实现防冰除冰功能ꎮ关键词:输电线路ꎻ控制ꎻ机器人ꎻ防冰ꎻ除冰ꎻ覆冰预测文章编号:２０９６－４６３３(２０２１)０３－００３４－０８㊀㊀中图分类号:ＴＭ７５㊀文献标志码:Ｂ㊀㊀由于输电线上的覆冰和积雪ꎬ常引起线路舞动㊁烧伤㊁跳闸㊁断线㊁倒杆[１－２]㊁绝缘子闪络和通信中断等事故ꎬ给工农业生产和人民生活造成严重影响ꎮ而我国是输电线路覆冰最为严重的国家之一ꎬ线路冰害事故发生的概率也居世界前列ꎬ同时我国传统的除冰方式效率低㊁成本高ꎮ目前除冰机器人已经成为机器人研究领域的一大热点[３]ꎮ除冰机器人代替工人在高压线上作业ꎬ通过高效的方法除去线路的冰雪ꎬ对于保护我国电网的安全运行和电力工人的生命安全具有极其重要的现实意义ꎮ近年来除冰方法和技术发展很快ꎬ防冰方法和技术对监测系统和预警精度也要求很高ꎮ在输电线路覆冰之前做出预警ꎬ及时采取防冰措施ꎬ将覆冰 扼杀 于萌芽状态ꎬ不仅能减少输电线路大面积覆冰的可能ꎬ也将大大降低覆冰对输电线路的损害ꎬ为除冰工作争取更多的时间并且降低除冰的难度ꎮ要实现准确的覆冰预警ꎬ使机器人做出快速响应ꎬ离不开一个可靠的控制系统ꎮ因此ꎬ本文针对自主研制的１１０ＫＶ轻量化输电线路主动防冰/除冰机器人ꎬ设计了一种实时可靠ꎬ扩展性良好的控制系统ꎮ１㊀机器人本体结构本文设计的主动防冰/除冰机器人兼具防冰和除冰的双重功能ꎬ主要由传感器㊁防冰/除冰㊁行走㊁取电和控制等模块组成ꎬ其整体实物图如图１所示ꎮ主动防冰/除冰机器人的线上移动采用轮式结构ꎬ行走轮置于输电线上ꎬ下端设置有夹紧轮ꎬ主要起夹持作用ꎬ避免机器人在起大风时被吹翻而坠落ꎬ可以保证机器人在线上稳定地行走ꎮ机器人两端有弧形开口ꎬ方便机器人上下线ꎮ开口到靠近顶端位置ꎬ以降低重心ꎬ使机器人具有更好的稳定性ꎮ自取电装置置于两轮之间ꎬ底端设计有电气仓ꎬ用于放置微控制器以及各电气元件ꎮ机器人实时监测输电线路以及周边环境状态ꎬ在输电线覆冰前ꎬ闭合两端的除水刷ꎬ包裹输电线ꎬ通过机器人在线上的来回移动即可有效除去输电线上的雨凇㊁雾凇和湿雪等ꎬ从而达到防冰的目的ꎮ在导线进入覆冰状态后ꎬ启动除冰电机ꎬ下方的冰刀开始旋转破冰ꎮ冰刀架嵌入机器人本体ꎬ可以在一定范围内上下移动ꎬ便于调整机器人在上下坡时冰刀与输电线之间的距离ꎬ防止因自重引起的线路倾斜使除冰刀距离输电线太近而损４３㊀第３期庄红军ꎬ等:高压输电线主动防冰/除冰机器人控制系统设计坏输电线或距离太远而不能有效除冰ꎮ图１㊀机器人整体实物图Ｆｉｇ.１㊀Ｏｖｅｒａｌｌｐｈｙｓｉｃａｌｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ２㊀系统总体结构由于高压输电线路环境复杂[４]ꎬ为了保证机器人工作的安全性和稳定性ꎬ设计了机器人的地面监控端和机器人本体控制系统ꎬ它们之间采用４Ｇ通信ꎬ通信速度快且信息传递可靠ꎮ地面监控端属于管理决策层控制ꎬ监控端ＰＣ上装有组态软件ꎬ可以接收和储存传感器传回的各种气象参数以及图像信息ꎬ并通过算法处理后反馈给机器人本体控制系统ꎮ机器人本体控制系统是直接对电机的底层控制ꎬ以ＳＴＭ３２Ｆ４２７ＩＩＨ单片机为核心ꎬ根据传感器反馈信号控制各电机的联动ꎬ执行防冰㊁除冰作业ꎮ控制系统总体结构图如图２所示ꎮ图２㊀控制系统总体结构图Ｆｉｇ.２㊀Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ３㊀控制系统硬件设计３.１㊀主控制板选择除冰机器人活动关节众多ꎬ需要多路ＰＷＭ输出和Ｉ/Ｏ口控制输出ꎮ选用ＲｏｂｏＭａｓｔｅｒＡ型开发板ꎬ一款面向机器人ＤＩＹ的开源主控ꎮ主控芯片为ＳＴＭ３２Ｆ４２７１ＩＨ６ꎬ主频可高达１８０ＭＨｚꎬ静态功耗低ꎬ是一款高性能㊁高集成的工业与消费级芯片ꎮ同时拥有１４个定时器ꎬ１６路用户自定义ＰＷＭ输出接口以及２０个用户自定义Ｉ/Ｏ口ꎬ具有防反接和缓启动等多重保护ꎬ安全可靠ꎬ满足除冰机器人的功能需求ꎮ３.２㊀本体控制系统硬件结构本体控制系统由主控制板㊁供电系统㊁传感器㊁４Ｇ－ＲＴＵ以及各执行元件组成ꎬ执行元件包括继电器㊁驱动器以及所有关节电机ꎮ除冰机器人设备复杂ꎬ其驱动元件数量众多ꎬ包括２个行走电机(直流无刷电机ꎬ自带刹车功能)㊁２个除冰电机(轮毂电机)㊁２个除水电机(舵机)和５个关节电机(步进电机)在内的共１１个关节电机ꎬ电机在驱动器的驱动下完成关节规划动作ꎮ单片机控制相应的Ｉ/Ｏ端口控制电机的启停和正反转ꎬ电机转速由ＰＷＭ波输出不同大小的占空比调节ꎮ供电系统包括２４Ｖ直流电源和自取电装置ꎮ为保证机器人的持续作业ꎬ采用自取电装置对电源进行补充ꎮ自取电装置利用电磁感应原理ꎬ机器人在线上行走时切割高压线磁场生电ꎮ输电线路情况复杂ꎬ天气多变ꎬ采用此方法取电较太阳能取电更稳定ꎬ使机器人拥有了较强的续航能力ꎮ３.３㊀传感反馈部分设计自然状态下的导线覆冰形成与增长主要与气象条件及气象要素及其作用的时间累积长度有关[５]ꎮ因此ꎬ为了连续有效的监测各种气象要素以及周边导线实时画面[６]ꎬ除冰机器人上搭载了光栅ꎬ温度传感器ꎬ内外置摄像头ꎬ超声波微气象站以及电池监测装置ꎮ光栅置于机器人前ꎬ可精确测量导线覆冰厚度ꎬ以此为反馈调整机器人的行走速度和冰刀的转速ꎮ温度传感器位于机器人内部ꎬ用于测量导线温度ꎮ外置摄像头将图像信息传回监控端ꎬ地面监５３电力大数据第２４卷控人员可根据反馈的图像信息更加准确的控制机器人的线上作业ꎮ一般情况下通过控制继电器通断关闭它ꎬ以节约电量ꎮ内置摄像头备用ꎬ通常情况下处于休眠状态ꎮ在遇到覆冰严重ꎬ外置摄像头被冻住的情况下ꎬ控制丝杠电机转动ꎬ推开正前方小窗ꎬ下达指令唤醒即可代替外置摄像头传达图像信息ꎮ机载超声微波气象站相当于一个移动的小型气象观测站ꎬ可实时监测输电线周围的温湿度㊁风速风向㊁大气压力以及光照强度等气象参数ꎮ各传感器的相互配合ꎬ将气象参数ꎬ图片等重要环境信息通过４Ｇ－ＲＴＵ传回地面监端ꎬ经过算法处理后ꎬ根据反馈信息生成指令并传达给机器人ꎬ最好的发挥机器人的线上功能ꎮ４㊀控制系统软件设计４.１㊀覆冰预测模型防冰技术需结合气象监测预警系统使用ꎬ是在导线未覆冰前采取的一种措施[７]ꎮ目前提出的防冰技术有基于电容感应式厚度传感器等监测防冰[８]㊁基于灰度图像的边缘特征提取[９]以及预防性调度传输除冰[１０]等理论ꎬ但存在高耗能和可靠性等问题ꎮ为了很好地实现机器人的防冰功能ꎬ提出了基于马氏距离的覆冰预测判断模型[１１]ꎮ马氏距离不受量纲的影响ꎬ两点之间的马氏距离与原始数据的测量单位无关ꎮ它考虑到了各种特性之间的联系ꎬ并且是尺度无关的ꎬ排除了变量之间的相关性干扰ꎮ其数学定义如下:Ｘ和Ｙ是来自均值向量为μꎬ协方差矩阵为ð的总体Ｇ中的ｐ维样本ꎬ则总体内两点间的马氏距离定义为:ｄ２ＸꎬＹ()＝Ｘ－Ｙ()ᶄð－１Ｘ－Ｙ()(１)定义点Ｘ到总体Ｇ的马氏距离定义为ｄ２ＸꎬＧ()＝Ｘ－μ()ᶄð－１Ｘ－μ()(２)我国南方地区多以雨㊁雾凇覆冰为主[１２]ꎮ影响导线覆冰的气象因素主要有:空气温度㊁风速以及相对湿度等ꎮ根据架空输电线路的历史覆冰数据[１３]和覆冰机理分析ꎬ输电线路覆冰需要同时满足如下条件:(１)气温及输电线表面温度低于０ħꎬ一般－２０ħ~０ħꎻ(２)空气中相对湿度大于８５％ꎻ(３)导线附近风速在１~１０ｍ/ｓ之间ꎮ根据以上条件ꎬ可以建立输电线路覆冰定性判断的基本约束:㊀㊀㊀㊀－２０ɤｔａｉｒɤ０－２０ɤｔｗｉｒｅɤ０ＲＨȡ８５％１ɤｖɤ１０ìîíïïïïïï(３)式中ꎬｔａｉｒ表示大气温度ꎬ单位为摄氏度ꎬｔｗｉｒｅ表示导线表面温度ꎬ单位是摄氏度ꎬＲＨ是相对湿度ꎬｖ表示导线附近风速ꎬ单位为ｍ/ｓꎮ首先ꎬ我们将已有的２ｎ个输电线路历史覆冰数据随机均分为２组ꎮ一组数据用作对输电线路覆冰数据总体Ｇ的近似估计ꎬ另一组数据用作覆冰数据样本对总体Ｇ中心马氏距离的计算ꎬ用以覆冰数据与总体中心马氏距离的统计分析ꎮ设输电线路历史覆冰数据样本数据为Ｘｉ＝ＴｉꎬＨｉꎬＶｉ()ᶄꎬｉ＝１ꎬ２ꎬ ꎬ２ｎ(４)式中ꎬＸｉ为输电线路第ｉ个历史覆冰数据样本ꎻＴｉ为第ｉ个历史覆冰数据样本的温度值ħ()ꎻＨｉ为第ｉ个历史覆冰数据样本的相对湿度值ꎻＶｉ为第ｉ个历史覆冰数据样本的风速值ｍ/ｓ()ꎮ不妨取输电线路历史覆冰数据近似总体Ｇ为Ｇ＝Ｘ１ꎬＸ２ꎬ ꎬＸｎ{}(５)令μＴ＝１ｎðｎｉ＝１Ｔｉ(６)μＨ＝１ｎðｎｉ＝１Ｈｉ(７)μＶ＝１ｎðｎｉ＝１Ｖｉ(８)则近似总体Ｇ的均值向量μ为μ＝μＴꎬμＨꎬμＶ()ᶄ(９)协方差矩阵ð为６３㊀第３期庄红军ꎬ等:高压输电线主动防冰/除冰机器人控制系统设计ð＝１ｎ－１ðｎｉ＝１Ｔｉ－μＴ()２ðｎｉ＝１Ｔｉ－μＴ()Ｈｉ－μＨ()ðｎｉ＝１Ｔｉ－μＴ()Ｖｉ－μＶ()ðｎｉ＝１Ｈｉ－μＨ()Ｔｉ－μＴ()ðｎｉ＝１Ｈｉ－μＨ()２ðｎｉ＝１Ｈｉ－μＨ()Ｖｉ－μＶ()ðｎｉ＝１Ｖｉ－μＶ()Ｔｉ－μＴ()ðｎｉ＝１Ｖｉ－μＶ()Ｈｉ－μＨ()ðｎｉ＝１Ｖｉ－μＶ()２éëêêêêêêùûúúúúúú(１０)㊀㊀则对于任一样本点Ｘｉ＝ＴｉꎬＨｉꎬＶｉ()ᶄꎬｎ<ｉɤ２ｎꎬ与近似总体Ｇ的中心的马氏距离ｄＸꎬＧ()为ｄＸꎬＧ()＝㊀Ｘｉ－μ()ᶄð－１Ｘｉ－μ()(１１)４.２㊀确定覆冰预测判断阈值统计由气象参数组成的输电线历史覆冰数据样本点与总体间的马氏距离ꎬ确定防冰除冰机器人覆冰判断模型的判断阈值ꎬ即当样本点与总体马氏距离小于设定值时ꎬ则认为极可能发生覆冰ꎮ因此ꎬ选取贵州电网８条输电线路的一些具有明显覆冰特征的数据作为样本ꎬ用以确定马氏距离的判断阈值ꎮ其详细参数和模型计算马氏距离如表１所示ꎮ表１㊀样本马氏距离统计表Ｔａｂ.１㊀ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌｔａｂｌｅｏｆｓａｍｐｌｅＭａｈａｌａｎｏｂｉｓｄｉｓｔａｎｃｅ样本编号环境温度/ħ环境湿度/％环境风速/ｍ/ｓ覆冰厚度/ｍｍ马氏距离平方ｄ２ＸꎬＧ()２９００.７６.９１.３８－２７９１５.９３.３８－３８６０.３４.４０.８６－３８６１.９４.４０.８３－４９３０.６８.９１.６３－３９７０.３７.１３.０３－２９７６.８１３.５５.７８５９３２３.５４.１１－６９４１.７９.４３.０４－３８７１９.３０.５３－１９６０.３６.７２.１００９３０.５４.５０.９８１８０１.５５.５３.８２－２８４０.８５.７１.００－４９６０.５９.４２.８５－１９５０.３７.１１.６７由此次样本的马氏距离平方统计表得出ꎬ覆冰数据样本与覆冰数据总体的马氏距离平方都小于６ꎮ即㊀㊀ｆｄＸꎬＧ()()＝１ꎬｄ２ＸꎬＧ()<Ｄ０ꎬｄ２ＸꎬＧ()⩾Ｄ{式中ꎬｆｄＸꎬＧ()()为覆冰定性判断函数ꎬ１为覆冰ꎬ０为不覆冰ꎻｄ２ＸꎬＧ()为马氏距离平方ꎮＤ为马氏距离的覆冰判断阈值ꎬ这里取为６ꎮ为了使除冰机器人对覆冰判断更加灵敏ꎬ以适应更为恶劣的情况ꎬ将马氏距离平方的阈值在合理范围内进行扩大ꎬ取为６.５作为覆冰预测的判断阈值ꎮ为了验证覆冰判断阈值选取的合理性ꎬ选取了一些边界数据样本进行判断测试ꎮ如表２所示ꎮ表２㊀马氏距离阈值验证表Ｔａｂ.２㊀ＴｈｒｅｓｈｏｌｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｔａｂｌｅｏｆＭａｈａｌａｎｏｂｉｓｄｉｓｔａｎｃｅ样本编号环境温度/ħ环境湿度/％环境风速/ｍ/ｓ实际是否覆冰马氏距离平方ｄ２ＸꎬＧ()覆冰定性判断ｆ(ｄ(ＸꎬＧ))１７０５否２０.６３００８０１是３.１２１２９０１.５是１.１３１５９０１否４.２６１－５９０１是１.５７１－２７２０.７否９.０７０－２８０９.７否２４.６２０－１９０１.３是０.０５１从上表可以看出ꎬ覆冰判断模型能够判断准确大部分样本的覆冰情况ꎬ具有较高的准确性ꎮ基于上述覆冰预测模型ꎬ根据覆冰判断阈值设定输电线路覆冰预警区间ꎬ监控端根据传感器反馈气象参数ꎬ设定除冰任务等级ꎬ并下达相应的防冰除冰指令ꎮ７３电力大数据第２４卷图３㊀主程序运行流程图Ｆｉｇ.３㊀Ｒｕｎｎｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ４.３㊀程序流程整个机器人的主程序由ｋｅｉｌ５编写ꎬ时钟数㊁引脚使用以及底层驱动由ＳＴＭ３２ＣｕｂｅＭＸ进行图形化配置ꎮ主程序运行流程图如３ꎬ机器人挂于线上ꎬ始终保持更新事件轮询状态ꎬ机器人本体控制系统在接收到监控端发送来的指令后ꎬ首先判断设备地址ꎬ在地址和校验码都正确的情况下开始解析报文ꎬ然后执行相关子程序ꎮ如图４所示ꎬ机器人实时监测输电线路覆冰状态ꎬ覆冰预测算法在地面监控端运行ꎮ根据传感器所传回的温度㊁湿度㊁风速等气象参数值ꎬ运用已建立的覆冰等级模型[１４]ꎬ按此模型算出马氏距离后与预设阈值相比较ꎬ当传感器反馈数值的马氏距离达到防冰判断阈值时ꎬ系统会发出防冰预警[１５]ꎬ并给除冰机器人发送防冰指令ꎻ当反馈值处于除冰区间时则会给机器人发送除冰指令ꎻ否则机器人继续保持轮询状态ꎮ图４㊀防冰/除冰程序触发流程图Ｆｉｇ.４㊀Ｔｒｉｇｇｅｒｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒａｎｔｉ－ｉｃｉｎｇ/ｄｅｉｃｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ如图５所示为机器人底层控制流程ꎮ在解码监控端指令信息后ꎬ调用防冰/除冰子程序ꎬ启动防冰/除冰电机和行走电机ꎬ往指定方向移动进行防冰作业ꎬ机器人除冰初始行走速度和冰刀旋转速度根据除冰等级而定ꎬ采用模糊ＰＩＤ[１６－１７]控制调节ＰＷＭ输出占空比调节ꎮ当监测到电池需要充电的情况ꎬ则启动推杆电机ꎬ推动取电装置的左右两块半磁体闭合ꎬ进入充电模式ꎮ监测计监测到电池充满后ꎬ系统会发送指令ꎬ反向启动推杆ꎬ半磁体分开ꎬ充电完毕ꎮ８３㊀第３期庄红军ꎬ等:高压输电线主动防冰/除冰机器人控制系统设计图５㊀任务级指令运行流程图Ｆｉｇ.５㊀Ｒｕｎｎｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔｓｏｆｔａｓｋｌｅｖｅｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ４.４㊀监控界面设计地面监控端监控任务由组态王实现ꎬ由监测界面和控制界面组成ꎮ监测界面如图６所示ꎬ传感器传回的温湿度ꎬ大气压力等参数被直观地反映出来ꎬ以折线图的形式可以很容易看出气压㊁风向㊁雨量㊁温湿度㊁雨量等参数一段时间内的动态变化ꎬ实现了对现场环境的远程实时监控ꎮ图６㊀地面监控端监测界面Ｆｉｇ.６㊀Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｇｒｏｕｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌ图７所示为控制界面ꎬ界面正中为机器人模型图ꎬ点击图上对应位置按钮即可控制相应的关节电机ꎬ即可实现电机的单线程控制ꎬ通过点击下方的任务级指令栏按钮可实现电机的多机联动ꎮ电机的单线程和多机联动协调控制设计ꎬ使机器人可以同时完成多种动作而不相互冲突ꎬ提高了机器人的作业效率[１８－２１]ꎮ用户可以通过监控界面与机器人本体控制系统进行信息交换ꎬ随时向机器人本体发送控制指令ꎬ组态王与本体主控制板之间采用基于ＲＳ４８５的ｍｏｄｂｕｓ通信协议ꎬ该协议应用于电控领域ꎬ通信可靠ꎮ用户还可通过左上角的界面菜单在监测界面和控制界面之间任意切换ꎬ操作界面简单易懂的设计体现了良好的人机交互性ꎮ图７㊀地面监控端控制界面Ｆｉｇ.７㊀Ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｇｒｏｕｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌ结论本文设计的防冰/除冰机器人控制系统实现了对机器人的远程实时控制ꎮ地面监控端的设计减小了机器人本体系统的数据处理压力ꎬ增加了系统的可靠性ꎬ使机器人更好地适应复杂的输电线路作业环境ꎮ构建的覆冰预测模型ꎬ合理可靠ꎮ接下来将完善防冰/除冰预测模型ꎬ优化设定阈值ꎬ增强覆冰预测的准确性和提高机器人的智能程度ꎮ参考文献:[１]㊀殷蔚翎ꎬ黄良.基于倾角传感器及不同杆塔类型的输电线路覆冰监测研究[Ｊ].电力大数据ꎬ２０２０ꎬ２３(０１):１４－２０.ＹＩＮＷｅｉｌｉｎｇꎬＨＵＡＮＧＬｉａｎｇ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｃｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｍｏｔｉｏｎａｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓ９３电力大数据第２４卷ｏｆｐｏｗｅｒｔｏｗｅｒ[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＢｉｇＤａｔａꎬ２０２０ꎬ２３(０１):１４－２０.[２]㊀史天如ꎬ胡丹晖ꎬ周学明ꎬ等.冰风组合下输电线路塔线结构可靠度分析[Ｊ].南方电网技术ꎬ２０１９ꎬ１３(１０):８１－８６.ＳＨＩＴｉａｎｒｕꎬＨＵＤａｎｈｕｉꎬＺＨＯＵＸｕｅｍｉｎｇꎬｅｔａｌ.Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｏｗｅｒ￣ｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｕｎｄｅｒｃｏｍｂｉｎｅｄｉｃｅ￣ｗｉｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ.[Ｊ].ＳｏｕｔｈｅｒｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ１３(１０):８１－８６.[３]㊀崔彦彬ꎬ邹文珏.基于模糊小波网络的除冰机器人外观设计综合评价[Ｊ].包装工程ꎬ２０１８ꎬ３９(２０):１４６－１５１.ＣＵＩＹａｎｂｉｎꎬＺＯＵＷｅｎｊｕｅ.Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｄｅｉｃｉｎｇｒｏｂｏｔａｐｐｅａｒａｎｃｅｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙｗａｖｅｌｅｔｎｅｔｗｏｒｋ[Ｊ].ＰａｃｋａｇｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ３９(２０):１４６－１５１. [４]㊀ＡＧＡＲＷＡＬＳꎬＳＷＥＴＡＰＡＤＭＡＡꎬＰＡＮＩＧＲＡＨＩＣꎬｅｔａｌ.Ｆａｕｌｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓｆｏｒｏｎｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｏｄｅｒｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙꎬ２０１９ꎬ７(０３):６２１－６３２. [５]㊀庄文兵ꎬ祁创ꎬ王建ꎬ等.基于微气象监测的输电线路覆冰动态过程估计模型[Ｊ].电力系统保护与控制ꎬ２０１９ꎬ４７(１４):８７－９４.ＺＨＵＡＮＧＷｅｎｂｉｎｇꎬＱＩＣｈｕａｎｇꎬＷＡＮＧＪｉａｎꎬｅｔａｌ.Ｄｙｎａｍｉｃｉｃｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｂａｓｅｄｏｎｍｉｃｒｏｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２０１９ꎬ４７(１４):８７－９４.[６]㊀ＪＩＡＮＧＪＡꎬＷＡＮＧＪＣꎬＷＵＨＳꎬｅｔａｌ.ＡｎｏｖｅｌｓｅｎｓｏｒｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒａｎＩｏＴ－ｂａｓｅｄｐｏｗｅｒｇｒｉｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓＪｏｕｒｎａｌꎬ２０２０ꎬ７(０８):７７７３－７７８２.[７]㊀庄文兵ꎬ祁创ꎬ熊小伏ꎬ等.计及气象因素时间累积效应的输电线路覆冰预测[Ｊ].电力系统保护与控制ꎬ２０１９ꎬ４７(１７):６－１３.ＺＨＵＡＮＧＷｅｎｂｉｎｇꎬＱＩＣｈｕａｎｇꎬＸＩＯＮＧＸｉａｏｆｕꎬｅｔａｌ.Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｃｉｎｇｆｏｒｅｃａｓｔｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｔｉｍｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｆａｃｔｏｒｓ[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２０１９ꎬ４７(１７):６－１３.[８]㊀王勇ꎬ苗虹ꎬ莫思特ꎬ等.高压架空输电线路防冰㊁融冰㊁除冰技术研究综述[Ｊ].电力系统保护与控制ꎬ２０２０ꎬ４８(１８):１７８－１８７.ＷＡＮＦＹｏｎｇꎬＭＩＡＯＨｏｎｇꎬＭＯＳｉｔｅꎬｅｔａｌ.Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｎｔｉ￣ｉｃｅꎬｉｃｅｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｄｅ￣ｉｃｉｎｇｏｆｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｏｖｅｒｈｅａｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓ[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２０２０ꎬ４８(１８):１７８－１８７.[９]㊀唐宏伟ꎬ孙炜ꎬ张文洋ꎬ等.电力线除冰机器人基于粒子群优化的小波神经网络障碍物识别方法[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１７ꎬ５３(１３):５５－６３.ＴＡＮＧＨｏｎｇｗｅｉꎬＳＵＮＷｅｉꎬＺＨＡＮＧＷｅｎｙａｎｇꎬｅｔａｌ.Ｗａｖｅｌｅｔｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｏｂｓｔａｃｌｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅｄｅｉｃｉｎｇｒｏｂｏｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１７ꎬ５３(１３):５５－６３.[１０]ＪＡＦＡＲＩＳＨＩＡＤＥＨＦꎬＭＯＨＡＭＭＡＤＩＦꎬＳＡＨＲＡＥＩ－ＡＲＤＡＫＡＮＩＭ.Ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｄｉｓｐａｔｃｈｆｏｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｅ￣ｉｃｉｎｇ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓꎬ２０２０ꎬ３５(０５):４１０４－４１０７. [１１]ＮＥＺＨＡＤＳＨＯＫＯＵＨＩＭＭꎬＭＡＪＩＤＩＭＡꎬＲＡＳＯＯＬＺＡＤＥＧＡＮＡ.Ｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｆｅｃｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇｏｖｅｒ￣ｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＭａｈａｌａｎｏｂｉｓｄｉｓｔａｎｃｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｕｐｅｒｃｏｍｐｕｔｉｎｇꎬ２０２０ꎬ７６(０１):６０２－６３５.[１２]陈百炼ꎬ曹双和ꎬ李昊.雨雾淞导线覆冰理论模型数值模拟研究[Ｊ].电力大数据ꎬ２０１８ꎬ２１(０８):７３－８１.ＣＨＥＮＢａｉｌｉａｎꎬＣＡＯＳｈｕａｎｇｈｅꎬＬＩＨａｏ.Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｃｉｎｇｕｎｄｅｒｒｉｍｅａｎｄｇｌａｚｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＢｉｇＤａｔａꎬ２０１８ꎬ２１(０８):７３－８１.[１３]ＬＵＪＺꎬＬＩＬꎬＸＵＸＪꎬｅｔａｌ.ＡｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎｅｗｄａｔａｓｅｔｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｃｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｎｓｏｕｔｈｅｒｎＣｈｉｎａ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙａｎｄＣｌｉｍａｔｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ５８(０２):４１３－４２６.[１４]陈勇ꎬ李鹏ꎬ张忠军ꎬ等.基于ＰＣＡ－ＧＡ－ＬＳＳＶＭ的输电线路覆冰负荷在线预测模型[Ｊ].电力系统保护与控制ꎬ２０１９ꎬ４７(１０):１１０－１１９.ＣＨＥＮＹｏｎｇꎬＬＩＰｅｎｇꎬＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇｊｕｎꎬｅｔａｌ.ＯｎｌｉｎｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｃｉｎｇｌｏａｄｂａｓｅｄｏｎＰＣＡ－ＧＡ－ＬＳＳＶＭ[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２０１９ꎬ４７(１０):１１０－１１９.[１５]李伟ꎬ马佳ꎬ王世蓉ꎬ等.精细化气象要素下输电线路覆冰预测预警研究[Ｊ].电力大数据ꎬ２０１８ꎬ２１(０２):１－７.ＬＩＷｅｉꎬＭＡＪｉａꎬＷＡＮＧＳｈｉｒｏｎｇꎬｅｔａｌ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｗａｒｎｉｎｇｏｆｏｖｅｒｈｅａｄｌｉｎｅｉｃｉｎｇｕｎｄｅｒｒｅｆｉｎｅｄｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓ[Ｊ].ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＢｉｇＤａｔａꎬ２０１８ꎬ２１(０２):１－７. [１６]ＡＲＹＡＹ.ＡＧＣｏｆｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｕｌｔｉ－ａｒｅａｍｕｌｔｉ￣ｓｏｕｒｃｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓｖｉａｏｐｔｉｍａｌｆｒａｃｔｉｏｎａｌ￣ｏｒｄｅｒｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ[Ｊ].ＮｅｕｒａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ２０１９ꎬ３１(０３):８５１－８７２.[１７]ＶＡＮＭ.ＡｎｅｎｈａｎｃｅｄｒｏｂｕｓｔｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｔｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎａｎａｄａｐｔｉｖｅｆｕｚｚｙＰＩＤ－ｎｏｎｓｉｎｇｕｌａｒｆａｓｔｔｅｒｍｉｎａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｕｎｃｅｒｔａｉｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍｓ[Ｊ].ＩＥＥＥ－ＡＳＭＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓꎬ２０１８ꎬ２３(０３):１３６２－１３７１.[１８]ＡＲＹＡＹ.ＡＧＣｏｆｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｕｌｔｉ－ａｒｅａｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓｖｉａｏｐｔｉｍａｌｆｒａｃｔｉｏｎａｌ￣ｏｒｄｅｒｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ[Ｊ].ＮｅｕｒａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓꎬ０４㊀第３期庄红军ꎬ等:高压输电线主动防冰/除冰机器人控制系统设计２０１９ꎬ３１(０３):８５１－８７２.[１９]吴俊俊ꎬ宋刚ꎬ卢彬芳.基于粒子群优化算法的特高压输电线路覆冰不平衡张力计算[Ｊ].浙江电力ꎬ２０１９ꎬ３８(０３):５９－６４.ＷＵＪｕｎｊｕｎꎬＳＯＮＧＧａｎｇꎬＬＵＢｉｎｆａｎｇ.ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｕｎｂａｌａｎｃｅｄｔｅｎｓｉｏｎｏｆｉｃｅｄＵＨＶｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｂａｓｅｄｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ[Ｊ].ＺｈｅｊｉａｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒꎬ２０１９ꎬ３８(０３):５９－６４. [２０]王覃梅.用于融化输电线路初期覆冰的方法[Ｊ].云南电力技术ꎬ２０１８ꎬ４６(０２):８４－８８.ＷＵＨｏｎｇｆｅｉꎬＨＡＮＬｉｎｇｙｕｎꎬＬＩＧｕｏｂｉｎꎬｅｔａｌ.ＡＤｅｉｃｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｐｐｌｉｅｄｉｎｅａｒｌｙｓｔａｇｅｏｆｉｃｉｎｇｏｎｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ[Ｊ].ＹｕｎｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒꎬ２０１８ꎬ４６(０２):８４－８８.[２１]陈波ꎬ赵建坤ꎬ赵建利ꎬ等.架空输电线路覆冰在线监测系统的开发与应用[Ｊ].内蒙古电力技术ꎬ２０１８ꎬ３６(０４):１０－１４.ＣＨＥＮＢｏꎬＺＨＡＯＪｉａｎｋｕｎꎬＺＨＡＯＪｉａｎｌｉꎬｅｔａｌ.Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｃｉｎｇｏｎｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｏｖｅｒｈｅａｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｊ].ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒꎬ２０１８ꎬ３６(０４):１０－１４.作者简介:㊀㊀庄红军(１９８８)ꎬ男ꎬ本科ꎬ工程师ꎬ主要从事输电技术㊁电力机器人等方面的工作ꎮ(本文责任编辑:范㊀斌)Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｃｔｉｖｅａｎｔｉ－ｉｃｉｎｇ/ｄｅｉｃｉｎｇｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅＺＨＵＡＮＧＨｏｎｇｊｕｎ１ꎬＰＥＮＧＣｈｉ２ꎬＣＨＥＮＹｏｕｋｕｎ１ꎬＭＯＧａｎｇ１ꎬＨＵＡＱｉａｎｇ３ꎬＬＵＣａｉｊｉａｎｇ３(１.ＢｉｊｉｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＧｕｉｚｈｏｕＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｉｊｉｅ３３０００６ＧｕｉｚｈｏｕꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｕｉｚｈｏｕＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏ.ꎬＬｔｄ.Ｇｕｉｙａｎｇ５５０００２ＧｕｉｚｈｏｕꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００３６ＳｉｃｈｕａｎꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｔｉ－ｉｃｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｄｅｉｃｉｎｇｒｏｂｏｔｓꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｎａｃｔｉｖｅａｎｔｉ－ｉｃｉｎｇ/ｄｅｉｃｉｎｇｒｏｂｏｔｆｏｒ１１０ｋＶｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅꎬａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｎｉｃｉｎｇｊｕｄｇｍｅｎｔｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎＭａｈａｌａｎｏｂｉｓｄｉｓｔａｎｃｅ.Ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅｇｒｏｕｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌｗｉｔｈｔｈｅｒｏｂｏｔｂｏｄｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ.Ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅａｎｄｔｈｅｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｂｏｄｙ.Ｔｈｅｒｏｂｏｔｂｏｄｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｌｉｎｋａｇｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔｍｏｔｏｒ.Ｔｈｅｓｉｍｐｌｅｖｉｓｕａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｌｏｇｉｃｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｂｏｄｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｎｏｔｏｎｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｏｎｌｉｎｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔꎬｂｕｔａｌｓｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｐｅｒｓｏｎｎｅｌｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｒｏｂｏｔｒｅｍｏｔｅｌｙ.Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｈｉｇｈｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄꎬｈｉｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ.ＴｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄＭａ̓ｓｄｉｓｔａｎｃｅｉｃｅ－ｃｏｖｅｒｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｈａｓａｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｉｎｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｉｃｅ－ｃｏｖｅｒꎬａｎｄｔｈｅｒｏｂｏｔｃａｎｂｅｔｔｅｒａｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｎｔｉ－ｉｃｉｎｇａｎｄｄｅ－ｉｃｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅꎻｃｏｎｔｒｏｌꎻｒｏｂｏｔꎻｄｅｉｃｉｎｇꎻａｎｔｉ－ｉｃｉｎｇꎻｉｃｅｆｏｒｅｃａｓｔ１４。
高压电线除冰机器人机构设计（全套图纸）
高压电线除冰机器人机构设计（全套图纸）
毕业设计-高压电线除冰机器人机构设计（全套图纸）精品文档
摘要
机械式输电线除冰技术是利用传统的工具通过机构运动方式达到输电线除冰的目的。
由于机械式输电线除冰技术除冰效率高，操作简单，因此受到很多国家的重视，在国内也引起了极高的重视，尤其是各大院校和科研院所。
本文从输电线覆冰原理及其危害综合说明了输电线覆冰对人们生产生活的影响，提出了一种新的输电线除冰解决方案。
研发一款新式输电线除冰机。
本输电线除冰机主要由4部分组成，行走部分和除冰部分。
行走部分主要通过齿轮传动机构实现，除冰部分通过对滚刀具实现除冰。
关键词:输电线除冰机械式覆冰
Mechanical transmission line de-icing technology is used tools by body movements in traditional means to achieve the purpose of transmission line icing. The mechanical transmission line de-icing deicing technology, high efficiency, easy operation. Therefore, the attention by many countries, high in the country also attracted
1。
高压输电线除冰机越障机构机械设计
Ｉ Ｎ Ｔ Ｅ Ｌ ＬＧ Ｅ Ｎ Ｔ Ｒ Ｏ Ｂ Ｏ Ｔ ｒｑ／／）
《智能机器人 》Ａｐｒｉｌ．２０１８
输 Ｉ 线 除冰机 越 障机 构机械 没 汁
山东科技 大学 机械 电子工程学 院 王飞 孙超 王文林 张元坤
摘 要 ：高压输 电线 除冰机 是利 用传统 的工具通过 机构运动 方式达到输 电线除冰 的 目的。 由于机械式 除冰技 术效率 高，操作 简单 ，因此在 国内引起极 高的重视。输 电线路覆 冰会 出现 倒杆、线路跳 闸、断线 、通信 中断 等线路事故 ，这 密切关 系到 电网系统的安全运行和 国家经济。因此设计 出一 台高性 能的除冰机 器人 尤为重要 。 最终保证除冰机 器人 能在输 电线上 匀速 平稳 的运动 ，顺利地越过锤 线夹和防震锤 等障碍物 ，达到快速 、有效 、 全 方 位 无 死 角的 除 冰 效 果 。 关键字 ：除冰机 ；障碍 ；传动 ；高效
行走
电 机
减速
＞ 电 机
高压线除冰机器人本体结构设计
高压线除冰机器人本体结构设计作者：林坚磊刘文华陈雪侯智强宋赫来源：《宁波职业技术学院学报》2015年第02期摘要：针对高压输电线路的覆冰情况，提出了一种线路除冰机器人，该机器人由行走机构、越障机构、除冰工具、传动系统和摄像系统组成。
机器人利用固定在前端的除冰砂轮对覆冰切割，而后除冰锤实现180°半圆形往复运动对剩余覆冰进行反复敲打清除；驱动轮采用半圆型结构，适应一定范围的线径，为机器人提供了稳定性。
该机器人体积小，除冰效率高，可清除厚度为10～25 mm的覆冰。
关键词：高压线；机器人；除冰；结构设计中图分类号： TP 242 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）02-0063-040 引言随着机器人技术的发展，采用除冰机器人除冰已成为现实。
国外的除冰机器人研发技术较为成熟，但除冰机器人体积较为笨重，成本较高[1-3]，而国内的机器人研发处于实验室阶段。
针对高压输电线的覆冰情况，本文提出了一种高效彻底、便捷式除冰机器人，主要由传动机构、越障机构、除冰机构、行走机构和摄像机构组成，具有线上“行走”功能，能够在一条高压电线上自动越障完成各线塔间的除冰工作，还能检测线路破损状况。
1 除冰机器人的总体设计机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及到机械结构、自动控制、通信技术等多个领域，但机械结构是整个系统的基础，也是制约机器人实用化的最大障碍。
除冰机器人在输电线路上的高压线有一定坡度，能否平稳越过障碍物、彻底高效的除冰？本文设计了一种新型实用的高压输电线路除冰机器人，该机器人具有以下功能：（1）能在输电线上以预想速度平稳爬行；（2）具有上下坡越障功能；（3）具有防打滑功能；（4）行进速度与除冰速度保持相协调；（5）能够高效、彻底地除去输电线上的覆冰。
图1为除冰机器人的本体结构。
2 除冰机器人的机构设计2.1 传动机构的设计传动系统可以分为三条传动路线，如图2所示。
第一条：电机—花键轴—滑移齿轮—螺旋齿轮—皮带轮—除冰砂轮。
高压线除冰机器人设计
福州大学本科毕业设计（论文）开题报告题目轻量化高速过障超高压巡线除冰机器人设计院、系机械工程及自动化专业机械设计制造及其自动化学生姓名杨祥学号*********指导教师聂晓根2013年10 月28 日国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献通过这个课题的研究，能通过一种机械设备，较高效率的替代工作人员预防和除去因雨雪冰冻引起的线缆冰冻灾害，减轻工作人员的负担，保障电力设施的正常运行，降低电力公司的损失，保障人民生活的正常进行。
如今一些国家也在研究线缆除冰问题，不少国家在此领域也有不少成就，线缆除冰技术关系到人们生活中的各个方面，除了电力公司设备设施，工作人员的安全外，还关系到交通运输，生活用电等。
各种除冰技术及除冰方案也有所不同，目前国内外的除冰技术有30余种，常见的就有热力融冰法、机械除冰法、自然被动法和其他方法。
热力融冰法[1]就是利用电阻焦耳效应发热来融化线缆上的覆冰，具体操作方法为当供电线缆上的冰层达到一定厚度时，先停止供电，断开供电导线与两端设备的联接，在线路的一段用临时导线将结冰的供电导线联通，而在另一端接上除冰用的临时电源和滑动变阻器调节电流的大小，使供电导线的温度保持在一定的范围内。
已有的机械除冰法也有各种各样的机构形式：文献[架空高压输电线除冰机器人设计] [2]给出了一种由曲柄滑块机构组成，滑块沿轴线方向高速往复滑动，冲击头与滑块固接，带动冲击头敲打覆冰。
其冲击头构件零件图如图1所示：图1 敲打式除冰冲击头这种机构除冰方式可以用于不同厚度形状的覆冰，但由于覆冰在低温下具有粘性，冲击头破冰后，可能在电线上粘有一层薄冰层，可能会使得破冰不够彻底，且影响除冰效率。
文献[高压输电线上除冰机器人的系统设计] [3]提出了一种压轮推进方式除冰机构，该机器人除冰刀具如图2所示：图2 压轮推进式机器人刀具示意图该设计机体上的两个固定压轮骑挂在输电线上保持机体的平衡，机体的重心位于输电线下方，另两个动力压轮分别与两个固定压轮配合，当推动动压轮时, 动压轮向上抬升, 与固定压轮配合从上下夹紧输电线, 依靠压轮与输电线的摩擦获得前进的动力，机体前部的除冰机构呈圆柱形, 分为上下两个。
架空高压输电线除冰机器人设计
块机 构 ，滑块 沿轴线 方向高速 往复滑动 ， 冲击头与滑块 固接 ，带动 冲击头沿轴线 方 向以 １ Ｈｚ的频率敲打覆冰 。同时 ，发动 ５
引言
输 电 线 路 冬 季 因 受冰 雪 危 害 引起 的 供 电中断事故通常都是较严重的， 其修复难度 大、 周期 长 、 电面 积 广 、 响铁 路 交通 。 停 影 因
少 ，效 率 较 低 。 自然被动法 ：依靠风 、地球 引力、随 机 散射和温 度变化等 脱冰 的被动方法。该 方法无需附加 能量 ，但随机性 较大 ，不能 保证 可靠除冰 。
ｍ ｃｉ Ｔ ｅ ｒｂ ｔ ａ ｏ ｔ ｋ ｓ ａ ｖ ｎａ ｅ ｏ ａｈ ｅ ｎ ｈ ｏｏ ｌ ａ ｅ ｄ ａ ｔ ｇ ｆ ａ ３
热 力融 冰 法 ：利 用 电 流 电 阻 焦 耳 效 应 发 热 融 化 线 上 的 覆 冰 ，这 种 方 法 把 冰 融
２机器人行走模块 ．
资料显示 ，国内外高压线巡线机器人
的行走基本采用两种方式 步进蠕动式和轮
式 滚 行 式 。 进 蠕 动式 行 走速 度较 慢 ， 缆 步 线 与夹 紧块 比较 ， 直径 较 小 ， 步行 方 式 的稳 定
化 ，消耗 同样 的 能量 ，所 能 除的 覆冰 较
ｔ ｅ ｉ ａ ｄ ｎｕｅ ｈ ｓ ａ ｉｔ ｏ ｔ ｅ ｈ ｌｅ ｎ ｅ ｓｒ ｔｅ ｔ ｂｌｙ ｆ ｈ ｗｈ ｛ ｎ ｉ ｏｅ
性较高 ， 且具有跨越障碍的功能；轮式滚行 方式速度快 ， 但不平稳 。 本文设计的机器人 行走装置将两者的优点结合 。 三个带槽的轮 子紧紧地将输 电线缆夹紧， 既能达到所需行
ｐ ｐｒ ｗ ｒｍ ｔ ｎ ｅ ｆｃ￣ｅ ｗａ ｏ ｒｄｃ ｈ ａ ｅ ｍ ｐｏ ｏ ｅ ａ ｆｅ ｔ ｙ ｔ ｅ ｕｅ ｔｅ
高速过障超高压巡线除冰机器人设计
XX大学毕业设计(论文)超高压巡线除冰机器人所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业设计（论文）《超高压巡线除冰机器人》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：年月日摘要Abstract目录摘要 (III)Abstract (III)目录 ...................................................................................................................................... I V 第1章绪论 (1)1.1 课题研究意义 (1)1.2 除冰机器人研究现状 (1)1.3除冰设备发展趋势 (3)1.4 课题要求 (4)第2章超高压巡线除冰机器人总体方案设计 (6)2.1 工作原理 (6)2.2驱动方式选择 (6)2.3 传动方式选择 (7)2.4 行走方式选择 (7)2.5 除冰方式选择 (7)第3章绕线压紧传动机构设计 (9)3.1绕线电机的选择 (9)3.2 蜗杆传动设计计算 (9)3.2.1 选择蜗杆、蜗轮材料 (9)3.2.2 确定蜗杆头数Z1及蜗轮齿数Z2 (10)3.2.3 确定蜗杆蜗轮中心距a (10)3.2.4 蜗杆传动几何参数设计 (11)3.2.5 环面蜗轮蜗杆校核计算 (14)3.3 轴的设计 (15)3.3.1 轴的材料选择 (15)3.3.2 轴的结构设计 (16)3.3.3 轴承校核 (18)第4章机器人行走跨越障碍机构设计 (20)第5章其它机构设计 (24)4.1铣刀机构 (24)蜗轮蜗杆部的电机计算 (26)第6章数控硬件电路设计 (29)6.1硬件电路设计 (29)6.1.1 数控系统的硬件结构 (29)6.1.2 数控系统硬件电路的功能 (30)6.2关于各线路元件之间线路连接 (30)6.3关于电路原理图的一些说明 (31)总结与展望 (34)参考文献 (35)第1章绪论1.1 课题研究意义输电线路覆冰会经常造成线路跳闸、断线、倒杆、通信中断等线路事故，严重影响了电网系统的安全运行，对国家经济造成了巨大损失。
输电线路除冰机器人机械部分设计
输电线路除冰机器人机械部分设计随着冬季的到来，气温的逐渐降低，大型输电线路的安全运转也面临较大的挑战。
冰雪天气容易造成输电线路结冰，导致电力设施出现故障，给正常的生产生活带来诸多不便。
为了解决这一问题，研究人员提出了输电线路除冰机器人。
本文重点介绍输电线路除冰机器人的机械部分设计。
一、输电线路除冰机器人的作用传统的输电线路除冰工作主要是通过人工爬上塔杆，使用除冰器具进行除冰。
这种方式存在较高的危险性，不仅造成人手资源浪费，而且也无法保证工作效率和安全性。
输电线路除冰机器人的出现，则解决了这一问题。
除冰机器人采用自动化控制方式，能够直接上升塔杆，通过旋转刷子等方法完成除冰工作。
这不仅提高了工作效率，而且也能够保证工作人员的安全。
因此，输电线路除冰机器人成为了解决输电线路结冰问题的重要装置。
二、输电线路除冰机器人的机械部分设计输电线路除冰机器人机械部分设计的关键在于实现机器人的上升和旋转等动作。
机器人主要包括基座、动臂、机械手爪、除冰刷等部分。
接下来，将分别介绍这些部分的设计。
1. 基座基座是输电线路除冰机器人的重要组成部分，其不仅负责支撑整个机器人，同时也需要实现整个机器人的上升和下降动作。
基座设计应尽量轻巧，同时也能承受机器人自身重量。
通常采用金属制造，基座上设有马达和外壳，以便连接动臂和下一部分装置。
2. 动臂动臂是输电线路除冰机器人的另一重要组成部分，其主要任务是将机器人送到需要进行除冰的导线附近，动臂长度一般为2.5~3.5米之间。
机器人的上升和下降动作是动臂实现的，同时，动臂上也需要设定一些辅助装置，例如，温度和车速传感器，视觉设备等。
在动臂的设计中，应该考虑到动作执行精度和旋转等特殊要求。
3. 机械手爪机械手爪是输电线路除冰机器人的关键装置，其主要任务是用于搭载除冰刷和完成除冰工作。
手爪是由机器人动臂末端延伸的部分，应该能够灵活伸缩。
机械手爪设计需要注意的一个重要问题在于重量，应尽量减轻重量以提高机器人的运动性能。
高压输电线路除冰防冻机器人设计
收稿日期：2019-09-27基金项目：昆明理工大学科学研究基金项目（KKSY201220155）作者简介：谢晓全（1990-），男，昆明理工大学机电工程学院硕士研究生，研究方向为复杂机电系统设计；张晓龙（1976-），男，博士，昆明理工大学机电工程学院副教授、硕士生导师，研究方向为可靠性工程以及生产过程物流优化。
本文通讯作者：张晓龙。
0引言包括我国在内的世界上很多国家都经常发生高压输电线路冰灾事故［1-4］。
2008年初，冰冻事故给中国西南方人民生产生活带来了深重影响，其中南方电网损失极其严重，中国西南地区高原山区高压输电线遭受到大量覆冰侵害而造成高压线塔倒塌、线路短路，供电工作受到了前所未有的挑战。
与此同时，国外包括美国、日本等发达国家在内的很多国家都受到了冰灾事故的严重侵害，线路覆冰已成为亟待解决的问题［5］。
高压线路除冰技术包括热力法融冰、机械法破冰、被动除冰等3类［6-7］，其中机械除冰法具有安全性高、无伤亡、不需转移负荷和停电的特点而被广泛采用。
日本东京技术大学Debenest ［8］等设计了一款输电线路自动巡线机器人Expliner ，该机器人可实现远程无线操控，在执行巡检任务时可通过调节平衡位置以调节重心，保证机器人行走平稳，但该机器无法完成防冻喷涂工作；中科院沈阳自动化研究所（SIACAS ）肖时雨等［9］设计了四臂巡检机器人，该机器人采用尺蠖爬行的行进方式，可以实现越障功能，但该机器人过于笨重，行走不够灵活；加拿大魁北克Quebec 研究院的Toth ［10］等研制了输电线路巡线装置Line Scout Mo⁃高压输电线路除冰防冻机器人设计谢晓全，张晓龙，梁文凯，杨磊青，高鹏（昆明理工大学机电工程学院，云南昆明650500）摘要：为了解决我国西南山区高压输电线路覆冰问题，在总结和分析国内外现有除冰技术基础上，以强力除冰、有效防冰为目标，提出“除冰为主，除防结合”的新型除冰、防冰理念。
电线除冰机器人机构分析与设计
当前全球气候变化异常,冻雨天气也是时常有可能发生。
由于建造的有些高压输电设施在设计时并没有考虑严重恶劣天气的影响,不能保证有足够的强度,因此,利用电线除冰机器人除去附着的冰块,来弥补输电设施的强度不足问题,是一种可行的方法。
1.功能分析机器人的总功能由以下几个功能单元组成:(1)能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行;根据实际线路的要求,在线行走速度为1m/s 。
(2)能除去附着在电线上的冰块,行走一次至少除去一半以上的附冰。
(3)能够跨越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔和跳线等障碍。
(4)具有一定的爬坡能力;根据输电线路的实际情况,其最大坡度出现在山谷到山顶两塔杆之间,坡度为55°。
但是由于杆塔附近跳线与耐张线夹之间角度要大于此值,因此确定机器人的最大爬坡角度为75°。
(5)在故障情况下有可靠的自保安措施,防止机器人摔落。
提供足够的空间安装携带电源等。
机器人功能目标的约束条件为:(1)外形:机器人的外形尺寸不得大于500mm *1000mm *2000mm 。
(2)运动:要求机器人在输电线路行走时要快速、稳定、安全、可靠。
(3)重量:根据线路承载的要求,机器人重量越小越好,规定重量≤50kg 。
(4)机器人承载重量≥7kg ,主要是能够携带电源等。
2.功能原理设计在上述机器人的功能目标中,在线行走、除冰和越障是电线除冰机器人机构设计的关键功能。
由于机器人在行走、除冰和越障时既要保证机器人姿态平稳,又要保持与其它导线和杆塔金属部件及拉线的安全间距,并且还要容易控制。
2.1行走功能机器人的在线行走可以考虑用轮子压着钢索前行,这跟地面行走类似,只不过地面行走时只需要一个轮子靠重力压住地面即可,而在线行走则需要一对轮子在同一个地方沿相反的方向同时压住钢索才能前进。
为保持平衡,机器人重心应该在钢索下面,起到圆周定向的功能。
也可以从仿生的观点出发,模仿人在钢丝行走的方式,可采用机器人主体悬挂在钢索上,用机械手交替握住钢索前行。
浅析高压输电线路除冰防冻机器人设计
浅析高压输电线路除冰防冻机器人设计摘要 :高压输电线路除冰防冻机器人它是通过分析高压输电线路巡检工作的特点与高压输电线路巡检机器人的发展现状及趋势相结合的一种新型高压线路除冰技术，本文主要介绍除冰防冻机器人的功能结构以及设计方法，实现机器人完成高压输电线路覆冰去除，解决电力发展中的障碍性问题，为我国的电力发展提供更好的保障。
关键词:高压输电线路；除冰机器人引言随着我国的科学技术飞速进步，各项各业的先进科技为我国的经济发展提供了很大帮助。
经济的快速发展，电力工程的大力发展，超高容量的输电线路建设越来越多，而电线线路的路径也越来越复杂，大多为地形复杂，环境恶劣的地域，这为输电线路后期的维护工作带了很多的困难，并且我国的南北地域差异较大，南方大部分多为山区，这也导致在严冬时期我国的这些地区出现架空输电线路覆冰，给架空输电运输带来一定的损坏，更严重的造成电网结构破坏，安全运行严重受到威胁。
也正是由于环境恶劣导致线路维修人员不能顺利的工作，通常情况下维护人员只能通过使用绝缘棒去清除电线上的覆冰，并且这样的方式还有很大的危险性。
根据国外数据表明，一些国家的地理情况与我国的情况类似，为了保证电力系统运行的可靠性，提高高压输电线路的除冰效率，开发出一种可以替代人工作业的除冰设备，而这套设备也是我国着重研究的热点。
因此，加强研制安全有效的除冰机械设备对我国的电力发展有着重要意义。
1 浅析高压输电线路除冰机器人的基本概念机器人它是一个较为复杂的机电一体化系统，通过应用先进的计算机技术，将机械结构，通信，自动控制，捕捉等多项技术领域进行融合，但机械结构是整个设备的系统基础，也是目前机器人制造的最大障碍。
基于这种情况，科技人员研发出了一种新型实用的高压输电线路除冰机器人，并且具有以下几点功能；其一能够在高压输电线路上以预想的速度进行稳定攀爬；其二整个机械结构具有一定的爬坡能力；其三能够很好的跨越高压输电线路上的线夹，绝缘子等相关障碍物体；其四能够有效的去除高压输电线上覆盖的冰雪。
机械高压线除冰机器人设计
摘要：随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人已成为制造加工行业必不可少的关键设备，机器人可以分为工业机器人和特种机器人两大类，工业机器人通常应用于制造加工行业，实现工业自动化，多为关节机器人和多自由度机器手；而特种机器人则被广泛应用于各行各业，几乎遍布除工业外的其他领域，包括服务机器人、军用机器人、农业机器人等等，除冰机器人作为特种机器人的一种，它的出现不但代替了电力工人的现场实际作业，提高高压线除冰的工作效率，而且利用除冰机器人可以大量节省人力成本，这就使得除冰机器人的研究工作更加有现实意义。
除冰机器人相比其他特种机器人，结构更加简单，使用起来更加方便。
其整体结构分为行走机构和除冰机构两大块，行走机构的方式多种多样，有腿式行走机构，轮式行走机构，选择何种行走方式决定了除冰机器人的工作效率和质量。
本篇论文中提出了一种结构巧妙、机动性好、稳定性能高的机械除冰机器人设计方案，本方案对除冰机器人技术进行深入分析研究，其工作原理是：利用行走电动机驱动行走轮转动从而带动整个除冰机器人向前行走，利用除冰电动机带动除冰刀转动实现除冰机器人在高压电线上自动巡线除冰的目的。
除冰机器人作为一种新型的特种机器人，对此进一步的研究也是不能忽视的。
关键词：机器人；除冰机器人；除冰刀AbstractWith the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into industrial robots and special robots two categories, Robots are often used in the manufacturing and processing industry, to achieve industrial automation, mostly joint robots and multi-degree of freedom of the robot; and special robots are widely used in all walks of life, almost all over the industrial areas, including service robots, military robots , Agricultural robots, etc., deicing robot as a special kind of robot, it does not only replace the appearance of the actual work of electric workers to improve the efficiency of high-pressure line de-icing, and the use of de-icing robots can save a lot of human costs, Making the de-icing robot research work more practical significance.De-icing robot compared to other special robots, the structure is more simple, more convenient to use. Its overall structure is divided into walking and deicing mechanism two blocks, walking a variety of ways, there are leg-like walking institutions, wheeled walking agencies, choose what way to walk the decision of the de-icing robot's work efficiency and quality. In this paper, we propose a deodorant robot design scheme with good structure, good maneuverability and high stability. The scheme is based on the deep analysis of deering robot technology. The working principle is that the traveling motor is used to drive the running wheel Driving the entire de-icing robot to move forward, the use of de-icing motor to promote the removal of the ice knife to achieve de-icing robot in the high-voltage wire automatically patrol line deicing purposes. De-icing robot as a new type of special robot, this further study can not be ignored. Keywords: robot，Deicing robot, In addition to skateboarding目录Abstract (II)目录 (III)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2除冰机器人的发展概况 (1)1.3 Solidwork软件的介绍 (2)1.4 有限元分析的介绍 (3)1.5 课题研究的意义及目的 (4)第二章机械除冰机器人的设计 (5)2.1 机械除冰机器人的设计要求 (5)2.2机械除冰机器人的设计概述 (6)机械除冰机器人与其他类型除冰机器人原理的对比 (6)2.2.2机械除冰机器人与其他类型除冰机器人特点的对比 (8)机械除冰机器人的设计参数 (8)2.3机械除冰机器人的具体设计 (8)机器人底座结构设计 (9)行走电动机的设计与选型 (9)减速器齿轮的设计 (11)2.3.1.3齿轮齿数的选择....................................................................................... 错误!未定义书签。
输电线路除冰机器人竖直摆臂机构研究
输电线路除冰机器人竖直摆臂机构研究曹冲振;庄佳兰;王吉岱;王凤芹;梁程;张玲玲【摘要】研制除冰机器人代替人工方法进行导线除冰具有重要的应用前景.分析了除冰机器人前(后)臂运动特点,得到竖直摆臂机构的设计要求.根据竖直摆臂机构设计要求,采用四杆机构实现竖直摆臂运动.基于四杆机构的封闭性,应用解析法进行了四杆机构的机构综合,并用实例说明其应用.除冰机器人实验样机验证了四杆机构综合方法是正确的,四杆机构式竖直摆臂机构满足机器人的运动所有要求.%Deicing robot is more prospective than the manual in transmission line deicing.The design requirements of vertical swing arm device were got by analyzing motion characteristics of deicing robot fore arm (rear arm).According to motion requirements of the vertical swing arm device, a four-bar mechanism was adopted to achieve its swinging motion.Based on closeness of four-bar mechanism, a synthesis of vertical swing arm device was implemented by analyzing,and an example was used to explain its application. Deicing robot experimental prototype proved that the vertical swing arm device meet the motion require- ments of deicing robot.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】3页(P151-153)【关键词】除冰机器人;竖直摆臂机构;四杆机构【作者】曹冲振;庄佳兰;王吉岱;王凤芹;梁程;张玲玲【作者单位】山东科技大学机械电子工程学院,青岛266510;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266510;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266510;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266510;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266510;山东科技大学机械电子工程学院,青岛266510【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言我国是世界上输电线路覆冰最为严重的国家之一[1]。
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第30卷 第6期2008年12月三峡大学学报(自然科学版)J of China Three G orges Univ.(Natural Sciences )Vol 130No.6Dec 12008收稿日期:2008208223通讯作者:张 屹(1976-),男,副教授,博士后,主要研究方向为机电系统现代设计方法.高压输电线路除冰机器人的机构设计张 屹 邵 威 高虹亮 罗 成 杨 旸(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002)摘要:在分析高压输电线路巡检工作的特点和国内外高压输电线路巡线机器人的发展现状和发展趋势的基础上,结合高压输电线路上覆冰的去除方法,主要介绍了设计的一种新型的高压输电线路除冰机器人.该机器人结构简单,可以在输电线上稳定地行走,能够较好地解决自主越障的问题,完成输电线上的除冰任务,具有广泛的应用前景.关键词:除冰机器人; 输电线路; 越障; 除冰中图分类号:T H112 文献标识码:A 文章编号:16722948X (2008)0620069204Mechanical Design of a Robot for Deicing T ransmission LinesZhang Y i Shao Wei Gao Hongliang L uo Cheng Yang Yang(College of Mechanical &Material Engineering ,China Three G orges U niv.,Y ichang 443002,China )Abstract A new robot for t ransmission lines deicing is designed ,based on analyzing t he characters of trans 2mission lines inspection and t he advance of t he robot for inspection of t ransmission lines at home and abroad ;and deicing combining t he met hods of t ransmission lines.The frame of t his robot is very simple.It can walk on t he t ransmission lines ,and solve t he p roblem of spanning t he barrier it self better ,and complete t he deicing task basically.The robot has a broad p rospect of application.K eyw ords deicing robot ; t ransmission lines ; spanning t he barriers ; deicing 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[1].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,维护工人的安全,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.文章提出的除冰机器人即为一种既安全又有效的除冰装置.1 高压输电线路除冰机器人的机构介绍机器人是一个复杂的机电一体化系统,涉及到机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域.但机械结构是整个系统的基础,也是目前制约机器人实用化的最大障碍.针对这种情况设计了一种新型的实用的高压输电线路除冰机器人,它具有以下一些功能:(1)能在输电线上以预想的速度进行平稳爬行;(2)具有一定的爬坡能力;(3)能够跨越输电线上的防震锤,线夹,绝缘子等障碍物;(4)能够除去输电线上的冰雪.机器人的参数如下:机器人的体积为600mm ×328mm ×526mm (长×宽×高);重量约为15kg ;平稳爬行的速度约为375m/h.机器人的机械结构主要包括平稳爬行机构、越障机构和除冰机构,其总体图如图1所示.图1 机器人的总体图1.1 平稳爬行机构的设计为了使机器人的前行速度达到最快,且前行平稳,此机器人采用行走轮式机构,如图1中的平稳爬行机构.1.2 越障机构的设计机器人的越障机构主要由行走箱机构、升降箱机构、夹紧机构和旋转机构组成.(1)行走箱机构.机器人行走箱机构行走方式的构思来自蠕虫的行走方式.其主要由左、右行走箱机构以及行走螺杆和螺母组成,如图2所示.图2 行走箱机构(2)升降箱机构[2].机器人的升降方式也采用螺杆驱动机构升降的方式.升降箱机构的主要组成为上箱机构和下箱机构以及升降螺杆和螺母组成,如图3所示.(3)夹紧机构[3].夹紧机构的夹紧夹图如图4所示,1为滑槽,升降机构上箱上的伸出轴便在其中滑动,2为轴孔,升降箱下箱机构的伸出轴便从中穿入,而轴便带动夹紧夹在升降箱上箱机构的槽中上下滑动,从而带动夹紧夹顺、逆时针旋转,3为半圆形槽,当夹紧夹到达死点位置时,便夹紧导线.夹紧夹的作用是夹紧导线,其运动方式的简图如图6和图7所示.夹紧夹的松开状态如图5所示,夹紧夹的夹紧状态如图6所示.夹紧夹将导线夹紧,便可保证机器人在越障时不会发生径向和轴向侧翻.(4)旋转机构.旋转机构采用的是一对齿轮的传动,齿轮安装在行走箱机构的行走箱内,如图7所示.1为大齿轮,以键连接的方式与2相连,2为箱座与升降机构的连接,它的作用是将升降机构和箱座连接,3为小齿轮,它靠驱动电机4驱动,4为小齿轮的驱动电机,5为螺母,6为插销,5和6的作用是托住行走箱.当小齿轮旋转时,带动大齿轮的旋转,而大齿轮则通过2带动升降箱机构与除冰机构的旋转.1.3 除冰机构的设计目前国内外已经研究出许多种除冰的方法[4],但是有许多在目前都只是提出,并没有实现.所设计的高压输电线路除冰机器人是在对巡线机器人作设计的基础上添加除冰装置,既可以巡线也可以除冰,结构比较简单,而且效率比较高.所设计的除冰机构分为两个部分,即铣刀部分与楔形块部分.先利用铣刀1从覆冰的中间铣出一条裂缝,覆冰的其它部分便会裂开,其后的楔形块4再对覆冰进行挤压,覆冰便会07三峡大学学报(自然科学版) 2008年12月被挤压掉,导线的除冰便完成.如图8所示.1.铣刀;2.联轴器;3.电机;4.楔形块;5.螺纹孔图8 除冰机构机器人跨越悬垂绝缘子等障碍物时一只手臂悬空,另一只手臂越过绝缘子,而此时障碍物另一侧导线上的覆冰未清除,轮子和铣刀处于一个平面上面,这样就会造成轮子无法在电线上落脚的情况.基于这种情况的考虑,提出了第2套除冰方案.具体示意图如图9所示,采用2个铣刀,其中铣刀中心线和导线中心线垂直,在无障碍物时和上面的除冰装置类似,铣刀电机驱动铣刀旋转除导线两侧面的覆冰,后面的楔形块在机器向前行走的推力作用下可以破碎铣刀未清除的覆冰.当遇到悬垂线夹这样的障碍物时,首先还是行走电机停机,然后启动驱动螺杆运动的电机,使电极正转,在螺杆转动下带动与螺母相连的楔形块以及前面的铣刀一起向前推进,直到将通过悬垂线夹并且将线夹前面的覆冰除掉,直到当一只手臂越障后轮子可以落到导线上面为止.当除完该段覆冰后,螺杆电机反转将刚前进的装置收回,然后再进行如上述的越障动作.图9 第2套方案除冰机构2 高压输电线路除冰机器人的运动过程此机器人采用双臂结构,这样可以满足其在行走时的稳定性,并且在双臂的配合下可以完成相应的姿态调整以完成各种障碍的跨越和除冰[5].机器人的整体机构的三维图如图10所示,由于此机器人的驱动靠的是电机的驱动,因此叙述其运动过程将以电机为线路对整体机构的运动过程作阐述.图10 整体图为了使运动过程分析起来简单,下面将采用机器人的结构简图作分析,机器人的结构简图如图11所示.由于两边机构基本对称,故下面简图只对一边作了运动方式的标注.1.行走箱螺杆驱动电机;2.行走箱螺杆;3、14.旋转机构;4、11.升降箱机构;5、12.夹紧夹;6、11.除冰机构;7、10.螺杆;8、9.行走轮.图11 整体图的简化图而若要完成基本的行走运动、相应的障碍跨越和除冰,那么机器人将要有以下基本的运动形式来互相配合完成基本的行走运动、相应的障碍跨越和除冰.(1)行走运动.双臂依靠8和9前后行走轮,可以在输电上行走,来完成除冰的任务.(2)旋转运动.升降箱机构和除冰机构的整体旋转可以依靠3和14各自的齿轮组旋转来完成.在此机器人中,只需要旋转180°即可.(3)升降运动.机器人的升降可以依靠4和13中各自的螺杆和螺母的相对运动来完成.(4)夹紧运动.夹紧运动不需要电机的驱动来完成,上面已介绍过当4和13升降机构进行升降运动时会带动夹紧夹夹紧或松开输电线.(5)移行运动.当除冰机构采用的是图9的除冰机构时,铣刀的伸出与缩回运动需要依靠7和10的螺杆与螺母的相对运动来完成.由于在输电线上存在多种障碍物,故只对其中一种典型的障碍物防震锤作跨越演示,具体步骤如下.第1步:当前臂接近防震锤时,电机1,2停止,行走轮8和9停止前进,电机5和6打开,前后臂的升17第30卷 第6期 张 屹等 高压输电线路除冰机器人的机构设计降螺杆顺时针旋转,带动升降箱下箱和行走箱一起上升,夹紧夹5顺时针旋转和夹紧夹12逆时针旋转,当俩夹紧夹夹紧输电线时,电机5和6关闭.采用第2套除冰机构,打开除冰机构的驱动电机,通过冰刀在伸出和缩回的过程中,将防震锤后方输电线上的一段冰除去,以便前臂的行走轮8安放.如图12所示.第2步:前臂的电机5打开,前臂的升降螺杆顺时针旋转,由于后臂的夹紧夹12已将输电线夹紧,前臂中固定在上箱中的螺母向上运动,螺母带动上箱和除冰机构、行走轮向上运动,此时夹紧夹5顺时针旋转,当夹紧夹夹紧输电线时,此时将电机5关闭.打开前臂旋转机构的小齿轮驱动电机7,小齿轮带动大齿轮旋转,当大齿轮逆时针旋转180°后,关闭电机7.打开行走箱行走螺杆的驱动电机9,由于后臂的夹紧夹12将输电线夹紧,故前臂便在行走螺杆和螺母的相对移动下前进,当移动到防震锤后方的不远处,关闭电机9.如图13所示.第3步:打开前臂旋转机构小齿轮驱动电机7,小齿轮带动大齿轮旋转,当大齿轮顺时针旋转180°后,关闭电机7.前臂的电机5打开,前臂的升降螺杆逆时针旋转,升降箱和除冰机构下降,当夹紧夹5将输电线夹紧时,关闭电机5,此时前臂便跃过防震锤.如图14所示.图14 前臂完全落在防震锤另一侧输电线上 第4步:后臂如同前臂过防震锤一样跨越,机器人便恢复到跨越防震锤前的情况.如图15所示.图15 双臂都越过防震锤3 结 论以上所述为高压输电线路除冰机器人机械部分的设计,该机器人为在高压线上自动智能化的作业提供了一个良好的平台,同时该机器人在未结冰季节可以将前面的除冰装置卸掉而换为巡线装置,这样就变成了巡线机器人,达到一机多用的目的.该机器人采用两手臂轮式行走结构,使结构上更为简便,控制上更容易实现,巧妙的线夹装置和仿尺蠖越障行走的方式使得该机器人的的可靠性更高.通过仿真实验表明,该机器人可以在线路上稳定的除冰,同时完全解决了直线段的自主越障问题,变路径自主越障还需要人工辅助,基本上能够较好地完成规定的除冰任务.参考文献:[1] 张运楚,梁自泽,谭 民.架空电力线路巡线机器人的研究综述[J ].机器人,2004,26(5):4672473.[2] 吴俊飞,王新智,姜生元,等.高压线检测机器人吊臂式越障机构的研制[J ].机器人技术,2006(11):35236.[3] 朱兴龙,王洪光,房立金,等.一种自主越障巡检机器人行走夹持机构[J ].机械设计,2006,23(8):11213.[4] 苑吉河,蒋兴良,易 辉,等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状[J ].高电压技术,2004,30(1):629.[5] 耿 欣,周延泽.巡线机器人的爬行方案设计[J ].机器人技术与应用,2002(4):19221.[责任编辑 张 莉]27三峡大学学报(自然科学版) 2008年12月。