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摘 要： 摘要：基于高壓輸電線路巡線機器人的研究，結合高壓輸電線路上覆冰的去除方法，設計了一種新型的高壓輸電線路除冰機器人。采用 ADAMS軟件對該機器人進行了運動學、動力學分析及仿真。結果表明，該機器人能在輸電線上穩定地行走，并能較好地解決自主越障的問題，可完成
摘要：基于高壓輸電線路巡線機器人的研究，結合高壓輸電線路上覆冰的去除方法，設計了一種新型的高壓輸電線路除冰機器人。采用 ADAMS軟件對該機器人進行了運動學、動力學分析及仿真。結果表明，該機器人能在輸電線上穩定地行走，并能較好地解決自主越障的問題，可完成輸電線上的除冰任務。
關鍵詞：架空輸電線路;除冰機器人;越障;運動學;動力學;仿真
近年來，在俄羅斯、加拿大、美國、日本、英國、芬蘭、冰島和中國等眾多國家，由于輸電線路上的覆冰和積雪常引起線路跳閘、斷線、倒桿、絕緣子閃絡和通信中斷等事故，造成了巨大的經濟損失。因此，研制安全有效的輸電線路除冰機械以代替人工除冰對保護電網的安全運行和減少人員傷亡均具有重要的現實意義。目前，國內關于此方面的研究較少，主要由山東電力研究院在做相關的研究，但并無成熟的樣機出現，國際有關機構雖在此方面進行了試驗研究，但離實用化尚有很大距離。鑒此，本文基于高壓輸電線路巡線機器人的研究[1]，自主研制了一種穩定性好、工作效率高的雙機械臂附加除冰裝置與夾緊裝置式的除冰機器人，并對機器人進行了運動學、動力學分析及動力學仿真，以驗證設計的合理性與可行性。
1 障礙類型與除冰機器人模型分析
1.1 障礙類型
構成架空輸電線路的主要元件有：基礎(底盤、卡盤、現澆或預制鋼筋混凝土、巖石、掏挖、樁基等)、導線(架空地線、接地網)、避雷線、電桿(水泥桿、橫擔、拉線及拉盤、鐵塔)、絕緣子串、各種金具等。這些元件有機地組合在一起就形成了一條架空輸電線路。而機器人作業時必須能跨越防振錘、懸垂金具及轉折線[2]3種類型的障礙物。其中，防振錘安裝于架空地線上，以抑制輸電線路在風作用下產生的振動。懸垂金具分單、雙懸垂金具，單懸垂金具間的距離約400mm，雙懸垂金具是由兩個單懸垂金具組成。轉折線在輸電線路改變方向的耐張塔路段內[3]。
1.2 除冰機器人結構設計
由于機器人的工作環境復雜，因此應具備以下能力：①防滑能力;②上、下坡和制動能力;③自主越障能力;④防摔落能力;⑤除冰雪能力。為滿足上述條件，自主設計了一種雙機械臂懸掛滾輪加夾緊裝置和除冰裝置式移動機器人，本文主要介紹機器人的越障部分，其結構簡圖見圖1。
2 除冰機器人的運動學分析
2.1 數學模型的建立
因機器人兩臂在跨越障礙物時的動作對稱，故分析機器人的運動學和動力學時，僅需分析單手臂，本文選取機器人的前臂進行分析，采用D-H法建立除冰機器人單臂跨越障礙物時的桿坐標系[4]，參數見表2，桿坐標系示意圖見圖3。
2.2 越障動作規劃
當機器人遇到障礙物時，采用仿尺蠖行走的方式跨越障礙物，除冰裝置始終位于行走輪的正前方，越障的動作規劃為：當前臂遇到障礙物時，前臂和后臂的下箱同時上升，直到兩手臂上的線夾夾緊輸電線;夾緊裝置移至前臂附近，其上箱帶動線夾上升，直到可夾緊輸電線;前臂上箱帶動行走輪及除冰裝置上升，致使行走輪完全脫離輸電線，線夾松開輸電線，前臂順時針旋轉180°;右控制箱帶動前臂相對左控制箱向前移動，直到前臂跨越障礙物，前臂順時針旋轉 180°，此時行走輪位于輸電線的正上方，前臂上箱帶動行走輪及除冰裝置下降，直到行走輪落到輸電線上，這樣前臂即完成了越障作業。緊接著為后臂的越障，與前臂的越障方式對稱，重復上述動作，整個機器人便可跨越障礙物。
3除冰機器人的動力學分析
3.1 無障礙段的力學
分析在輸電線路中，由于架空輸電線路的檔距較架空線的截面尺寸大很多，且架空線多采用多股細金屬線構成的絞合線，所以架空線的剛性對其懸掛空間曲線形狀的影響很小。由此可假設懸掛在兩基桿塔間的架空線呈懸鏈線形狀。
3.3 動力學仿真結果分析
根據上述越障動作的規劃，對前臂的越障動作進行動力學仿真，可獲得所需相對大功率或扭矩部分的運動情況曲線及相應關節所需的角速度、力矩、功率與時間的曲線，分別見圖4、5。由圖可看出：①前臂在越障的過程中各關節的運動均是間歇且相互獨立，且各時間段的運動過程始 末速度均為零，加速到勻速再到減速的過程;②開始時的力矩較大，是因剛開始為一個角速度加速且前臂下箱需帶動整個控制箱體與夾緊裝置上升過程，而完成此動作后力矩變小而且平緩，原因在于此關節的運動是前臂上箱帶動質量不大的前臂除冰裝置向上運動所需的力矩較小所致;③左箱體運動過程中由于前臂懸空時機器人產生一定的振動導致得到力矩的運動曲線不斷的產生波動;④ 第一個功率波動曲線的峰值明顯大于之后兩個的峰值，其原因與力矩變化的原因相同。
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綜上可知：①機器人單臂越障的時間約為55s，故機器人雙臂跨越的時間約為110s。②機器人的越障動作較緩慢，故驅動各關節運動電機的功率需求不大，功率的峰值分別約為7.40、17.28W，考慮到電機減速器的影響，假設效率為0.5，則采用電機功率峰值分別為20、40 W，可滿足要求。③運動時需要的扭矩較小，因此選用小型直流電機即可。④整個仿真過程很好地反映了式(5)中力與運動的關系。
4 結語
a.研制了一種新型高壓輸電線路除冰機器人，分析了機器人的結構，建立了機器人的數學模型，規劃了機器人單臂越障的動作，建立了機器人的動力學方程，運用動力學仿真軟件 ADAMS對機器人單臂跨越障礙物進行了仿真。結果表明，該機器人的設計合理、可行。
b.機器人越障時的穩定性對機器人越障質量影響較大，應盡量減少機器人越障時的振動。——論文作者：張 屹1，邵 威1，朱大林1，鄒圣權2，艾福洲2，朱險峰3
參考文獻：
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