（机械电子工程专业论文）输电线路巡检机器人系统及控制软件研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 目前我国高压线路的巡检、维护基本上采用人工沿线巡视的作业方式，作业劳 动强度大、费用高且危险性大，急需取代人力的巡检方法和设备。在输电线路的巡 检中使用机器人，不仅可以减轻巡线作业的强度，降低费用，也可以提高巡线作业 的质量和管理技术水平，更保证了工作人员的安全。 本文根据输电线路的结构特点，进行了高压输电线路巡线机器人的机械结构设 计，机器人采用三臂柔性机构。采用p r o e 软件，建立了巡线机器人机械结构的三 维实体模型，并对巡线机器人越障过程进行了仿真研究。通过将p c o s - l l 操作系 统移植到l p c 2 2 1 0 控制芯片上，以p c o s i i 操作系统为基础，采用a d s l 2 为开发 平台，使用c 语言和汇编语言混合编程的方式编制了巡线机器人运动控制软件。 关键词：巡线机器人，p r o e ，p c o s i i ，控制软件 a b s t r a c t t h em a i n t e n a n c ea n dp a t r o l l i n go ft h eh i g hv o l t a g el i n em a i n l yd e p e n d so n h u m a ni n s p e c t i o ni nc h i n a ，w h i c he x h a u s t sp e o p l e e a s i l ya n dc o s t st o om u c h t h e r e f o r ew en e e dt h es u b s t i t u t em e t h o da n de q u i p m e n ti n t h i sf i e l d w i t ht h e a p p l i c a t i o no fr o b o to np a t r o l l i n gl i n e ，i tc a nd e c r e a s et h el a b o ro ft h ew o r k e r s ， l o w e rt h ec o s t ，i n c r e a s e st h eq u a l i t yo ft h ep a t r o l l i n gw o r ka n dh i g h e rt h el e v e lo f t h em a n a g e m e n tt e c h n o l o g y ，w h i c ha l s ok e e p st h ew o r k e rs e c u r i t y t h ep a p e rd e s i g n sam e c h a n i c a ls t r u c t u r es u i t e dt ot h el i n e sc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hh a st h r e ef l e x i b l ea r m w ed e s i g n t h em e c h a n i c a ls o l i dm o d e lo ft h ei n s p e c t i o nr o b o ta n di m i t a t ei t sm o v e m e n tw i t h p r o e i nt h ec o n t r o ls o f t w a r e ，w et r a n s p l a n t 肛c o s i io st ot h el p c 2 2 10m c u t h e m o v i n gc o n t r o ls o f t w a r ec o n s i s t so fca n da s s e m b l yl a n g u a g e ，w h i c hu s e da d s 1 2a st h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m k o n gz h i z e n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nq i n g y a o k e y w o r d s ：i n s p e c t i o nr o b o t ，p r o e ，肛c o s i i ，c o n t r o ls o f t w a r e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 目前我国高压线路的巡检、维护基本上采用人工沿线巡视的作业方式，作业劳 动强度大、费用高且危险性大，急需取代人力的巡检方法和设备。在输电线路的巡 检中使用机器人，不仅可以减轻巡线作业的强度，降低费用，也可以提高巡线作业 的质量和管理技术水平，更保证了工作人员的安全。 本文根据输电线路的结构特点，进行了高压输电线路巡线机器人的机械结构设 计，机器人采用三臂柔性机构。采用p r o e 软件，建立了巡线机器人机械结构的三 维实体模型，并对巡线机器人越障过程进行了仿真研究。通过将p c o s - l l 操作系 统移植到l p c 2 2 1 0 控制芯片上，以p c o s i i 操作系统为基础，采用a d s l 2 为开发 平台，使用c 语言和汇编语言混合编程的方式编制了巡线机器人运动控制软件。 关键词：巡线机器人，p r o e ，p c o s i i ，控制软件 a b s t r a c t t h em a i n t e n a n c ea n dp a t r o l l i n go ft h eh i g hv o l t a g el i n em a i n l yd e p e n d so n h u m a ni n s p e c t i o ni nc h i n a ，w h i c he x h a u s t sp e o p l e e a s i l ya n dc o s t st o om u c h t h e r e f o r ew en e e dt h es u b s t i t u t em e t h o da n de q u i p m e n ti n t h i sf i e l d w i t ht h e a p p l i c a t i o no fr o b o to np a t r o l l i n gl i n e ，i tc a nd e c r e a s et h el a b o ro ft h ew o r k e r s ， l o w e rt h ec o s t ，i n c r e a s e st h eq u a l i t yo ft h ep a t r o l l i n gw o r ka n dh i g h e rt h el e v e lo f t h em a n a g e m e n tt e c h n o l o g y ，w h i c ha l s ok e e p st h ew o r k e rs e c u r i t y t h ep a p e rd e s i g n sam e c h a n i c a ls t r u c t u r es u i t e dt ot h el i n e sc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hh a st h r e ef l e x i b l ea r m w ed e s i g n t h em e c h a n i c a ls o l i dm o d e lo ft h ei n s p e c t i o nr o b o ta n di m i t a t ei t sm o v e m e n tw i t h p r o e i nt h ec o n t r o ls o f t w a r e ，w et r a n s p l a n t 肛c o s i io st ot h el p c 2 2 10m c u t h e m o v i n gc o n t r o ls o f t w a r ec o n s i s t so fca n da s s e m b l yl a n g u a g e ，w h i c hu s e da d s 1 2a st h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m k o n gz h i z e n g ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h a nq i n g y a o k e y w o r d s ：i n s p e c t i o nr o b o t ，p r o e ，肛c o s i i ，c o n t r o ls o f t w a r e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文输电线路巡检机器人系统及控制软件 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：期： 历醒2 ；o 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 加韶7 2 3 9 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 机器人技术的快速发展，为高压输电线路巡检工作提供了新的手段。应用机器 人取代人工巡线不仅可以提高巡线的精度，也可以提高工作效率。2 0 世纪8 0 年代 末，日本、美国、加拿大等发达国家先后开展了巡线机器人的研究工作。但是，大 部分巡线机器人只具备在直线段行走或能够跨越部分障碍的功能。 1 1 研究背景及意义 超高压输电线路担负着我国电力传输的重任，它的安全可靠运行直接关系到一 个国家经济的稳定发展。目前，采用高压和超高压架空电力线路是长距离输配电力 的主要方式，电力线路是电力系统的重要组成部分。线路由于长期暴露在自然环境 中，不仅要承受正常机械载荷和电力负荷的内部压力，还要经受污秽、雷击、强风、 滑坡、沉陷及鸟害等外界侵害。上述因素将会促使线路上各元件的老化，如不及时 发现和消除，就可能发展成为各种故障，对电力系统的安全和稳定构成严重威胁。 因此，线路巡检管理是有效保证输配电线路及其设备安全的一项基础工作。线路巡 检管理工作就是通过对输配线路的巡视检查来掌握线路运行状况及周围环境的变 化，及时发现设备缺陷和危及线路安全的隐患，提出具体检修意见，以便及时消除 缺陷、预防事故发生，或将故障限制在最小范围，从而保证输配电线路安全和电力 系统稳定。 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。我国现有5 0 0 k v 超高压线路约计2 7 万公里，为保证其安全可靠的运行， 定期检测与维护十分必要。传统的线路巡检方法普遍采用的，是人工巡视、手工记录 的工作方式。按规程要求输电线路每月由两人以上沿线逐塔巡视，每年的人力、物 力费用较高。而且在恶劣危险环境下工作，给检测人员的检测工作带来一定困难。 同时，消费者对电能的质量和可靠性要求也进一步提高，电力部门必然得加强对输 电线路的巡检工作，这样势必更进一步加大巡线工人的劳动强度。因此，为了保证 电力系统的可靠性，提高巡线的效率，开发一种可以替代或部分替代巡线工人进行 巡检作业的新型设备一直是国内外相关研究领域的研究热点之一。 由于巡线工作的重要性和艰苦性，只有采用先进的巡检方式和工具，才能有效 的缩短巡检周期，及时发现存在的缺陷，更有效地消除事故隐患，确保电力系统的 安全稳定运行。机器人技术的快速发展，为高压输电线路维护和巡检提供了新的手 段。巡线机器人的研究成为目前该领域的热点之一。巡线机器人不仅能够带电工作， 代替人工进行传输线路的巡检工作，而且能够极大提高巡线的工作效率和巡检精 】 华北电力大学硕士学位论文 度，因此，开展基于机器人技术的自动巡线机器人及其相关技术研究，不仅具有重 大的理论意义，而且具有显著的社会及经济效益口1 。 1 2 输电线路巡检方法概述 长期以来，很多学者围绕着如何提高线路巡检的效率和质量这一论文开展了大 量的工作。对高压输电线路的巡检方法的研究主要集中在人工巡检智能管理系统的 研究、直升飞机巡检的研究和巡线机器人的研究。 目前，对野外输电导线进行巡检的常用方法主要有地面目测法和航测法。 ( 1 ) 地面目测法：该方法主要是巡线工人携带各种观察工具如望远镜、红外 测温仪、红外成像仪沿输电线路行走，用肉眼或望远镜对辖区内的电力线进行观测。 凭个人经验判断线路的各种故障和缺陷。该方法均采用手工记录的方式，存贮或记 录线路的状态和信息。由于输电线路分布点多面广、地理条件复杂，巡线工人需要 翻山越岭、涉水过河、徒步或驱车巡检。这种方法劳动强度大，工作效率和探测精 度低，可靠性差；同时，该方式存在人为因素多、管理成本高、无法监督巡检人员 工作状态等明显缺陷。 为了加强巡线管理，提高巡线质量和效率，针对人工线路巡检普遍存在的问题， 结合当前电网线路巡检管理的具体情况，电力部门研制开发了各种电力线路巡检自 动管理系统，有效地满足线路巡检工作，将线路巡检管理水平提高到了一个新的层 次，进而保证电力系统高效率、低故障率的安全稳定运行。但这些系统仍然需要人 工携带、操作，从根本上不能改变巡线工人的工作环境，不能提高线路巡检的效率 和精度。 ( 2 ) 航测法：随着科学技术的发展，测试分析手段和方法进一步完善，在9 0 年代，直升飞机巡线、检修及带电作业已在欧美等发达地区和国家得到广泛的应用。 直升飞机沿输电线路飞行，工作人员用肉眼或机载摄像设备观测和记录沿线异常点 的情况。直升机飞行巡检作业分为目测和热像巡视两种。 1 ) 热像巡视是指利用机载的热成像巡线设备，发现线路上的局部发热类型的 缺陷，例如导线断股、接头接触不良、局部热点等。热像巡视一般安排在阴天或多 云的天气条件下进行，以避免构件阳光反射的杂波干扰和地面受热后产生的热杂波 干扰。 2 ) 目测巡视是指巡线员在直升飞机上利用肉眼或望远镜对线路进行观察巡视， 发现可见光可视缺陷，例如绝缘子破损、线夹松脱、销钉脱落等。目测巡视宜安排 在晴朗、能见度好的天气条件下进行。巡视时要离线路更近一些飞行约小于平原飞 行时观察员坐在前排左座、飞机飞行于线路右侧山区飞行时观察员坐在后排右座、 飞机飞行于线路左侧。由于目测巡视和热像巡视特点不同、对天气条件和飞行的要 2 华北电力大学硕士学位论文 的要求不同，为了达到理想的巡检效果，北欧的经验是两种作业分别安排进行。瑞 典的线路每年安排一次目测巡视，每三年安排一次热巡视。但这并非硬性规定，根 据不同的实际情况，如果飞行技术与巡线技术许可，也可以同时进行目测巡视和热 像巡视，获得更高的巡线效率，节省开支。 我国在8 0 年代，华北地区及河南省、湖北省都进行过直升飞机巡线的试飞。 应该说，按当时的技术条件和经济实力，搞直升飞机巡线、检修作业为时尚早，所 以，三地试飞后都停顿了下来。2 0 0 2 年，华北电力集团公司与北京首都通用航空公 司签订了的直升飞机租赁合同，在华北电网的5 0 0 k v 全部输电线路上开展直升飞机 巡检作业口3 。截止2 0 0 2 年9 月，实际飞行巡线已累积余4 0 0 小时，在6 0 0 余k m 巡 线中，发现了多处引流板过热，绝缘子破损、均压环破损、防震锤移位等故障，直 升飞机巡线的优越性正逐渐显示出来。 直升机飞行巡检方法尽管距离接近线路，提高了检测效率和精度。但电力线从 观察者或摄录设备的视野中快速通过，增加了技术难度。直升机飞行巡检方法不仅 受到了飞行安全、航线管制、气候变化的限制，而且，还要解决飞行路线、加油地 点、休息地点、多方通讯等问题。特别是飞行安全问题是压倒一切的问题，不仅要 求建立一切保证措施来保证安全，还要对飞行员进行飞行技术及检测业务操作的训 练。因此，直升飞机巡检方法由于运行成本高而一直没有得到推广。 移动机器人技术的发展，为架空电力线路巡检提供了新的技术平台。巡线机器 人能够带电工作，以一定的速度沿输电线路爬行，并能跨越防震锤、耐张线夹、悬 垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路 金具、线路通道等实施接近检测，代替人工进行电力线路的巡检工作，可以进一步 提高巡线的工作效率和巡检精度。因此，巡线机器人成为巡线技术研究的热点。 1 3 巡线机器人的发展历史与展望 1 3 1 巡线机器人的发展历史 巡线机器人的研究始于2 0 世纪8 0 年代末，日本、加拿大、美国等发达国家先 后开展了巡线机器人的研究工作。 1 9 9 8 年，东京电力公司的s a w a d a 等人研制了光纤复合架空地线( o p g w ) 巡检 移动机器人1 ，如图1 - 1 所示。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线 ( o p g w ) 爬行，能跨越地线上防震锤、螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，机器人 采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地线，构成 一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧待机器人夹持轮抱紧线塔另一侧的 地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。 3 华北电力人学硕士学位论文 | 堇 11 弧形手臂巡线机器人 该机器人运动控制有耜略和精确定位两种模式，粗略控制是把线塔和地线的资 料数据线塔的高度、位置，地线长度，线路上附件数量等预先编制好程序输入机器 人，据此控制机器人的行走和越障。精确定位控制则根据传感器反馈信息进行控制。 机器人携带的损伤探测单元采用涡流分析方法探测光纤复合架空地线( o p g w ) 铠装 层的损伤情况，并把探测数据记录到磁带上。 美国t r c 公司1 9 8 9 年研制了一台悬臂自治巡线机器人原型”1 ，如图卜2 所示。 它能沿架空导线长距离爬行，执行电晕损耗、绝缘子、结合点、压接头等视觉检查 任务，对探测到的线路故障数据预处理后，传送给地面人员。当机器人遇到杆塔时， 利用手臂采用仿人攀缘的方法从侧面越过丰 塔。 1 9 9 9 年同本法政大学的h i d e on a k a m u r a 等人开发了电气列车馈电电缆迎检机 器人，见图1 3 。机器人采用多关节蛇形小车结构和“头部决策，尾部跟随”的仿 生控制体系，以1 0 c m s 的速度沿电缆平稳爬行，并能跨越分支线、绝缘子等障碍 物。 鬻j ? 。：拳i 篱，： j 二羔墓叁薹塑兰i 图卜2t r c 悬臂巡线机器人 华北电力大学硕士学位论文 西匿 - 告鲁疆瞎曾争一 ”蓦蔷嗣苦鲁 一 一_ 詈g 聋审器 一 苦誉窀离詈一一 - 蛊留錾蠢警莲卜一 羔= = = = j 窝吲b 鬻一 该机器人由六对左右对称、相互联结的小车组成，每个单体小车有两个电机， 一个用于行走驱动，另一个用于控制联结前后小车的旋转关节的关节角左右小车采 用具有自保安功能的磁锁系统联结。磁锁系统用永久磁铁将左右小车牢牢锁紧，使 两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电缆平稳爬行。当机器人遇到分 支线、绝缘子等障碍物时，每对小车上磁锁系统中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开， 机器人再改变两侧旋转关节的关节角，使左右小车分开小车依次通过障碍物后，控 制两侧旋转关节使左右小车合拢，电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人恢复正常行 走状态”1 。 图卜4 是泰国的k l n gm o n g k u t su n iv e r s l t y0 ft e c h n o l o g yt h o n b u r i 的 sp e u n g s u n g w a 等人2 0 0 1 年设计的一台自给电巡线机器人原型”。该机器人采用 电流互感器从爬行的电力线路上获取感应电流，作为机器人的工作电源，从而解决 了巡线机器人长时间驱动的动力问题并初步实现了根据摄像机图像判断电力线上 绝缘子等障碍物位置的视觉导航功能。不过，该试验型巡线机器人仅能在两线塔间 的电力线上爬行，无越障能力。 由1 = 5 本s a t o 公司生产的电力线损伤探测器也采用了单体小车结构( 图1 5 所 示) ，该机器人能在地面操作人员的遥控下沿电力线行走，利用车载探测仪器探测 线路损伤程度及准确位鼹，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。探测器 不具备越障功能，遇到线路附件等障碍物时便自动停止l i i 进。 酗卜4 自给电巡线机器人 图卜5 巡线机器人 华北电力大学硕士学位论文 加拿大魁北克水电研究院( i r e q q u e b e cr e s e a r c h i n s t i t u t eo n e 1 e c t r i c i t y ) 的s e r g em o n t a m b a u l t 等人2 0 0 0 年开始了h 。l i n e r o v e r 遥控小车“ ( 见图卜6 ) 的研制工作。遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发 展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三代原型机结构紧凑 2 3 芈1 7 1 2 e m ) ， 仅重2 5 千克，驱动力大，抗电磁干扰能力强，能爬的5 2 。斜坡，通信距离可达l k m 。 小车采用灵活的模块化结构安装不同的工作头叩可完成架空线视觉和红外检查、 压接头状态评估、导线和地线更换、导线清污和除冰等带电作业，己在工作电流为 8 0 0 a 的3 1 5 k v 电力线上进行了多次现场测试。但是，1 1 ql i n e r o v e r 无越障能力， 只能在两线塔问的电力线上工作。目前，研究组正在开发具有越障功能的自治移动 小车，实验结果表明，新代h 0l i n e r o v e r 能在无人干预的情况下跨越障碍物， 巡检范围达4 k m 。 国内关于架空电力线路巡线机器人研究的报道较少。1 9 9 8 年武汉水利电力大学 的吴功平教授研制出了架空高压线路巡线小车( 见圈卜7 ) ，小车采用单体两臂驱动 轮结构，具有稳定的行走功能和越障功能在遥控器的控制下，能顺利越过绝缘子、 防震锤、悬垂线夹等障碍物，并利用携带的近距离红外故障诊断仪完成线路的诊断。 巡线小车的行走、越障通过人工遥控加机械控制器来实现“。目前，该研究组正在 进行智能化程度较高、越障能力强的自治巡线机器人的研制工作。中科院沈阳自动 化所、中科院自动化所、山东科技大学在国家8 6 3 计划项目资助下也开展了架空电 力线路巡线机器人的研究。 从上述国内外已取得的研究成果可以看出，无越障功能的架空电力线路巡线机 器人技术较为成熟，已进于实用阶段，如日本s a t o 、f uj i k u r a ，美国m a c h t e c h ， c h a r l o t t e ，n c 等公司开发的巡线机器人。这类机器人一般需人工参与，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。自主巡线机器人能跨越线 路附件、线塔等障碍物，实施大范围、长时间的线路巡检作业，但研究进展缓慢。 总之，目前，国内外研究表明。所有自主越障机器人都处于实验室条件的研究还 没有一台自主越障巡线机器人运行应用于实际线路的巡检工作中。 妒_ 图16l 0l io e r o v e r 遥控小车 1 璺| 17 遥控越障巡线机器人 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 巡线机器人的发展趋势 随着不断增加的电力需求。电力公司正面临着更高供电可靠性要求和激烈的市 场竞争。以可靠性为中心的精确维护策略因能保证电力设施工作寿命最大化，已成 为共识。对电力设施早期潜在故障的准确发现和正确评估，是成功实现上述策略的 关键。巡线机器人应运而生，因而具有广阔的应用前景。巡线机器人技术有三个值 得关注的趋势。 ( 1 ) 机构轻巧化与实用化 随着对巡线机器人的越障功能不断的完善，其本体结构将会更加灵活、更加轻 巧。巡线机器人的结构在今后的研究中更加注重机构的综合柔性化。结构仿生学的 设计将会在巡线机器人结构设计中占有重要的位置。 ( 2 ) 多传感巡线机器人 随着自治巡线机器人技术的成熟和线路故障探测仪器的小型化，在一台巡线机 器人上集成多种线路故障探测仪器将成为可能。这样，机器人可用多种传感器同时 扫描线路，运用传感器信息融合技术可以更高的分别率和可靠性发现各种类型的早 期故障并加以评估，为维护人员实时提供架空电力线设施的工作状态报告。 ( 3 ) 分布式多巡线机器人系统 多传感巡线机器人固然有其优点，但不可避免会带来体积较大及控制过于复杂 的缺点。开发小型单传感巡线机器人，通过多个携带不同线路故障探测器的机器人 协调工作，同样也可完成线路巡检任务。由于功能的单一化，可减小机器人体积及 功耗，降低了研制难度同时，多机器人有组织的协作，可使巡线机器人群体产生高 性能的智能行为，通过群体间的知识共享和交换，可进一步提高线路故障的探测灵 敏度和可靠性。 1 4 论文的主要研究内容 论文的研究目标是研究巡线机器人系统，并编制控制软件，主要研究内容如下： ( 1 ) 研究输电线路的组成及障碍的种类、特点，完成巡线机器人的功能目标 设计。 ( 2 ) 分析、研究巡线机器人的机械机构。 ( 3 ) 采用p r o e 软件进行巡线机器人机械结构实体造型，并实现跨越障碍的 运动仿真。 ( 4 ) 进行肛c o s - i i 操作系统的移植。 ( 5 ) 开发巡线机器人运动控制软件。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章巡线机器人的机械结构分析 2 1 架空输电线路概述 电力系统主要由发电厂、输电线路、配电线路和负荷等组成。高压或超高压架 空线路是电力系统中电能传输、交换、调节和分配的主要环节。通过高压架空线路 进行系统间联网，不仅可实现系统间的电能交换和调节，而且还可使系统安装大型 机组、建设大型电厂，错开高峰负荷，实现跨区域跨流域调节减少系统各用容量， 缩短电气距离。增强系统稳定运行，提高抗冲击负荷的能力。 2 1 1 输电线路的组成 构成架空输电线路的主要元件有基础( 底盘、卡盘、现浇或预制钢筋混凝土、 岩石、掏挖、桩基等) 、导线( 如导线、架空地线、接地网) 、避雷线、电杆( 如水 泥杆、横担、拉线及拉盘、铁塔) 、绝缘子串、各种金具等，如图2 1 所示。这些 元件有机的组合在一起就形成了一条架空输电线路。导线用来传导电流，输送电能 避雷线用于将雷电流引入大地，以保护线路绝缘免遭大气过电压的破坏。杆塔用来 支持导线和避雷线，并使导线和导线间，导线和避雷线间，导线和杆塔间以及导线 和大地、公路、铁轨、水面、通信线等被跨越物之间保持一定的安全距离。绝缘子 是用来使导线和杆塔之间保持绝缘状态。金具是用来连接导线或避雷线，将导线固 定在绝缘子上，以及将绝缘子固定在杆塔上的金属元件n 羽。 二3j - 。 硝。 丰7 彰 圭7 卢 辜矽 一 。7 ，7 y 7 ? “，7 ， 7 卜导线2 一避雷针3 一防震锤4 一线夹5 一绝缘子6 一杆塔7 一基础8 一接地装置 图2 - i 架空线路的组成原件 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 主要障碍 本文机器人主要模拟跨越的障碍有：压接管、防震锤、悬垂线夹和跳线，如图 2 - 2 所示。 图2 2 主要障碍 高压输电线路是当今社会的生命线，对其有效的监督和巡查是电力部门重要的 任务之一。了解输电线路的组成对巡线机器人的研究起着重要作用。输电线路中的 各种金具和接头对巡线机器人的在线行走起到了阻碍作用，因此，在巡线机器人的 越障结构设计中，必须考虑这些障碍的特点和结构。机器人在线路中行走时，不仅 要能够跨越这些障碍，而且还要保证线路的安全。 2 2 巡线机器人的功能原理设计 功能原理设计步骤包括首先要明确地给出功能目标，该目标既是设计的依据也 是产品验收的依据。明确功能目标之后，用黑箱法分析系统的总功能，将待求的系 统看作未知内容的黑箱，然后用黑箱法解决。总功能确定之后，可进行功能分析和 整理，画出功能系统图。从功能系统图中可找到各功能元，并寻求功能元的作用原 理。功能元求解可采用形态学矩阵，从多个方案中找出功能原理解。最后，经评价 优选出最佳功能原理方案。 2 2 1 巡线机器人功能目标的确定 巡线机器人是机电一体化系统，涉及到机构、控制、通信、定位系统、移动平 9 华北电力大学硕士学位论文 台上传感器的集成和信息融合、电源等，而机械机构是整个系统的基础，也是目前 制约巡线机器人发展的技术障碍之一。巡线机器人机械结构设计的主要功能目标 是：巡线机器人的总功能主要是能够在不停电的环境下，沿1 i o k v 高压输电线路自 主行走，部分或全部替代人工巡检方法，减轻巡检工人的劳动强度，提高线路巡检 的精度和效率。巡线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巡检的要求，巡 线机器人的在线行走速度为1 k m h 。 ( 2 ) 具有一定的爬坡能力根据输电线路的实际考察和测绘，其最大坡度出现 在山谷到山顶两塔杆之间，坡度为5 5 。但是由于杆塔附近跳线与耐张线夹之间角度 要大于此值，因此确定巡线机器人的最大爬坡角度为7 5 。 。 ( 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 ) 在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落。 ( 5 ) 提供足够的空间安装携带的电源、探测、记录和分析处理仪器。 2 2 2 巡线机器人功能目标设计 2 2 2 1 巡线机器人的功能目标分析 在上述巡线机器人的功能目标中，在线行走和越障是巡线机器人机构设计的关 键功能。由于机器人在行走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，因此设计难度非常大。 本文主要对机器人的行走与越障功能进行分析设计。 机器人在地面的行走方式主要有轮式行走、履带式行走和足式行走三种形式 】。而机器人在输电线路上行走与地面行走不同，不仅要有在线路上行走的能力， 还要保持在线平衡、稳定的能力。从仿生的观点出发，巡线机器人在线行走可以模 仿人在钢丝行走的方式。 人类在钢丝或绳索行走有两种方式一种是人类通过双臂将身体悬挂在钢索上， 利用双手交互抓握钢索完成在线行走。自人们使用机械以来，往往采用将双臂抓握 在滑轮上，利用重力或驱动力驱动滑轮在钢索上滑动这样大大提高了行走效率和速 度。另一种行走方法是人站立在钢丝上，按照在平地行走的方式行走，即双腿交替 前进，同时用平衡杆调整身体平衡。前种方法属于轮式行走，由于人体悬挂在钢索 上，重心在钢索下方，能够自动与线路保持在一个平面上，具有快速、稳定的特点 n 引。后种方法属于足式行走，由于人体站立在钢索上，重心在钢索的上方，容易使 人体发生倾斜和晃动，因此，要求人体重心要随时调节，这样影响了行走速度。因 此，根据仿生机械设计原理，机器人在线行走这一功能目标可采用人体悬挂在钢索 上，使用滑轮在线滑动这一有效的方法。 l o 华北电力大学硕士学位论文 巡线机器人在线越障操作类似人的空中攀援行为。因此，仿生设计是解决机器 人在线越障这一难题的有效方法。人体悬挂或站立在钢索上，遇到不同障碍时，具 有不同的越障方式。可以分别采用水平绕行、线路下部穿越和线路上方跨越等。人 体在线路上站立行走过程中，遇到类似悬垂线夹的障碍时，就无法采用从线路上方 跨越的方式跨越障碍。如果人体采用悬挂的方式在线路中遇到障碍时，最有效的越 障方式就是在线路下方穿越。因此，根据上述机器人在线行走的方法，巡线机器人 的越障方法应采用从线路下方穿越的方式跨越障碍。 人体遇到线路障碍如悬垂线夹或防震锤，采用从线路下方穿越的方式越障，首 先，人体进行姿态调整，将人体重心放到起支撑作用的手上如左手。然后，另一只 手右手松开，并立即向前伸出绕过障碍，抓住线路的另一端，立即调整姿态，使重 心前移，调整到另一只手右手上。然后，松开刚才起支撑作用的手左手，绕过障碍 也抓住线路的另一端，从而完成了障碍的穿越。 通过对人体跨越障碍的方法分析，巡线机器人的越障功能完全可以通过模仿人 体跨越障碍的方法实现。按照仿生机械设计的原理，巡线机器人设计成具有类似人 体手臂功能的机械臂结构，帮助巡线机器人完成越障的任务。从上述分析看出，巡 线机器人至少要有两臂组成，方能实现越障功能。从人体两臂跨越障碍的过程中， 我们可以了解到，人体要不断地调整重心，使之保持在一定的范围内，否则就无法 实现跨越障碍的功能。而巡线机器人要采用两臂结构，势必要解决重心调整的难题。 最有效的解决方法是采用具有多自由度的多只手臂结构n 们。在这里，初步选用3 只 手臂机器人，这样就不用调整重心，可以提高越障速度。巡线机器人的功能综合主 要是行走和越障功能的综合。根据上述功能的分析，可以将人体悬挂滑轮行走与双 臂攀缘进行综合，完成巡线机器人的功能。巡线机器人采用多只具有人体手臂关节 的机械臂结构，机械臂上部安装驱动行走机构。当机器人行走时，机械臂只起连接 作用。遇到障碍时，机械臂之间相互配合，采用仿人攀缘策略调整姿态，跨越障碍。 由于采用多只多自由度机械臂，机器人可以完成更为复杂的空中姿态调整，因而可 跨越各种类型的线路障碍。 2 2 2 2 巡线机器人的机构设计 考虑到输电线路具有防震锤、悬垂线夹、跳线和转弯等各种障碍情况，我们摒 弃机器人的常规结构设计，设计出了适用于l i o k v 输电线路的自动巡线机器人，其 总体结构如图2 - 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 f价、1 沁 l 呦 价1 、制7| j n开肾 烈 二j 2 竹一 l - 七 ，7 、：缸r 干 f 、 寺l 叶=_ i 、 i 伸缩臂 i 伸缩臂俯仰关节 伸缣 - 年耷擎动 。 广t - 厂 i 订再求j 广j 十斛、。尸开 u 旨习 阳 1一 f 匾 图2 - 3 巡线机器人总体机械机构示意图 臂 主要由驱动装置、刹车制动装置、柔性臂、手掌开合装置、整体式电源箱和控 制箱等几部分组成。 ( 1 ) 柔性臂：柔性臂由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手等部分组 成。肩关节由精密蜗轮蜗杆减速器、水平转盘和垂直转盘组成。电机通过精密蜗轮 蜗杆减速器带动水平转盘或垂直转盘转动，实现手臂在水平方向和垂直方向上的自 如运动。大臂和小臂均采用新颖的两重四连杆机构，只需一个动作，就既能实现大 臂俯仰时，小臂及手掌的姿态不变，又能实现小臂俯仰时，手掌姿态保持不变。通 过控制电机的制动装置，还能够实现手臂刚性与柔性的平滑转换，使机器人适应跨 越转弯、跳线时位置和姿态的要求，而且还能通过调节连杆的长度，实现跨越不同 跨度跳线的要求。腕关节是以小臂为轴心的旋转副，可以在跨越跳线的过程中进行 一些小的调整，保证跳线越障的顺利进行。 ( 2 ) 驱动装置：驱动装置由瑞士m a x o n 公司生产的大功率直流电机、伞齿轮 减速器、传动轴和驱动轮组成，其结构简图见图2 - 4 。驱动轮设计成中间分离式， 使其在跨越线夹、悬垂及跳线时能够打开，实现跨越。驱动轮采用高强度尼龙作骨 架，以减轻驱动装置的重量：驱动轮外表面采用高弹性、高强度的聚氨酯耐磨材料， 以增大驱动轮运动时与线路的摩擦因数，防止打滑。整个驱动装置不仅能够保证机 器人在坡度不大于6 0 。的档间( 即两线杆之间) 相线上正常行走，在刹车装置的配 合下，还能够实现爬越近8 0 。的跳线。驱动轮支撑架( 手掌) 采用中空设计，使机 器人单体遇到防震锤等障碍时，可直接越过，大大提高了机器人巡检速度。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 3 4 1o 9 8 7 ，6 、 垒；- _ 一j i i 刹 、h 7 7 3 _ _ _ - - - _ 。- - - - - - - - 。- _ 。，_ _ _ _ 。- - - - _ _ - 一 1 异型刹车片2 曲柄滑块机构3 螺旋机构4 增力机构5 手掌开合装置 6 驱动电机7 伞齿轮减速器8 右半驱动轮9 左半驱动轮1 0 锁紧器 图2 - 4 驱动刹车及开合装置结构简图 ( 3 ) 刹车制动装置：为了保证机器人在停止状态、有一只手打开、出现断线 或故障情况下不出现脱线和下滑，设计了刹车装置。该装置由螺旋机构和曲柄滑块 机构组成，如图2 - 4 所示。螺旋机构带动曲柄滑块机构实现刹车片的抓线与线并能 旋转9 0 。，使其不影响手掌跨越障碍，同时，整个刹车装置完全能实现自锁。 ( 4 ) 手掌开合机构：手掌开合机构的作用是保证行走轮在线路行走时加紧导 线，同时保证手掌顺利开合完成越障任务。手掌开合机构主要有由水平滑轨、滑块、 螺旋传动机构和增力夹紧支架组成。传动机构采用平稳的螺旋传动，由驱动电机带 动丝杠转动，丝杠通过梯形螺纹传动驱动螺母作垂直运动。增力加紧支架与螺母连 接在一起，支架与滑块通过销轴连接在一起，将螺母的垂直运动转化到滑块沿水平 导轨的水平运动，以实现手掌的开合。其开合行程为1 2 0 m m 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 3 巡线机器人总体结构尺寸及重量的确定 由于巡线机器人是在高压输电线路上带电自主行走完成线路巡检任务，因此确 保线路的安全和机器人的安全是至关重要的。机器人要在高压线上行走，它的全部 重量都作用在高压线上。因此，为了避免对导线的破坏，必须要求重量尽量轻，根 据供电部门提供的数据，高压导线的最大负载重量不能超过2 0 0 k g 。在尺寸外形方 面，要求也比较高。机器人在线上是带电作业的，他与线接触的部分要求是绝缘的 又因为高压线周围存在着强磁场，机器人的其他工作部分应屏蔽起来，免受磁场干 扰。机器人应尽量小型化，但考虑到过跳线、绝缘子，手臂的收缩等问题，两单体 之间摆臂的距离应至少小于导线两障碍之间的最小距离，同时大于线路障碍的最小 长度。如防震锤的长度尺寸为5 0 0 m m ，因此两臂之间的距离应5 0 0 m m ，而防震锤与 下一个障碍之间的距离为1 0 0 0 m m 。因此，根据实际线路的障碍分布和尺寸，暂定机 器人的外形尺寸为单体之间的距离大约为6 5 0 m m ，三个手臂联体总尺寸为1 5 0 0 m m ： 根据条线线夹的高度尺寸，手臂收缩大约为4 0 0 m m 。巡线机器人的总重量不超过 5 0 k g ，考虑到环境的影响( 如风力) ，其设计计算重量约为8 0 k g 。 2 2 2 4 驱动电机的选择 巡线机器人驱动用电机主要有步进电机、伺服电机和直流电机。由于受电源的 限制，交流伺服电机和交流电机不能适用于巡线机器人。 步进电机是一种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的数字模拟变换 器。一般电动机是连续转动的，而步进电机则每当电动机绕组接受一个脉冲，转子 就转过一个相应的角度称为步距。对于步进电机的选择使用，要求步进电机能够严 格随指令脉冲而动，不发生失频、振荡能快速启动、停止、正反转和高效运转。步 进电机的动态特性对快速动作和工作可靠性影响很大，驱动力矩随脉冲频率的不同 而改变，脉冲频率增加转速增加，动态转矩变小。 直流伺服电机是伺服系统中应用最早的，也是应用最为广泛的执行元件。直流 伺服电机具有启动转矩大、体积小、重量轻、转速容易控制和效率高等优点其缺点 是转子上安装了具有机械运动性质的电刷和换向器，需要定期维修和更换电刷，使 用寿命短、噪声大。直流伺服电机在数控机床和工业机器人等机电一体化产品中得 到了泛应用。 直流电机是驱动电源为直流电，并将电能转化成机械能的旋转机械。直流电机 便于调速，且具有较好的机械特性。但一般的直流电机转动惯量大，输出转矩小。 目前在伺服控制系统中常用的高速直流伺服电动机有小惯量无槽电枢直流伺 服电动机和空心杯电枢直流伺服电动机。小惯量无槽电枢直流伺服电动机又称表面 绕组电枢直流伺服电动机。这种电机的优点是转子转动惯量小，响应速度快转矩惯 1 4 华北电力大学硕士学位论文 量比大，过载能力强，最大转矩可达额定转矩的1 0 倍；低速性能好，转矩波动小， 线性度好，摩擦小，调速范围可达数千比一。但是，它也有一些缺点转速高，需减 速器气隙大，安匝数多，效率低过载时间不能过长电机本身惯量小，负载惯量所占 比重可能较大，因此存在惯量匹配问题。空心杯电枢直流伺服电动机也称为超低惯 量伺服电动机。这种电机的优点是转动惯量小灵敏度高，快速性好损耗小，效率高， 转动波动小噪声小散热条件好电枢电感很小，换向性能好，几乎不产生火花。 低速大转矩宽调速电动机也称为大惯量电动机或力矩电机，与前面的小惯量电 动机相比，它的特点是转矩转动惯量比大，响应速度快热容量大，可长时间过载转 速低，可直接驱动，从而省掉减速器等6 1 。 通过分析，针对巡线机器人的运动特点和控制系统的要求，虽然普通直流电机 具有很多缺点，但由于价格低，选择范围大，因此，巡线机器人的驱动电机仍然选 择普通直流减速电机，具体参数为输出扭矩m 。= 1 0 n m ，输出转速甩= 9 0 r m i n 。 2 2 2 5 传感器选择及其用途 为了保证巡线机器人运动的准确性和安全性必须在合适的位置安装必要的传 感器来实现控制n