高压输电线路巡检机器人机械本体设计

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机械设计与制造一

第 8期 2o o 7年 8月

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文章编号：0 1 3 9 ( 0 7 0— 14-3 10— 9 7 20 )8 0 2 - 0

高压输电线路巡检机器人机械本体设计王吉岱谢永王凤芹 (山东科技大学机电学院。岛 26 1 )青 6 50W ANGj— a,XI o g id i E Y n,W ANG F n - i e g q n

Th t d fme h nc l tu t r ora p we r n miso n n p c i o o e su y o c a ia r c u e f o rta s s i n l e is e t s i on r b t( ol e f c a i l n l tc n ier g h n og C l g h nc d e r aE gnei ad n e oMe a a E c il nS

U iesy f c ne n eh o g,iga 6 50C ia nvri Si c d cnl y ndo 6 1,hn ) to e a T o Q 2

【摘要】对国内外已出的高压架空输电线路巡检机器^机械本体机构的特点进行综述。提在此基础上提出了新型的高压输电线路巡检机器人行走及越障机构，并对高压线路巡检机器人的发展趋势做了论述。关键词：巡检机器人；行走机构；越障机构【 bt c】 i usdt hr t ii ehncl t c r o set nrbt o pw r A s at h d cs eca c r tso m cai r t e fi pc o ofr o e r s e h a es c f asu u n i o t nmsi n. nwm cai l t c r o rbt r oe th aio d csi . r vr r s i o l e eh c r t ef oo ipo sd lt bs i u o Mo oe a s n i Ae n asu u s p O e s f s s n e, tedvl igt n i pci bt rd t . h eeo n r do n etnr o ipe ie p e f s o o s c dKe r s n p c i n r b t W a k n t u t r; p n mg s r c u e y wo d:I s e to o o; l ig sr cu e s a n t t r u

中图分类号： H1文献标识码： T 2 A

1概述随着机器人技术的发

展和应用领域的不断扩大，器人将机技术应用于输电线路的巡检和维护日益受到研究学者的关注和投入。高压输电线路传统的巡检方式主要有地面人工检测法和直升飞机航测法，这些检测方法存在效率低、可靠性差、费用高及漏检等诸多缺陷。机器人技术可以实现在线近距离检测，因此具有可靠性好、精度高等优点。然而，巡检机器人要在复杂的线

在高压线路上行走类似于人在钢丝绳行走，人在钢丝绳或绳索

上行走有两种方式：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；另一种行走方式是人站立在钢丝上，按照在平地行走的方式行走。同时用平衡杆调整身体平衡。前者行走方式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。

后者行走方式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。这样不仅影响了行走速度，而且使机器人的控制与调节更加复杂。因

路环境下完成巡检任务，不仅要具有在线行走的功能，还要而且具备自主完成跨越线路中各种障碍的能力。为此，巡检机器人的机械本体结构直接影响着巡检机器人的实用化，是影响巡检机器人应用与发展的关键技术之一。对国内外报道的巡检机器人

此，据仿生机械设计原理，根机器人在线行走功能设计原理可模仿人体悬挂在钢索上行走的模式，采用滑轮在线滑动的方法来实现。

的机械本体结构进行了综述，并在此基础上提出了一种新型的 巡检机器人的机械本体结构。

22国内外巡检机器人行走机构的特点分析 -国外对高压输电线路巡检机器人的研究始于上世纪 8 0年代，日本、由美国、拿大等发达国家先后展开了对高压输电线加

2巡检机器人行走机构的研究现状21。巡检机器人机械本体主要组成及其功能

路巡检机器人的研究。国内外巡检机器人的发展来看。从用于巡由于机器人要悬挂在高压输电线路上进行工作，高压检机器人的行走机构主要有步进式行走机构和轮式行走机构。而在 线路上又有诸如防振锤、跳线、耐张线夹等多种障碍物，这种复步进式行走机构通过多只手臂的交替移动完成在线爬行，行走

杂的线路结构决定了巡检机器人的机械本体主要有行走机构和移动为间断式，其

移动速度缓慢，效率低。轮式行走机构依靠由 越障机构组成。行走机构用于实现机器人的在线行走，而越障机电机驱动的行走轮与线路之间的摩擦，驱动机器人前进。轮式爬构则能够实现机器人的在线越障，为机器人在线持续工作提供行行走机构具有移动平稳、速度快和效率高的特点，因此，目前保证。 巡检机器人多采用此种轮式行走机构。:如日本东京电力公司研

行走机构是高压输电线路巡检机器人的主要组成部分，是制的光纤复合架空地线巡检机器人【图 l -如所示。它采用两轮同巡检机器人设计成败的关键之一。地面机器人的行走方式按其时驱动行走机构实现在线行走，这种机器人行走机构具有结构机构可分为：足式、轮式、履带式及混合式等。而巡检机器人在输紧凑，驱动力矩大的特点。拿大魁北克水电研究院研制的 H 加 Q电线路上行走与地面行走不同，不仅要在线路上行走，还要具有 Ln— oe遥控小车嘲Ⅱ 2所示。 ieR vr女图它靠上方三个轮子实现驱动

保持在线平衡、稳定的能力。从仿生学的观点出发，巡检机器人行走，下方轮子起到辅助行走及刹车的作用。该机器人靠轮式行★来稿日：0 6 1- 4★期 20- 11基金项目：国家 8 3 6计划资助项目

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第8期

王吉岱等：高压输电线路巡检机器人机械本体设计‘

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走机构实现了在直线线路段的稳定行走。日本 Hd o aa r ie kmua N

从高压输电线路巡检机器人的研究现状来看，式行走机轮

等人开发的蛇形巡检机器人翻如图 3所示。该机器人有多个小车构倍受研究人员的青睐，但在爬坡能力、运行的速度及运行的稳组合连接而成，每个小车自身携带驱动轮，通过各个小车协调驱定性等方面还有待于进一步完善。动来实现机器人的在线移动。 上述巡检机器人的行走机构的行走轮均采用整体轮式。作

者结合巡检机器人行走与越障的特点，提出了一种新型的中空开合式手掌行走轮结构，图 5所示。如该行走轮由静、动半轮。花键传动机构和螺旋增力加紧机构组成。在正常行走时。两半轮在螺旋加紧机构的作用下紧密合并一起，中间通过矩形花键传动扭矩，实现在线行走。螺旋加紧机构不仅保证了两轮结合

时的可靠性，而且增加了行走轮对线路的抱紧力，提高了机器人的爬

坡能力，最大爬坡角度可达 7 o 5。这种中间开合式行走轮在跨越线夹、悬垂及跳线时能够及时左右打开，实现快速跨越障碍的功能。大大提高了巡检机器人的越障效率。此外，为增加行走轮与线路有足够的摩擦力，减轻对铝裸线的磨损，两半轮外表面图 1弧形手臂巡检机器人

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采用了高弹性、高强度的聚氨酯耐磨材料，有效地防止爬越陡坡时的打滑现象。

图 2HQLn- oe遥控小车 ie R vr Fg2 n- oe i L e R vr . HQi

国内在巡检机器人的研究方面主要有武汉大学、阳自动沈化研究所、中科院自动化研究所和山东科技大学等单位。如武汉大学研制的架空高压输电线路自动爬行机器人哟Ⅱ 4所示。图该机器人通过一对伞形轮来现行走。亦采用了轮式行走机构。图 5中空开合式手掌行走轮结构示意

3巡检机器人越障机构的研究现状从国内外研究来看，行走于直线段线路的巡检机器人技术已比较成熟，而且已有成功应用于实际线路的报道和实例。但对

n 7斟V蛀 1 DE EW i() a轮子

于能够用于实际的灵活越障的巡检机器人尚处于研究试验阶段，目前对高压线路巡检机器人已有的研究样机来看，就越障机构有水平绕行、攀援、直接跨越等形式。: 1中的光纤复合架如图

图 3蛇形巡检机器人F g3 n k -l emo in I s e t nr b t i . S a e i t n p c i o o k o o

空地线巡检机器人，它是通过自身携带的弧形自由伸缩导轨，利用水平绕行的方式来实现跨越障碍的功能，但该结构难以保持机器人的平衡，同时跨越距离受到导轨的限制； 3中的蛇形巡图检机器人是通过顺次打开各个小车来实现越障，该结构不能实现跨越耐张线夹及杆塔等障碍物，在越障方面受到极大限制；美国研制的悬臂自治巡检机器人原型嘲如图 6所示。它采用手臂，仿人攀缘的方法从侧面越过杆塔等障碍物，该机构越障效率低。 难以实现自主越障；武汉大学研制的越障机构采用两臂交替抓握导线实现跨越障碍的功能。该机构能够跨越线路中的防震锤、 线夹和跳线等障碍，但跨越速度和效率较低。者根据仿生学的作原理，通过分析模仿人类在钢丝绳索越障的机理，出了中空式提

图 4巡检小车整体结构

开合手掌行走轮机构 (如图 5

和柔性伸缩机械臂机构相结合的 )

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要求巡检机器人要有不同的功能和操作，机器人三臂越障机构如图 7所示。机器人在遇到线路中的类似防震锤线路的复杂性，等下垂障碍物时，可以利用中空式开合手掌行走轮的多关节的协调使控制系统更加复杂。所以，有些研究者将巡检机器人单功能化，以便使机器人的机构简单化和任务单一化，保证其控制系统的可靠性。 () 3运行的高稳定性与可靠性。巡检机器人运行的稳定性及可靠性是衡量机器人的关键指标之一，巡检机器人工作时长时间处于荒山野岭，因此必须保证其工作的稳定性及可靠性，另外，巡

检机器人工作时处于悬挂状态，为了保证其检测效率及检测质量，势必对机器人的在线运行的稳定性及可靠性提出了相当高的要求。科研人员对巡检机器人的研制始终朝着高稳定性及高可靠性的方向迈进，这是高压线路巡检机器人发展的大趋势。

5结论图 6悬臂巡检机器人

随着科学技术的发展及人民生活水平的不断提高，高压架空输电线路巡检机器人的产生成为必然。目前研究状况看，就行走及越障方式一直阻碍着巡检机器人的发展。因此对高压线路巡检机器人的机械本体结构研究意义重大。当前高压输电线路巡检机器人的发展趋势也反映了机械本体结构在整个巡检器人研制过程中的重要性。由此可见，对高压输电线路巡检器人机械本体的研制具有非常广阔的空间。

参考文献lS wa aJ Ku u t a d, s mooK, u a aa A mo i b to is e t no p w r M n k t bl r o fr np c o f o e eo i

t nm si ns[. E rnat n nP w r evr.9 16 1: r s is nl e JI ETasco s o e l ey19, ( ) a o i】E i o Di3~ 5 O9 31 .

图 7柔性伸缩机械臂机构示意图

2Motm a lS Pui T eHQLn - oe nr uigoinvtn na b ut, ol t oN. h ie R vnc tb t oa o o i nt n i i a s is nl em it ac A.0 3IE S .0 3IE Oh nt m si n anen e【】20 EE MO20 E lt r n o i n

E EI t r a in o f r n eo a s si n a d Dit b i n Co tu t n n e t a C n e e c n Tr n m s o sr ut ns c o, n ol i n i o r i

机构直接穿越。大提高了越障效率。而柔性伸缩机械臂大由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、大臂旋转驱动机构和大臂伸缩机构等组成，过大臂伸缩机构、通大臂旋转驱动机构、肩关节及腕关节可实现机器人操作空间的调节，满足跨越杆塔等障碍物及线路转弯跳线的要求，达到机器人顺利越障的目的。

O eao dLv- ie itn c[]0 33枷 . p rt na ieLn nea eC. 0 I3 i n Ma n 23Ko a ah H, k mu H, hma aT Ani s e t nrb t o fe e c b y s i Na a m Si d . n p c o o o fr e d r a i

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4巡检机器人机械设计发展趋势随着科学技术水平的不断提高，人们对机器人的机构设计提出了更高的要求。高压输电线路巡检机器人的工作特点及部分科研机构研究表明，目前高压输电线路巡检机器人向着轻量化、操作简单化、障高效化等方向发展。越 材料等。目前高压线路巡检机器人的能源主要来自于蓄电池，有现巡检机器人的自给电，这种方式在减小重量方面具有一定的

【】 0e aa: 9 19 2 9 5 C. b pn 1 9,9￣ 9 . K J4 Mo tmba iS CoeJ S.￣us M . ei n r eut nted v lp n na ut, t, tI i, Prl i m ayrs l o h e eo me t s

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[】Mot a, u. aaa 2 0 .1 2 . C. nrl Q eC n d: 002 - 7 e

() 1轻量化。影响机器人的主要因素有：机械结构、电源及 5Ge al Ro t sgo igm it a c p o r tie啪. l tcl rg ua. b i:rwn anen e o t no it P o c n i f ul s i Ee r a c iw r, 9 9 2 3 5:5 7 . ol 18, 0 ( ) - 2 d 6

e n a.o i:rwn ne n e tnf i i P o c ma n o o ouH e s Ee r a c i些科研工作者通过利用感应原理在高压线路中取电的方法，实 6Grg a l R bt sgo ig it ac pi r t f啪. l tclWol, 9 9 2 3 5:5 7 . r 18, 0 ( ) - 2 d 6

吴功平，肖晓晖，郭应龙等.架空高压输电线自动爬行机器人的研制. 中效果。材料科学的发展，为巡检机器人的轻量化提供了发展空 7

间。在进行机器人研制时，科研人员通过改进机构或选择一些性能好、密度较小的高分子材料来减轻巡检机器人的重量。机械机构很大程度上决定了机器人重量，其结构简单轻巧化显得尤为重要，已受到研究人员的重视。

国机械工程。 1卷第 3 第 7期. 8耿欣，周延泽.检机器人的爬行方案设计叨.巡机器人技术与应用，2 0 .4:9 2 . 0 2( )l~ 1

9张运楚，自泽，梁谭民.电力线路巡检机器人的研究综述叨.架空机器人，0 42 ( ) 4 7 4 3 20, 5: 6~7. 6 P一

() 2操作简单化、越障高效化。目前，于高压输电线路巡 l对 O黄真，安永民.机器人机构学】 h a cdmcoraEetn . . i ae u l l r i C n A i J n c oc检机器人而言，操作简单化不但可以减少控制的复杂性而且还 19 2 0 . 9 4~ 0 6可以提高机器人的工作效率。因此，研究人员一直致力于机构的 1【】 1 1牧野洋， 3胡茂松译泊动机械机构学[】 M .:出版社，9 0北京科学 18.2王宣银.机器人

技术及其应用.州：杭浙江大学出版社， 0, 2 1. 0 7优化研究，选择最简单有效的机构，实现其灵活越障。由于输电 1朱世强，

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