第12卷第2期 智能系统学报 Vol.12 No.2 2017年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2017 D0ID0I:10.11992/is.201605004 网络出版t地址：http:/www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20170217.0954.008.html 面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 宋屹峰1，王洪光，康文太2，凌烈，姜勇 (1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016：2.国网山西省电力公司运检公司，山西太原030200) 摘要：输电线路断股补修机器人需要在特定野外环境下开展复杂作业任务。面向机器人补修作业任务特征开展 机构设计，可以提升机器人作业性能，保证作业质量。本文介绍了基于断股补修作业任务设计的应用于机器人的各 类机构。根据行走、越障与捋线的作业目标，结合外部环境约束，进行机器人移动机构、越障机构与补修机构的设 计。以增大附着力、削弱强制滑转现象为目标设计了优化阔线的驱动轮作为移动机构：以保证越障安全性为目标， 设计了被动回转关节作为越障机构：以消除悬垂线路断股为目标，设计了螺旋复位式捋线机构作为补修机构。通过 理论分析、对比仿真与实验，分析了所设计机构在行走、越障与补修作业上的可行性、稳定性与合理性。 关键词：机器人应用：机构设计；机器人开发：机器人系统：输电线路：电网：机器人控制 中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：1673-4785(2017)02-0150-08 中文引用格式：宋屹峰，王洪光，王慧刚，等.面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计[J].智能系统学报，2017,12(2)：150 -157. 英文引用格式：SONG Yifeng,WANG Hongguang,WANG Huigang,etal.Optimizing electric power robot design for broken- strand repair tasks[J].CAAI transactions on intelligent systems,2017,12(2):150-157. Optimizing electric power robot design for broken-strand repair tasks SONG Yifeng',WANG Hongguang',KANG Wenjie2,LING Lie',JIANG Yong' (1.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.State Grid Shanxi Electric Power Company Maintenance Company,Taiyuan 030200,China) Abstract:Power transmission line maintenance robots that focus on repairing broken strands are required to complete complex maintenance tasks in the field.Designing the appropriate mechanisms based on the features of the given maintenance tasks can enhance operational performance and ensure operational quality.In this paper,we present various mechanisms that align broken-strand repair tasks with power transmission line maintenance robots. More specifically,our design focuses on the objectives of walking,negotiating obstacles,and sorting wires,all in conjunction with handling outer environment constraints and the mechanisms of movement,crossing obstacles,and performing repairs.We designed an optimized driving wheel to serve as the mechanism of movement to increase the adhesive force and lessen the inherent track slippage.We also designed passive rotary joints as the mechanism for crossing obstacles to ensure safety.Finally,we designed a spiral resetting-type sorting tool to serve as the broken- strand repair mechanism in eliminating reclinate broken strands.Given these designs,through theoretical analysis, comparative simulations,and experiments,we analyzed the feasibility,stability,and reasonability of our robot design for walking,crossing obstacles,and repairing broken strands. Keywords:robot applications;mechanism design;robot development;robot system;power line;maintenance;grid; robot control 电力产业是国民经济的支柱产业，直接对社会 收稿日期：2016-05-04.网络出版日期：2017-02-17. 基金项目：国家电网山西省公司科技项目 生产与人民生活产生巨大影响。作为电力能源传 通信作者：宋屹蜂.E-mail:songyifeng@sia.cn
第 员圆 卷第 圆 期摇摇摇摇 摇摇摇 摇摇 摇摇摇 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 灾燥造援员圆 翼援圆 圆园员苑 年 源 月 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 悦粤粤陨 栽则葬灶泽葬糟贼蚤燥灶泽 燥灶 陨灶贼藻造造蚤早藻灶贼 杂赠泽贼藻皂泽 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 粤责则援 圆园员苑 阅韵陨阅韵陨院员园援员员怨怨圆 辕 贼蚤泽援圆园员远园缘园园源 网络出版地址院澡贼贼责院 辕 辕 憎憎憎援糟灶噪蚤援灶藻贼 辕 噪糟皂泽 辕 凿藻贼葬蚤造 辕 圆猿援员缘猿愿援贼责援圆园员苑园圆员苑援园怨缘源援园园愿援澡贼皂造 面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 宋屹峰员 袁王洪光员 袁康文杰圆 袁凌烈员 袁姜勇员 渊员援 中国科学院 沈阳自动化研究所袁辽宁 沈阳 员员园园员远曰 圆援 国网山西省电力公司 运检公司袁山西 太原 园猿园圆园园冤 摘 要院输电线路断股补修机器人需要在特定野外环境下开展复杂作业任务遥 面向机器人补修作业任务特征开展 机构设计袁可以提升机器人作业性能袁保证作业质量遥 本文介绍了基于断股补修作业任务设计的应用于机器人的各 类机构遥 根据行走尧越障与捋线的作业目标袁结合外部环境约束袁进行机器人移动机构尧越障机构与补修机构的设 计遥 以增大附着力尧削弱强制滑转现象为目标设计了优化阔线的驱动轮作为移动机构曰以保证越障安全性为目标袁 设计了被动回转关节作为越障机构曰以消除悬垂线路断股为目标袁设计了螺旋复位式捋线机构作为补修机构遥 通过 理论分析尧对比仿真与实验袁分析了所设计机构在行走尧越障与补修作业上的可行性尧稳定性与合理性遥 关键词院机器人应用曰机构设计曰机器人开发曰机器人系统曰输电线路曰电网曰机器人控制 中图分类号院 栽孕圆源 摇 文献标志码院粤摇 文章编号院员远苑猿原源苑愿缘渊圆园员苑冤园圆原园员缘园原园愿 中文引用格式院宋屹峰袁王洪光袁王慧刚袁等援 面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计咱 允暂援 智能系统学报袁 圆园员苑袁 员圆渊圆冤 院 员缘园 原员缘苑援 英文引用格式院杂韵晕郧 再蚤枣藻灶早袁 宰粤晕郧 匀燥灶早早怎葬灶早袁 宰粤晕郧 匀怎蚤早葬灶早袁 藻贼 葬造援 韵责贼蚤皂蚤扎蚤灶早 藻造藻糟贼则蚤糟 责燥憎藻则 则燥遭燥贼 凿藻泽蚤早灶 枣燥则 遭则燥噪藻灶鄄 泽贼则葬灶凿 则藻责葬蚤则 贼葬泽噪泽咱允暂援 悦粤粤陨 贼则葬灶泽葬糟贼蚤燥灶泽 燥灶 蚤灶贼藻造造蚤早藻灶贼 泽赠泽贼藻皂泽袁 圆园员苑袁 员圆渊圆冤 院 员缘园原员缘苑援 韵责贼蚤皂蚤扎蚤灶早 藻造藻糟贼则蚤糟 责燥憎藻则 则燥遭燥贼 凿藻泽蚤早灶 枣燥则 遭则燥噪藻灶鄄泽贼则葬灶凿 则藻责葬蚤则 贼葬泽噪泽 杂韵晕郧 再蚤枣藻灶早员 袁 宰粤晕郧 匀燥灶早早怎葬灶早员 袁 运粤晕郧 宰藻灶躁蚤藻圆 袁 蕴陨晕郧 蕴蚤藻员 袁 允陨粤晕郧 再燥灶早员 渊员援 杂澡藻灶赠葬灶早 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 燥枣 粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶袁 悦澡蚤灶藻泽藻 粤糟葬凿藻皂赠 燥枣 杂糟蚤藻灶糟藻泽袁 杂澡藻灶赠葬灶早 员员园园员远袁 悦澡蚤灶葬曰 圆援 杂贼葬贼藻 郧则蚤凿 杂澡葬灶曾蚤 耘造藻糟贼则蚤糟 孕燥憎藻则 悦燥皂责葬灶赠 酝葬蚤灶贼藻灶葬灶糟藻 悦燥皂责葬灶赠袁 栽葬蚤赠怎葬灶 园猿园圆园园袁 悦澡蚤灶葬冤 粤遭泽贼则葬糟贼院孕燥憎藻则 贼则葬灶泽皂蚤泽泽蚤燥灶 造蚤灶藻 皂葬蚤灶贼藻灶葬灶糟藻 则燥遭燥贼泽 贼澡葬贼 枣燥糟怎泽 燥灶 则藻责葬蚤则蚤灶早 遭则燥噪藻灶 泽贼则葬灶凿泽 葬则藻 则藻择怎蚤则藻凿 贼燥 糟燥皂责造藻贼藻 糟燥皂责造藻曾 皂葬蚤灶贼藻灶葬灶糟藻 贼葬泽噪泽 蚤灶 贼澡藻 枣蚤藻造凿援 阅藻泽蚤早灶蚤灶早 贼澡藻 葬责责则燥责则蚤葬贼藻 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂泽 遭葬泽藻凿 燥灶 贼澡藻 枣藻葬贼怎则藻泽 燥枣 贼澡藻 早蚤增藻灶 皂葬蚤灶贼藻灶葬灶糟藻 贼葬泽噪泽 糟葬灶 藻灶澡葬灶糟藻 燥责藻则葬贼蚤燥灶葬造 责藻则枣燥则皂葬灶糟藻 葬灶凿 藻灶泽怎则藻 燥责藻则葬贼蚤燥灶葬造 择怎葬造蚤贼赠援 陨灶 贼澡蚤泽 责葬责藻则袁 憎藻 责则藻泽藻灶贼 增葬则蚤燥怎泽 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂泽 贼澡葬贼 葬造蚤早灶 遭则燥噪藻灶鄄泽贼则葬灶凿 则藻责葬蚤则 贼葬泽噪泽 憎蚤贼澡 责燥憎藻则 贼则葬灶泽皂蚤泽泽蚤燥灶 造蚤灶藻 皂葬蚤灶贼藻灶葬灶糟藻 则燥遭燥贼泽援 酝燥则藻 泽责藻糟蚤枣蚤糟葬造造赠袁 燥怎则 凿藻泽蚤早灶 枣燥糟怎泽藻泽 燥灶 贼澡藻 燥遭躁藻糟贼蚤增藻泽 燥枣 憎葬造噪蚤灶早袁 灶藻早燥贼蚤葬贼蚤灶早 燥遭泽贼葬糟造藻泽袁 葬灶凿 泽燥则贼蚤灶早 憎蚤则藻泽袁 葬造造 蚤灶 糟燥灶躁怎灶糟贼蚤燥灶 憎蚤贼澡 澡葬灶凿造蚤灶早 燥怎贼藻则 藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼 糟燥灶泽贼则葬蚤灶贼泽 葬灶凿 贼澡藻 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂泽 燥枣 皂燥增藻皂藻灶贼袁 糟则燥泽泽蚤灶早 燥遭泽贼葬糟造藻泽袁 葬灶凿 责藻则枣燥则皂蚤灶早 则藻责葬蚤则泽援 宰藻 凿藻泽蚤早灶藻凿 葬灶 燥责贼蚤皂蚤扎藻凿 凿则蚤增蚤灶早 憎澡藻藻造 贼燥 泽藻则增藻 葬泽 贼澡藻 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 燥枣 皂燥增藻皂藻灶贼 贼燥 蚤灶糟则藻葬泽藻 贼澡藻 葬凿澡藻泽蚤增藻 枣燥则糟藻 葬灶凿 造藻泽泽藻灶 贼澡藻 蚤灶澡藻则藻灶贼 贼则葬糟噪 泽造蚤责责葬早藻援 宰藻 葬造泽燥 凿藻泽蚤早灶藻凿 责葬泽泽蚤增藻 则燥贼葬则赠 躁燥蚤灶贼泽 葬泽 贼澡藻 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 枣燥则 糟则燥泽泽蚤灶早 燥遭泽贼葬糟造藻泽 贼燥 藻灶泽怎则藻 泽葬枣藻贼赠援 云蚤灶葬造造赠袁 憎藻 凿藻泽蚤早灶藻凿 葬 泽责蚤则葬造 则藻泽藻贼贼蚤灶早鄄贼赠责藻 泽燥则贼蚤灶早 贼燥燥造 贼燥 泽藻则增藻 葬泽 贼澡藻 遭则燥噪藻灶鄄 泽贼则葬灶凿 则藻责葬蚤则 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 蚤灶 藻造蚤皂蚤灶葬贼蚤灶早 则藻糟造蚤灶葬贼藻 遭则燥噪藻灶 泽贼则葬灶凿泽援 郧蚤增藻灶 贼澡藻泽藻 凿藻泽蚤早灶泽袁 贼澡则燥怎早澡 贼澡藻燥则藻贼蚤糟葬造 葬灶葬造赠泽蚤泽袁 糟燥皂责葬则葬贼蚤增藻 泽蚤皂怎造葬贼蚤燥灶泽袁 葬灶凿 藻曾责藻则蚤皂藻灶贼泽袁 憎藻 葬灶葬造赠扎藻凿 贼澡藻 枣藻葬泽蚤遭蚤造蚤贼赠袁 泽贼葬遭蚤造蚤贼赠袁 葬灶凿 则藻葬泽燥灶葬遭蚤造蚤贼赠 燥枣 燥怎则 则燥遭燥贼 凿藻泽蚤早灶 枣燥则 憎葬造噪蚤灶早袁 糟则燥泽泽蚤灶早 燥遭泽贼葬糟造藻泽袁 葬灶凿 则藻责葬蚤则蚤灶早 遭则燥噪藻灶 泽贼则葬灶凿泽援 运藻赠憎燥则凿泽院 则燥遭燥贼 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽曰皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 凿藻泽蚤早灶曰则燥遭燥贼 凿藻增藻造燥责皂藻灶贼曰则燥遭燥贼 泽赠泽贼藻皂曰责燥憎藻则 造蚤灶藻曰皂葬蚤灶贼藻灶葬灶糟藻曰早则蚤凿曰 则燥遭燥贼 糟燥灶贼则燥造 收稿日期院圆园员远原园缘原园源援 摇 网络出版日期院圆园员苑原园圆原员苑援 基金项目院国家电网山西省公司科技项目 通信作者院宋屹峰援 耘鄄皂葬蚤造院泽燥灶早赠蚤枣藻灶早岳 泽蚤葬援糟灶援 摇 摇 电力产业是国民经济的支柱产业袁直接对社会 生产与人民生活产生巨大影响遥 作为电力能源传
第2期 宋屹峰，等：面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 ·151· 输的主干通道，超高压输电线路需要定期巡视检 个输电线路起到避雷作用。线路实际运行过程中， 修，以保持正常运行。输电线路架设距离长，经过 雷电快速通过架空地线时，会引起局部温度过高， 山川、河流、草原等复杂环境，同时，登塔进行维护 从而熔断线股，造成线路断股。此外，架空地线上 检修作业时，人员直接面对高空，强电磁环境。综 安装有抑制线路随风振动的防振锤，线路舞动时与 上所述，电力巡检与维护工作具有作业环境特殊、 防振锤相互摩擦也会导致线路断股。 劳动强度大、危险性高等特点。基于以上特点，机 1.2作业任务分析 器人被提出用于开展电力巡检与维护作业，达到降 输电线路断股是一种严重的线路故障，断股会 低劳动强度及危险性，提高作业自动化程度。 降低架空地线与输电线之间的安全距离，甚至引发 电力巡检与维护机器人的研究始于20世纪80 闪络，因此需要及时进行维护。 年代，日本东京电力公司于1988年研制出世界上第 机器人开展断股补修任务，首要前提是兼顾电 1台高压线巡检机器人样机山，此后，国内外的多家 力设备及机器人自身安全。在此基础上，机器人需 研究机构先后对电力机器人展开了研究[2刃，国外 要沿线路移动，跨越防振锤，并对断股进行补修。 方面包括加拿大魁北克水利研究院(REQ)开发的 断股补修既要有效地降低断股悬垂长度，增加架空 除冰机器人LineROver、多功能巡检维护机器人 地线与输电线之间的安全距离，也要对断股进行牢 LineScout,.日本关西电力公司开发的巡检机器人 固固定，防止断股继续散落断开。综上，机器人需 Expliner等；国内方面，武汉大学、山东科技大学等 要在移动、越障及补修作业三方面进行针对性的机 单位均开发了各自的电力巡检与维护机器人。 构设计。 机器人在野外输电线路上开展作业维护任务， 表1断股补修作业任务 需要机器人集成行走爬坡、越障、维护检修等多种 Tablel Broken strand repair tasks 功能。加之外部存在非结构化环境、变化的气候状 任务 内容 要求 况、电力设备的保护要求等设计约束条件，对机器 行走 沿线快速平稳行走 降低能耗，提升爬坡角度 人的机构设计提出了较高的要求。 越障 跨越防振锤等障碍 越障时夹紧轮闭合保证安全 基于机器人的总体任务需求，分析各分系统的 补修消除悬垂断股，固定断股不破坏线路，补修安全可靠 功能需求，面向任务需求进行机构设计，可以有效 地提升机器人的专项指标，改善机器人总体性 2 面向断股补修任务机器人机构设计 能[)。本文以中国科学院沈阳自动化研究所研制 的断股补修机器人为研究对象，针对架空地线断股 2.1断股补修机器人 补修任务，重点就机器人的移动机构、越障机构与 如图2所示，机器人由移动本体与作业机构组 修复机构的机构设计内容展开研究。 成。其中，移动本体采用轮臂式结构。轮式结构可 以保证机器人在线路上快速稳定地行进。在驱动 1 断股补修机器人任务分析 轮下方安装有夹紧轮，采用夹紧轮可以提高驱动轮 1.1线路环境 的牵引附着力，使机器人具备一定的爬坡能力。在 机器人线路环境如图1所示。 机器人的前后臂均安装有被动回转关节，遇到障碍 机器人架空地线断股 防振锤 时，通过被动改变构型进行越障。捋线工具安装在 机器人驱动轮旁，用于将断股复位至线路线槽内， 绝缘子 减少断股长度：压接工具在复位的断股处安装压接 夹，对断股进行固定，防止断股再次散开。 导线 捋线工具 夹紧轮 气杆塔 压接工具 驱动轮 图1线路环境图 被动回转关节 移动平台 巡检相机 Fig.1 Power transmission line environment 超高压输电线路由杆塔、架空地线、输电导线 组成，根据线路实际运行需求，线路上安装有防振 图2断股补修机器人 锤等金具。架空地线一般架设于杆塔最上方，为整 Fig.2 Broken strand repair robot
输的主干通道袁超高压输电线路需要定期巡视检 修袁以保持正常运行遥 输电线路架设距离长袁经过 山川尧河流尧草原等复杂环境袁同时袁登塔进行维护 检修作业时袁人员直接面对高空袁强电磁环境遥 综 上所述袁电力巡检与维护工作具有作业环境特殊尧 劳动强度大尧危险性高等特点遥 基于以上特点袁机 器人被提出用于开展电力巡检与维护作业袁达到降 低劳动强度及危险性袁提高作业自动化程度遥 电力巡检与维护机器人的研究始于 圆园 世纪 愿园 年代袁日本东京电力公司于 员怨愿愿 年研制出世界上第 员 台高压线巡检机器人样机咱员暂 袁此后袁国内外的多家 研究机构先后对电力机器人展开了研究咱圆原苑暂 袁国外 方面包括加拿大魁北克水利研究院渊 陨砸耘匝冤开发的 除冰机器人 蕴蚤灶藻砸韵增藻则尧 多功能巡检维护机器人 蕴蚤灶藻杂糟燥怎贼袁日本关西电力公司开发的巡检机器人 耘曾责造蚤灶藻则 等曰国内方面袁武汉大学尧山东科技大学等 单位均开发了各自的电力巡检与维护机器人遥 机器人在野外输电线路上开展作业维护任务袁 需要机器人集成行走爬坡尧越障尧维护检修等多种 功能遥 加之外部存在非结构化环境尧变化的气候状 况尧电力设备的保护要求等设计约束条件袁对机器 人的机构设计提出了较高的要求遥 基于机器人的总体任务需求袁分析各分系统的 功能需求袁面向任务需求进行机构设计袁可以有效 地提升机器人的专项指标袁 改善机器人总体性 能咱愿暂 遥 本文以中国科学院沈阳自动化研究所研制 的断股补修机器人为研究对象袁针对架空地线断股 补修任务袁重点就机器人的移动机构尧越障机构与 修复机构的机构设计内容展开研究遥 员摇 断股补修机器人任务分析 员援员摇 线路环境 机器人线路环境如图 员 所示遥 图 员摇 线路环境图 云蚤早援员摇 孕燥憎藻则 贼则葬灶泽皂蚤泽泽蚤燥灶 造蚤灶藻 藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼 摇 摇 超高压输电线路由杆塔尧架空地线尧输电导线 组成袁根据线路实际运行需求袁线路上安装有防振 锤等金具遥 架空地线一般架设于杆塔最上方袁为整 个输电线路起到避雷作用遥 线路实际运行过程中袁 雷电快速通过架空地线时袁会引起局部温度过高袁 从而熔断线股袁造成线路断股遥 此外袁架空地线上 安装有抑制线路随风振动的防振锤袁线路舞动时与 防振锤相互摩擦也会导致线路断股遥 员援圆摇 作业任务分析 输电线路断股是一种严重的线路故障袁断股会 降低架空地线与输电线之间的安全距离袁甚至引发 闪络袁因此需要及时进行维护遥 机器人开展断股补修任务袁首要前提是兼顾电 力设备及机器人自身安全遥 在此基础上袁机器人需 要沿线路移动袁跨越防振锤袁并对断股进行补修遥 断股补修既要有效地降低断股悬垂长度袁增加架空 地线与输电线之间的安全距离袁也要对断股进行牢 固固定袁防止断股继续散落断开遥 综上袁机器人需 要在移动尧越障及补修作业三方面进行针对性的机 构设计遥 表 员摇 断股补修作业任务 栽葬遭造藻员摇 月则燥噪藻灶 泽贼则葬灶凿 则藻责葬蚤则 贼葬泽噪泽 任务 内容 要求 行走 沿线快速平稳行走 降低能耗袁提升爬坡角度 越障 跨越防振锤等障碍 越障时夹紧轮闭合保证安全 补修 消除悬垂断股袁固定断股 不破坏线路袁补修安全可靠 圆摇 面向断股补修任务机器人机构设计 圆援员摇 断股补修机器人 如图 圆 所示袁机器人由移动本体与作业机构组 成遥 其中袁移动本体采用轮臂式结构遥 轮式结构可 以保证机器人在线路上快速稳定地行进遥 在驱动 轮下方安装有夹紧轮袁采用夹紧轮可以提高驱动轮 的牵引附着力袁使机器人具备一定的爬坡能力遥 在 机器人的前后臂均安装有被动回转关节袁遇到障碍 时袁通过被动改变构型进行越障遥 捋线工具安装在 机器人驱动轮旁袁用于将断股复位至线路线槽内袁 减少断股长度曰压接工具在复位的断股处安装压接 夹袁对断股进行固定袁防止断股再次散开遥 图 圆摇 断股补修机器人 云蚤早援圆摇 月则燥噪藻灶 泽贼则葬灶凿 则藻责葬蚤则 则燥遭燥贼 第 圆 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 宋屹峰袁等院面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 窑员缘员窑
·152. 智能系统学报 第12卷 2.2移动机构设计 区，接触力取决于接触材料的弹性，附着区提供的 2.2.1移动任务描述 图3所示为驱动轮与线路接触的截面图，输电 1,而在滑移区，接触力则取 附着力为F=2启S 线路由多条线股缠绕而成，其截面形状为近似圆 决于接触材料的黏着性，滑移区产生的牵引附着力 形。驱动轮的阔线需特定设计以使机器人在线路 上保持稳定。驱动轮设计时，需要考虑两点目标： 为.4，F2(1。总牵引力附者为 kPS 1)驱动轮所能提供的牵引附着力：2)减少驱动轮转 动时的能量损失。 F,=以，F1-F (3) 2k,2S 式中：S为驱动轮为滑转率，Fz,w为垂向载荷，4为 静摩擦系数，k,为驱动轮胎面的切向强度，↓，与L,表 驱动轮 阔线 示轮线接触区域的径向与纵向变形(，=C, W05 B“pk,=1.7√D-,D为驱动轮截面的 直径，C1P、B。为驱动轮结构参数，K为常数。 对总牵引附着力F进行分析可知，轮径高度H 变化范围不大时，驱动轮的结构参数变化范围较 小，对F产生主要影响的因素为驱动轮轮径D。 线路 通过式(1)、(2)两式分析阔线起始角α、阔线 线路外轮廓 圆心角B、外轮轮径高度H等参数对牵引附着力与 线股 强制滑转效应的影响，结合外部环境的设计约束， 图3机器人驱动轮 合理配置以上各驱动轮参数，完成设计。 Fig.3 Driving wheel of the robot 2.3越障机构设计 此外，为使驱动轮在线路上稳定行走且处于正 2.3.1越障任务描述 常摩擦状态，设计时存在以下约束：1)驱动轮与线 输电线路断股补修机器人的作业范围为一个 路接触时，接触阔线的圆心角B>30°：2)驱动轮外轮 档距内，跨越的障碍主要为防振锤障碍，如图4 径高度H设有上限，H=d,其中7∈[3.5,5.5]。 所示。 2.2.2强制滑转分析 驱动轮与线路的接触位置是非等半径的，这会 造成驱动轮上各点滑转率也不相同，也就是驱动轮 部分位置的强制滑转。强制滑转越严重，则带来的 能量损失越大，强制滑转的程度可以通过驱动轮最 大半径r与最小半径rn之差与线径d的比值来 表示： v=(rmax -Imin)/d (1) 图4线路障碍：防振锤 2.2.3移动机构设计计算 Fig.4 Obstacle in the line:counterweight 如图3所示，驱动轮最大半径r与最小半径 r分别可以按照式(2)计算： 由于防振锤具有上方开放的特点，可以采用适 当增大驱动轮径，使得驱动轮D与障碍高度h满足 D>2h,进而机器人可以直接跨越障碍，如图5所示。 ri =2-2sin (a+B) (2) 按几何平均方法计算驱动轮等效半径： rev=√oinTmx=D/2 2.2.4牵引附着力计算 牵引附着力的计算借鉴弹性轮在硬地面型，按 照修正的Julien理论进行计算，驱动轮与线路的接 触区域L,可以分为附着区与滑移区两部分，在附着 图5无被动关节越障 Fig.5 Obstacle-crossing without passive joints
圆援圆摇 移动机构设计 圆援圆援员摇 移动任务描述 图 猿 所示为驱动轮与线路接触的截面图袁输电 线路由多条线股缠绕而成袁其截面形状为近似圆 形遥 驱动轮的阔线需特定设计以使机器人在线路 上保持稳定遥 驱动轮设计时袁需要考虑两点目标院 员冤驱动轮所能提供的牵引附着力曰圆冤减少驱动轮转 动时的能量损失遥 图 猿摇 机器人驱动轮 云蚤早援猿摇 阅则蚤增蚤灶早 憎澡藻藻造 燥枣 贼澡藻 则燥遭燥贼 此外袁为使驱动轮在线路上稳定行走且处于正 常摩擦状态袁设计时存在以下约束院员冤 驱动轮与线 路接触时袁接触阔线的圆心角 茁跃猿园毅曰圆冤驱动轮外轮 径高度 匀 设有上限袁匀越浊凿袁其中 浊沂咱猿援缘袁缘援缘暂遥 圆援圆援圆摇 强制滑转分析 驱动轮与线路的接触位置是非等半径的袁这会 造成驱动轮上各点滑转率也不相同袁也就是驱动轮 部分位置的强制滑转遥 强制滑转越严重袁则带来的 能量损失越大袁强制滑转的程度可以通过驱动轮最 大半径 则皂葬曾与最小半径 则皂蚤灶之差与线径 凿 的比值来 表示院 增 越 渊则皂葬曾 原 则皂蚤灶 冤 辕 凿 渊员冤 圆援圆援猿摇 移动机构设计计算 如图 猿 所示袁驱动轮最大半径 则皂葬曾 与最小半径 则皂蚤灶分别可以按照式渊圆冤计算院 则皂葬曾 越 匀 圆 原 凿 圆 泽蚤灶 琢 则皂蚤灶 越 匀 圆 原 凿 圆 泽蚤灶 渊琢 垣 茁冤 渊圆冤 摇 摇 按几何平均方法计算驱动轮等效半径院 则则藻增 越 则皂蚤灶 则皂葬曾 越 阅 辕 圆 圆援圆援源摇 牵引附着力计算 牵引附着力的计算借鉴弹性轮在硬地面型袁按 照修正的 允怎造蚤藻灶 理论进行计算袁驱动轮与线路的接 触区域 造贼可以分为附着区与滑移区两部分袁在附着 区袁接触力取决于接触材料的弹性袁附着区提供的 附着力为 云曾葬 越 员 圆 滋圆 责云圆 在袁宰 噪贼 造 圆 贼 杂 袁而在滑移区袁接触力则取 决于接触材料的黏着性袁滑移区产生的牵引附着力 为 云曾泽 越 滋责云在袁宰渊员原 滋责云在袁宰 噪贼 造 圆 贼 杂 冤 遥 总牵引力附着为 云曾 越 滋责云在袁宰渊员 原 滋责云在袁宰 圆噪贼 造 圆 贼 杂 冤 渊猿冤 式中院杂 为驱动轮为滑转率袁云在袁宰为垂向载荷袁滋责 为 静摩擦系数袁噪贼 为驱动轮胎面的切向强度袁造则 与 造贼 表 示轮 线 接 触 区 域 的 径 向 与 纵 向 变 形 造则 越 悦员 宰园援愿缘 月园援苑 园 阅园援源猿 责园援怨 蚤 运袁造贼 越 员援苑 渊阅原造则冤造则 袁阅 为驱动轮截面的 直径袁悦员 尧责蚤尧月园为驱动轮结构参数袁运 为常数遥 对总牵引附着力 云曾 进行分析可知袁轮径高度 匀 变化范围不大时袁驱动轮的结构参数变化范围较 小袁对 云曾 产生主要影响的因素为驱动轮轮径 阅遥 通过式渊员冤尧渊圆冤两式分析阔线起始角 琢尧阔线 圆心角 茁尧外轮轮径高度 匀 等参数对牵引附着力与 强制滑转效应的影响袁结合外部环境的设计约束袁 合理配置以上各驱动轮参数袁完成设计遥 圆援猿摇 越障机构设计 圆援猿援员摇 越障任务描述 输电线路断股补修机器人的作业范围为一个 档距内袁 跨越的障碍主要为防振锤障碍袁 如图 源 所示遥 图 源摇 线路障碍院防振锤 云蚤早援源摇 韵遭泽贼葬糟造藻 蚤灶 贼澡藻 造蚤灶藻院 糟燥怎灶贼藻则憎藻蚤早澡贼 由于防振锤具有上方开放的特点袁可以采用适 当增大驱动轮径袁使得驱动轮 阅 与障碍高度 澡 满足 阅跃圆澡袁进而机器人可以直接跨越障碍袁如图 缘 所示遥 图 缘摇 无被动关节越障 云蚤早援缘摇 韵遭泽贼葬糟造藻鄄糟则燥泽泽蚤灶早 憎蚤贼澡燥怎贼 责葬泽泽蚤增藻 躁燥蚤灶贼泽 窑员缘圆窑 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 第 员圆 卷
第2期 宋屹峰，等：面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 ·153· 值得注意的是，采用以上设计方案时，前后夹 紧轮的闭合都会影响越障：当前夹紧轮闭合时，很 明显前轮无法举升越障：而当后夹紧轮闭合时，闭 合的夹紧轮会阻碍前轮举升，也无法完成越障。而 夹紧轮始终打开会在机器人越障时带来一定的安 全隐患，当线路存在振动、风摆时，存在机器人越障 后驱动轮从线路滑落的危险。经过分析对以上机 21 构进行改进，在机器人手臂中部安装具有复位弹簧 的被动回转关节，使得机器人可以在越障过程中闭 (b)有被动回转关节 合非遇障轮的夹紧轮，保障越障安全。 图7越障受力状态分析 2.3.2具有被动关节的越障机构分析 Fig.7 Force analysis of obstacle-crossing 如图6所示，具备被动关节的机器人跨越障碍 根据机器人沿线方向与垂直方向的力平衡方 大致可以分为如下几个步骤：前轮接触障碍物后， 程与前轮轴心的力矩平衡方程。 在牵引力的作用下机器人前臂的被动关节开始变 ∑Fw=0,∑F,=0,∑Mf=0 形，随着变形量增加，关节处由弹簧提供的力矩不 可以得到受力平衡方程： 断增加，前臂关节停止变形。与此同时后臂转动关 A;sin B:B:cos B:+C=0 (4) 节也发生一定变形，变形方向与前臂相反，机器人 重心由于双臂的变形被抬高一定高度。值得注意 夹角B.满足sinB.=1- ，进而可以得到此时 hi 的是，此时机器人前轮是绕后臂被动关节旋转抬 机器人可跨越最高障碍h: 起，因此后轮夹紧轮可以保持闭合，后轮下黑色方 块表示闭合的夹紧轮。而后机器人在牵引力作用 h:B:2+A,C:+A-B√B+A-C网 下克服重力开始抬起前轮，双臂被动关节在此时开 R A2+B2 始恢复原状态，该过程与之前由变形引起的重心上 对于不含被动关节的机器人，i=1,对应的A1、 移一同构成了有助于前轮跨越障碍物的有利因素。 B、C,分别为 直至机器人前轮整体均高于障碍物，继续前进，完 A =(uR 2L)cos a +usin a)W 成整个前轮的跨越过程。 B =(1+u2)W(1 -n)Tsin a W,[2Lcos a- (1-n)Tsin a]-W(Lcos a-Tsin a- Csin a)+(uR -2L)EW(ucos a sin a) C =-uR(ucos a-sin a)W 对于改进设计含被动关节的机器人，i=2,对应 的A2、B2、C2分别为 A2=(uR Dv2)cos a usin a)w 图6具有被动关节越障 B2=(1+u2)(WD-W,D,-WD)+ Fig.6 Obstacle-crossing with passive joints (uR -D)W(ucos a sin a) 2.3.3越障能力分析 C2 =-uR(ucos a-sin a)W 对越障状态下的机器人进行准静态受力分析， 可以证明h2>h,即具备被动回转关节的越障 如图7所示。 机构可以跨越较高的障碍，具备更好的越障能力。 2.4补修作业机构设计 N 2.4.1捋线机构设计 W 补修作业机构由捋线工具与断股压接机构组 成，这里以捋线机构为例介绍补修作业机构的设 计。捋线机构的设计目的是消除悬垂的断股，本方 案设计的捋线机构利用正常线股的螺旋线将断股 2 复位至原线槽内。 针对上述架空地线由多股铝合金线螺旋式缠 (a)无被动回转关节 绕方式的结构，采用螺旋式前进的工作方式，具备
值得注意的是袁采用以上设计方案时袁前后夹 紧轮的闭合都会影响越障院当前夹紧轮闭合时袁很 明显前轮无法举升越障曰而当后夹紧轮闭合时袁闭 合的夹紧轮会阻碍前轮举升袁也无法完成越障遥 而 夹紧轮始终打开会在机器人越障时带来一定的安 全隐患袁当线路存在振动尧风摆时袁存在机器人越障 后驱动轮从线路滑落的危险遥 经过分析对以上机 构进行改进袁在机器人手臂中部安装具有复位弹簧 的被动回转关节袁使得机器人可以在越障过程中闭 合非遇障轮的夹紧轮袁保障越障安全遥 圆援猿援圆摇 具有被动关节的越障机构分析 如图 远 所示袁具备被动关节的机器人跨越障碍 大致可以分为如下几个步骤院前轮接触障碍物后袁 在牵引力的作用下机器人前臂的被动关节开始变 形袁随着变形量增加袁关节处由弹簧提供的力矩不 断增加袁前臂关节停止变形遥 与此同时后臂转动关 节也发生一定变形袁变形方向与前臂相反袁机器人 重心由于双臂的变形被抬高一定高度遥 值得注意 的是袁此时机器人前轮是绕后臂被动关节旋转抬 起袁因此后轮夹紧轮可以保持闭合袁后轮下黑色方 块表示闭合的夹紧轮遥 而后机器人在牵引力作用 下克服重力开始抬起前轮袁双臂被动关节在此时开 始恢复原状态袁该过程与之前由变形引起的重心上 移一同构成了有助于前轮跨越障碍物的有利因素遥 直至机器人前轮整体均高于障碍物袁继续前进袁完 成整个前轮的跨越过程遥 图 远摇 具有被动关节越障 云蚤早援远摇 韵遭泽贼葬糟造藻鄄糟则燥泽泽蚤灶早 憎蚤贼澡 责葬泽泽蚤增藻 躁燥蚤灶贼泽 圆援猿援猿摇 越障能力分析 对越障状态下的机器人进行准静态受力分析袁 如图 苑 所示遥 渊葬冤无被动回转关节 渊遭冤有被动回转关节 图 苑摇 越障受力状态分析 云蚤早援苑摇 云燥则糟藻 葬灶葬造赠泽蚤泽 燥枣 燥遭泽贼葬糟造藻鄄糟则燥泽泽蚤灶早 摇 摇 根据机器人沿线方向与垂直方向的力平衡方 程与前轮轴心的力矩平衡方程遥 移云晕 越 园袁移云栽 越 园袁移酝宰 枣 越 园 摇 摇 可以得到受力平衡方程院 粤蚤泽蚤灶 茁蚤 垣 月蚤糟燥泽 茁蚤 垣 悦蚤 越 园 渊源冤 摇 摇 夹角 茁蚤 满足 泽蚤灶 茁蚤 越 员原 澡蚤 砸 袁进而可以得到此时 机器人可跨越最高障碍 澡蚤院 澡蚤 砸 越 月蚤 圆 垣 粤蚤悦蚤 垣 粤圆 蚤 原 月蚤 月圆 蚤 垣 粤圆 蚤 原 悦圆 蚤 粤圆 蚤 垣 月圆 蚤 摇 摇 对于不含被动关节的机器人袁蚤 越 员袁对应的 粤员 尧 月员 尧悦员 分别为 粤员 越 渊滋砸 原 圆蕴冤渊糟燥泽 琢 垣 滋泽蚤灶 琢冤撞宰 月员 越 渊员 垣 滋圆 冤 喳宰枣 渊员 原 浊冤栽泽蚤灶 琢 原 宰则咱圆蕴糟燥泽 琢 原 渊员 原 浊冤栽泽蚤灶 琢暂 原 宰渊蕴糟燥泽 琢 原 栽泽蚤灶 琢 原 悦泽蚤灶 琢冤 札 垣 渊滋砸 原 圆蕴冤撞宰渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤 悦员 越 原 滋砸渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤撞宰 摇 摇 对于改进设计含被动关节的机器人袁蚤 越 圆袁对应 的 粤圆 尧月圆 尧悦圆分别为 粤圆 越 渊滋砸 垣 阅晕圆 冤渊糟燥泽 琢 垣 滋泽蚤灶 琢冤撞宰 月圆 越 渊员 垣 滋圆 冤 渊宰枣阅枣 原 宰则阅则 原 宰阅冤 垣 渊滋砸 原 阅晕圆 冤撞宰渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤 悦圆 越 原 滋砸渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤撞宰 摇 摇 可以证明 澡圆 跃澡员 袁即具备被动回转关节的越障 机构可以跨越较高的障碍袁具备更好的越障能力遥 圆援源摇 补修作业机构设计 圆援源援员摇 捋线机构设计 补修作业机构由捋线工具与断股压接机构组 成袁这里以捋线机构为例介绍补修作业机构的设 计遥 捋线机构的设计目的是消除悬垂的断股袁本方 案设计的捋线机构利用正常线股的螺旋线将断股 复位至原线槽内遥 针对上述架空地线由多股铝合金线螺旋式缠 绕方式的结构袁采用螺旋式前进的工作方式袁具备 第 圆 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 宋屹峰袁等院面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 窑员缘猿窑
·154· 智能系统学报 第12卷 将地线断股捋回至原线槽的功能，结构如图8所示。 3)在捋线过程中，两侧捋线环通过挂钩形成一 个整体，捋线球头位置与导线线槽位置吻合程度 0 高，同时捋线球头材质采用耐磨性好的尼龙材料， 减小对线路的磨损。 2.4.2捋线机构作业流程 1)准备断股修复工作前断股捋回装置处于初 14 17 始状态，捋线环第一组件安装在夹持器第一组件的 1.电机，2.主动同步带轮，3.同步带，4.从动同步带轮， 5轴承，6丝杠，7第一丝母，8.第二丝母，9.第一连接件 第一夹持座内，捋线环第二组件安装在夹持器第二 10.第二连接件，11.导轨，12第一滑块，13第二滑块， 组件的第一夹持座内。 14.第一夹持器，15.第二夹持器，16.第一捋线环， 17.第二捋线环，18.支架整体图 2)电机转动，夹持器的第一组件和夹持器第二 组件闭合，带动捋线环第一组件和捋线环第二组件 (a)整体图 闭合，构成整体的捋线环，然后电机反向转动，夹持 15-l 器打开，捋线环与夹持器分离。 15-5 3)~4)机器人后退，夹持器闭合，然后机器人前 14-5 进，夹持器推动捋线环，捋线环整体在导线线股间 4.3 的沟槽内前进并旋转，导线的断股在捋线球头的挤 a- 压作用下，回到原来的线槽位置，实现对导线断股 的捋回作业。 14-2 0 15 5)夹持器打开，机器人前进至捋线环处于夹持 144 器的第二夹座的位置上。 14-1.夹持器第一连接架.14-2.前夹持器第一夹座 6)夹持器闭合，捋线环第一组件进人并夹紧在 14-3.后夹持器第一夹座，14-4.第一旋转顶板， 14-5.顶珠套简组件.15.第二夹持器 夹持器第一组件的第二夹持座内，捋线环第二组件 15-1.夹持器第二连接架，15-2.前夹持器第二夹座. 进入并夹紧在夹持器第二组件的第二夹持座内。 15-3.后夹持器第二夹座，15-4第二旋转顶板. 15-5.顶珠套筒组件 然后夹持器打开，捋线环第一组件和捋线环第二组 (b)夹持器 件随着夹持器第一组件和夹持器第二组件分离。 16-3 16-416-516-1 完成断股捋线过程。 2.4.3捋线作业受力分析 进行断股捋回作业时受力情况复杂，通过分析 16-6 16-2 可以简化为螺母在螺旋线上运动时的受力模型。 116-7 架空地线外圈由n股铝合金线旋绕而成，可以转化 为如图9模型。将n条倾角为中的直线绕在圆柱上 便形成了n条螺旋线，其中P为螺距，d2为中径，山 为螺旋升角。 0 16-1.为捋线环基座，16-2.为销钉固定环， 16-3.为挂钩，16-4.为弹簧顶柱，16-5.为回转轴 16-6.为捋线销钉.16-7.为剖分导向柱 (c)捋线环 图8断股捋回机构 Fig.8 Broken strands repair mechanism 其具有如下特点： nd 1)具备被动适应能力，前进及旋转动力来自其 搭载的作业机器人本体： 图9线路简化模型 2)充分利用地线线股间沟槽，捋线球头沿沟槽 Fig.9 Simplified modeling of OGW 滑动，捋线器内环被动前进和旋转，从而将断股捋 捋线环在机器人本体推力作用下的运动可以转 回原来线槽位置，达到断股捋回目的：
将地线断股捋回至原线槽的功能袁结构如图 愿 所示遥 渊葬冤整体图 渊遭冤夹持器 渊糟冤捋线环 图 愿摇 断股捋回机构 云蚤早援 愿摇 月则燥噪藻灶 泽贼则葬灶凿泽 则藻责葬蚤则 皂藻糟澡葬灶蚤泽皂 摇 摇 其具有如下特点院 员冤具备被动适应能力袁前进及旋转动力来自其 搭载的作业机器人本体曰 圆冤充分利用地线线股间沟槽袁捋线球头沿沟槽 滑动袁捋线器内环被动前进和旋转袁从而将断股捋 回原来线槽位置袁达到断股捋回目的曰 猿冤 在捋线过程中袁两侧捋线环通过挂钩形成一 个整体袁捋线球头位置与导线线槽位置吻合程度 高袁同时捋线球头材质采用耐磨性好的尼龙材料袁 减小对线路的磨损遥 圆援源援圆摇 捋线机构作业流程 员冤准备断股修复工作前断股捋回装置处于初 始状态袁捋线环第一组件安装在夹持器第一组件的 第一夹持座内袁捋线环第二组件安装在夹持器第二 组件的第一夹持座内遥 圆冤电机转动袁夹持器的第一组件和夹持器第二 组件闭合袁带动捋线环第一组件和捋线环第二组件 闭合袁构成整体的捋线环袁然后电机反向转动袁夹持 器打开袁捋线环与夹持器分离遥 猿冤 耀 源冤机器人后退袁夹持器闭合袁然后机器人前 进袁夹持器推动捋线环袁捋线环整体在导线线股间 的沟槽内前进并旋转袁导线的断股在捋线球头的挤 压作用下袁回到原来的线槽位置袁实现对导线断股 的捋回作业遥 缘冤夹持器打开袁机器人前进至捋线环处于夹持 器的第二夹座的位置上遥 远冤夹持器闭合袁捋线环第一组件进入并夹紧在 夹持器第一组件的第二夹持座内袁捋线环第二组件 进入并夹紧在夹持器第二组件的第二夹持座内遥 然后夹持器打开袁捋线环第一组件和捋线环第二组 件随着夹持器第一组件和夹持器第二组件分离遥 完成断股捋线过程遥 圆援源援猿摇 捋线作业受力分析 进行断股捋回作业时受力情况复杂袁通过分析 可以简化为螺母在螺旋线上运动时的受力模型遥 架空地线外圈由 灶 股铝合金线旋绕而成袁可以转化 为如图 怨 模型遥 将 灶 条倾角为 鬃 的直线绕在圆柱上 便形成了 灶 条螺旋线袁其中 孕 为螺距袁凿圆 为中径袁鬃 为螺旋升角遥 图 怨摇 线路简化模型 云蚤早援怨摇 杂蚤皂责造蚤枣蚤藻凿 皂燥凿藻造蚤灶早 燥枣 韵郧宰 捋线环在机器人本体推力作用下的运动可以转 窑员缘源窑 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 第 员圆 卷