林坚磊;刘文华;陈雪;侯智强;宋赫
【摘 要】Aiming at icing conditions of high voltage lines, a kind of line deicing robot is proposed. It consists of moving mechanism, climbing obstacle structure, deicing hammer, gear drive and camera system. The robot utilizes the deicing wheel fixed in the fore-end to cut ice, and then the deicing hammer clears up the remaining icing. The driving wheel adopts semi-circular structure to meet a range of diameter and uses a locking mechanism to provide stability for the robot. The robot is of small size and with high efficiency deicing, and cleared icing thickness can reach from10 to 25mm.%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。
【期刊名称】《宁波职业技术学院学报》
【年(卷),期】输电线路覆冰2015(000)002
【总页数】4页(P63-66)
【关键词】高压线;机器人;除冰;结构设计
【作 者】林坚磊;刘文华;陈雪;侯智强;宋赫
【作者单位】北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021;北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021;北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021;北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021;北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021
【正文语种】中 文
【中图分类】TP242
0 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。
图1 机器人的本体结构1-摄像头；2-减速齿轮；3-不完全齿轮；4-完全齿轮；5-螺旋齿轮；6-升降螺母；7-螺旋齿轮；8-底座；9-滑移齿轮；10-螺旋齿轮；11-螺栓；12-丝杠；13-皮带轮；14-螺旋齿轮；15-覆冰轮；16-皮带轮；17-齿轮；18-除冰锤；19-不完全齿轮；20-中间行走轮；21-张紧轮；22-后行走轮。 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。第二条：电机—锥齿轮—减速齿轮—齿轮—不完全齿轮—齿轮—除冰锤。第三条：电机—联轴器—螺旋齿轮—升降螺母—行走轮。下面逐一介绍各个传动路线中主要零件计算参数。
第一条传动路线：除冰砂轮采用型号为SK-1081的普通切割砂轮φ=106 mm，砂轮由皮带通过螺旋齿轮与电机相连，调节电机的转速就可以达到理想的转速。皮带轮采用5M-20齿同步轮BF款式。内孔径为8 mm，配带宽为20 mm，齿面外径31 mm，档边外径35 mm，采用M4顶丝固定方式，台阶外径为20 mm，台阶厚度为10 mm。
第二条传动路线：设定除冰锤的撞击频率为3.5次/s，则不完全齿轮转速为210 r/min；行走驱动电机的转速为262.5 r/min。
图2 传动路线原理1-电机；2-齿轮；3-减速齿轮；4-齿轮；5-齿轮；6-不完全齿轮；7-不完全齿轮；8-齿轮；9-10.除冰锤；11-皮带轮；12-皮带；13-皮带轮；14-螺旋齿轮；15-砂轮；16-滑移齿轮；17-升降螺母；18-附冰轮；19-螺旋齿轮；20-升降螺母；21-中间行走轮；22-螺旋齿轮；23-花键轴；24-升降螺母；25-后行走轮；26-螺旋齿轮；27-电机。
设定机器人工作环境为-20°，该条件下的覆冰抗压强度为σ=3.09MPa；除冰锤设计长为10 mm，宽为1 mm，则刀刃面积为A=100 mm2，除冰锤回转直径为φ=90 mm。
式中：M为除冰锤工作时的最大扭矩 （N·m）；P为除冰锤工作时的功率（W）；n为除冰锤工作时的转速（r/min）；η为零件间的传递效率。
第三条传动路线：为了提高除冰的效率，必须保证机器人单位时间内走过的路程s要小于或等于除冰锤单位时间内所除掉覆冰的有效距离l。
已知除冰锤1 s内除冰有效距离为30 mm。现设定行走轮的直径φ=53 mm，轮宽d=34 mm，
槽宽d1=24 mm，槽深d2=12 mm，行走速度v=30 mm/s。
故行走电机的转速为n=10.8 r/min。
2.2 越障机构设计
为了保证除冰机器人在高压输电线上平稳行走和越障，采用滑移齿轮、升降螺母、丝杠、螺旋齿轮和张紧机构，实现行走轮的越障功能。在正常行走时，前端的行走轮（也称附冰轮）不提供动力，在工作的过程中保证高压线水平与除冰锤在同一水平线上；中间行走轮提供动力（与行走轮同轴相连一低转速的行走电机）；中间行走轮与后行走轮靠皮带连接传输动力，在两个行走轮之间安装有张紧机构，调节机构越障时皮带的松紧状态。图3为机器人越障过程原理。
由图3（a）可见：当附冰轮遇到障碍物时，滑移齿轮与前螺旋齿轮相互啮合，使升降螺母上移，带动前面行走轮抬起，中间行走轮提供向前动力，在前面行走轮抬起时，整个装置保持前进状态。越过障碍后滑移齿轮反转，恢复附冰轮的原始位置，完成附冰轮的越障功能。
由图3（b）可见：当中间行走轮遇到障碍时，滑移齿轮与中间螺旋齿轮相互啮合，带动升降螺母上移，从而使行走轮抬起准备越障。由于在两轮之间设有张紧轮，在行走轮抬起时，由于弹簧处于压缩状态，使张紧轮一同被抬起。当行走轮越过障碍时，控制电机进行反转，使升降螺母下移，带动附冰轮下降，完成行走轮的越障功能。
由图3（c）可见：当后行走轮遇到障碍时，滑移齿轮与中后螺旋齿轮相互啮合，带动升降螺母上移，从而使行走轮抬起准备越障。由于在两轮之间设有张紧轮，在行走轮抬起时，弹簧被压缩使张紧轮一同被抬起。当后行走轮越过障碍时，控制电机反转，使升降螺母下移，从而带动行走轮下降，张紧轮在弹簧的作用下随之下降，保持皮带始终拥有预紧力，越障过程结束。
图3 越障过程原理
2.3 行走机构设计
机器人的行走机构由电机、皮带轮、行走轮、张紧轮组成。装置设有三个行走轮，前边为附冰轮，行走在覆冰未被切除的高压线上，保证覆冰在被切除时高压线形成一条水平线，
进而提高除冰的可靠性，在中间行走轮上安装低转速电机，中间行走轮和后行走轮之间采用皮带进行动力传递，皮带之间设有张紧机构进行张紧，这样可以减少驱动行走机构的电机数量，张紧机构中安装有一定强度的弹簧，在机构实现越障时，由于达到弹簧的强度极限使张紧轮随之上升，保证了机器人在越障时为装置提供连续的动力。在除冰工作状态下，三个行走轮保持与除冰锤中心在水平线上，通过各个零件之间的配合不仅能实现行走轮在高压线上平稳运行，还能实现行走轮在垂直方向上升起和降落，达到机器人一边行走、一边越障的功能。根据线路的外形，除冰机器人行走轮采用半圆形凹槽机构（如图4所示），增大与高压线的接触面积，从而增大摩擦力；行走轮选用橡胶材料，进一步提高与高压线的摩擦系数来增大摩擦力，使行走更加地平稳。
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