越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

李昂+周其超+柯良

摘要： 越障高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人以PLC工控板作為控制元件，使用三只機(jī)械爪來(lái)抓緊線(xiàn)纜，運(yùn)用了鏈傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)，導(dǎo)軌支架機(jī)構(gòu)，伸縮機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人沿高壓線(xiàn)爬行檢測(cè)線(xiàn)纜是否損壞的功能，并能翻越線(xiàn)纜上支柱絕緣子等的障礙物。

關(guān)鍵詞：PLC ；線(xiàn)纜檢測(cè)；越障檢測(cè)機(jī)器人；高壓線(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

高壓輸電線(xiàn)路的巡檢是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、涉及面廣的作業(yè)任務(wù)。迄今為止，國(guó)內(nèi)外主要依靠巡檢人員攜帶各種檢測(cè)設(shè)備沿線(xiàn)執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)，效率低、成本高、誤檢漏檢率大，因此，高壓線(xiàn)巡檢的自動(dòng)化亟待解決。高壓線(xiàn)巡檢機(jī)器人屬于具有廣泛應(yīng)用前景的特種機(jī)器人，旨在為高壓輸電線(xiàn)路的檢測(cè)提供一套機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，代替檢測(cè)人員對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)，從而減輕巡檢作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低檢測(cè)成本，提高檢測(cè)質(zhì)量和效率，改善檢測(cè)作業(yè)的安全性，從而提高線(xiàn)路的管理和維護(hù)水平。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)巡檢機(jī)器人的研究尚未成熟，還有很多關(guān)鍵技術(shù)尚待解決，特別是國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，目前仍處于試驗(yàn)研究階段，與實(shí)際應(yīng)用還存在一定距離，且現(xiàn)有研究成果僅能完成雙塔間的線(xiàn)路巡檢，作業(yè)范圍有限。

1越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的工作原理

越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人外形為長(zhǎng)方形，適合高壓線(xiàn)纜的工作條件，機(jī)身上三只機(jī)械爪能夠提高機(jī)器人工作效率和穩(wěn)定性，能在較短時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)人員的巡視和監(jiān)測(cè)，越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的工作示意圖如圖2所示。

機(jī)器人內(nèi)部配備有GPS定位模塊，機(jī)器人在工作中，檢測(cè)到線(xiàn)纜有損壞的地方，會(huì)自行標(biāo)記。所做的標(biāo)記會(huì)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的電腦上，工作人員根據(jù)機(jī)器人給予的信息，再對(duì)損壞的線(xiàn)纜進(jìn)行維修與更換。

2越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人主要包括控制系統(tǒng)PLC、檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械爪機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成如圖3所示。

控制系統(tǒng)包括PLC工控板和舵機(jī)控制板。PLC工控板來(lái)控制2只電機(jī)正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在高壓線(xiàn)纜上直線(xiàn)移動(dòng)；舵機(jī)控制器接受來(lái)自信號(hào)線(xiàn)的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)，驅(qū)使一對(duì)機(jī)械爪張開(kāi)與閉合，3只機(jī)械爪同時(shí)工作，提高了工作效率；保障了機(jī)器人在高空中工作穩(wěn)定；工作中遇到障礙物不會(huì)耽誤工作，能夠?qū)崿F(xiàn)越障功能。

檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)器人搭載無(wú)線(xiàn)高壓測(cè)試儀，在高壓線(xiàn)纜上，遇到破損的線(xiàn)纜，可以檢測(cè)出高壓線(xiàn)的各種電壓等級(jí)的CT初級(jí)、次級(jí)電流大小、變比、角差，檢測(cè)的詳細(xì)數(shù)據(jù)會(huì)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的電腦上，工作人員根據(jù)機(jī)器人給予的數(shù)據(jù)，再對(duì)損壞的線(xiàn)纜進(jìn)行維修與更換。

伸縮機(jī)構(gòu)使用鋼珠式滑軌，該滑軌推拉順滑，承重力大，具有緩沖關(guān)閉或按壓反彈開(kāi)啟功能，大大提高了機(jī)器人在行駛中的平穩(wěn)性，鋼珠式滑軌如圖4所示。

機(jī)械爪機(jī)構(gòu)由舵機(jī)制器控制，舵機(jī)的控制信號(hào)周期為20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5-2.5ms，相對(duì)應(yīng)的舵盤(pán)位置為0-180度，呈線(xiàn)性變化。也就是說(shuō)，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，舵機(jī)接受信號(hào)與角度關(guān)系如表1所示。舵機(jī)精確的角度變化，有利于機(jī)械爪穩(wěn)妥的抓住高壓線(xiàn)纜，在工作中遇到障礙物能平穩(wěn)的前行，增加了機(jī)器人的靈活性。

3越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的工作過(guò)程

越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)如圖5所示。越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人選用三菱PLC FX1S 工控板和舵機(jī)控制板作為控制系統(tǒng)，控制機(jī)器人各個(gè)執(zhí)行元件，并記錄、傳輸線(xiàn)纜有無(wú)損壞的信息。

越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人可以在線(xiàn)纜不斷電的情況下進(jìn)行工作，并且對(duì)于工作環(huán)境沒(méi)有太多要求，極大的增加高壓線(xiàn)纜檢測(cè)的工作效率，消除人為檢測(cè)帶來(lái)的安全隱患。

當(dāng)在工作過(guò)程中，遇到高壓線(xiàn)纜上的絕緣子障礙物時(shí)，能夠自行翻越，不影響其工作效率。

PLC工控板控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)滾子鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子鏈通過(guò)卡接部與滑軌相連，滾子鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑軌的伸縮，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退；機(jī)械爪通過(guò) PLC 控制器和舵機(jī)控制，配合滑桿的伸縮，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障，保障機(jī)器人持續(xù)工作。

工作中遇到高壓線(xiàn)纜損壞部分，機(jī)器人會(huì)短暫停駐，對(duì)損壞部分進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，高壓線(xiàn)的各種電壓等級(jí)的CT初級(jí)、次級(jí)電流大小、變比、角差，并且進(jìn)行地理位置的標(biāo)記，方便后期工作人員的維修，越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人工作流程如圖6所示。

4 總結(jié)

我國(guó)高壓線(xiàn)廣闊，長(zhǎng)期暴露在外的高壓線(xiàn)老化過(guò)快，線(xiàn)纜檢測(cè)人員高空工作危險(xiǎn)性較高。越障式線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人可以代替人工檢測(cè)高壓線(xiàn)，檢測(cè)效率高，定位精細(xì)，遇到障礙物可自行翻越，適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)跨域高壓線(xiàn)塔的連續(xù)檢測(cè)。越障式線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人沿高壓線(xiàn)纜爬行工作，爬行的過(guò)程中搭載在機(jī)器人上的檢測(cè)儀器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)纜的損壞程度，并進(jìn)行計(jì)算與標(biāo)記。相比較人工檢測(cè)而言，越障式高壓線(xiàn)纜檢測(cè)機(jī)器人操作簡(jiǎn)便，解決了人工檢測(cè)的效率低、工作危險(xiǎn)的問(wèn)題。

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來(lái)稿日期：2017-06-6

基金項(xiàng)目：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2016R445003）

作者簡(jiǎn)介：

李昂（1997-），男，安徽阜陽(yáng)人，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。endprint