四分裂高壓輸電線路除冰機器人的製作方法
2023-11-12 02:44:27
本發明涉及一種四分裂高壓輸電線路除冰機器人，屬於除冰機器人技術領域。
背景技術：
由於極端天氣，多地氣候驟變，不管北方還是南方都面臨著冰雪天氣，高壓電線上結冰後，冰越結越厚，電線不堪重負，最後被壓斷或者高壓電塔被壓垮，給高壓輸電線路等高空設備帶來了很大傷害。尤其是因雪災導致的電力設施損毀，給工農業生產和交通運輸帶來了巨大損失。因此，研究高壓線除冰設備具有重大意義。
通過總結國內外的各種除冰技術研究工作，高壓線路除冰基本上分為機械除冰法與熱力融冰法兩種。機械除冰方法有強力震動法、滑輪鏟刮法，該方法價格低廉，但是除冰效率低；熱力融冰主要有三相短路融冰、帶負荷融冰等方法，與機械除冰相比，除冰速度快，安全性高，但是只能用於局部線路。國內外對高壓線除冰機器人進行了許多研究，但目前真正投入使用的高壓線除冰機器人基本沒有。主要原因是在寒冷天氣下，除冰機器人在高空環境中作業，不僅要承受住低溫、大風的考驗，還要克服高壓線的撓曲進行爬行。
一般，除冰機器人都具有行走和除冰兩個機構，行走機構需要可靠的抓住高壓線行走越障；除冰機構通過敲擊或者鏟刮除去積冰。除冰機器人的主要技術難點是越障，障礙包括阻尼間隔棒、杆塔等，因此，為了達到降低成本、操作簡單、提高效率的目的，應該設計一種可以跨越杆塔的除冰機器人，從而減少工作人員反覆的攀登杆塔安裝或者卸下機器人的次數。
技術實現要素：
本發明的目的是為了提供一種四分裂高壓輸電線路除冰機器人。
本發明的目的是這樣實現的：包括機器人支撐平臺、對稱設置在支撐平臺上的兩個結構相同的六自由度手臂、設置在每個六自由度手臂上端部的除冰裝置，所述機器人支撐平臺包括支撐板、對稱設置在支撐板兩側的兩根直線導軌、安裝在每根導軌上的滑塊、與滑塊固連的控制箱連接件、設置在兩個控制箱連接件之間的控制箱、安裝在支撐板一端的絲槓電機、與絲槓電機輸出端連接的齒輪b、與直線導軌平行設置在支撐板上的絲槓、安裝在絲槓端部的齒輪a，所述齒輪b與齒輪a嚙合，所述控制箱位於支撐板的下方；
每個六自由度手臂包括設置在支撐板下端的肩部迴轉託架、安裝在肩部迴轉託架內的肩部迴轉、與肩部迴轉的輸出軸連接的肩部迴轉軸、與肩部迴轉軸上端連接的關節連接架、與關節連接架鉸接的肩部俯仰、與肩部俯仰上端固連的連杆a、安裝在連杆a端部的肘部俯仰、與肘部俯仰鉸接連接的連杆b和連杆c、設置在連杆b和連杆c端部間的腕部俯仰、與腕部俯仰鉸接的腕部連接件、與腕部連接件固連的腕部迴轉拖箱、設置在腕部迴轉拖箱內的腕部迴轉、與腕部迴轉輸出軸連接的腕部迴轉軸、與腕部迴轉軸上端連接的行走機構，所述行走機構包括與腕部迴轉軸上端固連的驅動箱、安裝在驅動箱內的驅動電機、安裝在電機輸出軸上的齒輪A、通過軸承安裝在驅動箱內的驅動軸、安裝在驅動軸的齒輪B，齒輪A與齒輪B嚙合，所述驅動軸的兩端伸出至驅動箱外且驅動軸的兩端分別設置有在電纜上行走的驅動輪；
所述除冰裝置包括安裝在驅動箱上端的安裝板、通過電機支架設置在安裝板上的除冰機構電機、安裝在除冰電機輸出軸上的除冰主動齒輪、通過軸承座設置在安裝板上的除冰機構轉軸、安裝在除冰機構轉軸上的除冰從動齒輪、設置在除冰機構轉軸端部上的敲擊架連接件、設置在敲擊架連接件兩端的敲擊架a和敲擊架b，除冰主動齒輪與除冰從動齒輪嚙合，敲擊架a和敲擊架b均是十字型結構，且在敲擊架a與橋機架b之間對稱設置有四根敲擊杆軸，每個敲擊杆軸上安裝有敲擊杆。
本發明還包括這樣一些結構特徵：
1.在機器人支撐平臺中間位置還設置有中間支撐臂，中間支撐臂包括安裝在支撐板中間位置的底部固定架、與底部固定架兩端連接的支撐杆、同時與兩個支撐杆連接的頂部連接件、安裝在頂部連接件上的齒輪箱託架、安裝在齒輪箱託架內的齒輪箱、與齒輪箱輸出軸連接的中間迴轉軸、與中間迴轉軸上端部固連的軸支架、安裝在軸支架上的從動軸、安裝在從動軸兩端的兩個與電纜配合的從動輪。
2.所述肩部迴轉、腕部迴轉和齒輪箱的結構相同，均包括一號方形箱體、外置在方形箱體側面上的一號電機、與一號電機輸出軸連接的且水平設置在一號方形箱體內的一號蝸杆、豎直安裝在一號方形箱體內的一號蝸輪軸、安裝在一號蝸輪軸的上的一號蝸輪，一號蝸杆與一號蝸輪嚙合，且一號蝸輪軸的上端部伸出至一號方形箱體外作為輸出軸。
3.所述肩部俯仰、肘部俯仰和腕部俯仰的結構相同，均包括二號方形箱體、外置在二號方形箱體側面的二號電機、與二號電機輸出軸連接的且水平設置在二號方形箱體內的二號蝸杆、水平設置在二號方形箱體內的二號蝸輪軸、安裝在二號蝸輪軸上的二號蝸輪，二號蝸輪與二號蝸杆嚙合，且二號蝸輪軸的一端部伸出至二號方形箱體外部作為輸出軸。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明包括機器人支撐平臺、6自由度手臂、除冰裝置、中間支撐臂，兩個6自由度手臂分別安裝在機器人支撐平臺的兩端，兩個除冰裝置分別安裝在兩個6自由度手臂末端，中間支撐臂起到類似於張緊輪的作用。本發明採用兩個6自由度手臂和兩個除冰裝置以及中間支撐臂相互配合，可以實現單相四分裂高壓輸電線的除冰任務，一般應用於500Kv的輸電線路。一個機器人一次可以清除單相四分裂輸電線，除冰機器人不但可以越過四分裂阻尼間隔棒，而且還可以越過杆塔，跨越連續的三個杆塔可以成直線排列，也可以成折線排列。本發明相對於其他輸電線除冰機器人，具有很大優點：輕鬆跨越四分裂阻尼間隔棒；不論是杆塔直線排列，還是處於角點的杆塔，本發明都可以直接越過杆塔而不用間斷除冰作業；除冰機器人重量輕、體積相對較小。具體的說是：
1、本發明相對於其他輸電線除冰機器人，具有很大優點，其明顯的增強了除冰機器人的越障能力，不但可以越過四分裂阻尼間隔棒，而且還可以越過杆塔，跨越連續的三個杆塔可以成直線排列，也可以成折線排列；
2、本發明自動化程度高:本發明可以直接越過杆塔而不用間斷除冰作業，避免了線路工人每到一個杆塔就需要反覆登杆/塔安裝和卸載機器人；
3、本發明設計結構獨特，重量輕、體積小、可靠性高，一般應用在500Kv四分裂高壓輸電線路上,安裝除冰機器人到達電纜上操作方便。
附圖說明
圖1是本發明的四分裂高壓輸電線路除冰機器人軸測圖；
圖2是本發明的機器人支撐平臺Ⅰ的結構示意圖；
圖3是本發明的6自由度手臂Ⅱ下半部分的結構示意圖；
圖4是本發明的6自由度手臂Ⅱ上半部分的結構示意圖；
圖5是本發明的肩部迴轉Ⅱ-1的結構示意圖；
圖6是本發明的肘部俯仰Ⅱ-9的結構示意圖；
圖7是本發明的行走機構Ⅱ-18的結構示意圖；
圖8是本發明的除冰裝置Ⅲ的結構示意圖；
圖9是本發明的中間支撐臂Ⅳ的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。
結合圖1至圖8，本發明的四分裂高壓輸電線路除冰機器人包括機器人支撐平臺Ⅰ、6自由度手臂Ⅱ、除冰裝置Ⅲ、中間支撐臂Ⅳ。兩個6自由度手臂分別安裝在機器人支撐平臺的兩端，兩個除冰裝置分別安裝在兩個6自由度手臂末端，中間支撐臂起到類似於張緊輪的作用。
如圖2所示，機器人支撐平臺Ⅰ主要由：控制箱Ⅰ-1、控制箱連接件Ⅰ-2、THK直線導軌Ⅰ-3、絲槓Ⅰ-4、深溝球軸承Ⅰ-5、絲槓座Ⅰ-6、直齒輪aⅠ-7、鎖緊擋圈Ⅰ-8、電機座Ⅰ-9、支撐板Ⅰ-10、齒輪bⅠ-11、絲槓電機Ⅰ-12、THK直線導軌滑塊Ⅰ-13、絲槓螺母Ⅰ-14、絲槓螺母座Ⅰ-15等構成。所述的THK直線導軌有兩個，分別安裝在支撐板兩側，所述THK直線導軌滑塊總共有四個，每個THK導軌上分別布置兩個滑塊，每側兩個滑塊分別安裝一個控制箱連接件，所述的控制箱連接件有兩個並與控制箱連接，控制箱內部有控制器、驅動器、電源等，所述絲槓座有兩個，對稱安裝在支撐板兩端，絲槓兩端安裝在絲槓座上，絲槓其中一端安裝直齒輪a，電機座安裝在支撐板一端，絲槓電機安裝在電機座上，電機輸出安裝齒輪b，齒輪a與齒輪b嚙合傳遞運動至絲槓，絲槓螺母安裝在絲槓座中，絲槓座安裝在一側的控制箱連接件上，這樣就可以使控制箱在支撐板下方往復運動，從而改變除冰機器人在不同工作過程中的重心位置，使重心處在最有利於翻越障礙的位置。控制箱Ⅰ-1內部有控制器、驅動器、電源等，控制箱重量大約為20Kg，通過上述機構，可以使控制箱在支撐板Ⅰ-10下方往復運動，從而調節除冰機器人在不同工作過程中的重心位置，使重心處在最有利於翻越障礙的位置。
如圖3、圖4所示，6自由度手臂Ⅱ主要由：肩部迴轉Ⅱ-1、肩部迴轉託架Ⅱ-2、迴轉軸Ⅱ-3、圓錐滾子軸承Ⅱ-4、軸承套筒Ⅱ-5、關節連接件Ⅱ-6、肩部俯仰Ⅱ-7、連杆aⅡ-8、肘部俯仰Ⅱ-9、連杆b和cⅡ-10、腕部俯仰Ⅱ-11、腕部連接件Ⅱ-12、腕部迴轉拖箱Ⅱ-13、腕部迴轉Ⅱ-14、支撐板Ⅱ-15、腕部軸承套筒Ⅱ-16、圓錐滾子軸承Ⅱ-17、行走機構Ⅱ-18。其中肩部俯仰Ⅱ-7、肘部俯仰Ⅱ-9、腕部俯仰Ⅱ-11為相同的模塊化結構；肩部迴轉Ⅱ-1和腕部迴轉Ⅱ-14結構基本相同。肩部迴轉託架Ⅱ-2安裝在機器人支撐平臺下部，用於安裝肩部迴轉Ⅱ-1，軸承套筒Ⅱ-5安裝在機器人支撐平臺上表面，用於固定迴轉軸Ⅱ-3，這樣就可以將6自由度機械手臂Ⅱ和機器人支撐平臺Ⅰ連接起來。腕部迴轉Ⅱ-14的作用是控制行走機構Ⅱ-18迴轉，以避免和高壓線纜幹涉，順利運動到線纜上方。兩個6自由度手臂Ⅱ安裝在機器人支撐平臺Ⅰ的兩端，關節形式的機械手臂使得除冰機器人的跨越障礙能力大大增強。具體的說：肩部迴轉安裝在機器人支撐平臺上，肩部迴轉的輸出軸與迴轉軸連接，迴轉軸通過軸承套筒固定，關節連接件將迴轉軸和肩部俯仰連接起來，連杆a將肩部俯仰和肘部俯仰連接起來，連杆b、連杆c將肘部俯仰和腕部俯仰連接起來，腕部連接件將腕部俯仰和腕部迴轉連接起來，腕部軸承套筒安裝在腕部迴轉上，迴轉軸安裝在腕部軸承套筒內並與腕部迴轉的輸出軸連接，行走機構連接件將迴轉軸和行走機構連接起來；所述的肩部迴轉包括齒輪箱託架、齒輪箱、蝸輪軸、蝸輪、蝸杆、蝸杆軸承座、電機，齒輪箱託架將齒輪箱安裝在機器人支撐平臺上，輸出軸豎直向上，蝸輪安裝在輸出軸上，蝸杆一端安裝在齒輪箱上，一端安裝在蝸杆軸承座上，蝸杆軸承座安裝在齒輪箱側面，電機安裝在齒輪箱體外側，並與蝸杆一端連接起來；所述的肩部俯仰、肘部俯仰、腕部俯仰為相同的模塊化結構，包括箱體、電機、蝸杆、蝸杆軸承座、蝸輪軸、蝸輪，電機安裝在箱體外側並與蝸杆連接，蝸杆一端安裝到箱體上，一端安裝到蝸杆軸承座上，蝸輪安裝到蝸輪軸上，蝸輪軸安裝在兩側箱體上並對外傳遞運動；腕部迴轉和肩部迴轉結構一致；所述行走機構包括驅動箱、驅動電機、電機座、驅動軸、齒輪A、齒輪B、驅動輪，電機座安裝在驅動箱底板上，電機安裝在電機座上，電機輸出軸連接齒輪a，齒輪b安裝在驅動軸上，驅動軸安裝在兩側驅動箱體上並每端分別安裝一個驅動輪，驅動輪在電纜滾動行走。
圖5為肩部迴轉Ⅱ-1的結構，包括前箱體Ⅱ-1-1、深溝球軸承Ⅱ-1-2、左箱體Ⅱ-1-3、圓錐滾子軸承Ⅱ-1-4、蝸輪軸Ⅱ-1-5、上箱體Ⅱ-1-6、蝸杆Ⅱ-1-7、蝸杆軸承座Ⅱ-1-8、後箱體Ⅱ-1-9、電機Ⅱ-1-10、右箱體Ⅱ-1-11、聯軸器Ⅱ-1-12、下箱體Ⅱ-1-13、圓錐滾子軸承Ⅱ-1-14。肩部迴轉Ⅱ-1負責為整個機械手臂的下部迴轉軸提供自由度，當跨越不在一條直線的三個杆塔時用到這一肩部迴轉自由度。
圖6為肘部俯仰Ⅱ-9的結構，包括蝸杆Ⅱ-9-1、前箱體Ⅱ-9-2、左箱體Ⅱ-9-3、深溝球軸承Ⅱ-9-4、上箱體Ⅱ-9-5、圓錐滾子軸承Ⅱ-9-6、右箱體Ⅱ-9-7、聯軸器Ⅱ-9-8、驅動電機Ⅱ-9-9、右箱體Ⅱ-9-10、蝸杆軸承座Ⅱ-9-11、蝸輪軸Ⅱ-9-12、下箱體Ⅱ-9-13。上述肩部俯仰Ⅱ-7、腕部俯仰Ⅱ-11與肘部俯仰Ⅱ-9為相同的模塊化結構，蝸輪軸安裝在兩側箱體上並對外傳遞運動，這種關節形式的手臂可以使除冰機器人相對更加靈活，可以跨越可能遇到的各種障礙形式；
圖7為行走機構Ⅱ-18，行走機構包括驅動箱Ⅱ-18-1、驅動電機Ⅱ-18-2、電機座Ⅱ-18-3、齒輪AⅡ-18-4、鎖死螺母Ⅱ-18-5、軸套Ⅱ-18-6、驅動輪Ⅱ-18-7、驅動輪螺母Ⅱ-18-8、圓錐滾子軸承Ⅱ-18-9、齒輪BⅡ-18-10、驅動軸Ⅱ-18-11。驅動軸每端分別安裝一個驅動輪，驅動電機經過齒輪傳動帶動驅動輪轉動，兩個行走機構分別安裝在6自由度機械手臂末端，驅動輪在電纜上方滾動行走。
圖8為除冰裝置Ⅲ的結構設計，此設計的實施例中的除冰裝置Ⅲ通過旋轉敲打的方式清除輸電線上的履冰，其由電機後支架Ⅲ-1、除冰機構電機Ⅲ-2、電機前支架Ⅲ-3、錐銷鎖緊擋圈Ⅲ-4、除冰主動齒輪Ⅲ-5、安裝板Ⅲ-6、除冰機構軸承座Ⅲ-7、圓錐滾子軸承Ⅲ-8、除冰機構轉軸Ⅲ-9、除冰從動齒輪Ⅲ-10、除冰機構軸承座Ⅲ-11、敲擊架aⅢ-12、敲擊杆軸Ⅲ-13、敲擊杆Ⅲ-14、圓錐滾子軸承Ⅲ-15、套筒Ⅲ-16、敲擊架bⅢ-17、敲擊架連接件Ⅲ-18等組成。旋轉盤上均勻安裝4個敲擊杆，電機固定在驅動機構中的電機座上，經過直齒輪傳遞運動給除冰機構轉軸，帶動敲擊架轉動，敲擊杆在高速狀態下擊碎冰塊。所述的敲擊架有兩個，敲擊杆和敲擊杆軸分別為四個，電機支架安裝在驅動箱上面，電機安裝在電機支架上，電機輸出軸安裝齒輪a，並通過鎖緊擋圈軸向限位，除冰機構轉軸安裝在除冰機構軸承座上，齒輪b安裝在除冰機構轉軸上並通過軸套對其軸向限位，兩個敲擊架通過敲擊架連接件連接起來，四對敲擊杆和敲擊杆軸安裝在兩個敲擊架之間。通過電機帶動敲擊杆快速旋轉即可達到單相四分裂輸電線的除冰任務。
圖9為中間支撐臂Ⅳ的結構設計，此裝置由底部固定架Ⅳ-1、支撐杆Ⅳ-2、頂部連接件Ⅳ-3、齒輪箱託架Ⅳ-4、迴轉軸支撐板Ⅳ-5、軸承套筒Ⅳ-6、圓錐滾子軸承Ⅳ-7、從動軸Ⅳ-8、從動輪Ⅳ-9、深溝球軸承Ⅳ-10、軸支架Ⅳ-11、鎖死螺母Ⅳ-12、中間迴轉軸Ⅳ-13、齒輪箱Ⅳ-14等組成。所述齒輪箱Ⅳ-14和6自由度手臂中的腕部迴轉結構相同，底部固定架安裝在機器人支撐平臺Ⅰ上，中間支撐杆安裝在底部固定架上，頂部連接件安裝在中間支撐杆上端，齒輪箱託架安裝在頂部連接件上，齒輪箱安裝在託架中，軸承套筒安裝在齒輪箱託架上板，迴轉軸安裝在軸承套筒中並與齒輪箱輸出軸連接，軸支架將迴轉軸和從動軸連接起來，從動軸兩端分別連接一個從動輪。中間支撐臂的作用是：當跨越障礙時，兩邊機械手臂伸長，中間支撐臂的迴轉軸正向轉動90°，兩邊機械手臂縮短使從動輪運動到線纜上方，中間支撐臂的迴轉軸反向轉動90°，兩邊機械手臂伸長至三排輪同時接觸線纜上表面，一邊的6自由度機械手臂鬆開，除冰機器人仍然平衡，鬆開的手臂跨越障礙，後續中間支撐臂和另外一個機械手臂依次翻越障礙。中間支撐臂配合兩邊的6自由度手臂，起到張緊作用，防止冰機器人在大風或者振動的影響從輸電線纜上掉下。一般行走過程中，支撐臂上的從動輪在電纜下方與電纜張緊，當跨越障礙時，支撐臂上的從動輪運動到電纜上方，相應的機器人支撐平臺Ⅰ下方的控制箱移動，使重心向一側偏移，然後另外一邊的6自由度手臂脫離電纜，這樣機器人重心依然處於合適的位置不會傾倒，脫離電纜的6自由度手臂開始跨越障礙物。
本發明的主要動作有：6自由度手臂伸長、手臂行走機構放置到四分裂輸電線的下部兩根線上部、6自由度手臂縮短、兩個除冰裝置同時工作除冰、除冰機器人越障動作，具體如下：
1、控制機器人支撐平臺上的控制箱運動到中間位置，確保重心處在除冰機器人中心，兩邊的6自由度手臂同步伸長，使之末端垂直於機器人支撐平臺並且高於中間支撐臂150mm。
2、手臂末端腕部迴轉使行走機構轉過90°，將兩個行走機構的驅動輪分別放到下排線纜之上，腕部迴轉再轉90°使行走機構恢復到原來位置。驅動輪的溝槽與高壓輸電線配合進行限位，保證除冰機器人順著電纜行走。
3、兩邊的6自由度手臂同步縮短，縮短至其驅動輪中心和從動輪中心的垂直高度為100mm，此時中間支撐臂上的從動輪在電纜下方壓緊線纜，這樣做可以防止驅動輪脫離軌道，可以使除冰機器人抵禦較大的風速，當遇到撓度較大的電纜時，增大張緊力可以確保驅動輪和電纜之間有足夠的摩擦力，防止除冰機器人在電纜上打滑。
4、除冰裝置的電機帶動迴轉架高速迴轉，迴轉架四周均布有4個敲擊杆，敲擊杆在高速運動下敲碎四分裂高壓輸電線上的積冰。
5、當遇到四分裂阻尼間隔棒或者杆塔時，首先，兩邊手臂同步伸長，使中間支撐臂脫離線纜，中間支撐臂上的迴轉軸轉動90°，兩邊手臂同步縮短使三排輪子處於同一水平面，然後，中間支撐臂上的迴轉軸再次轉動90°恢復原來的位置，這時三排輪均在電纜上方，且電纜均在輪子的溝槽內。再然後，控制機器人支撐平臺Ⅰ上的控制箱向後運動，目的是使機器人重心向後移動，前進方向的第一個手臂脫離電纜並向前運動跨越障礙物，跨越障礙物後，第一個手臂再次回到電纜上方，並且使電纜與驅動輪的溝槽配合。再接著，使支撐平臺Ⅰ上的控制箱移向中間，中間支撐臂運動到電纜下方，機器人接著前行，使中間支撐臂跨越障礙，中間支撐臂跨越障礙後，從動輪運動到電纜上方並且溝槽與電纜配合好，支撐平臺Ⅰ上的控制箱移向前進方向端，這時機器人重心在前端。最後，除冰機器人前進方向的第二個手臂脫離電纜，並運動到電纜下方，除冰機器人接著向前運動並使第二個手臂跨越障礙，跨越障礙後，第二個手臂的主動輪迴到電纜上方，中間支撐臂最後運動到線纜下方張緊，至此完成了除冰機器人的越障動作，除冰機器人繼續向前運動除冰。總之，此越障結構在實際應用中非常靈活，手臂自由度多達6個，結合躲避障礙動作和越障動作可以跨越杆塔，從而輕鬆實現越障、跨越杆塔連續除冰作業。