一種基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動裝置及驅動方法與流程
2023-05-18 01:51:51 4
本發明涉及機器人技術和磁場學領域，尤其是涉及高壓輸電線路作業機器人的磁力驅動方法。
背景技術：
高壓輸電線路作業機器人主要包括巡檢機器人、除冰機器人、絕緣子清掃機器人等以及其它智能檢測和維護設備。自上世紀八十年代以來，高壓輸電線路作業機器人一直是機器人技術領域的研究熱點。美國、日本、加拿大、中國等國家先後開展了架空高壓輸電線路作業機器人的研究工作。2008年，日本的debenest等人專為高壓多分裂導線研製出了名為「expliner」的巡檢機器人。2000年，加拿大魁北克水電研究院的montambault等人研製了名為hqline-rover的遙控小車，該小車起初被用於清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發展為用於線路巡檢、維護等多用途的移動平臺。2006年至今，montambault及pouliot等人在hqlinerover的基礎上研製並發展了新一代巡檢機器人，取名「linescout」，其技術比較先進，功能比較齊全，該機器人不僅可以巡檢線路，還可以完成導線修補、螺栓緊固等相對簡單的線路維護作業。
自20世紀80年代末，採用移動機器人對高壓線路進行巡檢已成為國內外機器人領域的研究熱點。加拿大魁北克水電公司和日本關西電力公司(kepco)與日本電力系統公司(jps)是國外研究高壓線路巡檢機器人的典型代表，前者研製出了名為「linescout」巡檢機器人，後者專為多分裂導線研製出了巡檢機器人「expliner」。國內巡檢機器人的研究也取得了突破性進展，如武漢大學吳功平教授帶領的研究團隊已研製出了分別適應220kv單分裂線路和220-550kv多分裂線路的兩種自主巡檢機器人機型。國內外研究的高壓巡檢機器人大都採用輪臂式結構，依靠驅動輪與線路表面之間靜摩擦力牽引機器人移動，當線路表面情況複雜時(如覆冰)，靜摩擦力不足以克服重力而導致打滑。打滑會嚴重影響機器人的巡檢效率，加重機器人的能源負擔，損壞輸電線路，打滑嚴重時，機器人變得難以控制。
架空高壓輸電線路機器人的研究已經取得了較大進展，但距離實用化還有很大差距。目前，國內外研究的架空高壓輸電線路作業機器人在無障礙線路多採用輪軌方式牽引機器人移動，這種方式主要存在以下幾個方面的問題。第一，輪軌系統中，驅動輪必須與線路接觸，因而摩擦影響不可避免，摩擦不僅損壞高壓導線，而且會縮短行走輪的使用壽命；第二，輪軌式移動方式受到線路表面粘著條件的限制，容易發生打滑；第三，輪軌系統的效率有一定的局限性，因而實際研發的高壓輸電線路作業機器人在無障礙線路的巡航速度還無法滿足實際需要；第四，輪軌系統的振動會增大架空高壓導線的有害動載荷。
磁力驅動技術早在20世紀30年代就已經被人們所提出,但是由於當時對這門技術尚缺乏足夠的認識,而且也受到永磁材料發展局限性的制約，因此在這一時期內雖然對這一技術進行過很多的實驗研究，但最終未取得較大進展。20世紀50年代一些科學技術工作者又提出對這一技術的重新探討、研究和研製，雖有一些進步，但由於條件的限制，其結果基本與以往一樣。20世紀70年代起隨著現代工業的進步和發展,工業生產日益重視對新技術的吸收和對環境的保護，西方發達國家還相繼制訂定了嚴格的環境保護和產品可靠性等法規，促進了新技術、新產品的開發和利用。磁力驅動技術在這一時期又被一些科技工作者重視和關注。從而引起了進一步的深入研究，因此有了很大的發展和工業的逐步應用。
專利號為201310595442.0，專利名稱為一種高壓輸電線路作業磁力驅動機器人，通過電磁力驅動機器人能消除打滑的問題，由於加工困難，矩形線圈與磁芯易產生間隙導致漏磁，導致高壓線產生的磁場強度在矩形線圈處很小，最終導致矩形線圈所受的磁力驅動力很小。在此基礎上，本文專利通過直接給磁芯通電，使其磁芯產生徑向的電流，徑向電流在高壓線產生的磁場中受到沿著高壓線方向的安培力，驅動機器人向前移動。
技術實現要素：
本發明主要解決高壓直流輸電線路巡檢機器人的打滑、巡線效率低下的問題；提供了一種能徹底消除打滑、巡線效率低下等問題的磁力驅動裝置；極大改善了現有的磁力驅動專利方法因導線與磁芯有間隙而漏磁導致機器人受到的磁力驅動力比理論磁力驅動力小。
綜上所述，輪式驅動的架空高壓輸電線路作業機器人存在打滑、效率低下和驅動模塊成本高和磁力驅動機器人漏磁等問題，必須採用新的方法來實現。本發明就是在這樣的背景下展開的。
本發明主要是通過下述方案解決上述的技術問題的：
一種基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動裝置，其特徵在於，該磁力驅動裝置設置在機器人本體上，利用高壓電流產生的磁場對通電磁芯的徑向電流產生的安培力使機器人得以移動；包括中心對稱於高壓線的上磁芯內保護套和下磁芯內保護套；中心對稱於高壓線的上磁芯外保護套和下磁芯外保護套，上磁芯內保護套和下磁芯內保護套的一端鉸接且能開合從而組成一個筒狀內保護套，高壓線位於筒狀內保護套內；上磁芯外保護套和下磁芯外保護套一端鉸接且能開合從而組成一個筒狀外保護套；筒狀內保護套設置在筒狀外保護套內且與筒狀外保護套同圓心，上磁芯內保護套和上磁芯外保護套之間形成的半圓環空間內設有上通電磁芯，下磁芯內保護套和下磁芯外保護套之間形成的半圓環空間內設有下通電磁芯。
在上述的一種基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動裝置，上通電磁芯和下通電磁芯呈半圓管狀，採用導電強導磁材料製成，用於強化高壓線產生的磁場，通電磁芯產生徑向電流，使其受到沿著高壓線方向的驅動力，提供機器人向前移動。
在上述的一種基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動裝置，保護套呈半圓管狀，採用絕緣材料製成，保護磁芯材料。
一種基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動方法，其特徵在於，包括：
機器人閉合，上通電磁芯、下通電磁芯對稱布置於水平位置的高壓導線上下兩側，上通電磁芯、下通電磁芯上有方向相反的徑向電流i1，高壓線中的高壓電流i0產生磁場b，上通電磁芯與下通電磁芯所處的磁場方向剛好相反。上通電磁芯上的徑向電流i1受到安培力f，同理，下通電磁芯上的徑向電流受到安培力f。則上通電磁芯和下通電磁芯的徑向電流受到的合力安培力驅動機器人向前移動.
在上述的一種基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動方法，每一條磁芯徑向電流受到在高壓線產生的磁場環境中受到的安培力的大小為：
式中：r1、r2分別為磁芯裝置的內徑、外徑；i0為高壓線電流；i1為磁芯的徑向電流；ur為相對磁導率。
定義有n個相同的電壓的電源給磁芯通電，則磁芯中有n條徑向電流，則磁芯受到的合力安培力的大小為：
本發明取代傳統的輪軌式驅動方式，從而徹底消除機器人打滑問題；簡化了驅動機構，降低了成本、機身重量、能耗及機身尺寸；極大改善了現有的磁力驅動專利方法因導線與磁芯有間隙而漏磁導致機器人受到的磁力驅動力比理論磁力驅動力小
附圖說明
圖1為導磁導電材料磁力驅動方法示意圖。
圖2為導磁導電材料的磁力驅動方法工作原理圖。
圖3為驅動機器人上坡受力示意圖。
具體實施方式
下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明：機器人由兩個中心對稱於高壓線1的可開合的上磁芯內保護套2、上通電磁芯3、上磁芯外保護套4、下磁芯內保護套5、下通電磁芯6、下磁芯外保護套7組成。
實施例：
參見圖1：基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動方法，其特徵在於，利用高壓電流產生的磁場對通電磁芯的徑向電流產生的安培力使機器人得以移動；機器人由兩個中心對稱於高壓導線1的可開合的上磁芯內保護套2、上通電磁芯3、上磁芯外保護套4、下磁芯內保護套5、下通電磁芯6、下磁芯外保護套7組成。
在該實施例中，基於導磁導電材料的高壓巡檢機器人的磁力驅動方法提供的驅動力的大小計算如下：
根據直流電流周圍產生方向確定的磁場這一特性，通電磁芯產生徑向電流，使其受到沿著高壓線方向的驅動力，提供機器人向前移動。
每一條磁芯徑向電流受到在高壓線產生的磁場環境中受到的安培力的大小為：
式中：r1、r2分別為磁芯裝置的內徑、外徑；i0為高壓線電流；i1為磁芯的徑向電流；ur為相對磁導率。
假設有n個相同的電壓的電源給磁芯通電，則磁芯中有n條徑向電流，則磁芯受到的合力安培力的大小為：
空氣對磁導率u0＝4π×10-7h/m，取相對磁導率ur＝1000，取n為30，高壓線電流i0取1000a，磁芯徑向電流i1為10a，磁芯內徑r1為45mm,磁芯外徑r3為100mm。
將以上參數代入公式(1)，得磁力驅動裝置總推進力f：
f≈150.5n(2)
因此，在該實施例中，本磁力驅動方法可以提供150.5的推力。考慮到在高壓線路的上坡路段機器人需要更大的推力，參見圖3，取線路坡度β＝45°(實際線路很少達到如此大的坡度)，根據(2)計算結果，140.9n的推力可以驅動的機器人的重量為(忽略摩擦力):
g＝f/sinβ＝212.9n.(3)
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神做舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。
儘管本文較多地使用了上磁芯內保護套2、上通電磁芯3、上磁芯外保護套4、下磁芯內保護套5、下通電磁芯6、下磁芯外保護套7等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。