冻雨模拟实验室现场测试输电线路导航系统线上行走攀爬机构智能机器人本体智能机器人实验室测试机器人供电系统外部电源系统电源系统实验室测试成套设备实验室测试成套设备现场测试设备验收鉴定检测过程生产线研发智能控制系统塔上智能充电坞垂直起降越障机构实施方案线上行走攀爬机构移动机器人机构是巡线机器人系统中关键核心技术。从机构运动学角度，要求机构能实现滚动蠕动跨越和避让障碍物，以及末端执行器具有空间位姿调整运动从运动控制角度，要求机构自由度少机构运动学逆解可实现解藕控制，且运动控制精度高从巡线机器人系统角度，要求机构具有定负载能力，且与导线构成等电位体从应用角度，要求机构具有小巧紧凑轻质机械结构，且容易上下线作业和便于携带等。根据输电线路结构特征，以及巡线作业任务要求，通过多种可行方案对比分析和对机构巧妙组合，以及样机原型反复试验和改进，提出了由小臂操作手机构个公共变长大臂机构个小臂与变长大臂间各分别有个绕铅垂轴和水平轴旋转关节组成双臂协调移动机器人机构模型。如图所示为巡线机器人机构原理简图。图中，个小臂操作手机构是由小臂绕水平轴回转关节绕铅垂轴回转关节转轴转台和以小臂为机架末端执行器组成末端执行器是由主动滚轮和夹紧机构组成图夹紧机构是由夹杆回转副有限约束回转副和夹爪组成，且沿导线横截面对称布置绕水平轴回转关节轴线与绕铅垂轴回转关节轴线垂直相交，移动关节轴线与关节轴线垂直相交个小臂机构和与其相联移动关节沿导线轴向呈反对称布置。主动滚轮完成沿直线无障碍物段行驶。关节和关节分别实现机械臂小臂机构和大臂机构在导线平面内升降和旋转。在过障和路径转移时，通过单臂夹爪夹紧导线，另臂通过运动规划实现过障各种分解动作。关节实现个臂交互滑移异位。相对于国内外般采用臂及臂以上机器人技术而言，该机器人机构有如下特点机构自由度少，机构长度尺寸小，加以采用嵌人式机械结构和高强度铝合金材料，机械结构紧凑，重量轻。导航系统下图是单分裂输电线路结构示意图，该图显示了巡线机器人遇到典型障碍有防震锤悬垂线夹耐张线夹等。巡线机器人采双轮结构在导线上行进，当遇到障碍时，通过轮子下方两个夹爪依次夹紧导线，抬升机器人本体，以错臂方式跨越障碍。巡线机器人视觉系统安装在机器人下方，其中视觉传感器摄像机安装在机器人本旋翼顺时针旋转，四个电机对称安装在飞行器支架端，支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器结构形式如图所示。工作原理四旋翼通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力变化，从而控制飞行器姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定，所以需要种能够长期保稳定控制方法。四旋翼飞行器是种六自由度垂直升降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是种欠驱动系统。四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机和电机逆时针旋转同时，电机和电机顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势各个旋翼对机身所施加反扭矩与旋翼旋转方向相反，因此当电机和电机逆时针旋转同时，电机和电机顺时针旋转，可以平衡旋翼对机身反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有个自由度分别沿个坐标轴作平移和旋转动作，这个自由度控制都可以通过调节不同电机转速来实现。基本运动状态分别是垂直运动俯仰运动滚转运动偏航运动前后运动侧向运动。在图中，电机和电机作逆时针旋转，电机和电机作顺时针旋转，规定沿轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。垂直运动垂直运动相对来说比较容易。在图中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身反扭矩，当同时增加四个电机输出功率，旋翼转速增加使得总拉力增大，当总拉力足以克服整机重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升反之，同时减小四个电机输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿轴垂直运动。当外界扰动量为零时，在旋翼产生升力等于飞行器自重时，飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动关键。俯仰运动在图中，电机转速上升，电机转速下降，电机电机转速保持不变。为了不因为旋翼转速改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼与旋翼转速该变量大小应相等。由于旋翼升力上升，旋翼升力下降，产生不平衡力矩使机身绕轴旋转方向如图所示，同理，当电机转速下降，电机转速上升，机身便绕轴向另个方向旋转，实现飞行器俯仰运动。滚转运动与图原理相同，在图中，改变电机和电机转速，保持电机和电机转速不变，则可使机身绕轴旋转正向和反向，实现飞行器滚转运动。偏航运动四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反反扭功能种以轻量级机器人底盘技术为基础，通过添加模块化功能单元进行功能性能扩充机器人设计思路，不仅可实现目前输电线路巡线除冰需求，而且系统具备极强可升级性，适应智能电网未来新需求。二国内外研究水平综述国外对高压输电线路巡检机器人研究始于上世纪年代，由日本美国加拿大等发达国家先后展开了对高压输电线路巡检机器人研究。从国内外巡检机器人发展来看，用于巡检机器人行走机构主要有步进式行走机构和轮式行走机构。步进式行走机构通过多只手臂交替移动完成在线爬行，行走移动为间断式，其移动速度缓慢，效率低。轮式行走机构依靠由电机驱动行走轮与线路之间摩擦，驱动机器人前进。轮式爬行行走机构具有移动平稳速度快和效率高特点，因此，目前巡检机器人多采用此种轮式行走机构。如日本东京电力公司研制光纤复合架空地线巡检机器人如图所示。它采用两轮同时驱动行走机构实现在线行走，这种机器人行走机构具有结构紧凑，驱动力矩大特点。加拿大魁北克水电研究院研制遥控小车如图所示。它靠上方三个轮子实现驱动行走，下方轮子起到辅助行走及刹车作用。该机器人靠轮式行走机构实现了在直线线路段稳定行走。日本等人开发蛇形巡检机器人如图所示。该机器人有多个小车组合连接而成，每个小车自身携带驱动轮，通过各个小车协调驱动来实现机器人在线移动。国内在巡检机器人研究方面主要有武汉大学沈阳自动化研究所中科院自动化研究所和山东科技大学等单位。如武汉大学研制架空高压输电线路自动爬行机器人如图所示。该机器人通过对伞形轮来现行走。亦采用了轮式行走机构。图自动爬行机器人从高压输电线路巡检机器人研究现状来看，轮式行走机构倍受研究人员青睐，但在爬坡能力运行速度及运行稳定性等方面还有待于进步完善。三项目理论和实践依据项目研究内容原理简述机器人完成次巡检任务工作过程为首先通过绝缘斗臂车或人工爬到线塔上吊装方式将机器人安装到相线上然后地面监控计算机发出开机控制命令，机器人本体计算机在接收到运行命令后，驱动机器人沿输电线行走行走过程中，检测装置不断检测前方障碍物情况，同时高速球摄像机对线路进行拍摄，拍到图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，地面工作基站对线路情况进行判断，决定是否对线路实施维护同时对机器人本身工作状态进行监控，决定是否对机器人运动给予干预。项目研究内容理论或者实践依据巡线机器人是个复杂机电体化系统，涉及机械结构自动控制通信多传感器信息融合电源技术等多个领域。但机械机构是整个系统核心技术，是目前制约巡线机器人走向实用化障碍之。巡机器实验室最低温度摄氏度，最高可达摄氏度。可恒定至到摄氏度。变频可调喷淋系统。模拟自然风级。薄雾浓雾发生器。绝缘子金具模拟导线及地线。触摸屏中控系统。观测窗。全方位移动高清图像采集及传输系统。合作方可远程操控观察冻雨形成覆冰实验过程。合作方可通过远程操控观察到研制出设备在覆冰条件下工作情况。实验室功能实现路径通过工业制冷压缩机与液氮快速制冷系统辅助相结合方式，迅速达到指定恒定温度。更加真实展现自然界覆冰条件下设备运行状况。喷淋系统通过变频调速和控制模拟自然界暴雨大雨中雨小雨毛毛雨雨夹雪等恶劣自然现象。系统分为两大部分过冷水生成系统和冷雨生成装置。冻雨产生有两大条件，是低于零度水，二是始终处于地面环境气温。过冷水生成系统功能就是满足第个条件，冷雨生成装置则是满足第二个条件。过冷水生成系统是个带有水槽大铁盒子，常态水在水槽里面经过滤进入大铁盒，在铁盒里循环流动同时，与载冷剂乙二醇进行冷热交换，从而形成零摄氏度以下不结冰水过冷水。模拟自然风采用模糊算法控制自然风产生器，改变风强弱风向。电路框图如下薄雾浓雾发生器薄雾浓雾发生器采用集成式雾化模块，雾化效率高，整机所输出雾粒直径只有微米，最大相对湿度可高达以上。该发生器配有标准给水口放水开关溢水口等，其中给水口自动补水，并可选配软水装置，以供不同水质达到无钙化白粉污染要求，控制精度在以上。绝缘子金具模拟导线及地线安装符合国家标准。触摸屏中控系统。该触控屏可接收冻雨实验室各类传感器输入讯号。当接触了屏幕上图形按钮时，屏幕上触觉反馈系统可根据预先编程程序，驱动各种连结装置，可用以取代机械式按钮面板。观测窗采用特制防爆抗震透明特殊材料制造，便于直接观察实验室内部实验情况。全方位移动高清图像采集及传输系统。实验室顶部安装有柔性轨道，智能小车可以在其上自由行走，并且智能小车携带具有上下自由伸缩机械臂，并在其底部安装有可水平垂直旋转高清摄像头，对实验室内部图像信息能够实时清晰传到公司大屏幕和后台服务器，可以实现现场和远程操控。合作方可远程操控观察冻雨形成覆冰实验过程。我公司配有专用服务器，方便客户浏览，用户可以通过电脑手机等移动终端，远距离实时查看并操控该实验室，第时间了解实验室状态及被测设备运行情况。合作方可通过远程操控观察到研制出设备在覆冰条件下工作情况。