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的核心技术。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，要求机构的自由度少机构运动学逆解可实现解藕控制，且运动控制的精度高从 巡线机器人系统角度，要求机构具有定的负载能力，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的机械结构，且容易上下线作业和便于携带等。 根据输电线路的结构特征，以及巡线作业的任务要求，通过多种可行方案的对比分析 和对机构的巧妙组合，以及样机原型的反复试验和改进，提出了由小臂操作手机构个 公共的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的关节 组成的双臂协调移动的机器人机构模型。 如图所示为巡线机器人机构的原理简图。图中，个小臂操作手机构是由小臂绕水 平轴回转的关节绕铅垂轴回转的关节转轴转台和以小臂为机架的末端执行器 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 转副有限约束的回转副和夹爪组成，且沿导线横截面对称布臵绕水平轴回 转关节的轴线与绕铅垂轴回转关节的轴线垂直相交，移动关节的轴线与关节的轴 线垂直相交个小臂机构和与其相联的移动关节沿导线轴向呈反对称布臵。主动滚轮 完成沿直线无障碍物段的行驶。关节和关节分别实现机械臂小臂机构和大臂机构 在导线平面内的升降和旋转。在过障和路径转移时，通过单臂夹爪夹紧导线，另臂通过 运动规划实现过障的各种分解动作。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的 自由度少，成装臵则是满足第二个条件。 过冷水生成系统是个带有水槽的大铁盒子，常态的水在水槽里面经过滤进入大 铁盒，在铁盒里循环流动的同时，与载冷剂乙二醇进行冷热交换，从而形成零摄 氏度以下不结冰的水过冷水。 模拟自然风 采用模糊算法控制自然风产生器，改变风的强弱风向。电路框图如下 目的和意义 电能传输必须依靠高压输电线路。由于输电线路分布点多面广，所处地形复杂，自然 环境恶劣，电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力电气闪络材料 老化的影响而产生断股磨损腐蚀等损伤，必须及时修复或更换。所以，必须对输电线 路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况，线路周围环境和线路保护区 的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。传统的人工巡 检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡检，存 在很大的困难，甚至有些巡检项目靠常规方法难以完成，因此，利用机器人进行自动巡 线成为保障线路安全运行的种必要手段。 国内外目前见诸报道的输电线路机器人，都是功能单型机器人，要么只能巡线，要 么只能除冰。本方案提出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 进行功能性能扩充的机器人设计思路，不仅可实现目前输电线路巡线除冰的需求，而且 系统具备极强的可升级性，适应智能电网未来新需求。 核准通过，归档资料。 未经允许，请勿外传, 二国内外研究水平综述 国外对高压输电线路巡检机器人的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的研究。从国内外巡检机器人的发展来 看，用于巡检机器人的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 通过多只手臂的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的行走轮与线路之间的摩擦，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的特点，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的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，驱动力矩大的 特点。加巡线机器人系统由巡检机器人塔上智能充电坞和地面控制系统组成。巡检机器人包 括系统电源机器人本体控制器摄像机导航系统图像及数据无线传输系统机载 部分，塔上智能充电坞包括风光互补供电系统机器人承载平台和导航模块，地面控制 系统包括监控系统图像及数据无线传输系统基站部分及监视器。 实现上述功能的巡线机器人需要解决的关键技术有 线上行走攀爬机构 完成机器人沿输电线路行走攀爬的功能，并能跨越防震锤等较小障碍物。 导航系统 采用图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人上线越障及自动人工控制 充电等功能。 垂直起降越障机构 采用创新的四旋翼机构，解决了机器人上线越障及自动人工控制充电等功能。 智能控制系统 完成机器人系统的控制功能。 机器人供电系统 负责为巡线机器人供电，采用种创新技术解决。 塔上智能充电坞 借鉴军事上应用成熟的加油机技术，独创塔上充电坞，完成机器人充电，避免人工更 换电池。 四项目研究内容和实施方案 项目研究内容 巡线机器人系统由巡检机器人塔上智能充电坞和地面控制系统组成。巡检机器人包 括系统电源机器人本体控制器摄像机导航系统图像及数据无线传输系统机载 部分，塔上智能充电坞包括风光互补供电系统机器人承载平台和导航模块，地面控制 系统包括监控系统图像及数据无线传输系统基站部分及监视器。 实现上述功能的巡线机器人需要解决的关键技术有 线上行走攀爬机构 完成机器人沿输电线路行走攀爬的功能，并能跨越防震锤等较小障碍物。 导航系统 采用图像和无线通讯相结合的方式完成导航，完成机器人上线越障及自动人工控制 充电等功能。 垂直起降越障机构 采用创新的四旋翼机构，解决了机器人上线越障及自动人工控制充电等功能。 智能控制系统 完成机器人系统的控制功能。 机器人供电系统 负责为巡线机器人供电，采用种创新技术解决。 塔上智能充电坞 借鉴军事上应用成熟的加油机技术，独创塔上充电坞，完成机器人充电，避免人工更 换电池。 技术路线 思明公司采用自主研发核心技术，外聘专业人员协作的方式进行产品研发生产。具 体为壳体线路板传感器软件的设计开发，自主完成，零部件采用外购，机械部分 外协加工，外围配件直接购拿大魁北克水电研究院研制的遥控小车如图所示。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的作用。该机器人靠轮式行走机构实 现了在直线线路段的稳定行走。日本等人开发的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 驱动来实现机器人的在线移动。 国内在巡检机器人的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。如武汉大学研制的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的研究现状来看，轮式行走机构倍受研究人员的青睐，但 在爬坡能力运行的速度及运行的稳定性等方面还有待于进步完善。 三项目的理论和实践依据 项目研究内容的原理简述 机器人完成次巡检任务的工作过程为首先通过绝缘斗臂车或人工爬到线塔上吊装 的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，检测装臵不断检测前方 障碍物的情况，同时高速球摄像机对线路进行拍摄，拍到的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 器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动给予干预。 项目研究内容的理论或者实践依据 巡线机器人是个复杂的机电体化系统，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的核心技术，是目前制约巡线 机器人走向实用化的障碍之。巡线机器人对机械结构的要求有从机构运动学角度要 求机构能实现滚动蠕动跨越和避让输电线路上的各种障碍物，并且末端执行器能够进 行空间位臵姿态的灵活调整。从机器人系统的角度要求机构要有定的负载能力，便 于安装各种监测仪器信息传输设备，并与导线形成等电势体。从实用的角度要求机 构小巧紧凑轻质，便于携带及上下线操作在故障情况下，防止机器人摔落。从运 动控制的角度要求机构的自由度尽量少，能实现解耦控制，并且具有符合要求的控制精 度。 项目研究的关键和难点 作状态的高压输电线路存在着交变磁场，根据电磁感应定律，磁 场中的回路将产生感应电流。为实现上述目的，设计铁芯和线圈从高压线路上获取电能， 获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向可充电电池组充电，同时， 充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式是否充电是否停机，并将信息传送给巡 线机器人主控制系统。 高压输电线路中的电流受负载的影响而不断变化，峰值电流是谷值电流的数百倍。在 如此大的变化范围之内，为保证能为机器人连续供