前言：本站為你精心整理了越障功能的除冰機器人設計范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

1機器人整體結構

我們設計的輸電線路除冰機器人采用除冰桿敲擊式除冰,不傷導線,安全有效,采用三手臂通過旋轉伸縮動作進行越障,操作簡單可行,結合輔助設備上下線裝置進行上、下線安裝,操作方便。除冰機器人主要分為機械系統和控制系統兩部分。機械系統包括行走裝置、除冰裝置和越障裝置3部分;控制系統包括主控模塊、驅動模塊、無線操作模塊和狀態信息反饋模塊4部分。機器人通過前、后臂上的滾輪可沿導線行走;在越障時,中間手臂可夾緊導線保證機器人的穩定性和可靠性;前、后臂之間可相對移動調整間距;前、后臂各有1個移動和旋轉自由度,結合中間手臂通過動作規劃可以實現越障;除冰裝置采用3個除冰桿從上方交替敲擊的方式,以較小的能量消耗達到除冰的效果。控制系統的主控模塊負責接收無線操作模塊發出的指令,并將新指令傳送給驅動模塊;驅動模塊接收到指令實時控制各電機的轉動;無線操作模塊負責將工作人員的控制信息直接發送給主控模塊;狀態信息反饋模塊負責將機器人各部件的位置狀態實時反饋給主控模塊,為下一步動作提供狀態信息。在實際操作中,除冰機器人通過地面遙控和程序自動控制相結合的方式實現作業。

2機械系統

2.1行走裝置行走裝置作為機器人前進的動力裝置,需要保證機器人能夠在導線上平穩快速前進。由于高壓輸電導線結構特殊,機器人采用滾動原理進行移動。行走裝置主要包括電機、支撐軸承、行走輪、絲桿、導向桿、夾緊塊、圓錐滾輪、支撐板等。行走裝置與手臂外筒固定連接,行走電機驅動滾輪旋轉帶動整個機器前進,夾緊電機驅動夾緊塊夾緊導線。設計結構圖如圖3所示。機器人前臂在進行越障時,重心會出現向前偏移,后臂可能向上抬升脫離導線,使機器人前臂出現一定程度的向下傾斜,可能無法順利越障。后臂越障時,也會出現同樣的現象。為了避免上述問題的發生,在行走裝置上增加夾緊機構輔助越障。該機構的夾緊滾輪設計為上小下大的圓錐形,可以保證在夾緊導線時手臂不會向上抬升脫離導線。

2.2越障裝置據前述可知,國內的除冰機器人很多都無法越障,大大影響機器人的實用性。機器人能否自主越障已成為除冰機器人結構設計的關鍵之一。本文中我們設計的機器人具有越障裝置,能順利越過絕緣子、線夾、防震錘和直線塔等一般性障礙物。越障裝置包括行走箱、前后旋轉伸縮手臂和中間夾緊手臂4個主要部件,各部件設計結構圖如圖4~圖6所示。具體越障動作規劃(前臂越絕緣子為例)為:(1)機器人中間手臂前進至極限位置。(2)前后臂同時收縮,中間臂抬升夾緊導線。(3)前臂升高,行走輪脫離導線。(4)前臂旋轉180°,行走輪等偏離導線。(5)行走箱錯動,前臂前進至障礙物另一側。(6)前臂旋轉180°,行走輪位于導線上方。(7)前臂收縮,行走輪等回落至導線上。此時前臂成功越障。后臂越障動作規劃與前臂基本一致。

2.3除冰裝置目前,國內可采用的機械除冰方式有敲擊、沖擊、銑削、切削、鏟刮、振動等[1]33-34。本團隊在實驗室進行了敲擊、銑削和切削3種方式的除冰實驗,通過分析比較發現敲擊除冰相對更安全有效。該除冰裝置結構簡單,原理是電機通過凸輪機構帶動除冰桿上下運動,通過3個除冰桿從上方交替敲擊覆冰的方式,以較小的能量消耗實現較好的除冰效果。設置的限位導輪,可以避免除冰桿損傷高壓輸電線。除冰裝置通過滑塊導軌機構與機器人手臂活動連接,設置的吸振彈簧和滑塊配合,可始終使限位導輪壓緊在高壓輸電線上,并可以吸收除冰桿敲擊除冰時產生的振動能量,減小振動對機器人其他部件的影響,遇到帶坡度的導線時,還能實時調整除冰裝置相對手臂的高度,保證除冰效果。相對目前廣泛使用的直流熱力融冰技術,具有除冰效果明顯、成本低、易操作的優點。除冰裝置如圖7所示。

2.4機器人仿真分析我們通過仿真分析以驗證機器人能越障的可行性。用Pro/E進行三維建模,在ADAMS中按照預定的行走越障動作規劃進行運動學仿真分析。這里以前臂跨越FR3型防震錘為例，機器人能否成功跨越防震錘有兩個指標,一是越障時前臂橫向(X軸)是否與防震錘發生碰撞;二是前臂縱向(Z軸)能否完全跨過防震錘。防震錘中心點坐標為(-309,190,-669),由圖8可知越障時前臂中心距防震錘中心125mm,由于前臂最寬邊130mm,防震錘直徑57mm,故極限位置有31.5mm間隙,指標一滿足;由圖9可知前臂跨越距離為440mm,完全可以跨越防震錘,指標二滿足。綜上可知,除冰機器人能跨越障礙物。故機器人機構設計合理,越障動作規劃可行。

2.5機器人上下線裝置機器人順利上線安裝是進行除冰作業的前提。機器人約45kg,檢修人員無法徒手攜帶機器人安全上下線安裝,同時考慮到機器人出現故障時能夠方便及時下線維修等要求,我們設計了該上下線裝置,以解決除冰機器人的上下線安裝問題。上下線裝置包括固聯滑輪、吊籃、提升繩、防晃繩、配重塊等。固聯滑輪是用“Z”形鋼筋將兩個滑輪固接,防止相對移動。在吊籃正下方添加配重塊,上下線安裝時可降低重心,更加平穩。該裝置結構簡單,功效明顯。機器人上線動作規劃如下:(1)將固聯滑輪在導線上安裝好,放下提升繩并系在吊籃上,同時在吊籃上系上防晃繩,將機器人前后手臂外轉180°并放入吊籃。(2)緩慢提升吊籃至行走輪高于導線,機器人手臂內旋180°,使行走輪位于導線正上方。(3)緩慢放松提升繩讓行走輪自動掛上導線,放下吊籃,線上人員適當調整,保證機器人初始狀態,卸下滑輪,完成除冰機器人的上線工作。機器人下線原理與上線一樣。采用上下線裝置安裝機器人,既方便快捷,又安全有效,是一種可行的除冰機器人上下線安裝方式。野外現場除冰機器人上下線安裝試驗如圖12所示。

3控制系統

高壓輸電線路除冰機器人主要采用人機結合、局部智能的控制方式[10]。機器人在高壓輸電線路上除冰時可以在3種狀態下工作,即全手動、單流程自動以及多流程自動。操作人員根據實際需要可通過遙控鍵盤進行無間隙切換。控制系統的結構框圖如圖13所示,主要包括主控模塊(MCU2)、無線操作模塊(MCU1)、驅動模塊、狀態信息反饋模塊等。機器人電源系統采用12V鋰電池供電,具有體積小、容量大、質量輕、壽命長等優點。

3.1主控模塊主控模塊即主控制器模塊,本系統采用AVR系列單片機Mega128,原理圖如圖14所示,包括程序下載接口、復位電路、以及時鐘電路等。機器人主控模塊主要負責接收無線操作模塊發出的控制指令,根據除冰機器人動作規劃,將處理后的新指令傳送給驅動模塊來控制電動機轉動,以實現機器人各種動作。在主控制器得到發送過來的控制指令時,首先對該指令進行一次有效性判斷,如果得到的指令存在誤碼或亂碼,則舍棄該指令,以防止機器人發生錯誤動作。主控制器程序可以實現單流程自動、多流程自動以及所有流程全手動等工作模態無隙切換。其軟件設計流程如圖15所示。

3.2無線操作模塊操作人員與機器人之間的通信全部由無線鍵盤發出,主要包括機器人工作方式選擇、電機正反轉狀態控制、故障急停等。為方便控制電機的正、反轉和停止3種狀態,本系統選用單刀三擲開關,開關的每一個狀態分別與電機的狀態相對應。由于每個按鍵有3個擋位,需要單片機的兩個I/O端口作為鍵值信息通道,系統共設計了16個按鍵,另外加上無線發射的引腳,因此至少需要單片機有34個獨立引腳。系統選用AVR系列的單片機Mega128作為主控芯片,該芯片內部含有豐富的硬件資源,能夠十分方便的與無線收發模塊APC220進行通信。APC220模塊是高度集成的半雙工微功率無線數據傳輸模塊,其嵌入了高速單片機和高性能射頻芯片。采用高效的循環交織糾檢錯編碼,抗干擾和靈敏度都大大提高,最大可以糾正24bits連續突發錯誤。與單片機的連接原理圖如圖16所示。為使無線鍵盤發射的性能更加穩定,系統在鍵盤信息之前加上了一個字節校驗密碼,只有當接受端得到了以該密碼開頭的信息才視為有效,否則機器人不接受該信息。實驗表明,這種方法能讓機器人安全可靠的工作,有效地降低了控制出錯率。其軟件設計流程如圖17所示。

3.3電機驅動模塊電機驅動模塊采用Freescale公司的MC3386,該驅動可以同時驅動兩個電機,最大驅動峰值電流可達6A,為得到更好的驅動性能,本系統將每個芯片上的兩個通道并聯在一起去驅動一個電機。使用該芯片可以方便地進行正、反轉和剎車等控制,同時也可以使用脈沖寬度調制(PWM)對電機進行調速,機器人前后臂的升降旋轉就運用了PWM進行調速。每個芯片使用單片機的兩個I/O端口進行操作,實驗表明使用MC33886作為除冰機器人的動力電機的驅動能夠完成機器人的各種動作,性能良好。

3.4狀態信息反饋模塊當機器人在高空的高壓輸電線路上作業時,人眼無法看清楚,而機器人的每個動作必須在掌控中,因此機器人的每個動作是否完成必須有明確的反饋信息。本系統采用金屬接近開關作為機器人行程信息反饋的傳感器,當有金屬靠近接近開關約2~3mm時,在外圍電路作用下(圖19),接近開關便向單片機發出一個高電平信號,當在其接觸頭2~3mm范圍內沒有金屬時,接近開關向單片機發出一個低電平信號。TLP521是一個光耦合器件,使用該芯片的作用有兩個:一是將12V的高電平轉換為單片機能夠讀取的3~5V;二是起到光電隔離的作用,防止電機工作時對單片機的正常工作產生影響。實驗效果表明,使用接近開關作為機器人狀態反饋傳感器能夠準確的監控機器人的動作流程,為實現機器人自動除冰和越障提供了準確的反饋信息。

4結論

該高壓輸電線路除冰機器人屬于工作于輸電線路的特種機器人,本身集合了機械結構設計、自動控制和無線通訊等方面的技術。野外真實線路性能測試表明,除冰機器人滿足前述的性能指標,對解決輸電線路除冰問題十分有效。對于不同電壓級別的輸電線路,其結構上的主要區別是導線、絕緣子和防震錘規格不同。機器人可通過更換行走輪、適當調整控制程序參數,便能在不同規格高壓輸電線路上進行作業,擴大了使用范圍。除冰機器人野外真實線路實驗取得成功,證實了除冰機器人的機械系統設計合理,控制系統穩定有效。圖20所示為機器人在野外真實線路上進行跨越絕緣子的實驗。

作者：張屹韓俊劉艷丁昌鵬朱大林單位：三峽大學機械與材料學院三峽大學電氣與新能源學院