外文翻譯系 別 機電信息系 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 導(dǎo) 師 機械科學(xué)與技術(shù) 21（2007）1018 ~ 1027兩個軸氣動人工肌肉機械手的一種新的相平面切換控制方法控制摘要康復(fù)機械手的使用已經(jīng)由于功能康復(fù)治療對肢體的需求成為一個日益重要的問題。一種新型的氣動人工肌肉致動器（PAM）–所提供的安全性和流動性援助以執(zhí)行任務(wù)的人類達到日益普及，以及提供一個具有高強度和高功率/重量比，成本低，體積小，便于維修，清潔，隨手可得，廉價的電力來源，等等–已在使用在治療機械手近幾十年來考慮，特別是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空氣可壓縮性和阻尼的執(zhí)行帶來的壓力動態(tài)響應(yīng)延遲，導(dǎo)致振蕩運動能力的缺乏。此外，為了幫助康復(fù)機械手更有效，應(yīng)根據(jù)病人的身體狀況調(diào)整阻抗參數(shù)。為了這個目的，機械手加入裝有磁流變制動器（MRB） 。一種新的相平面使用 MRB切換控制方法提出了跟蹤正弦波形。通過使用制作的兩個軸 PAM機械手實驗證實了該算法的有效性。實驗證明，該機械手的穩(wěn)定性可以不考慮對參考輸入和外部負載條件下的頻率的變化使用高增益控制大大改善，并在不降低響應(yīng)速度，或降低 PAM的操縱器的剛度。?關(guān)鍵詞：氣動人工肌肉；相平面開關(guān)控制；機械手；磁流變制動器1。景區(qū)簡介需要由交通事故和腦卒中引起的骨折或關(guān)節(jié)疾病康復(fù)的人數(shù)，和運動功能的問題，由于年事已高，全世界數(shù)以千計數(shù)百數(shù)。機械手的康復(fù)中的應(yīng)用具有極大的關(guān)注。功能恢復(fù)的治療通常是進行了醫(yī)學(xué)治療師在人的基礎(chǔ)，但自動設(shè)備已經(jīng)投入到物理治療程序重復(fù)過程相對簡單，實用，如連續(xù)被動運動機，步行訓(xùn)練裝置，和用于單軸扭矩機（DOI，1993街等；Al。 ，1994；傅等人，1995） 。本文論述了功能康復(fù)治療，身體康復(fù)的一個重要方面。網(wǎng)格加密治療機已創(chuàng)建（安清，2004；2005年；2005b） 。然而，多關(guān)節(jié)機械手要實現(xiàn)更逼真的運動模式，從而更有效的治療是必要的。這種機械手必須有一個人類使用高安全的。PAM 機械手已被用來構(gòu)建一個兩自由度（DOF）治療機械手。二自由度機械手功能恢復(fù)的治療由氣動肌肉驅(qū)動的開發(fā)是佐貝爾（Zobel 等人。 ，1999）和raparelli（raparelli 等人。 ，2001；2003）的柳巷芳草 biorobotic系統(tǒng)的人工肌肉致動器（柳巷芳草等人。 ，1999；2000；2002；2003）氣動肌肉方面的koeneman（koeneman 治療裝置等人。 ，2004）與人友好的治療機械手（Thanh 和安，2006年） 。然而，仍存在一定的局限性，如空氣的可壓縮性和阻尼的執(zhí)行帶來的壓力動態(tài)響應(yīng)延遲能力的缺乏，導(dǎo)致振蕩運動。此外，實施更有效的康復(fù)，機械手必須根據(jù)病人的身體狀況調(diào)整阻抗參數(shù)。為了這個目的，一個新的技術(shù)，電流變液阻尼器（ER 阻尼器） ，已被應(yīng)用到 PAM機械手。noritsugu 和他的團隊使用 ER阻尼器來改善控制性能的 PAM機械手與 PI控制器和脈沖codemodulated開關(guān)閥（noritsugu 等人。 ，1994） 。通過分離的阻尼器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩和阻尼區(qū)域高增益控制下的響應(yīng)速度，結(jié)果表明電流變阻尼器用于實際可用的一種有效方法，人類友好的機械手使用的 PAM機械手。此外，位置控制是無響應(yīng)速度下降的改進。然而，一定的局限性阻礙了技術(shù)，由于電流變液（ERF）要求很高的控制電壓（kV） ，這是有問題的，并在特定的，潛在的危險，只工作在一個較窄的溫度范圍（和一個不適合的 PAM機械手） ，并表現(xiàn)出非線性特征。因為有很多不可接受的缺點電流，磁流變流體（MRF）一直被認為是表1中列出的優(yōu)點是一個有吸引力的選擇，和最近已被用于治療人類友好的機械手（Thanh 和安，2006年） 。雖然這些系統(tǒng)在解決光滑的致動器的運動響應(yīng)的步驟輸入成功，假設(shè)兩個軸 PAM機械手應(yīng)用在未來治療機械手，這是我們研究的最終目標，是要實現(xiàn)快速的響應(yīng)，即使外部慣性負載變化劇烈和正弦響應(yīng)無以不同的頻率。因此，要實現(xiàn)良好的控制性能，一個 MRB裝備的機械手關(guān)節(jié)。相平面使用 MRB切換控制方法提出了跟蹤正弦波形的情況下，和算法的有效性將通過涉及一二軸 PAM機械手實驗證明。實驗結(jié)果表明，該機械手的穩(wěn)定性可以大大改善高增益控制在不考慮頻率的參考和外部條件的變化，并沒有降低響應(yīng)速度和兩個軸 PAM機械手剛度低。2。實驗裝置2.1實驗裝置這兩個軸氣動人工肌肉機械手示意圖如圖1所示。的表1。流變流體相比。圖1。兩個軸氣動人工肌肉機械手示意圖圖2。氣動人工肌肉機械手的工作原理。圖3。實驗設(shè)備的照片。圖4。建設(shè)工作。拮抗人工肌肉和外部負載轉(zhuǎn)動，如圖2所示的結(jié)果之間的壓力差。關(guān)節(jié)角度，1θ 和2θ，與旋轉(zhuǎn)編碼器測量（Metronix，S48—8-3600zo）和反饋到計算機通過一個24位的數(shù)字計數(shù)器板（研華 PCL，833） 。外部慣性負載可以從20變化[ KGF·cm2 ] 40 [ KGF·cm2 ]，200 [ % ]的變化相對于最小慣性負載條件；參考輸入不同頻率的波形（正弦）被認為是。實驗0.4范圍[MPa]環(huán)境壓力和控制軟件下進行的是 C語言編碼。圖3顯示的是實驗裝置的照片。對2.2個特點的 MRB的設(shè)計如圖4所示。轉(zhuǎn)子固定在軸上，可相對于殼體旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子和殼體之間的間隙填充 MRF。的 MRB制動力矩可由在其線圈的電流控制。磁流變液的表觀粘度在磁場中的應(yīng)用幾毫秒的時間變化，并在沒有磁場的正常粘度的回報。下面的實驗探討 MRB的特點；測量數(shù)據(jù)是在圖5和表3。MRB 與扭矩傳感器和伺服電機連接系列。在實驗中，轉(zhuǎn)速從100變化[轉(zhuǎn)] 1000 [轉(zhuǎn)]和所施加的電流從0到1 的[ ] [ ]。這些范圍是因為系統(tǒng)的響應(yīng)不達到1000 [轉(zhuǎn)]和最大電流用于 MRB 1 [ ]。圖5顯示了阻尼力矩與輸入電流的變化（a）和（b）轉(zhuǎn)速的 MR制動。從圖5，它是顯然，對阻尼扭矩是獨立的旋轉(zhuǎn)速度和幾乎正比于輸入電流。因此，方程（1）的輸入電流和阻尼轉(zhuǎn)矩的結(jié)核病表3。對測量數(shù)據(jù)。W：轉(zhuǎn)速[rpm]I：目前的應(yīng)用[J].這里，A 和 B是常數(shù)確定使用特點 MRB響應(yīng)曲線。3?？刂葡到y(tǒng)3.1位置控制系統(tǒng)這種 PAM機械手的控制，傳統(tǒng)的 PID控制算法作為本研究的基本控制器?？刂破鞯妮敵瞿茉跁r間域如下表示：以 Laplace變換（2）產(chǎn)量所得的傳遞函數(shù)的 PID控制器：在采樣序列 K可以表示為一個典型的實時執(zhí)行如下：其中 u（k）和 E（k）是控制輸入到設(shè)定點和節(jié)點的輸出之間的控制閥和誤差，分別。此外，使用 MRB是調(diào)和的阻尼和提高的 PAM機械手的控制性能的有效途徑響應(yīng)速度（因為它在加速或減速太高的地區(qū)的作品） 。在這里，s 是拉普拉斯變量，它是由機械產(chǎn)生的扭矩，TC 是恒轉(zhuǎn)矩，KED確定扭矩角速度 θ 比例增益，和 VC是由方程計算的源控制電壓（1）產(chǎn)生TC。阻尼轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的手臂。因此，方程（6）低于表明，阻尼器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩結(jié)核病。所提出的相平面切換控制方法的結(jié)構(gòu)如圖6所示。3.2傳統(tǒng)相平面切換控制方法圖7顯示了傳統(tǒng)相平面切換控制方法。在區(qū)域中，手臂的方法所需的角度關(guān)節(jié)角度，一個~ B，C ~ D，如圖 7（a） ，目前是不適用的，而在該地區(qū)（斜陰影區(qū)）B ~ C，D ~ E，目前應(yīng)用于提高更快收斂到期望的角度的阻尼性能。雖然系統(tǒng)階躍輸入響應(yīng)成功順利，它的質(zhì)量下降（與響應(yīng)延長）由于正弦波形失控點參考輸入（C，E 等） 。此外，假設(shè)2軸 PAM機械手利用在未來的治療機械手（我們研究的最終目標） ，它要實現(xiàn)快速響應(yīng)，即使外部慣性負載變化劇烈和正弦響應(yīng)，一個是在發(fā)生的頻率范圍內(nèi)的頻率無關(guān)。3.3個命題的相平面開關(guān)控制算法的新概念阻尼轉(zhuǎn)矩 T B，這是在公式1所示，提高了機械手的阻尼性能。由于阻尼的機械手的轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩的作用，其加速性能退化。在區(qū)域中的臂的方法所需的角度關(guān)節(jié)角度，O ~ A，B ~ C，D ~ E，F(xiàn) ~ G，在圖 8（a） ，目前是不適用由于高響應(yīng)速度是必需的。在臂通過所需的角區(qū)域，即對角陰影區(qū)的~ B，C ~ D，E ~ F，G 在圖8 ~ H（一） ，電流被施加到改善阻尼性能，從而使臂更快地收斂到期望的角度。要確定是否應(yīng)施加磁場，相平面。圖6。的相平面開關(guān)控制的新概念框圖。圖7。常規(guī)的相平面切換控制方法。圖8（b）用。在相平面上的橫軸線對應(yīng)的關(guān)節(jié)角偏差 E Rθ 所需角度和關(guān)節(jié)角度 θ 之間，與垂直軸對應(yīng)于時間的偏導(dǎo)數(shù)，e de DTθ= =?。每個點的相平面上的一個~ H對應(yīng)于圖8中同樣的字母點（一） 。在這里，與目前應(yīng)用的區(qū)域是由1 1 1 2 h控制（S?） ，H（ S?） ，的梯度圖8。相平面切換控制方法的新概念。圖8線（B） 。阻尼轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用在區(qū)域控制為1 h和2 h?？刂圃?MRB應(yīng)用地區(qū)的優(yōu)勢是需要在不降低響應(yīng)速度。提出的控制器的有效性將實驗研究。4。實驗結(jié)果在這項研究中，一二軸 PAM機械手利用相平面開關(guān)控制器，新概念的控制器，和實驗用正弦波作為參考輸入在兩個不同的頻率進行（f = 0.3 Hz 和0.5 Hz） 。兩個外部慣性載荷條件（載荷1 = 20 [ KGF·cm2 ]；負載2 = 40 [ KGF·平方厘米]）進行了測試（負載連接到臂2年底） 。此外，常規(guī)的 PID控制器，該控制器的比較。首先，進行了實驗驗證，在不同的輸入?yún)⒖碱l率所提出的控制器的有效性（節(jié)點1） 。圖9顯示的比較傳統(tǒng)的 PID控制器，該控制器聯(lián)合1實驗結(jié)果的有效性和所提出的控制詳細顯示在圖10相對于圖9。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（1） 。F = 0.3Hz和 F = 0.5Hz。在實驗中，所提出的控制器的初始值設(shè)置為6，P 190 10 K =×?，6我10 10 K =×?，6 D 150 10 K =×?，ED 0.015 k = 1，2 C 0.8，1，2，T = H =?H =。通過試驗和錯誤，得到了這些參數(shù)。這些實驗結(jié)果表明，有一個大的跟蹤誤差和時間相對于參考輸入的頻率的增加延遲；當采用PID控制器響應(yīng)下降頻率為0.5Hz，而沉降時間減少，跟蹤性能是保證使用所提出的控制器。阻尼力矩不適用于快速響應(yīng)時，機械手開始移動，和阻尼轉(zhuǎn)矩的 MRB應(yīng)用到 PAM摩尼的旋轉(zhuǎn)軸圖10。所提出的控制器的實驗結(jié)果（1）機械手減少超調(diào)振蕩時，操縱器達到所需的角度。其次，實驗研究了相對于不同的參考輸入的頻率控制性能（節(jié)點2） 。此外，外部的慣性負載（負載1 = 20 [ KGF·cm2 ]；負載2 = 40 [ KGF·平方厘米]）連接到臂的端圖11。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（接頭2，負載1） 。2，和控制參數(shù)的設(shè)置是1相同的接頭。圖11和圖12顯示的 PID控制器和所提出的比較對于測試的參考輸入頻率和外部的初始荷載條件控制器。這些數(shù)字表明，有一個大的誤差和時間的延遲和更振蕩發(fā)生相對于參考輸入頻率的增加，以及增加外部初始荷載。在實驗中，PAM 的機械臂關(guān)節(jié)角同意與參考使用新的相平面開關(guān)控制器。建議的新的相平面開關(guān)控制算法的有效性也在圖詳細地顯示。13和14。實驗結(jié)果表明，一個良好的控制性能和較強的魯棒性應(yīng)力是圖12。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（接頭2，負載2） 。獲得，不依賴于外部的初始負荷使用所提出的控制方法。這些實驗結(jié)果表明，阻尼轉(zhuǎn)矩施加和釋放非常頻繁地根據(jù)所需的角度的方法。結(jié)果表明，所提出的算法是在各種外部荷載作用下有效的和不依賴于參考輸入頻率。此外，據(jù)了解，PAM 的機械臂轉(zhuǎn)角的順利收斂到所需角度小的振蕩。它的結(jié)論是，新提出的相平面開關(guān)控制算法有效地跟蹤與高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速響應(yīng)，和不同的外部慣性載荷和參考輸入頻率下具有較強的魯棒穩(wěn)定性。5。結(jié)論在這項研究中，相平面開關(guān)控制用磁流變制動器的提出和應(yīng)用一二軸氣動新概念人工肌肉機械手的各種外部荷載作用下提高控制性能和獨立的參考輸入頻率。實驗結(jié)果表明，該控制算法在正弦軌跡跟蹤控制的高效和高增益控制，控制性能好，響應(yīng)速度快，強大的，對外部負載和輸入?yún)⒖碱l率變化的魯棒穩(wěn)定性。研究結(jié)果還表明，所提出的相平面運用 MRB切換控制是發(fā)展一個實際可用的最有效的方法之一，通過使用 PAM的人類友好的機械手機械手。確認這項工作是由蔚山大學(xué)的支持下，韓國。工具書類安，k 和清，T.華盛頓特區(qū)，2004， “使用智能切換控制方法的氣動人工肌肉機械手的控制性能的改善， ”ksme，int，怨婦。 ，卷8，8號，1388頁~ 1400。安，k和清，T.華盛頓，2005年， “非線性 PID控制改善 PAM的機械手的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制性能，在 ksme，int，怨婦。 ，卷19，1號，106頁~ 115。安，k，清，T.華盛頓和韓國，Y，K，2005b， ”帕姆手采用磁流變制動器性能的改善， ”ksme，int，怨婦。 ，卷19，3號，777頁~ 790。DOI，Y，1993， “恢復(fù)功能鍛煉裝置， “J SOC。博美。 ，卷17，2號，99頁~ 105。富杰，M. G.，谷忠昭。，平野，英國，吉田和田，T，N，1994， “步行康復(fù)系統(tǒng)的老年， ”IEEE國際會議程序。 ， ， ，先進的機械手系統(tǒng)，卷3，頁1655 ~ 1662。富杰，M. G.，谷忠昭。，平野，英國，吉田和田，T，N，1995， “步行康復(fù)系統(tǒng)的改進中，老年人， ”。IEEE機械手與自動化國際會議，卷3，頁32 ~ 39。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.和納福，B，1999， “麥基賓人工肌肉致動器的生物力學(xué)：智慧， ”過程。 ，IEEE / ASME int，會議，先進的智能機電一體化，221頁~ 226。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.和納福，B，2000， “人工肌腱修復(fù)下肢的生物力學(xué)性能， ”IEEE國際會議程序。 ， ， ，醫(yī)學(xué)物理和生物醫(yī)學(xué)工程，卷3，頁1972 ~ 1975。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.和納福，B，2003， “肌肉像氣動執(zhí)行器為膝下假肢， ”過程。內(nèi)景，會議，新的驅(qū)動器，289頁~ 292。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.M.和納福，B，2002“人造肌肉：為biorobotic執(zhí)行， “接受出版，int，怨婦。roboticsresearch，koeneman，E. J.，舒爾茨，R. S.，狼，S. L.，鯡魚，D. E.和 koeneman，J.B.，2004， ”氣動肌肉手療裝置” ，在 Proc。 ，IEEE / EMBS國際會議，2713，頁2711 ~。noritsugu，T，遷政信，Y.和 ITO，K.，1994， “利用電流變液阻尼器改進的充氣橡膠人工肌肉機械手的控制性能，在 Proc。 ，IEEE，int，會議，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的人，卷4，頁788 ~ 793。raparelli，T.，茹貝爾，P. B.杜蘭特，F(xiàn).，2001， “設(shè)計一個2自由度機械手的功能恢復(fù)治療氣動肌肉驅(qū)動的， “int，機械手在阿爾帕–DRIA -多瑙河地區(qū) raparelli，T.，這個車間，P. B.杜蘭特，F(xiàn).，2003， “發(fā)展中的一個由氣動肌肉驅(qū)動機械手， ”過程。 ，拉德，機械手在阿爾帕–DRIA -多瑙河地區(qū) Thanh車間，T.華盛頓和韓國，k，2006， “提高2的控制性能的非線性 PID控制，軸氣動人工肌肉機械手神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， “接受國際，期刊出版。 ，機電城，T.華盛頓和韓國，k，2006年， “智能相平面的磁流變制動氣動人工肌肉機械手的控制開關(guān)， “國際，怨婦。 ，機電一體化，卷16，頁85 ~ 95。茹貝爾，P. B.，杜蘭特，F(xiàn).和 raparelli，T.，1999， “拉奎拉大學(xué)的功能康復(fù)治療對2自由度機械手的氣動肌肉致動器的經(jīng)驗， ”研討會上，生物力學(xué)，華沙，波蘭。目錄摘要…………………………………………………………………… ⅠAbstract………………………………………………………………Ⅱ第一章 緒言……………………………………………………………11.1 引言…………………………………………………………………………11.2 湖南省 2008 年冰災(zāi)的電網(wǎng)分析……………………………………2第二章 覆冰原理…………………………………………………… 4第三章 輸電線路覆冰的危害……………………………………… 53.1 線路過荷載……………………………………………………… 53.2 不均勻覆冰或不同期脫冰……………………………………… 53.3 絕緣子串冰閃…………………………………………………… 53.4 導(dǎo)線覆冰舞動…………………………………………………… 5第四章 除冰方法 ………………………………………………… 6第五章 巡線機器人 ……………………………………………… 85.1 巡線機器人機構(gòu) ……………………………………………… 95.2 工作電源………………………………………………………… 105.3 控制系統(tǒng)………………………………………………………… 10第六章 除冰機器人機構(gòu)……………………………………………11第七章 國內(nèi)除冰機器人專利……………………………………… 147.1 一種線纜除冰機器人……………………………………………14 7.2 輸變線路除冰機器人……………………………………………14 7.3 一種可跨越障式多分裂除冰機器人……………………………15 7.4 高壓輸電線路導(dǎo)線除冰方法與裝置……………………………16 7.5 電力設(shè)施的微波除冰裝置和除冰方法…………………………16 第八章 除冰機構(gòu)專利………………………………………………18 8.1 三機械臂架空線除冰機器人多功能夾持機構(gòu)…………………18 8.2 一種除冰機器人的掛線驅(qū)動機構(gòu)………………………………18 8.3 一種導(dǎo)線可越障機器人行走裝置………………………………19 8.4 一種架空線除冰機器人的制動機構(gòu)……………………………20 8.5 架空線除冰機器人的除冰機構(gòu)…………………………………21 第九章 綜合設(shè)計除冰機器人……………………………………… 229.1 除冰機器人總裝示意圖………………………………………… 229.2 除冰機器人結(jié)構(gòu)和步驟………………………………………… 239.3 除冰機器人各組裝模塊…………………………………………23 9.4，除冰機器人復(fù)合除冰…………………………………………… 25結(jié)論………………………………………………………………… 28致謝………………………………………………………………… 29參考文獻…………………………………………………………… 30附錄 1 ………………………………………………………………311目錄摘要…………………………………………………………………… ⅠAbstract………………………………………………………………Ⅱ第一章 緒言……………………………………………………………11.1 引言…………………………………………………………………………11.2 湖南省 2008 年冰災(zāi)的電網(wǎng)分析……………………………………2第二章 覆冰原理…………………………………………………… 4第三章 輸電線路覆冰的危害……………………………………… 53.1 線路過荷載……………………………………………………… 53.2 不均勻覆冰或不同期脫冰……………………………………… 53.3 絕緣子串冰閃…………………………………………………… 53.4 導(dǎo)線覆冰舞動…………………………………………………… 5第四章 除冰方法 ………………………………………………… 6第五章 巡線機器人 ……………………………………………… 85.1 巡線機器人機構(gòu) ……………………………………………… 95.2 工作電源………………………………………………………… 105.3 控制系統(tǒng)………………………………………………………… 10第六章 除冰機器人機構(gòu)……………………………………………11第七章 國內(nèi)除冰機器人專利……………………………………… 147.1 一種線纜除冰機器人……………………………………………14 7.2 輸變線路除冰機器人……………………………………………14 7.3 一種可跨越障式多分裂除冰機器人……………………………15 7.4 高壓輸電線路導(dǎo)線除冰方法與裝置……………………………16 7.5 電力設(shè)施的微波除冰裝置和除冰方法…………………………16 第八章 除冰機構(gòu)專利………………………………………………18 8.1 三機械臂架空線除冰機器人多功能夾持機構(gòu)…………………18 8.2 一種除冰機器人的掛線驅(qū)動機構(gòu)………………………………18 8.3 一種導(dǎo)線可越障機器人行走裝置………………………………19 8.4 一種架空線除冰機器人的制動機構(gòu)……………………………20 8.5 架空線除冰機器人的除冰機構(gòu)…………………………………21 第九章 綜合設(shè)計除冰機器人……………………………………… 229.1 除冰機器人總裝示意圖………………………………………… 229.2 除冰機器人結(jié)構(gòu)和步驟………………………………………… 239.3 除冰機器人各組裝模塊…………………………………………23 29.4，除冰機器人復(fù)合除冰…………………………………………… 25結(jié)論………………………………………………………………… 28致謝………………………………………………………………… 29參考文獻…………………………………………………………… 30附錄 1 ………………………………………………………………313第一章 緒言1.1 引言2008 年 1 月，郴州市出現(xiàn)了連續(xù)近一個月的低溫雨雪冰凍天氣，遭受了歷史罕見的冰雪災(zāi)害。國家減災(zāi)委員會專家已定性為：“郴州發(fā)生的這次冰雪災(zāi)害，是世界上一次大面積、極端性氣候事件，是江南地區(qū)持續(xù)時間最長的一次雨雪冰凍過程，影響地區(qū)的人口之多是世界罕見的” 。這次郴州冰災(zāi)造成中心城區(qū)正值春節(jié)期間停電、停水 10 多天，個別地方達到 20 多天，交通、通訊、電視均出現(xiàn)不同程度的中斷，成為了一座與外界隔絕的“孤城” 。郴州成為我國南方冰雪災(zāi)害最嚴重的地區(qū)之一。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災(zāi)引起了倒塔,現(xiàn)場調(diào)查了 2008 年湖南冰災(zāi)期間≥220kV 輸電線路的受損情況,發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在20～60mm,同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性,檔距、塔形等對線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認為覆冰太厚超過設(shè)計值、垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時，可以承受 2-3 倍的重量。但如果下雨凇，可能會承受 10-20 倍的電線重量。電線結(jié)冰，遇冷收縮，風(fēng)吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，超高壓大容量輸電線路越建越多，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜，如經(jīng)過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺，給線路維護帶來很多困難．而且在嚴冬及初春季節(jié)，我國云貴高原、川陜一帶及兩湖地區(qū)常出現(xiàn)霧凇和雨凇現(xiàn)象，造成架空輸電線路覆冰，使線路舞動、閃絡(luò)、燒傷，甚至斷線倒桿，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到破壞，安全運行受到嚴重威脅．在緊急情況下，尋道員用帶電操作桿或其它類似的絕緣棒只能為很少的一部分覆冰線路除冰，人工除冰有很高的危險性。在國外，一些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護工人的安全，開發(fā)一種可以替代或部分替代工人進行除冰作業(yè)的新型設(shè)備一直是國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點．因此，研制安全有效的除冰機械以代替人進行導(dǎo)線除冰具有較好的應(yīng)用前景和實用意義。4電動機除冰裝置的示意圖和實際工作圖1.2 湖南省 2008 年冰災(zāi)的電網(wǎng)分析全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導(dǎo)致“厄爾尼諾”和“拉尼娜”等極端天氣氣候事件的頻率與強度明顯增加，輸電線路所處地質(zhì)條件復(fù)雜，容易遭受冰災(zāi)等極端天氣的影響，目前國內(nèi)外對已多次發(fā)生的輸電線路冰災(zāi)事故進行了相關(guān)的研究。2008 年年初襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來 I 臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，冷暖空氣交匯形成的鋒面逆溫強度大，加上湖南北低南高的地勢使逆溫層得以加強，地勢陡增處南下冷空氣因推進受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補充，易形成長時間降雨、冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較高的湘北地區(qū)地表氣溫低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時間較長，導(dǎo)致湘南、湘中、湘東冰凍災(zāi)害強于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網(wǎng)冰凍災(zāi)害是在大尺度天氣形勢控制下形成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災(zāi)害受損范圍與程度具有較強的微地形影響特征。長時間的低溫(0~﹣5℃)、降水過程為覆冰提供了適宜條件。2008 年初，受冷暖空氣共同影響，湖南從 01-11／02-07，共出現(xiàn) 4 次明顯的雨雪天氣過程，這次持續(xù)時間長的凍雨和冰凍天氣給湖南電網(wǎng)帶來了災(zāi)難性的影響。湖南省電力公司 500 kV 線路 33 條有 14 條線路倒塔 182 基，變形 75基，導(dǎo)線斷線或受損 159 處，地線斷線或受損 322 處；220 kV 有 44 條線路倒塔 679 基，110 kV 有 121 條倒塔 1864 基；≤35 kV 高壓線路倒桿 6 萬 4 千多基，發(fā)生斷線超過 5 萬處；低壓線路倒桿斷桿 33 萬多基，斷線近 37 萬處，在整個冰凍期間，發(fā)生了多次電網(wǎng)解裂和衡陽、郴州等地區(qū)大面積停電事故，使湖南電網(wǎng)受了有史以來最嚴峻的威脅，直接經(jīng)濟損失數(shù) 10 億元。5現(xiàn)場調(diào)查了 2008 年湖南冰災(zāi)期間≥220 kV 輸電線路的受損情況，發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在 20～60 mm，同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性，檔距、塔形等對線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認為覆冰太厚超過設(shè)計值，垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔的原因。江城線 4979—4983 段的冰情照片2005 年湖南冰災(zāi)后對覆冰倒塌的桿塔以及選擇性選取的一些重要桿塔進行了改造，7 條 500 kV 線路新增和改造桿塔共 142 基，220 kV 共 9 條線路增加和改造鐵塔 32 基，通過對局部區(qū)域桿塔更換塔型(將自立塔改為加強型轉(zhuǎn)角耐張塔)、采用提高一級覆冰設(shè)計厚度(將 15mm 覆冰設(shè)計改為 20mm)等措施提高桿塔的抗冰強度，通過新增桿塔縮小設(shè)計檔距、縮短耐張段的距離，減少單基鐵塔所受的重力荷載等技術(shù)措施進行改造，2008 年這些改造的 500 kV 桿塔未發(fā)生倒塌現(xiàn)象，220 kV 有 2 基因僅對主材加厚，在此次冰災(zāi)中發(fā)生扭曲受損，在同一區(qū)域有 3 基未改的桿塔發(fā)生了倒塌。因此對桿塔抗冰強度適當加強，是防止覆冰倒塌的最好措施之一。為應(yīng)對冰凍災(zāi)害的影響，應(yīng)進一步完善重大災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案；按照差異化原則，易覆冰區(qū)段線路按 20mm 及以上覆冰設(shè)計，建設(shè)電網(wǎng)最小骨干網(wǎng)架；加快覆冰機理、融冰技術(shù)和冰情監(jiān)測的研究和應(yīng)用，覆冰期間提高重要線路的需送容量防止導(dǎo)線結(jié)冰，深入開展微地形、微氣象的監(jiān)測和冰區(qū)分布圖的繪制工作。6第二章 覆冰原理影響導(dǎo)線覆冰因素很多，主要包括：氣象條件、地理及地形條件、海拔高程、導(dǎo)線懸掛高度、導(dǎo)線直徑、水滴直徑、電場強度等。按不同的分類方法，導(dǎo)線覆冰類型可分為：（1）按冰的表現(xiàn)特性分為：雨凇、霧凇、混合凇、積雪和白霜等[1, 5, 6]；雨凇是過冷卻的降水碰到溫度等于或低于 0℃的物體表面時所形成玻璃狀的透明或無光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，其密度較大，一般為 0.85g/cm3。霧凇分為兩種：一種是粒狀霧凇，即過冷卻霧滴碰到冷的物體后迅速結(jié)成粒狀小冰塊，其結(jié)構(gòu)較為緊密；另一種是晶狀霧凇，結(jié)構(gòu)較松散，稍有震動就有脫落。一般霧凇密度為 0.25g/cm3?；旌馅∈沁^冷卻水滴在導(dǎo)線的迎風(fēng)面形成的雨凇和霧凇混合凍結(jié)的不透明或半透明覆冰，密度在 0.26～0.6 g/cm3，黏附力較強。積雪為黏附在導(dǎo)線上的自然降雪，有干、濕之分。干雪密度≤0.1g/cm3，粘附力很弱；濕雪密度 0.1～0.5 g/cm3，粘附力較弱。白霜是空氣中的濕氣與 0℃以下的冷物體表面接觸凝結(jié)而成，對導(dǎo)線威脅不大，但會增加輸電線路的電暈損失[7]。凍雨覆冰形成的雨凇因密度大、附著力強，對架空輸電線路的危害最大，08 年初的南方電力冰災(zāi)主要由該原因造成。（2）按冰的形成機理分為：降水覆冰、云中覆冰和升華覆冰；（3）按冰在導(dǎo)線上的橫截面形狀分為：圓形或橢圓形覆冰、翼型覆冰和新月形等，如圖 1 所示。（4）按冰在導(dǎo)線表面的增長過程分為：干增長、濕增長[1]。這種分類利于分析導(dǎo)線覆冰的形成機理及形成過程中的熱平衡及熱傳遞。霧淞和干雪是干增長覆冰過程，雨淞和濕雪是濕增長覆冰過程，而混合淞是介于二者間的一種覆冰過程。7導(dǎo)線覆冰截面圖第三章 輸電線路覆冰的危害3.1 線路過荷載線路覆冰時，導(dǎo)線將承受數(shù)百到數(shù)千 kg 的荷載，導(dǎo)線和覆冰重量產(chǎn)生的拉力將通過導(dǎo)線、金具、絕緣子傳遞給桿塔，桿塔再傳遞給拉線，只要其中一個環(huán)節(jié)承受不住拉力，就將出現(xiàn)倒桿和斷線事故，并往往會擴展至一個耐張段。3.2 不均勻覆冰或不同期脫冰相鄰檔線路不均勻覆冰或不同期脫冰都會產(chǎn)生張力差，使導(dǎo)線在線夾內(nèi)滑動，嚴重時將使導(dǎo)線外層鋁股在線夾出口處全部斷裂、鋼芯抽動，造成線夾另一側(cè)的鋁股發(fā)生頸縮，擁擠在線夾附近，長達 1～20m。不均勻覆冰的張力差是靜荷載，而不同期脫冰為動荷載，二者有所不同。其次，直線桿塔承受鄰檔的張力差，會使絕緣子串產(chǎn)生較大偏移，碰撞橫擔而造成損傷。再次，當張力差達到一定程度后，會使橫擔轉(zhuǎn)動，導(dǎo)線碰撞拉線，電氣間隙減小而燒斷拉線，桿塔因失去拉線支持后倒塌。3.3 絕緣子串冰閃冰閃為污閃的一種特殊形式。絕緣子嚴重覆冰時，大量傘形冰凌橋接，泄漏距離縮短，絕緣強度降低。融冰過程中，冰體表面水膜因溶解污穢中的電解質(zhì)而形成導(dǎo)電水膜，使得絕緣子串的電壓分布發(fā)生畸變，閃絡(luò)電壓被降低。融冰時期常伴有大霧，使大氣中的污穢微粒進一步增加融化冰水導(dǎo)電率，形成冰閃。冰閃的持續(xù)電弧將燒傷絕緣子，絕緣強度降低。3.4 導(dǎo)線覆冰舞動由于覆冰形狀的不對稱，改變了導(dǎo)線的空氣動力學(xué)特性。當風(fēng)速在4～20m/s，且風(fēng)向與線路走向≥45°時，導(dǎo)線具有較好的空氣動力性能，在風(fēng)的激勵下產(chǎn)生低頻高幅振蕩。輕者發(fā)生閃絡(luò)、跳閘，重者發(fā)生金具及絕緣子損壞，導(dǎo)線斷股、斷線，桿塔傾斜、倒塌等電氣事故。8第四章 除冰方法序號 方法 定類 數(shù)據(jù) 消耗能量 比較系數(shù)1 融冰（3mm）除冰 理論 904 1002 航空標準除冰法除冰 實驗 400 443 融冰（1mm）除冰 理論 301 334 射頻+鏟刮 除冰 實驗 305 345 加熱法 防冰 實驗 180 206 紅外線 除冰 實驗 170 197 激光+鏟刮 除冰 實驗 120 138 形記合金 除冰 理論 72 89 氣動脈沖（50Ls）除冰 實驗 6.8 0.7510 電磁脈沖 除冰 實驗 2.3 0.2511 氣動低環(huán) 除冰 理論 0.9 0.0612 鏟刮 除冰 理論 0.2 0.0213 碰撞試驗 除冰 實驗 0.011 0.001214 牽引試驗 除冰 實驗 0.007 0.00069適用于輸電線路的機械除冰技術(shù)使用機械外力手工或自動強制使覆冰脫落的除冰方法，稱為機械除冰方法。研制機械除冰方法的歷史遠早于其他類型的除冰、防冰方法。機械法是針對輸電線路的，有“ad hoc”法、滑輪輾壓鏟刮法和強力振動法，滑輪輾壓鏟刮法達到了實用水平。“adhoc”法由 Phlman 和 Landers 于 1982 年提出，它需要線路操作者在現(xiàn)場執(zhí)行。并且處理方法千變?nèi)f化，包括敲打、撞擊等。當線路停電，可以觸及到冰時，可采用手工除冰，從地面向?qū)Ь€、避雷線拋擲短木棍將覆冰打掉，或用木棒、竹竿敲打。在線路帶電時，應(yīng)用與線路電壓等級相符的絕緣棒敲打。此外，也可用木制套圈套在導(dǎo)線上，用繩子順著導(dǎo)線拉，以消除覆冰，這種方法只是權(quán)宜之計，既不安全，又不十分有效，因此，很少有人推薦使用，如果要用，就得為這種方法制定標準的操作規(guī)則。9由加拿大 Manitoba 水電局研制的滑輪鏟刮技術(shù)是一種由地面操作人員拉動滑輪在線路上行走而鏟除導(dǎo)線覆冰的技術(shù)，運用這種技術(shù)的除冰方法叫滑輪輾壓鏟刮法(icing rolling)，滑輪輾壓鏟刮法已在加拿大的 Manitoba 使用了 50多年，是目前唯一可行的輸電線路除冰的機械方法。它由滑輪、牽引繩及涂漆的膠合板或環(huán)氧樹脂板等器件構(gòu)成，加在滑輪上的力要足夠讓導(dǎo)線產(chǎn)生彎曲，這樣，產(chǎn)生的應(yīng)力才能使冰破裂脫落。如果在板的兩邊固定一把鋸齒刀，則除冰效果更好，但拉扯時注意不要損傷導(dǎo)線、避雷線和絕緣子。滑輪鏟刮法的最大優(yōu)點是效果很快，且不需要特別的設(shè)備和專家，簡便易操作，耗能小，價格低廉，較為實用。但它也有缺點，那就是費時，安全性能不完善，且受地形限制。據(jù)統(tǒng)計，要對一公里長導(dǎo)線進行滾壓除冰約需卜 2 小時。強力振動法是 1988 年由 Mulherin 和 Donaldson 研制的。加拿大魁北克水電局發(fā)明了一種電纜除冰裝置。該裝置包括一對導(dǎo)線，導(dǎo)線連接到電纜上，并沿電纜呈螺旋形纏繞，導(dǎo)線的一端連接到一個能在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生電磁脈沖的脈沖發(fā)生裝置上，另一端連接在一起構(gòu)成封閉電路，依靠導(dǎo)線中電磁脈沖的通路，在導(dǎo)線之間產(chǎn)生推斥力，該推斥力振動導(dǎo)線，使導(dǎo)線上的覆冰振碎脫落，由于要求外加振動源及振動會促使線纜疲勞，因而難以在工程實際中應(yīng)用?；跈C械振動與撞擊原理的電磁力技術(shù)和電脈沖技術(shù)是為飛行器除冰研制的。但是，由于電磁力或電脈沖可以使導(dǎo)線產(chǎn)生強烈而又在控制范圍內(nèi)的振動，所以二者也是架空線路易接受的除冰方法之一。為飛行航空器除冰研制的基于機械沖擊和沖撞的 3 種技術(shù)是：1985 年由 Finke 和 Banks、1988 年由 Mulherin和 Donald—son、1991 年由 Graber 和 Mack 等分別研究和改進的超聲振動除冰技術(shù)；1988 年由 zumwalt 和 Egbert、1993 年 Bond 和 Shin、1994 年由 Smith等分別研究和改進的電磁脈沖除冰技術(shù)；1992 年由 Martin 和 Putt、1996 年由Loughborough 和 Hass 等研制和應(yīng)用的氣動脈沖除冰技術(shù)。電磁脈沖技術(shù)將是輸電線路除冰最易接受的方法。美國堪薩斯州的 wichita 州立大學(xué)也提出了電脈沖法除冰(Electro—Impulse De—Icing，EIDI) ，即利用電容器組向線圈放電，由線圈產(chǎn)生強磁場，在置于線圈附近的導(dǎo)電板(即目標物)上產(chǎn)生一個幅值高、持續(xù)時間短的機械力，使冰破裂而脫落，但在線路融冰研究方面因技術(shù)不成熟和費用過高沒有達到預(yù)期的目的。由 Gerardi 等于 1995 年根據(jù)合金中記憶相位的變化為航空器除冰研制的。另一種采用由電場或磁場力控制的柔韌性涂料機械方法仍處于設(shè)想階段。然而，這些方法可作為驗證其典型除冰方法的實驗和研制的基礎(chǔ)。10第五章 巡線機器人巡線機器人是為了在線檢測輸電線路產(chǎn)生的機械電器故障、杠塔及其他地基和交叉跨越安全距離等變化，國外尋巡線機器人的研究始于 20 世紀 80 年代末，日本東京電力公司 Sawada 等人、日本 Sato 公司、每過 TRC 公司、加拿大魁北克水電研究院 Montabault 等人先后開展了巡線機器人的研制。他們研制的巡線機器人可分為 2 類：一類是具有跨越障礙物功能，但由于其結(jié)構(gòu)尺寸大和重量重，因而實用性差，并大多仍處于實驗室研制階段；另一類是只能在 2個桿塔間的直線巡線，不具備跨越障礙功能物，因而其巡線作業(yè)范圍受到了很大限制。國內(nèi)巡線機器人的研究始于 90 年代末，在 2002 年開開始國家“十五”863 計劃的連續(xù) 2 次資助下，已研制成功了具有沿 220kV 單分裂導(dǎo)線全程線路行駛和巡檢作業(yè)的巡線機器人樣機，并在機器人構(gòu)件、電能在線補給、機器人局部自治和系統(tǒng)與技術(shù)集成等關(guān)鍵技術(shù)上去的了實質(zhì)性的突破，該樣機已經(jīng)通關(guān)過了現(xiàn)場線路的帶電運行實驗，并表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。同時在巡線機器人的基礎(chǔ)上除冰機器人才有所發(fā)展。在現(xiàn)場線路上的巡線機器人11巡線機器人機構(gòu)5.1 巡線機器人機構(gòu)巡線機器人是機電一體化系統(tǒng)，涉及到機構(gòu)、控制、通信、定位系統(tǒng)、移動平臺上傳感器的集成和信息融合、電源等，而機械機構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是目前制約巡線機器人發(fā)展的技術(shù)障礙之一．巡線機器人機械機構(gòu)的設(shè)計要求是：(1)能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行；(2)具有一定的爬坡能力；(3)能夠避越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔等障礙；(4)在故障情況下有可靠的自保安措施，防止機器人摔落；(5)提供足夠的空間安裝所攜帶的電源以及探測、記錄和分析處理儀器．可實現(xiàn)在管線上爬行的機構(gòu)可以分為步進式爬行機構(gòu)和輪式爬行機構(gòu)兩類步進式爬行機構(gòu)通過多只手臂的交替移動完成爬行，一般用于斜拉橋纜索、管道外壁的檢查維護；輪式爬行機構(gòu)依靠由電機驅(qū)動的行走輪與管線之間的摩擦，驅(qū)動機器人前進．輪式爬行機構(gòu)行走平穩(wěn)，速度快，有利于移動平臺上線路探測儀器的可靠工作，因此，目前巡線機器人多采用此類爬行機構(gòu)．越障機構(gòu)是巡線機器人機構(gòu)的關(guān)鍵．由于機器人懸掛在架空線上，越障時應(yīng)保證機器人姿態(tài)平穩(wěn)，并保持與其它導(dǎo)線和線塔金屬部件的安全間距，因此設(shè)計難度較大．文獻采用了仿人攀援的弧形手臂越障機構(gòu)，姿態(tài)控制較為復(fù)雜，文獻中給出的分體蛇形越障機構(gòu)不適合跨越直徑和間距較大的障礙，文獻的越障機構(gòu)也同樣存在跨越間距小的問題巡線機器人越障操作類似人的空中攀援行為，因此，仿生設(shè)計是解決這一難題的有效方法．一種很有前景的方案是采用多只可伸縮機械臂結(jié)構(gòu)，機械臂上部為爬行驅(qū)動機構(gòu)，下部通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相互鏈接．遇到障礙時，機械臂之間相互配合，采用仿人攀援策略調(diào)整姿態(tài)，跨越障礙．由于采用多只多自由度機械臂，機器人可以完成更為復(fù)雜的空中姿態(tài)調(diào)整，因而可跨越各種類型的線路障礙．12電能在線補給和電源監(jiān)控系統(tǒng)5.2 工作電源要保證巡線機器人在野外大范圍內(nèi)長時間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源．巡線機器人功率一般為幾百瓦，由于受體積和重量的限制，蓄電池組不能滿足長時間供電要求．文獻[3]嘗試采用小型汽油發(fā)電機為機器人供電，但汽油發(fā)電機需攜帶油箱，工作時受環(huán)境影響大，可靠性差．由于巡線機器人一般沿大工作電流的電力線爬行，因此，最好能直接從電力線上獲取能源，即耦合供電．文獻[7]對采用電流互感器耦合從電力線上獲取電源的設(shè)計方法進行了深入研究，分析了機器人所需的最大驅(qū)動力與其重量的比率、磁芯的截面積、副邊線圈匝數(shù)等變量的關(guān)系，實驗結(jié)果驗證了方案的可行性．采用電力線耦合供電雖然解決了巡線機器人長期工作的電源問題，同時也導(dǎo)致機械機構(gòu)及控制系統(tǒng)的復(fù)雜化．這是因為機器人越障時，電流互感器磁芯須從電力線上脫離，需解決磁芯分離機構(gòu)控制和備用電源切換技術(shù)．5.3 控制系統(tǒng)13控制系統(tǒng)第六章 除冰機器人機構(gòu)目前國內(nèi)沒有技術(shù)成熟的除冰機器人，而國外技術(shù)相對比較成熟的代表產(chǎn)品是加拿大魁北克水電研究院的 Serge Montambault 等人 2000 年開始研制的HQ lineROVer 遙控小車。它主要用于清除電力傳輸線地線上的覆冰。但是該機器人質(zhì)量過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且只能清除兩桿塔之間的覆冰，不具備越障的功能，因此不能完全代替人工上線除冰。借鑒國內(nèi)外除冰機器人以及巡線機器人的優(yōu)點，三峽大學(xué)設(shè)計了一種高壓線路除冰機器人。本機器人理論上可以滿足直導(dǎo)線上覆冰不是太厚情況下的除冰需求，同時具備自主越障功能及高效、環(huán)保、節(jié)能的特點。本機器人運用模塊化結(jié)構(gòu)，采用仿生學(xué)原理進行設(shè)計，組成模塊包括夾緊裝置、行走裝置、除冰裝置、越障裝置等。14機構(gòu)運動簡圖機器人模型整體設(shè)計參數(shù)如下：(1)導(dǎo)線直徑 D≤25 mm；(2)小車自重 m≤20 kg；(3)電機功率降 1．2 W，電壓如 12 V；(4)小車行走速度 y=0．26 m／s。越障過程圖除冰機器人越障時技術(shù)難度最大的是跨越導(dǎo)線上的附屬元件．包括絕緣子、線夾、防震錘和間隔棒等障礙物。機器人需要滿足以下幾個功能：越障有效、越障過程應(yīng)平穩(wěn)、越障完成后能適時隨動。這也就要求機器人在線上應(yīng)能夠保持姿態(tài)平穩(wěn)，不與線路附件干涉?？紤]到機器人越障時的平穩(wěn)性、安全性和有效性．機器人的越障方式是模仿猴子爬樹的方式進行越障。也就是采用手臂交替前進方式進行越障。目前單導(dǎo)線巡線機器人的手臂模式主要有 2 種，一種是雙手臂模式，一種是三手臂模式。綜合考慮各因素，本除冰機器人采用雙手臂結(jié)構(gòu)。目前越障方式有：手臂上升式越障、手臂上升旋轉(zhuǎn)式越障、手臂上升偏轉(zhuǎn)式越障、輪子剖分式越障?？紤]到除冰裝置和夾緊裝置的安裝以及通過減少控制電機數(shù)量來提高控制能力方面考慮，本機器人采用的是上升偏轉(zhuǎn)式越障。這種越障方式有 2 種實現(xiàn)方法：一是采用 2 個電機分別控制上升和偏轉(zhuǎn)這 2 個動作；二是設(shè)計一個可以實現(xiàn)上升偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌，這樣就可以通過一個電機控制來完成手臂的上升和偏轉(zhuǎn)動作，從而提高機器人的控制性能。15本設(shè)計中采用后者。具體越障動作：當機器人遇到障礙物時．首先機器人整體停機．啟動越障電機，電機帶動越障手臂在越障導(dǎo)軌上上升到行走輪脫離導(dǎo)線，越障電機繼續(xù)工作帶動整個越障手臂在越障導(dǎo)軌上發(fā)生偏轉(zhuǎn)。直到整個越障手臂不與障礙物發(fā)生干涉時。越障電機停止：然后前面的整個越障手臂在前進電機的帶動下．通過絲杠推動整個前面的機構(gòu)部分越過障礙物；越過障礙物后，越障電機反轉(zhuǎn)，越障手臂即可復(fù)位。在越障機構(gòu)設(shè)計中。可以采用直線電機來取代電機加絲杠的驅(qū)動方式。使得機器人的結(jié)構(gòu)更為簡單，定位更加精確．反應(yīng)速度更快。機器人具體越障動作如圖所示。除冰機構(gòu) 1除冰機構(gòu) 2機器人跨越懸垂絕緣子等障礙物時一只手臂懸空，另一只手臂越過絕緣子，而此時障礙物另一側(cè)導(dǎo)線上的覆冰未清除，輪子和銑刀處于一個平面上面，這樣就會造成輪子無法在電線上落腳的情況．基于這種情況的考慮，提出了第 2套除冰方案．具體示意圖如圖所示，采用 2 個銑刀，其中銑刀中心線和導(dǎo)線中心線垂直，在無障礙物時和上面的除冰裝置類似，銑刀電機驅(qū)動銑刀旋轉(zhuǎn)除導(dǎo)線兩側(cè)面的覆冰，后面的楔形塊在機器向前行走的推力作用下可以破碎銑刀未清除的覆冰．當遇到懸垂線夾這樣的障礙物時，首先還是行走電機停機，然后啟動驅(qū)動螺桿運動的電機，使電極正轉(zhuǎn)，在螺桿轉(zhuǎn)動下帶動與螺母相連的楔形塊以及前面的銑刀一起向前推進，直到將通過懸垂線夾并且將線夾前面的覆冰16除掉，直到當一只手臂越障后輪子可以落到導(dǎo)線上面為止．當除完該段覆冰后，螺桿電機反轉(zhuǎn)將剛前進的裝置收回，然后再進行如上述的越障動作．圖第 2 套方案除冰機構(gòu)整體圖第七章 國內(nèi)除冰機器人專利7.1 一種線纜除冰機器人（申請人河海大學(xué)，公開日 2008.11.19）17該除冰機器人，由機架、除冰盾、電源、夾持機構(gòu)和行走機構(gòu)構(gòu)成，除冰盾的結(jié)構(gòu)包括振動驅(qū)動裝置和在向前進方向的前端設(shè)有向盾牌，盾牌固定前伸出的若干根尖錐，振動驅(qū)動裝置時機架上安裝振動偏心電機，安裝的振動偏心電機帶動除冰盾前后運動；夾持機構(gòu)包括起碼兩對夾持導(dǎo)輪和夾持的開啟閉合裝置構(gòu)成，開啟閉合裝置時合頁結(jié)構(gòu)，沒對導(dǎo)輪分別安裝在一側(cè)合頁上，圍繞著合頁軸開啟閉合，采用夾持導(dǎo)輪，行走機構(gòu)采用行走電機和線纜驅(qū)動輪構(gòu)成，電源采用蓄電池。7.2 輸變線路除冰機器人（申請人湯靖邦，公開日 2008.11.5）該輸變電線路除冰機器人包括主機，所述主機上連接柔性推動臂、懸掛導(dǎo)向臂，在柔性推動臂的前端連接一顆開合點擊動力組，懸掛導(dǎo)向臂的前端連接一開合除冰工作頭，所述可開合除冰工作頭的前端可弧線擺動的連接只少兩個正向除冰轉(zhuǎn)到組。7.3 一種可跨越障式多分裂除冰機器人（專利權(quán)人國網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院,公開日 2009.1.14）18該機器人包括：導(dǎo)線爬行裝置，用于所述高壓輸電線路爬行；旋轉(zhuǎn)除冰裝置，安裝于所述導(dǎo)線爬行裝置，用于采用旋轉(zhuǎn)敲擊力去除導(dǎo)線上的覆冰；動力裝置，用于爬行裝置和除冰裝置，提供驅(qū)動力；控制裝置，用于對所述導(dǎo)線的爬行以及對所述旋轉(zhuǎn)除冰裝置的旋轉(zhuǎn)進行控制。該機器人不僅適用于單導(dǎo)線除冰更適用于多分裂導(dǎo)線的除冰，該機器人通過傳感器感測障障礙物并實施有效避讓措施，尤其適合在諸多障礙的多分裂導(dǎo)線上作長距離自主爬行。7.4 高壓輸電線路導(dǎo)線除冰方法與裝置（申請人國網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院，公開日 2008.10.14）19該除冰裝置包括：由燃料發(fā)動機驅(qū)動的導(dǎo)線行走機器人，所述的導(dǎo)線除冰裝置還包括：旋轉(zhuǎn)除冰裝置，安裝于所述導(dǎo)線行走機器人，用于利用旋轉(zhuǎn)敲擊力去除導(dǎo)線上的覆冰；動力裝置與所述旋轉(zhuǎn)除冰裝置相耦合，用于驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)除冰裝置選裝；控制裝置，用于控制所述導(dǎo)線行走機器人的移動以及所述動力裝置的運轉(zhuǎn)。本發(fā)明的高壓線路導(dǎo)線除冰裝置在導(dǎo)線行走機器人上安裝旋轉(zhuǎn)敲擊棒、震動沖擊錐以及刮冰鏟，由這三個除冰裝置同時工作，通過橫向敲擊、軸向沖擊、軸向擠壓有效的將導(dǎo)線上的覆冰去除。7.5 電力設(shè)施的微波除冰裝置和除冰方法（申請人中國科學(xué)院電工研究所，公開日 2009.7.8）該機器人由移動裝置、微波輻射融冰器和微波電極切冰刀組成。該裝置的除冰方法采用微波輻射融冰和微波電極切冰兩種模式，通過兩種模式的有機結(jié)合和相互配合，應(yīng)對不同的覆冰狀態(tài)，對電力設(shè)施覆冰絕緣子進行除冰。20第八章 除冰機構(gòu)專利8.1 三機械臂架空線除冰機器人多功能夾持機構(gòu)（申請人湖南大學(xué)，公開日期 2009.11.4）該機構(gòu)安裝于三機械臂架空線除冰機器人的機械手臂上，其特征在于，為左右開合結(jié)構(gòu)，分為左半部和右半部，左半部和右半部結(jié)構(gòu)對稱，左半部和右半部都包括支撐架、驅(qū)動輪、掛線滾輪和用于側(cè)面夾持架空線并除冰的外表面具有凸棱的出兵滾筒；所述的驅(qū)動輪和掛線輪均安裝在支撐架的上端；除冰滾筒安裝在支撐架內(nèi)側(cè)。所述的多功能夾持機構(gòu)還包括用于鎖住架空線的鎖死機構(gòu)。該機構(gòu)能穩(wěn)定懸掛在輸電線上，能在動力的驅(qū)動下在輸電線上行走，而且能在行進過程中實現(xiàn)除冰。218.2 一種除冰機器人的掛線驅(qū)動機構(gòu)（申請人湖南大學(xué)，公開日2009.11.4）此機構(gòu)由主動齒輪，從動齒輪，張緊輪，過橋輪，電動推桿等組成。主驅(qū)動電機帶動主齒輪，主齒輪帶動正下方的一個從動輪，從動輪帶動兩個過橋齒輪來驅(qū)動另外的兩個從動輪，從而實現(xiàn)機器人的驅(qū)動力；下面的電動推桿向上運動，推動固定四張緊輪的支架從而使得輸電線夾在動齒輪和張緊輪之間。該機構(gòu)使用一個驅(qū)動電機就可以實現(xiàn)機器人的行走，而掛線的電動推桿方便了操作員的機器人掛線和下線工作。8.3 一種導(dǎo)線可越障機器人行走裝置（申請人中國電力科學(xué)研究院，公開日 2009.11.11）22該裝置采用雙臂三關(guān)節(jié)輪式結(jié)構(gòu)，越障時采用輪以保證行駛速度，包括前行輪 1、后行輪 2、前壓緊輪 3、后壓緊輪 4、前行走臂 5、后行走臂 6、前壓緊輪 7、后壓緊輪 8、四個前電機 9、四個后電機 10、前關(guān)節(jié)臂 11、后關(guān)節(jié)臂 12和本體 13。本機器人行走裝置可以跨越典型導(dǎo)線障礙如防震錘、壓接管、間隔棒、懸垂線夾等，可作為高壓輸電線路巡線機器人以及導(dǎo)線除冰機器人行走裝置。該平臺較為簡單，控制方式方便簡單，控制精度要求低，行走及越障速度較快。8.4 一種架空線除冰機器人的制動機構(gòu)（申請人湖南大學(xué)，公開日2009.11.4）23該裝置安裝在架空線除冰機器人機體上，其特征在于，包括用于架空線的夾具、用于夾具復(fù)位的回位彈簧、用于驅(qū)動夾具阿德電動推桿；夾具一端的內(nèi)表面為與架空線外側(cè)弧面，另一端與所述的電動推桿連接，所述的回位彈簧安裝在所述的夾具的端部。所述的夾具寶庫夾具安裝桿和安裝在夾具安裝桿上兩個夾片，所述的夾具安裝桿固定在訴述的架空線除冰機器人集體上，所述的回位彈簧的兩端分別安裝在所述的兩個夾片上。該發(fā)明的制動機構(gòu)能夠增加接觸面的摩擦力，從而解決行走機構(gòu)的打滑問題。在機器人沖擊除冰使，也可以獲得更大的沖擊力。8.5 架空線除冰機器人的除冰機構(gòu)（申請人湖南大學(xué)，公開日2009.11.4）該裝置安裝于架空線除冰機器人的前端，其特征在于，在所述的除冰機構(gòu)的前端設(shè)有冰刀底座，在所述的除冰底座上安裝有用于在架空線除冰機器人推進過程中進行除冰的組合冰刀。所述的架空線除冰機器人的除冰機構(gòu)還包括破24冰錐套、安裝于破冰錐套內(nèi)的可伸縮的破冰錐、破冰錐底座、凸輪、彈簧和破冰電機。該除冰機構(gòu) i 結(jié)構(gòu)簡單、實用、安裝、拆卸和更換都很方便，可以適用于不同覆冰程度的架空線，除冰效果好。第九章 綜合設(shè)計除冰機器人9.1 除冰機器人總裝示意圖：1. 除冰滾刀2. 滾刀支架3. 破冰盾4. 破冰盾支架5. 破冰錐6. 破冰錐預(yù)緊螺栓7. 破冰錐套8. 推桿突起9. 破冰錐推桿連接2510.凸輪11.電磁感應(yīng)耦合電源裝置12.破冰電機13.冰層厚度測量裝置14.輸電線15.行走裝置和夾緊裝置16.控制裝置9.2 除冰機器人結(jié)構(gòu)和步驟：此除冰機構(gòu)安裝于除冰機器人前端，在所述除冰機構(gòu)前端設(shè)有冰刀底座，在所述的冰刀底座上安裝有用于在架空線除冰機器人推進過程中進行除冰的組合冰刀。除冰機器人的行走裝置和冰層厚度測量裝置采用國家 863 項目巡線機器人裝置。除冰機器人的夾緊裝置和電磁感應(yīng)耦合電源裝置采用湖南大學(xué)除冰機器人專利。除冰機構(gòu)的除冰步驟：通過電磁感應(yīng)耦合電源裝置 11 獲取電力能源，通過冰層厚度測量裝置 13 測量，無冰時可以給行走和夾緊裝置 15 供電，有冰時可以同時給破冰電機 12 供電。破冰電機 12 將運動傳動到凸輪 10 和除冰滾刀 1，架空導(dǎo)線上方凸輪 10 推動推桿突起 8 在彈簧 6 的作用下往返運動，帶動除冰錐5 進行除冰，由除冰錐 5 的形狀可以在架空導(dǎo)線覆冰層上方鑿出一條冰縫，然后由破冰盾 3 切入冰縫進行除冰；架空導(dǎo)線下方除冰滾刀 1 旋轉(zhuǎn)方向獲得將冰層向下拖拽的切向力，由于滾刀 1 遭遇冰層在破冰錐 5 和破冰盾 3 除冰后，除冰效率而得以提升。9.3 除冰機器人各組裝模塊:26除冰錐電磁感應(yīng)耦合電源裝置（專利申請?zhí)?200810190600.3，湖南大學(xué)）夾緊裝置（專利申請?zhí)?200810043577.X，湖南大學(xué)）27控制裝置（LEGO 機器人控制系統(tǒng)甘辰予 陳勁生）行走裝置和測量裝置（國家“十五”863 計劃資助項目 2005A420006-1）9.4，除冰機器人復(fù)合除冰：通過除冰方法和國內(nèi)外冰方法的研究中，其中微波除冰在道路除冰中有較長的歷史，而且比較成熟，根據(jù)機械除冰不夠徹底，容易引起覆冰再次形成，而微波除冰可以彌補這點，提高除冰效率。微波除冰的原理：冰層基本不吸收微波，所以微波可以穿過冰層，加熱瀝青路面。路面吸收微波，溫度升高，熱量傳遞給冰層，首先融化冰與路面結(jié)合28處的冰層。降低冰層與路面的結(jié)合力：然后，再用機械裝置破碎冰層，便能輕松實現(xiàn)道路快速除冰. 詳細理論可以參照論文《微波除冰國內(nèi)外研究現(xiàn)狀》微波除冰系統(tǒng)框框圖理想除冰機構(gòu)設(shè)計模型29破冰錐破冰盾30結(jié) 論“輸電線路除冰機器人除冰機構(gòu)設(shè)計”介紹了除冰原理，除冰方法，除冰機器人，除冰機構(gòu)，并綜合各功能模塊設(shè)計高效除冰機器人，并在除冰機構(gòu)上進行除冰。通過總結(jié)國內(nèi)的巡線機器人，除冰機器人專利和除冰機構(gòu)專利，在老師的指導(dǎo)開始選擇了復(fù)合式除冰的方法提高除冰的效率，通過對國內(nèi)外近 30種的除冰方式的選擇，選著了調(diào)節(jié)合適的微波和在導(dǎo)線上涂抹吸熱材料，打到高效除冰的方案，并同時設(shè)計了一個機械復(fù)合式的方法除冰。在對覆冰導(dǎo)線帶來的嚴重后果，通過 2008 年的冰災(zāi)讓我們認識到了除冰機器人研制的重要性，希望我的設(shè)計能在輸電線路除冰上面有一份貢獻。在本次設(shè)計中，一方面我自己做了大量的努力；另一方面也得到了各位指導(dǎo)老師的大力幫助，這才使得我的設(shè)計能夠按時完成?？梢钥隙ǖ氖?，本次設(shè)計中由于本人的知識層次及設(shè)計經(jīng)驗不足，難免會有一些不足之處，懇請各位老師批評指正！