巡检机器人行走与安全保护机构设计

纪德恒+王峰

摘 要：输电线路巡检机器人在高压输电线路的巡检工作中发挥着非常重要的作用，在减轻工人劳动强度的同时，也大大提高了巡检效率。文章针对巡检机器人在工作过程的行走与越障制动保护功能需求，设计出一种新型的行走安全保护机构，并通过样机试验证明了该机构的实际性能。

关键词：巡检机器人；输电线路巡检；行走越障；行走保护机构

引言

为保证高压输电线路安全稳定运行，需要定期对高压输电线路进行巡检。长期以来，普遍采用的是人工带电作业的方式，极易发生人身伤亡事故。因此，如何使线路巡检作业更加安全、效率更高，已经成为该领域的研究热点之一，近年来，世界各国都开展了对输电线路巡检机器人的广泛研究并取得了丰硕成果。

机器人行走机构是巡检机器人的重要组成部分，如何改进行走机构，让机器人更加安全有效的完成线上作业，是众多学者研究的热点课题之一，本文从行走机构的功能要求出发，展开对新型的行走安全保护机构的研究。

1 行走与安全保护机构功能要求

巡检机器人的主要工作包括沿输电线路巡检并跨越各种线上障碍，机器人在工作时，要具备以下功能：

（1）正常行驶功能。行走轮可以有效的包络在输电线路上，轮子与输电线之间有足够的摩擦力可以保证机器人正常行驶。

（2）安全保护功能。在跨越障碍或者停车作业时，安全保护机构拥有合适的夹持力，既能保证机器人不会产生与输电导线的相对滑动，而且还不会对线路造成损伤。

（3）机械结构合理。整个机械结构应该拥有足够的强度，并且还应该具有结构紧凑，质量轻等优点。

基于以上的功能要求以及巡检机器人越障特点，在分析了传统的悬臂梁式轮式行走、蜗轮蜗杆夹紧或翻转式轮式行走安全保护机构缺点的基础上[1-2]，设计了侧边对开剖分轮式行走与安全保护机构，以满足机器人在高压输电线路上的工作要求。

2 行走与安全保护机构设计

如图1所示，巡检机器人行走安全保护机构，主要分为由行走轮（1）、支撑架（2）、同步带轮（3）、驱动电机（4）组成的行走机构；由底座（5）、开合丝杠（6）、直线导轨1（7）、丝杠螺母座（8）、开合电机（9）组成的开合机构；由夹紧轮（10）、夹紧轮座（11）、夹紧丝杠（12）、直线导轨2（13）和夹紧电机（14）组成的安全保护机构；由位置传感器（15）、触板（16）、传感器安装架（17）组成的传感器感应机构这四个功能模块组成。

2.1 行走机构设计

行走机构由减速电机、同步带轮和行走轮组成。行走轮设计成侧边对开剖分式结构，由驱动大半轮和辅助小半轮组成，两个半轮子接合面采用锥形设计，保证两半轮的有效闭合。行走轮的外表面包覆聚氨酯材料增大摩擦系数，同时，根据线路的外形，将行走轮设计成U形凹槽结构，增大与高压线的接触面积和摩擦系数，防止打滑，使行走更加平稳。

2.2 开合机构设计

开合机构的主要作用是保证行走轮顺利开合完成越障任务[3]。主要由直线导轨、滑块、左右旋变螺距变行程丝杠、开合电机等组成。开合电机带动丝杠转动，丝杠螺母带动滑块完成水平开合运动，同时，丝杠采用左右旋的形式，可以实现驱动大半轮与辅助小半轮对向同步移动。从而完成整个行走轮的开合过程，辅助跨越各种障碍。

2.3 安全保护机构设计

巡检机器人在跨越障碍、检测到故障时，需要刹车停止，在爬坡前进过程中，需要安全保护机构顶紧输电导线，保证行走轮与电线之间具有足够的摩擦力，防止在爬坡时产生打滑或脱线现象。为此，在满足功能的基础上，设计了一套结构简单，质量轻巧的安全保护机构。

安全保护机构同样利用了丝杠传动的原理，两个夹紧轮固定于夹紧轮座，呈前后布置。夹紧轮座在夹紧电机作用下，通过夹紧丝杠与直线导轨转化为直线上升与下降，完成刹车制动或者夹紧输电线的功能。

2.4 传感器感应机构设计

传感器感应机构为附属机构，主要功能是为了满足巡检机器人的控制需求，机器人在巡检过程中，利用传感器识别前方障碍，完成自动巡检工作。传感器安装架固定于底座上，传感器安装架上部反对称布置两个位置传感器，传感器顶端搭放一块触板，触板固定于传感器安装架上。

3 样机试验

为了验证该行走与安全保护机构的性能，对装置进行了样机加工并在实验室搭建了模拟线路，并设置了引流线、悬垂线夹、防震锤等障碍。试验的主要测试内容包括：（1）行走轮能否正常开合；（2）行走机构能否正常行走；（3）安全保护机构是否夹持力足够，保证机器人能够顺利越障。图2展示了样机以及机器人线上试验情况。

对三项测试内容分别进行多次试验，并统计测试成功率分别为：（1）开合功能正常，成功率100%；（2）行走功能正常，成功率100%；（3）越障功能效果一般，成功率60%。

对试验成功率进行分析可知，该行走安全保护机构轮子开合与行走功能效果理想，但在机器人上线后，由于机器人本体质量过大，轮子接合面依然存在微小的闭合间隙；机器人行走速度相对较快，停车时有较大的惯性冲击；跨越障碍时，安全保护机构虽然能够提供足够大的夹持力，能保证机器人不会产生滑动，但由于试验线路存在一定的柔性，加上机器人本体质量过大，越障效果不明显。综上说明，虽然试验结果存在一定偶然性且存在一定缺陷，但各项功能均能完成，证明了该机构能够满足设计基本要求。

4 结束语

本文通过分析巡检机器人的工作功能需求，设计了一种用于巡检机器人的侧边对开剖分轮式行走与安全保护机构，并研制出了样机与机器人平台，进行了模拟线路功能试验。结果表明，搭载该机构的机器人能够有效的完成行走动作，但越障成功率較低，还需要后期进一步的优化。

参考文献

[1] 朱兴龙.基于质心调节的巡检机器人机械系统研究[D].沈阳：中国科学院沈阳自动化研究所博士后研究报告，2006，7.

[2] 杨凤臣，吴白羽，于辉.高压线巡检机器人夹抓机构的设计与分析[J].机械制造，2012，08：27-29.

[3]孔志增.输电线路巡检机器人系统及控制软件研究[D].河北：华北电力大学，2008.

作者简介：纪德恒（1991-），男，山东德州人，山东科技大学硕士生，主要从事智能机械设计等方面研究。