CN103595300B - 一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人 - Google Patents

Abstract

一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人，包括两个中心对称于高压导线⑸的可开合驱动瓦⑴，所述驱动瓦⑴包括衬瓦⑶、磁芯⑵、与磁芯⑵相配合的磁芯盖⑹和矩形线圈⑷。其优点是：取代传统的轮轨式驱动方式，从而彻底消除机器人打滑问题；简化了驱动机构，降低了成本、机身重量、能耗及机身尺寸；可提高机器人的移动速度。

Description

一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术和磁场学技术领域，具体的说是一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人。

背景技术

架空高压输电线路作业机器人主要包括巡检机器人、除冰机器人、绝缘子清扫机器人等以及其它智能检测和维护设备。自上世纪八十年代以来，架空高压输电线路作业机器人一直是机器人技术领域的研究热点。美国、日本、加拿大、中国等国家先后开展了架空高压输电线路作业机器人的研究工作。2008年，日本的Debenest等人专为高压多分裂导线研制出了名为“Expliner”的巡检机器人，该机器人采用轮式驱动方式，依赖轮槽与线路之间的静摩擦力推动机器人移动，对轮槽表面的材料要求较高，而且在大坡度情况下，难以保证机器人不打滑，且结构不紧凑，尺寸较大，效率低下。2000年，加拿大魁北克水电研究院的Montambault等人研制了名为HQ Line-ROVer的遥控小车，该小车起初被用于清除电力传输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途的移动平台。为了避免打滑，该机器人采用了压紧轮机构，当机器人爬坡时，压紧力过大，难以避免对线路的损伤。2006年至今，Montambault及Pouliot等人在HQ LineROVer的基础上研制并发展了新一代巡检机器人，取名“LineScout”，其技术比较先进，功能比较齐全，该机器人不仅可以巡检线路，还可以完成导线修补、螺栓紧固等相对简单的线路维护作业。但该机器人采用多悬臂轮式驱动方式，运行缓慢，巡检效率低下。

20世纪90年代末，武汉大学的吴功平教授领导的科研团队率先在国内开展架空高压输电线路巡线机器人的研究，在国家“十五”和“十一五”863计划的资助下，该课题组研制成功了沿高压导线行驶的两种自主巡检机器人：沿220kV导线行驶的自主巡检机器人，以及沿(超)高压多分裂导线行驶的自主巡检机器人，这两种机器人均采用轮臂复合反对称结构和轮式驱动方式，虽然都有一定的越障能力，但机身过重，对系统能源要求较高，因而续航能力有限，且在大坡度线路段存在打滑现象，在两段档之间的无障碍线路段的巡航速度不理想；2010年该团队还与湖南大学合作研发了高压输电线路除冰机器人，由于同样采用轮式驱动方式，在结冰的线路上打滑问题突出，严重影响机器人的作业效率，虽然采用了压紧轮结构以期缓解打滑，但效果不理想，更为严重的情况是，过大的压紧力会使高压导线变形扭曲，冰刀会割伤高压导线。中科院自动化所、山东大学和遵义供电局联合开展了“110kV输电线路自动巡检机器人”的研究，设计了一种三臂悬挂式巡检机器人，该巡检机器人机械机构比较复杂，控制难度大，巡检效率低下。

架空高压输电线路作业机器人的研究已经取得了较大进展，但距离实用化还有很大差距。目前，国内外研究的架空高压输电线路作业机器人均采用轮式驱动方式，这种轮式驱动方式主要存在以下几个方面的问题。第一，轮式驱动方式需依赖行走轮与线路表面的静摩擦力牵引机器人移动，当静摩擦力不足以克服重力用时，容易导致行走轮打滑，尤其在上坡线路段和结冰线路段，打滑现象频繁且严重。打滑不仅严重影响机器人的作业效率，而且容易损坏电线，缩短行走轮的使用寿命，同时，严重打滑会让机器人变得难以控制，甚至无法移动。第二，基于直流电机的轮式驱动方式的效率有一定的局限性，因而实际研发的高压输电线路作业机器人在无障碍线路的巡航速度还无法满足实际需要；第三，基于直流电机的轮式驱动方式，需要配备电机及伺服装置、传动机构以及行走轮，研发成本高，机体重，尺寸大。

磁力直线驱动常见于磁悬浮列车技术领域，目前世界上许多发达国家都在开发、研制高速磁悬列车。1905年有两人分别建议用直线感应电动机作为火车的推进机构，一位是英国的H.Wilson建议把许多初级短段嵌入轨道，在需要时就接上电源；另一位是德国的A.Zehden建议把许多初级装在车上，把片状次级轨条装在轨道上，A.Zehden的想法正是目前一些国家正在进行大规模试验的几种直线电动机的先驱。直线感应电动机是由一个定子(初级)和一个转子(次级)组成，上述的任何一种方式，本质上是利用同级相斥异极相吸的磁学原理，都是基于磁极的磁力驱动方式。磁悬浮列车技术用磁力驱动方式取代了列车传统的轮轨系统，大大提高了列车速度，并消除了有害摩擦和振动噪声，提高了旅行的舒适度。

综上所述，轮式驱动的架空高压输电线路作业机器人存在打滑、效率低下和驱动模块成本高等问题，利用高压电流产生的磁场来实现磁力驱动可解决这些问题，但该类磁场是近似于圆形的环形磁场，无磁极可利用，无法沿用直线电机方式驱动机器人，要利用高压导线周围的磁场实现磁力驱动，必须采用新的方法来实现。本专利技术就是在这样的背景下展开的。

发明内容

本发明主要解决架空高压输电线路作业机器人现有的轮轨式驱动方式带来的打滑问题；提供了一种能彻底消除打滑问题的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人。

本发明还有一个目的是解决架空高压输电线路作业机器人在杆塔之间的无障线路段巡航速度低的问题；提供了一种高效的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人。

本发明再有一目的是解决架空高压输电线路作业机器人现有驱动模块成本高、重量和尺寸大的问题；提供了一种造价低廉、重量轻、体积小的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人。

一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人，包括两个中心对称于高压导线5的可开合驱动瓦1，所述驱动瓦1包括衬瓦3、磁芯2、与磁芯2相配合的磁芯盖6和矩形线圈4；

所述衬瓦3为弱导磁材质，衬瓦3中间开有用于高压导线5穿过的半圆柱形衬瓦瓦槽304；所述衬瓦3包括衬瓦内衬凸台303和衬瓦底盘305，用于支撑磁芯2、磁芯盖6和矩形线圈4，并将磁芯2、磁芯盖6和矩形线圈4与高压导线5隔离开来；衬瓦3还包括衬瓦外导向槽301、槽口通孔302和衬瓦底盘顶面306；

所述磁芯2为强导磁材质，呈薄半圆柱形，磁芯2中间开有半圆柱形瓦槽202，瓦槽202两端处设有用于连接衬瓦3的凸台203；磁芯2外缘开设有磁芯外导向槽201；

磁芯盖6由强导磁材料制成，呈薄半圆柱形，磁芯盖6的磁芯盖瓦槽601与衬瓦内衬凸台303同轴圆柱面配合；

所述矩形线圈4为依次穿过衬瓦3的槽口通孔302、磁芯2的瓦槽202、磁芯2与磁芯盖6相接处的导向孔11、磁芯外导向槽201、衬瓦外导向槽301且沿磁芯2圆周方向循环绕制成横断面矩形的圆弧形螺旋管；矩形线圈4位于磁芯2中的长边为有效长边401，位于衬瓦3中的长边为无效长边402；矩形线圈4外设绝缘层。

所述磁芯2上设有磁芯开槽面205和磁芯非开槽面206，所述磁芯开槽面205上沿磁芯2的径向方向，开有间隔均匀的磁芯内导向槽204，所述磁芯内导向槽204的半径相同，所述磁芯内导向槽204的长度相同；所述磁芯非开槽面206与衬瓦底盘顶面306配合连接；磁芯2通过磁芯开槽面205与磁芯盖开槽面603配合连接。

所述磁芯盖6上设有磁芯盖开槽面603和磁芯盖非开槽面604，所述磁芯盖开槽面603上沿磁芯盖6的径向方向，开有间隔均匀的磁芯盖导向槽602，所述磁芯盖导向槽602的半径相同，所述磁芯盖导向槽602的长度相同。

架空高压输电线路作业磁力驱动机器人可采用级联方式，倍增机器人的驱动力。

本发明架空高压输电线路作业磁力驱动机器人的工作原理如下：

高压导线5中的高压电流7产生磁场(方向向外的磁场用“.”表示，方向向里的磁场用“×”表示)，当两个驱动瓦1以高压导线5为对称中心闭合后，高压导线5两侧的驱动瓦1所处的磁场方向刚好相反；通电矩形线圈4的两侧长边受到方向相反的安培力，由于有效长边401被置于由强导磁材料中，而无效长边402被置于由弱导磁材料制成的衬瓦3中，它们所处的磁场强度不一样，F₁＞＞F₂，因而，在机器人的移动方向上，该线圈受到的合力不为零，这个合力就是牵引机器人移动的驱动力；在高压导线5另一侧的驱动瓦1中，线圈中通以方向相反的电流，由于所处的磁场方向相反，因而，在机器人的移动方向上，该线圈也能提供大小相等方向相同的安培力。高压导线两侧的驱动瓦1受到的安培力一起构成了牵引机器人移动的驱动力。由于两个驱动瓦1中的线圈结构相同且以高压导线5为轴心对称布置，两个线圈的短边403受到的安培力刚好抵消。

本发明架空高压输电线路作业磁力驱动机器人的优点是：

1、取代传统的轮轨式驱动方式，从而彻底消除机器人打滑问题；

2、简化了驱动机构，降低了成本、机身重量、能耗及机身尺寸；

3、可提高机器人的移动速度。

附图说明

图1为磁力驱动装置结构剖视图。

图2为磁力驱动方法实现原理图。

图3为两个驱动瓦打开时的立体图。

图4为两个驱动瓦闭合后的立体图。

图5为磁芯盖立体图。

图6为磁芯立体图。

图7为磁芯盖与磁芯装配俯视图。

图8为衬瓦立体图。

图9为磁芯盖、磁芯和衬瓦装配立体图。

图10为矩形线圈立体图。

图11为驱动瓦装配立体图。

图12为磁芯盖剖视图。

图13为磁芯剖视图。

图14为衬瓦剖视图。

图15为磁力驱动力计算示意图。

图16为架空高压线路上坡路段机器人的受力图。

图中，1为驱动瓦，2为磁芯，201为磁芯外导向槽，202为磁芯瓦槽，203为磁芯凸台，204为磁芯内导向槽，205为磁芯开槽面，206为磁芯非开槽面；3为衬瓦，301为衬瓦外导向槽，302为衬瓦槽口通孔，303为衬瓦内衬凸台，304为衬瓦瓦槽，305为衬瓦底盘，306为衬瓦底盘顶面；4为矩形线圈，401为有效长边，402为无效长边，403为短边；5为高压导线，6为磁芯盖，601为磁芯盖瓦槽，602为磁芯盖导向槽，603为磁芯盖开槽面，604为磁芯盖非开槽面；7为高压电流，11为导向孔。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

参见图1、图2、图3和图4，架空高压输电线路作业机器人的磁力驱动方法，利用高压电流产生的磁场对通电导线的安培力驱动机器人移动；包括两个结构相同、可以开合的、高压导线5可穿过其中的驱动瓦1，所述驱动瓦1由磁芯2、磁芯盖6、衬瓦3和矩形线圈4组成。

参见图5和图12，磁芯盖6由强导磁材料制成，呈薄半圆柱形，半径为100mm，以该半圆柱形的轴线为中心，开有半径为40mm的磁芯盖瓦槽601，磁芯盖6通过磁芯盖瓦槽601与衬瓦内衬凸台303同轴圆柱面配合。在磁芯盖开槽面603，在160°范围内，沿磁芯盖6的径向方向，开有间隔均匀、半径为2mm、长度为55mm的29个磁芯盖导向槽602。

参加图6和图13，磁芯2也由强导磁材料制成，呈薄圆柱形，半径为100mm，以该半圆柱形的轴线为中心，开有半径为45mm的磁芯瓦槽202，磁芯凸台203内侧表面为半径是40mm的圆柱面。磁芯2与衬瓦内衬凸台303同轴圆柱面配合后，在磁芯瓦槽202与衬瓦内衬凸台303之间形成与衬瓦槽口通孔303贯通的通孔，便于矩形线圈短边403穿过。与磁芯盖导向槽602向对应，在与磁性盖6配合的底面上，在160°范围内，沿磁芯2的径向方向，开有间隔均匀、半径为2mm、长度为55mm的29个磁芯内导向槽204。参加图7，磁芯盖6与磁芯2配合后，在二者之间形成半径为2mm的导向孔11，便于矩形线圈有效长边401穿过。与磁芯内导向槽相对应，在磁芯外圆柱面上，开有29个磁芯外导向槽201，便于矩形线圈短边403通过。

参见图8和图14，衬瓦3由弱导磁材料制成，由衬瓦底盘305和衬瓦内衬凸台303连接而成。衬瓦底盘305呈薄半圆形形，半径为100mm，与磁芯外导向槽201对应，在衬瓦底盘305的外圆柱面上，开有29个衬瓦外导向槽301，便于矩形线圈短边403穿过。衬瓦槽口通孔302便于矩形线圈短边403穿过。

参见图10，矩形线圈4的导线直径为4mm，由具有较好导电性能的软铁材料制成，表面涂上绝缘漆。

驱动瓦1的装配过程：首先将衬瓦3与磁芯2装配在一起，磁芯2的非开槽面与衬瓦底盘顶面306配合，保证磁芯外导向槽201与衬瓦外导向槽301一一对应，线圈导线依次穿过衬瓦槽口通孔302、磁芯瓦槽202、磁芯内导向槽204、磁芯外导向槽201、衬瓦外导向槽301，如此循环缠绕而形成矩形线圈4。矩形线圈4的螺旋变向在衬瓦槽口通孔302和磁芯瓦槽202处完成。矩形线圈4将磁芯2与衬瓦3绑定在一起，最后盖上磁芯盖6，磁芯盖6的磁芯盖导向槽602与磁芯内导向槽204一一对应配合，这样，矩形线圈的有效长边401就被置于强导磁环境中，无效长边402就被置于弱导磁环境中，参见图11。

在该实施例中，驱动瓦1所能提供的驱动力大小计算如下：

参见图15，取高压电流I₀＝1000A(实际高压电流可达到3000A)，矩形线圈4中的电流I＝10A。高压导线周围的磁场近似于圆形磁场，由于矩形线圈的有效长边401沿径向布置，所以，磁场总是垂直于矩形线圈的有效长边401，因此，矩形线圈的有效长边401受到的牵引力为：

式(1)中，取u＝1000u₀(u为磁芯盖和磁芯的磁导率，真空磁导率u₀＝4π×10^-7)，参见图12、图13和图14，有a＝0.045m，d＝0.055m。

磁力驱动装置工作时，两驱动瓦闭合，则两个驱动瓦提供的磁力驱动力：

因此，在该实施例中，本装置可以提供92.8N的牵引力。考虑到在高压线路的上坡路段机器人需要更大的牵引力，参见图16，取线路坡度β＝45°(实际线路很少达到如此大的坡度)，根据(2)计算结果，92.8N的牵引力可以驱动的机器人的重量为(忽略摩擦力)：

G＝92.8/sin45°≈131N(约13.4公斤)  (3)

本发明具有很好的扩展性，将上述磁力驱动装置进行级联，则可倍增机器人的驱动力。

本发明的磁力驱动方法，由机器人系统电源以电流源的方式为矩形线圈4提供电流，借助机器人自带的传感器控制矩形线圈4的电流，从而控制机器人的移动方向和移动速度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了驱动瓦1、磁芯2、磁芯外导向槽201、磁芯内导向槽204、磁芯凸台203、磁芯瓦槽202、磁芯开槽面205、磁芯非开槽面206、衬瓦3、衬瓦外导向槽301、衬瓦槽口通孔302、衬瓦内衬凸台303、衬瓦瓦槽304、衬瓦底盘305、衬瓦底盘顶面306、矩形线圈4、矩形线圈有效长边401、矩形线圈无效长边402、矩形线圈短边403、磁芯盖6、磁芯盖瓦槽601、磁芯盖导向槽602、磁芯盖开槽面603、磁芯盖非开槽面604、高压导线5、高压电流7、导向孔11等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人，其特征在于：包括两个中心对称于高压导线⑸的可开合驱动瓦⑴，所述驱动瓦⑴包括衬瓦⑶、磁芯⑵、与磁芯⑵相配合的磁芯盖⑹和矩形线圈⑷；

所述衬瓦⑶为弱导磁材质，衬瓦⑶中间开有用于高压导线⑸穿过的半圆柱形衬瓦瓦槽(304)；所述衬瓦⑶包括衬瓦内衬凸台(303)和衬瓦底盘(305)，用于支撑磁芯⑵、磁芯盖⑹和矩形线圈⑷，并将磁芯⑵、磁芯盖⑹和矩形线圈⑷与高压导线⑸隔离开来；衬瓦⑶还包括衬瓦外导向槽(301)、槽口通孔(302)和衬瓦底盘顶面(306)；

所述磁芯⑵为强导磁材质，呈薄半圆柱形，磁芯⑵中间开有半圆柱形瓦槽(202)，瓦槽(202)两端处设有用于连接衬瓦⑶的凸台(203)；磁芯⑵外缘开设有磁芯外导向槽(201)；

磁芯盖⑹由强导磁材料制成，呈薄半圆柱形，磁芯盖⑹的磁芯盖瓦槽(601)与衬瓦内衬凸台(303)同轴圆柱面配合；

所述矩形线圈⑷为依次穿过衬瓦⑶的槽口通孔(302)、磁芯⑵的瓦槽(202)、磁芯⑵与磁芯盖⑹相接处的导向孔⑾、磁芯外导向槽(201)、衬瓦外导向槽(301)且沿磁芯⑵圆周方向循环绕制成横断面矩形的圆弧形螺旋管；矩形线圈⑷位于磁芯⑵中的长边为有效长边(401)，位于衬瓦⑶中的长边为无效长边(402)；矩形线圈⑷外设绝缘层。

2.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人，其特征在于：所述磁芯⑵上设有磁芯开槽面(205)和磁芯非开槽面(206)，所述磁芯开槽面(205)上沿磁芯⑵的径向方向，开有间隔均匀的磁芯内导向槽(204)，所述磁芯内导向槽(204)的半径相同，所述磁芯内导向槽(204)的长度相同；所述磁芯非开槽面(206)与衬瓦底盘顶面(306)配合连接；磁芯⑵通过磁芯开槽面(205)与磁芯盖开槽面(603)配合连接。

3.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人，其特征在于：所述磁芯盖⑹上设有磁芯盖开槽面(603)和磁芯盖非开槽面(604)，所述磁芯盖开槽面(603)上沿磁芯盖⑹的径向方向，开有间隔均匀的磁芯盖导向槽(602)，所述磁芯盖导向槽(602)的半径相同，所述磁芯盖导向槽(602)的长度相同。

4.如权利要求1所述的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人，其特征在于：架空高压输电线路作业磁力驱动机器人可采用级联方式，倍增机器人的驱动力。