CN106992654B - 架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，包括磁芯和导线；所述的磁芯以高压导线为轴线、由可开合的上磁芯和下磁芯闭合组成；磁芯和下磁芯均由导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块交替连接构成，且整个磁芯中导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块也是交替连接；所述的导线为U型导线，包括一条长边和两条短边，采用U型导线将磁芯中所有导磁导电软磁块顺次连接。本发明对导磁导电软磁块通有电流，导磁导电软磁块在高压电流周围的磁场产生的安培力可驱动机器人。本发明装置制作简单，可彻底避免打滑和漏磁。

Description

架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置

技术领域

本发明涉及机器人技术和电磁场学领域，尤其涉及一种架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置。

背景技术

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。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。2014年湖北工业大学设计的一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人方法实现机器人靠高压线周围的磁场产生安培力驱动机器人行走，该方法在原理与技术上是可行的，但采用的结合工艺存在缺陷，打孔穿线的结合存在漏磁，当漏磁严重时机器人所获得的安培力将成百倍的下降，导致安培力难以克服驱动机器人的重力和摩擦力。

架空高压输电线路作业机器人的研究已取得了较大进展，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，而一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人方法在加工及结合工艺上易发生漏磁，所获得的安培力大小不理想，利用高压电流产生的磁场，并改变原有的打孔穿线工艺来实现磁力驱动才能解决以上问题，要利用高压导线周围的磁场实现磁力驱动，且避免发生漏磁，必须采用新的方法来实现。本发明就是在这样的背景下展开的。

发明内容

本发明的目的是提供一种可避免打滑、漏磁，且制作简单的架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，该装置利用通有电流的导磁导电软磁材料在高压输电线周围的环形磁场产生的安培力，作为机器人的磁力驱动力。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，包括磁芯和导线；

所述的磁芯以高压导线为轴线、由可开合的上磁芯和下磁芯闭合组成；上磁芯和下磁芯均由导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块交替连接构成，且整个磁芯中导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块也是交替连接；

所述的导线为U型导线，包括一条长边和两条短边，采用U型导线将磁芯中所有导磁导电软磁块顺次连接，具体为：

设磁芯中导磁导电软磁块数量为n，将导磁导电软磁块顺次记为导磁导电软磁块1、导磁导电软磁块2、……导磁导电软磁块n；采用(n-1)个U型导线，U型导线卡于磁芯上，且第i个U型导线一短边的端头连接导磁导电软磁块i的外侧，另一短边的端头连接导磁导电软磁块(i+1)的内侧，i依次取1、2、…(n-1)。

进一步的，导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块均呈扇环状。

进一步的，导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块各自直边延长线的交点落于高压导线上。

进一步的，第i个U型导线一短边的端头连接导磁导电软磁块i的外侧中心处，另一短边的端头连接导磁导电软磁块(i+1)的内侧中心处，i依次取1、2、…(n-1)。

本发明磁力驱动装置的工作原理如下：

见图1～2，上磁芯2和下磁芯3闭合，利用导线6将磁芯中所有导磁导电软磁块4顺次连接，形成一条通路，此时导磁不导电软磁块5在磁芯中充当电绝缘体将导磁导电软磁块4隔开。导线6的长边601和短边602均置于空气中，上磁芯2和下磁芯3的内、外径与高压导线1同心，且导磁导电软磁块4与导磁不导电软磁块5的两边交点落在高压导线1轴线上。当导线6通电时，电子将从导磁导电软磁块4的外端向下一导磁导电软磁块4的内端运动，此时导磁导电软磁块4可看作充当通电导线。导磁导电软磁块4在高压导线1周围的磁场8中受到安培力的作用，并与导线6的长边601受的安培力做差，即巡检机器人的磁力驱动力。

本发明由机器人系统电源以电流源的方式给导磁导电软磁块提供电流，借助机器人自带的传感器控制导线的电流大小及方向，从而控制机器人的移动方向和移动速度。与2014年湖北工业大学设计的一种架空高压输电线路作业磁力驱动机器人方法相比，该方法不采用磁芯打孔穿线方式，避免了线圈与磁芯导向孔间隙配合带来的漏磁严重问题。

本发明优点如下：

(1)磁力驱动方法是利用高压线周围的磁场，使通有电流的导磁导电软磁块受安培力作用，从而驱动机器人运动，打破了由轮臂式驱动的传统方法，并彻底消除了轮臂式驱动带来的打滑问题。

(2)利用对导磁导电软磁块通电的方法，有效的避免了由多电机带来的机器人体型笨重及体型庞大等问题。

(3)可有效提高机器人的巡检效率。

(4)与现有的磁极式驱动原理不同，本发明利用高压线周围磁场对通电导磁导电软磁材料产生安培力驱动机器人，同时可以通过控制电流的输入大小及方向使机器人运动加速或刹车，设计新颖。

(5)与目前现有的架空高压输电线路作业磁力驱动机器人方法相比，本发明避免了线圈与磁芯导向孔间隙配合带来的漏磁严重问题。

(6)本发明实施简便，体积小，重量轻，造价低廉。

附图说明

图1为本发明磁力驱动装置的原理图；

图2为本发明磁力驱动装置的主视图；

图3为本发明磁力驱动装置磁芯的闭合左视图；

图4为本发明磁力驱动装置磁芯的打开立体视图；

图5为本发明磁力驱动装置上磁芯的立体视图；

图6为本发明磁力驱动装置下磁芯的立体视图；

图7为实施例中磁芯的尺寸示意图；

图8为架空高压线路上坡路段机器人的受力图。

图中，1-高压导线，2-上磁芯，3-下磁芯，4-导磁导电软磁块，5-导磁不导电软磁块，6-导线，601-长边，602-短边，8-磁场，9-高压导线电流。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明技术方案作进一步具体的说明。

参见图1～6，本发明装置中，通有电流的导磁导电软磁块4利用高压电流周围的磁场产生的安培力作为机器人的驱动力，驱动机器人在高压线路上行走。本发明磁力驱动装置包括驱动体，所述的驱动体包括磁芯和导线6，磁芯又由两个结构相同的上磁芯2和下磁芯3闭合组成，上磁芯2和下磁芯3以高压导线1作为轴线实现开合。上磁芯2和下磁芯3均由导磁导电软磁块4和导磁不导电软磁块5交替连接而成，且上磁芯2和下磁芯3结合面处的材料互不相同，即整个磁芯中导磁导电软磁块4和导磁不导电软磁块5交替连接，这样可强化高压电流产生的磁场。本发明中，导磁导电软磁块4和导磁不导电软磁块5均呈扇环状，导磁导电软磁块4和导磁不导电软磁块5各自直边延长线的交点落于高压导线1上。

利用导线6将各导磁导电软磁块4顺次连接，导线6具体为U型导线，包括一条长边601和两条短边602，短边602为无效边，U型导线置于空气中。各U型导线一短边的端头连接一导磁导电软磁块外侧，另一短边的端头连接下一导磁导电软磁块的内侧，这样即实现了所有导磁导电软磁块4的顺次连接。导磁不导电软磁块5充当绝缘体将导磁导电软磁块4隔开，使导磁导电软磁块4在通有电流的条件下受安培力作用。机器人驱动力即导磁导电软磁块4与长边601所受的安培力之差。具体实施时，U型导线一短边的端头连接一导磁导电软磁块的外侧面中心处，另一短边的端头接触下一导磁导电软磁块的内侧面中心处。这样，电子将从导磁导电软磁块4的外侧面中心处流向下一导磁导电软磁块的内侧面中心处，即实现最短路径运动。

参见图7，磁芯的内半径R₁受高压导线外径及支撑轮尺寸约束，本实施例中，磁芯内半径R₁为48mm。磁芯外半径R₂根据磁芯受力情况与所受安培力大小优化得到一个取值范围，本实施例中，磁芯外半径R₂为92mm。

本发明磁力驱动装置中，可采用级联方式或增加导磁导电软磁块数量，达到倍增磁力驱动的目的。

本实施例中，上磁芯2和下磁芯3提供的磁力驱动力计算如下：

取高压电流I₀＝1000A(实际高压电流可达到3000A)，导线6中电流I₁＝10A。高压导线周围的磁场近似于圆形磁场，给导线6通电时，电流经过导磁导电软磁块4，此时每块导磁导电软磁块4可视为一根载流导线，所受安培力F₀为：

式(1)中，μ_r＝1000μ₀，μ_r为磁芯盖和磁芯的磁导率；真空磁导率μ₀＝4π×10^-7。

假设磁芯中导磁导电软磁块4的总数为60，则可视为60根载流导线，所受的安培力F₁为：

导线6的长边601是置于空气中，则60根导线6的长边601所受的安培力F₂为：

导线6的短边602所受力可忽略不计。

参见图1，机器人的磁力驱动力为导磁导电软磁块4与长边601所受的安培力之差，即机器人磁力驱动力F为：

F＝F₁-F₂≈78N (4)

因此，本实施例中可提供78N的牵引力。

考虑到高压线路上坡路段机器人需要更大的牵引力，参见图8，取线路坡度γ＝45°，实际线路很少达到如此大的坡度。根据式(4)计算结果，在忽略摩擦力的前提下，78N的磁力驱动力可以驱动的机器人的重量G为：

即可驱动约11.2公斤的机器人。

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。

尽管本文较多地使用了上磁芯2、下磁芯3、导磁导电软磁块4、导磁不导电软磁块5、导线6、长边601、短边602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.架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，其特征是，包括磁芯和导线；

所述的磁芯以高压导线为轴线、由可开合的上磁芯和下磁芯闭合组成；上磁芯和下磁芯均由导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块交替连接构成，且整个磁芯中导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块也是交替连接；

所述的导线为U型导线，包括一条长边和两条短边，采用U型导线将磁芯中所有导磁导电软磁块顺次连接，具体为：

设磁芯中导磁导电软磁块数量为n，将导磁导电软磁块顺次记为导磁导电软磁块1、导磁导电软磁块2、……导磁导电软磁块n；采用(n-1)个U型导线，U型导线卡于磁芯上，且第i个U型导线一短边的端头连接导磁导电软磁块i的外侧，另一短边的端头连接导磁导电软磁块(i+1)的内侧，i依次取1、2、…(n-1)。

2.如权利要求1所述的架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，其特征是：

所述的导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块均呈扇环状。

3.如权利要求2所述的架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，其特征是：

导磁导电软磁块和导磁不导电软磁块各自直边延长线的交点落于高压导线上。

4.如权利要求1所述的架空高压输电线路巡检机器人的磁力驱动装置，其特征是：

第i个U型导线一短边的端头连接导磁导电软磁块i的外侧面中心处，另一短边的端头连接导磁导电软磁块(i+1)的内测面中心处，i依次取1、2、…(n-1)。