CN107040119A - 一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置及驱动方法，利用高压电流产生的磁场对通电磁芯的径向电流产生的安培力使机器人得以移动；机器人由两个中心对称于高压线(1)的可开合的上磁芯内保护套(2)、上通电磁芯（3）、上磁芯外保护套(4)、下磁芯内保护套(5)、下通电磁芯（6）、下磁芯外保护套(7)组成。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；极大改善了现有的磁力驱动专利方法因导线与磁芯有间隙而漏磁导致机器人受到的磁力驱动力比理论磁力驱动力小。

Description

一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置及 驱动方法

技术领域

本发明涉及机器人技术和磁场学领域，尤其是涉及高压输电线路作业机器人的磁力驱动方法。

背景技术

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，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。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。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。

自20世纪80年代末，采用移动机器人对高压线路进行巡检已成为国内外机器人领域的研究热点。加拿大魁北克水电公司和日本关西电力公司(KEPCO)与日本电力系统公司(JPS)是国外研究高压线路巡检机器人的典型代表，前者研制出了名为“LineScout”巡检机器人，后者专为多分裂导线研制出了巡检机器人“Expliner”。国内巡检机器人的研究也取得了突破性进展，如武汉大学吴功平教授带领的研究团队已研制出了分别适应220kV单分裂线路和220-550kV多分裂线路的两种自主巡检机器人机型。国内外研究的高压巡检机器人大都采用轮臂式结构，依靠驱动轮与线路表面之间静摩擦力牵引机器人移动，当线路表面情况复杂时(如覆冰)，静摩擦力不足以克服重力而导致打滑。打滑会严重影响机器人的巡检效率，加重机器人的能源负担，损坏输电线路，打滑严重时，机器人变得难以控制。

架空高压输电线路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在无障碍线路多采用轮轨方式牵引机器人移动，这种方式主要存在以下几个方面的问题。第一，轮轨系统中，驱动轮必须与线路接触，因而摩擦影响不可避免，摩擦不仅损坏高压导线，而且会缩短行走轮的使用寿命；第二，轮轨式移动方式受到线路表面粘着条件的限制，容易发生打滑；第三，轮轨系统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；第四，轮轨系统的振动会增大架空高压导线的有害动载荷。

磁力驱动技术早在20世纪30年代就已经被人们所提出,但是由于当时对这门技术尚缺乏足够的认识,而且也受到永磁材料发展局限性的制约，因此在这一时期内虽然对这一技术进行过很多的实验研究，但最终未取得较大进展。20世纪50年代一些科学技术工作者又提出对这一技术的重新探讨、研究和研制，虽有一些进步，但由于条件的限制，其结果基本与以往一样。20世纪70年代起随着现代工业的进步和发展,工业生产日益重视对新技术的吸收和对环境的保护，西方发达国家还相继制订定了严格的环境保护和产品可靠性等法规，促进了新技术、新产品的开发和利用。磁力驱动技术在这一时期又被一些科技工作者重视和关注。从而引起了进一步的深入研究，因此有了很大的发展和工业的逐步应用。

专利号为201310595442.0，专利名称为一种高压输电线路作业磁力驱动机器人，通过电磁力驱动机器人能消除打滑的问题，由于加工困难，矩形线圈与磁芯易产生间隙导致漏磁，导致高压线产生的磁场强度在矩形线圈处很小，最终导致矩形线圈所受的磁力驱动力很小。在此基础上，本文专利通过直接给磁芯通电，使其磁芯产生径向的电流，径向电流在高压线产生的磁场中受到沿着高压线方向的安培力，驱动机器人向前移动。

发明内容

本发明主要解决高压直流输电线路巡检机器人的打滑、巡线效率低下的问题；提供了一种能彻底消除打滑、巡线效率低下等问题的磁力驱动装置；极大改善了现有的磁力驱动专利方法因导线与磁芯有间隙而漏磁导致机器人受到的磁力驱动力比理论磁力驱动力小。

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和磁力驱动机器人漏磁等问题，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。

本发明主要是通过下述方案解决上述的技术问题的：

一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置，其特征在于，该磁力驱动装置设置在机器人本体上，利用高压电流产生的磁场对通电磁芯的径向电流产生的安培力使机器人得以移动；包括中心对称于高压线的上磁芯内保护套和下磁芯内保护套；中心对称于高压线的上磁芯外保护套和下磁芯外保护套，上磁芯内保护套和下磁芯内保护套的一端铰接且能开合从而组成一个筒状内保护套，高压线位于筒状内保护套内；上磁芯外保护套和下磁芯外保护套一端铰接且能开合从而组成一个筒状外保护套；筒状内保护套设置在筒状外保护套内且与筒状外保护套同圆心，上磁芯内保护套和上磁芯外保护套之间形成的半圆环空间内设有上通电磁芯，下磁芯内保护套和下磁芯外保护套之间形成的半圆环空间内设有下通电磁芯。

在上述的一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置，上通电磁芯和下通电磁芯呈半圆管状，采用导电强导磁材料制成，用于强化高压线产生的磁场，通电磁芯产生径向电流，使其受到沿着高压线方向的驱动力，提供机器人向前移动。

在上述的一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置，保护套呈半圆管状，采用绝缘材料制成，保护磁芯材料。

一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动方法，其特征在于，包括：

机器人闭合，上通电磁芯、下通电磁芯对称布置于水平位置的高压导线上下两侧，上通电磁芯、下通电磁芯上有方向相反的径向电流I₁，高压线中的高压电流I₀产生磁场B，上通电磁芯与下通电磁芯所处的磁场方向刚好相反。上通电磁芯上的径向电流I₁受到安培力F，同理，下通电磁芯上的径向电流受到安培力F。则上通电磁芯和下通电磁芯的径向电流受到的合力安培力驱动机器人向前移动.

在上述的一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动方法，每一条磁芯径向电流受到在高压线产生的磁场环境中受到的安培力的大小为：

式中：R₁、R₂分别为磁芯装置的内径、外径；I₀为高压线电流；I₁为磁芯的径向电流；u_r为相对磁导率。

定义有n个相同的电压的电源给磁芯通电，则磁芯中有n条径向电流，则磁芯受到的合力安培力的大小为：

本发明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；极大改善了现有的磁力驱动专利方法因导线与磁芯有间隙而漏磁导致机器人受到的磁力驱动力比理论磁力驱动力小

附图说明

图1为导磁导电材料磁力驱动方法示意图。

图2为导磁导电材料的磁力驱动方法工作原理图。

图3为驱动机器人上坡受力示意图。

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：机器人由两个中心对称于高压线1的可开合的上磁芯内保护套2、上通电磁芯3、上磁芯外保护套4、下磁芯内保护套5、下通电磁芯6、下磁芯外保护套7组成。

实施例：

参见图1：基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动方法，其特征在于，利用高压电流产生的磁场对通电磁芯的径向电流产生的安培力使机器人得以移动；机器人由两个中心对称于高压导线1的可开合的上磁芯内保护套2、上通电磁芯3、上磁芯外保护套4、下磁芯内保护套5、下通电磁芯6、下磁芯外保护套7组成。

在该实施例中，基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动方法提供的驱动力的大小计算如下：

根据直流电流周围产生方向确定的磁场这一特性，通电磁芯产生径向电流，使其受到沿着高压线方向的驱动力，提供机器人向前移动。

每一条磁芯径向电流受到在高压线产生的磁场环境中受到的安培力的大小为：

式中：R₁、R₂分别为磁芯装置的内径、外径；I₀为高压线电流；I₁为磁芯的径向电流；u_r为相对磁导率。

假设有n个相同的电压的电源给磁芯通电，则磁芯中有n条径向电流，则磁芯受到的合力安培力的大小为：

空气对磁导率u₀＝4π×10^-7H/m，取相对磁导率u_r＝1000，取n为30，高压线电流I₀取1000A，磁芯径向电流I₁为10A，磁芯内径R₁为45mm,磁芯外径R₃为100mm。

将以上参数代入公式(1)，得磁力驱动装置总推进力F：

F≈150.5N (2)

因此，在该实施例中，本磁力驱动方法可以提供150.5的推力。考虑到在高压线路的上坡路段机器人需要更大的推力，参见图3，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，140.9N的推力可以驱动的机器人的重量为(忽略摩擦力):

G＝F/sinβ＝212.9N. (3)

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上磁芯内保护套2、上通电磁芯3、上磁芯外保护套4、下磁芯内保护套5、下通电磁芯6、下磁芯外保护套7 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 (5)

1.一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置，其特征在于，该磁力驱动装置设置在机器人本体上，利用高压电流产生的磁场对通电磁芯的径向电流产生的安培力使机器人得以移动；包括中心对称于高压线(1)的上磁芯内保护套(2)和下磁芯内保护套(5)；中心对称于高压线(1)的上磁芯外保护套(4)和下磁芯外保护套(7)，上磁芯内保护套(2)和下磁芯内保护套(5)的一端铰接且能开合从而组成一个筒状内保护套，高压线(1)位于筒状内保护套内；上磁芯外保护套(4)和下磁芯外保护套(7)一端铰接且能开合从而组成一个筒状外保护套；筒状内保护套设置在筒状外保护套内且与筒状外保护套同圆心，上磁芯内保护套(2)和上磁芯外保护套(4)之间形成的半圆环空间内设有上通电磁芯(3)，下磁芯内保护套(5)和下磁芯外保护套(7)之间形成的半圆环空间内设有下通电磁芯(6)。

2.根据权利要求1所述的一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置，其特征在于，上通电磁芯(3)和下通电磁芯(6)呈半圆管状，采用导电强导磁材料制成，用于强化高压线产生的磁场，通电磁芯产生径向电流，使其受到沿着高压线方向的驱动力，提供机器人向前移动。

3.根据权利要求1所述的一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动装置，其特征在于，保护套呈半圆管状，采用绝缘材料制成，保护磁芯材料。

4.一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动方法，其特征在于，包括：

机器人闭合，上通电磁芯、下通电磁芯对称布置于水平位置的高压导线(1)上下两侧，上通电磁芯、下通电磁芯上有方向相反的径向电流I₁，高压线(1)中的高压电流I₀产生磁场B，上通电磁芯与下通电磁芯所处的磁场方向刚好相反；上通电磁芯上的径向电流I₁受到安培力F，同理，下通电磁芯(4)上的径向电流受到安培力F；则上通电磁芯和下通电磁芯的径向电流受到的合力安培力驱动机器人向前移动。

5.根据权利要求4所述的一种基于导磁导电材料的高压巡检机器人的磁力驱动方法，其特征在于，每一条磁芯径向电流受到在高压线产生的磁场环境中受到的安培力的大小为：

式中：R₁、R₂分别为磁芯装置的内径、外径；I₀为高压线电流；I₁为磁芯的径向电流；u_r为相对磁导率；

定义有n个相同的电压的电源给磁芯通电，则磁芯中有n条径向电流，则磁芯受到的合力安培力的大小为：