CN108649515A - 一种高压电线的越障除冰装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高压电线的越障除冰装置及方法，包括悬垂工作台，悬垂工作台上设置有工作台悬挂单元、前臂升降单元和后臂升降单元，前臂升降单元和后臂升降单元以悬垂工作台的竖向轴线为中心对称布置；其中，前臂升降单元控制连接有前臂；后臂升降单元控制连接有后臂；前臂、后臂和工作台悬挂单元均悬挂在高压电线上；本结构能够在结有冰柱的电线上实现可靠悬挂的同时，提供沿电线行走的动力，不容易打滑，而且悬挂单元和行走单元相互独立工作互不干扰。

Description

一种高压电线的越障除冰装置及方法

技术领域

本发明涉及高压电线除冰技术领域，具体涉及一种高压电线的越障除冰装置及方法。

背景技术

电力输送的安全稳定是维系国民生产生活的重要保障。我国具有广阔的高压电力输送网络，每到冬季，高压电线的结冰问题都会对电力输送产生一定的威胁，高压电线的除冰是冬季电力巡检作业的一项重要工作，但高压电线除冰作业具有高危险高难度的特点，不适合采用人工作业的方法，因此最好的办法是采用机器人除冰。

高压线路上存在着大量的导线间隔棒、悬垂线夹、防振锤等线路辅助设施，对于沿高压电线行进的除冰机器人而言，这些都是典型的障碍物。因此对于高压电线除冰机器人的研发，需要最先解决的的问题就是实现安全可靠的行进和越障。

如果除冰机器人能够直接在结有冰柱的电线上稳定可靠地行走，那么就可以为除冰工作带来许多便利，然而由于电线两端封闭的特点，再加上结冰厚度的不确定造成的冰柱直径的不确定，使得研发能够在结冰电线上行走的机器人这一工作变得比较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压电线的越障除冰装置及方法，解决了现有的高压电线上存在大量的障碍物，导致除冰工作很难继续进行的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种高压电线的越障除冰装置，包括悬垂工作台，悬垂工作台上设置有工作台悬挂单元、前臂升降单元、后臂升降单元、前臂承重绳收放单元、后臂承重绳收放单元和控制单元，控制单元分别与前臂承重绳收放单元、后臂承重绳收放单元、前臂升降单元、后臂升降单元和工作台悬挂单元连接；

其中，悬垂工作台包括悬垂工作台本体，悬垂工作台本体为凸字型结构，所述凸字型结构的大端开设有三个安装孔，分别为第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔，第一安装孔和第三安装孔结构相同，且以第二安装孔为中心对称布置；

工作台悬挂单元安装在第二安装孔内，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元分别安装在第一安装孔和第二安装孔内；

前臂升降单元和后臂升降单元安装在悬垂工作台本体的小端，且以悬垂工作台的竖向轴线为中心对称布置；

前臂升降单元控制连接有前臂，后臂升降单元控制连接有后臂；同时，前臂和后臂分别通过承重绳与前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元连接；

后臂包括后臂架，所述后臂架上安装有后臂夹紧单元，所述后臂夹紧单元上设置有后臂行走单元；

前臂包括前臂架，所述前臂架上并列设置有前臂夹紧单元和前臂升降抱合单元，前臂夹紧单元上设置有前臂行走单元；

所述凸字型结构的大端端部开设有弧状凹槽，所述弧状凹槽内设置有若干个凸起的尖刺。

优选地，工作台悬挂单元包括安装在第二安装孔底部的电磁铁，电磁铁的上方设置有拉杆，所述拉杆与电磁铁同轴布置；

拉杆的上端连接有抱合体，所述抱合体包括两个抱合爪，两个所述抱合爪的一端张开，另一端铰接连接，两个抱合爪的连接处设置有扭簧，使得两个抱合爪处于常开状态；

拉杆的下端具有铁磁性，与电磁铁相互作用，电磁铁与控制单元连接。

优选地，所述后臂夹紧单元包括后臂丝杠电机、所述后臂丝杠电机与控制单元连接，且通过带传动连接有第一双向丝杠，第一双向丝杠安装在后臂架上开设的第一开口槽内；

第一开口槽的侧壁上开设有第一滑槽，所述第一滑槽的开设方向与第一双向丝杠的运动方向一致，同时，所述第一滑槽内连接有第一夹紧部；

第一夹紧部由结构相同的夹紧部本体组成，所述夹紧部本体为工字型结构，所述工字型结构的下端两侧设置有第一滑动凸耳，所述第一滑动凸耳安装在第一滑槽内；

两个工字型结构的上端且相向的一侧的侧壁上均开设有第一半圆形凹槽，所述第一半圆形凹槽的底部安装有后臂行走单元；

两个工字型结构的下端安装有第一丝杠螺母，两个所述第一丝杠螺母分别与第一双向丝杠的两端配合连接，实现第一夹紧部的张开或闭合。

优选地，后臂行走单元包括若干个滚轮，所述滚轮均布在第一半圆形凹槽的底部，所述滚轮与安装在第一夹紧部上的滚轮电机连接，滚轮电机与控制单元连接；同时，滚轮的外表面与高压电线的外表面相贴合。

优选地，升降抱合单元包括异形抱合体，异形抱合体包括两个异形抱合爪，两个异形抱合爪的一端张开，另一端铰接连接，该交接连接处连接有前臂拉杆，所述前臂拉杆内配合连接有驱动丝杠，所述驱动丝杠与安装在前臂架上的电机驱动连接，电机与控制单元连接；

前臂夹紧单元包括前臂丝杠电机，所述前臂丝杠电机与控制单元连接，且通过带传动连接有第二双向丝杠，第二双向丝杠安装在前臂架上开设的第二开口槽内；

第二开口槽的侧壁上开设有第二滑槽，所述第二滑槽的开设方向与第二双向丝杠的运动方向一致，同时，所述第二滑槽内连接有第二夹紧部；

第二夹紧部由结构相同的夹紧部本体组成，所述夹紧部本体为工字型结构，所述工字型结构的下端两侧设置有第二滑动凸耳，所述第二滑动凸耳安装在第二滑槽内；

两个工字型结构的上端且相向的一侧的侧壁上均开设有第二半圆形凹槽，所述第二半圆形凹槽的底部安装有前臂行走单元；

两个工字型结构的下端安装有第二丝杠螺母，两个所述第二丝杠螺母分别与第二双向丝杠的两端配合连接，实现夹紧部的张开或闭合；

前臂行走单元包括若干个均布在第二半圆形凹槽底部的弹簧钉轮，弹簧钉轮与安装在前臂架上的驱动电机驱动连接，驱动电机与控制单元连接；

同时，弹簧钉轮包括轮体，所述轮体的外表面上沿其周向方向呈阵列式开设有安装孔，所述安装孔内安装有弹簧，所述弹簧的自由端连接有钉子，所述钉子的尖部朝向外侧。

优选地，前臂升降单元和后臂升降单元结构相同，其中，前臂升降单元包括安装在悬垂工作台上的升降电机，升降电机与控制单元连接，且其输出轴驱动连接有升降丝杠，升降丝杠上配合连接有套管，所述套管与前臂架底部设置的前臂离合插销连接。

优选地，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元的结构相同，其中，前臂承重绳收放单元包括安装在第一安装孔内的卷线轮电机，所述卷线轮电机与控制单元连接，且其输出轴配合连接有主动轮，主动轮通过传动带连接有从动轮，所述从动轮安装在卷线轮轴上；

卷线轮轴上套装有两个卷线盘，同时，在卷线轮轴的两端端部配合连接有轴承；

承重绳的一端缠绕在卷线盘上，另一端固定在前臂架上。

一种高压电线的越障除冰方法，包括以下步骤：

步骤1，将上述任一项所述的越障除冰装置按照除冰的方向，保持前臂在前、后臂在后，通过悬垂工作台本体将该机器人悬挂在高压电线上；

步骤2，通过后臂夹紧单元将后臂悬挂在高压电线上；通过前臂夹紧单元和前臂升降抱合单元将前臂悬挂在高压电线上；

步骤3，解除悬垂工作台的悬挂状态；

步骤4，控制单元控制前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元分别释放承重绳，此时，悬垂工作台开始下降直至到达设定的高度阈值时为止；

步骤5，控制单元控制前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元开始加速收卷承重绳，承重绳带动悬垂工作台上升且速度增加，此时，悬垂工作台上的弧状凹槽中的尖刺与高压电线上的冰柱发生撞击，对冰柱造成破坏，重复悬垂工作台的下降与上升过程，完成对高压电线上的某一段的除冰；

当前臂接触到障碍物时，首先，解除前臂对高压电线的悬挂状态；

然后，通过前臂升降单元驱动前臂下降至设定的阈值高度；

接着，通过后臂行走单元驱动后臂前进，进而驱动悬垂工作台前进，直至悬垂工作台接触到障碍物为止，此时，前臂置于障碍物的上游；

接着，通过前臂升降单元驱动前臂上升，直至前臂夹紧单元和前臂升降抱合单元夹紧高压电线为止；接着，开启后臂升降单元，使得后臂升降单元和后臂处于脱离状态；

接着，解除悬垂工作台的悬挂状态；通过前臂承重绳收放单元回卷前臂的承重绳，通过后臂承重绳收放单元释放后臂的承重绳，直至悬垂工作台越过障碍物，重复步骤5，直至障碍物与前臂之间的冰柱被破除为止；

接着，将悬垂工作台悬挂在该段高压电线上，并解除后臂的悬挂状态；

接着，通过前臂行走单元驱动前臂前进，前臂通过承重绳带动悬垂工作台和后臂一起前进，直至后臂完全越过障碍物为止。

优选地，在进行更换除冰位置时，保持前臂和后臂位置不变，通过前臂承重绳收放模块回收前臂的承重绳，同时通过后臂承重绳收放模块释放后臂的承重绳，此时，前臂承重绳带动悬垂工作台向前移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种高压电线的越障除冰装置，利用前臂、后臂和工作台悬挂单元将机器人悬挂在高压电线上，在除冰时，解除工作台悬挂单元的悬挂状态，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元通过释放或回卷承重绳，实现悬垂工作台的下降或上升，在上升的过程中，通过控制单元实现悬垂工作台的加速上升，进而实现悬垂工作台上尖刺对高压电线上的冰柱进行撞击，最终完成高压电线的除冰工作；

当遇到障碍物时，通过前臂升降单元使得前臂从高压电线上脱落，后臂升降单元控制后臂悬挂在高压电线上；工作台悬挂单元将悬垂工作台悬挂在高压电线上，当后臂向前行走时，带动悬垂工作台一起前进直至悬垂工作台碰到障碍物为止，该结构使得在行走时，通过两点悬挂在高压电线上，实现了行走的稳定性；之后将前臂悬挂在电线上，解除悬垂工作台的悬挂状态，同时将后臂脱离后臂升降模块，前臂前进，同时拉动悬垂工作台和后臂一起前进，直至悬垂工作台越过障碍物，此时，将悬垂工作台悬挂在电线上，解除后臂的悬挂状态，前臂继续前进，直至后臂越过障碍物，越障完成；解决了由于电线上存在的障碍物无法继续除冰的问题。

同时，本结构能够在结有冰柱的电线上实现可靠悬挂的同时，提供沿电线行走的动力，不容易打滑，而且悬挂单元和行走单元相互独立工作互不干扰；

进一步的，前臂利用弹簧钉轮作为驱动轮，由于钉尖在冰面的防滑能力以及夹紧部的夹紧力，很好的解决了冰柱上容易打滑的问题，同时由于夹紧部b和弹簧钉轮的结构特点，其对冰柱的不同直径具有较宽泛的适用性。

进一步的，前臂虽然像后臂一样具有夹紧部，但不再依赖夹紧部作为悬挂承力结构，而是增加了升降抱合模块，而且此升降抱合模块不同于改进前的前臂抱合爪部分，不是简单的抱合悬挂，它需要使夹紧部和弹簧钉轮基本不受竖直向下的力，从而使行走模块和悬挂模块相互独立工作不受彼此干扰。

进一步的，由于抱合爪需要悬挂的是冰柱的上沿，而冰柱直径又是不确定的，要使夹紧部b和弹簧钉轮不受竖直向下的力，就需要抱合爪在抱合后必须还能够上下移动从而与冰柱上沿贴合，实现悬挂。

进一步的，通过电磁铁与拉杆之间的电磁作用，实现了抱合体的张开或闭合，进而实现了工作台悬挂单元对高压电线的悬挂或解除。

进一步的，通过驱动电机驱动双向丝杠，进而通过双向丝杠带动夹紧部对高压电线的悬挂或解除。

进一步的，通过滚轮与高压电线外表面的切合，同时通过驱动电机驱动滚轮的运动，进而实现后臂在高压电线上的行走。

本发明提供的一种高压电线的越障除冰方法，利用前臂、后臂和工作台悬挂单元将机器人悬挂在高压电线上，在除冰时，解除工作台悬挂单元的悬挂状态，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元通过释放或回卷承重绳，实现悬垂工作台的下降或上升，在上升的过程中，通过控制单元实现悬垂工作台的加速上升，进而实现悬垂工作台上尖刺对高压电线上的冰柱进行撞击，最终完成高压电线的除冰工作；

当遇到障碍物时，通过前臂升降单元使得前臂从高压电线上脱落，后臂升降单元控制后臂悬挂在高压电线上；工作台悬挂单元将悬垂工作台悬挂在高压电线上，当后臂向前行走时，带动悬垂工作台一起前进直至悬垂工作台碰到障碍物为止，该结构使得在行走时，通过两点悬挂在高压电线上，实现了行走的稳定性；之后将前臂悬挂在电线上，解除悬垂工作台的悬挂状态，同时将后臂脱离后臂升降模块，前臂前进，同时拉动悬垂工作台和后臂一起前进，直至悬垂工作台越过障碍物，此时，将悬垂工作台悬挂在电线上，解除后臂的悬挂状态，前臂继续前进，直至后臂越过障碍物，越障完成；解决了由于电线上存在的障碍物无法继续除冰的问题。

附图说明

图1是越障除冰装置的整体结构立体示意图；

图2是越障除冰装置的整体结构的主视图；

图3是悬垂工作台的结构示意图；

图4是后臂的结构示意图；

图5是前臂的结构示意图；

图6是前臂升降抱合单元的结构示意图；

图7是前臂的主视图；

图8是B-B剖视图；

图9是承重绳收放单元结构示意图；

图10是前臂升降单元的结构示意图；

图11是越障除冰装置的一种工作状态图；

图12是越障除冰装置的第二种工作状态图；

图13是越障除冰装置的第三种工作状态图；

图14是越障除冰装置的第四种工作状态图；

其中，1、悬垂工作台101、悬垂工作台本体102、第四安装孔103、穿孔1031、第一条状凹槽104、尖刺105、弧状凹槽106、第一圆杆107、夹持体2、升降电机3、承重绳4、套管401、第一条状凸起402、第二条状凹槽5、后臂架501、后臂离合插销5011、第二条状凸起502、第一滑槽6、高压电线7、第一夹紧部701、第一滑动凸耳702、第一半圆形凹槽7b、第二夹紧部8、滚轮8b、弹簧钉轮8b01、轮体8b02、钉子8b03、弹簧9、抱合爪10、异形抱合爪1001、圆弧段1002、第一直线段1003、第二直线段11、第一电磁铁12、前臂架1201、第一圆杆1202、前臂离合插销13、滑轮14、卷线轮轴1401、卷线轮15、轴承16、传送带17、主动轮18、电磁铁19、卷线轮电机20、前臂拉杆21、拉杆22、升降丝杠23、后臂丝杠电机24、带传动25、第一双向丝杠26、第一丝杠螺母27、滚轮电机28、冰柱29、驱动丝杠30、电机31、联轴器32、驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1-图3所示，本发明提供的一种高压电线的越障除冰装置，包括悬垂工作台1上设置有工作台悬挂单元、前臂升降单元、后臂升降单元、前臂承重绳收放单元、后臂承重绳收放单元和控制单元，控制单元分别与前臂承重绳收放单元、后臂承重绳收放单元、前臂升降单元、后臂升降单元和工作台悬挂单元连接。

控制单元具备基本的存储、计算以及发送控制脉冲的功能，例如DSP2812芯片；

其中，前臂升降单元控制连接有前臂，后臂升降单元控制连接有后臂，工作台悬挂单元将悬垂工作台悬挂在高压电线6上，同时，前臂和后臂、前臂升降单元和后臂升降单元均以悬垂工作台1竖向轴线为中心对称布置。

悬垂工作台1包括悬垂工作台本体101，悬垂工作台本体101为凸字型结构，所述凸字型结构的大端开设有三个安装孔，分别为第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔，其中，第一安装孔和第三安装孔结构相同，且以第二安装孔为中心对称布置。

所述凸字型结构的大端端部开设有弧状凹槽105，所述弧状凹槽105内设置有若干个凸起的尖刺104。

第二安装孔内设置有工作台悬挂单元，在行进、越障的过程中，有时需要松开前臂或后臂，那么此时要实现可靠的两点悬挂，就需要工作台悬挂单元进行辅助悬挂，使除冰机器人能够稳定工作。

所述工作台悬挂单元包括安装在第二安装孔底部的电磁铁18，电磁铁18的上方设置有夹持体107，所述夹持体107包括圆柱体结构，所述圆柱体结构通过连接杆固定在第二安装孔的侧壁上，同时，圆柱体结构的中心开设有通孔，所述通孔配合连接有拉杆21，所述拉杆21、夹持体107和电磁铁18同轴布置；夹持体107用来约束拉杆21的运动自由度，使其只能上下运动。

拉杆21的上端连接有抱合体，所述抱合体包括两个抱合爪9，两个所述抱合爪9的一端张开，另一端铰接连接，同时，以两个抱合爪9的连接处为中心对称布置有两个第一圆杆106，所述第一圆杆106的外表面与抱合爪9的外表面相切。

两个抱合爪9的连接处设置有扭簧，使得两个抱合爪9处于常开状态。

同时，拉杆21的侧壁上对称布置有两个第二限位凸起，电磁铁18断电后，抱合爪9在扭簧的作用下打开，同时拉杆21会受到向上的拉力，如果没有限位凸起的阻碍，拉杆21和抱合爪9可能会弹出脱落。

拉杆21的下端具有铁磁性，与电磁铁18相互作用，电磁铁18与控制单元连接。

电磁体18连接有控制单元，用于控制抱合体9的闭合或开启。

所述凸字型结构的小端开设有第四安装孔102，所述第四安装孔102内设置有对称布置的前臂升降单元和后臂升降单元，其中，前臂升降单元和后臂升降单元结构相同；

具体地，以前臂升降单元为例：

前臂升降单元包括升降电机2，所述升降电机2安装在第四安装孔102内，升降电机2与控制单元连接，且其输出轴驱动连接有升降丝杠22，升降丝杠22的自由端穿过悬垂工作台本体101上开设的穿孔103与前臂连接。

同时，升降丝杠22上还套装有套管4，所述套管安装在穿孔103内。

如图4所示，后臂包括方型结构的后臂架5，所述后臂架5上安装有后臂夹紧单元，所述后臂夹紧单元包括后臂丝杠电机23、所述后臂丝杠电机23安装在后臂架5上开设的安装空腔内，后臂丝杠电机23与控制单元连接，且通过带传动24连接有第一双向丝杠25，第一双向丝杠25安装在后臂架5上开设的开口槽内，所述安装空腔置于开口槽的下方。

同时，开口槽的侧壁上开设有第一滑槽502，所述滑第一槽502的开设方向与第一双向丝杠25的运动方向一致，同时，所述第一滑槽502内连接有第一夹紧部7。

第一夹紧部7由结构相同的夹紧部本体组成，所述夹紧部本体为工字型结构，所述工字型结构的下端两侧设置有第一滑动凸耳701，所述第一滑动凸耳701与第一滑槽502相配合。

同时，工字型结构的下端中间位置安装有第一丝杠螺母26，所述第一丝杠螺母26与第一双向丝杠25配合连接。

通过后臂丝杠电机23驱动第一双向丝杠25实现两个夹紧部本体的闭合或张开。

两个工字型结构的上端相向的一侧侧壁上均开设有第一半圆形凹槽702，所述第一半圆形凹槽702的底部安装有后臂行走单元。

后臂行走单元包括若干个滚轮8，所述滚轮8均布在第一半圆形凹槽702的底部，同时通过安装在工字型结构中间段的滚轮电机27驱动，滚轮电机27与控制单元连接。

所述滚轮8为橡胶材质，其母线为内凹的半圆状，半圆的半径小于等于高压电线6的半径，当夹紧部7的两个夹紧部本体相向运动并将高压电线6夹紧在半圆柱槽702当中时，滚轮8的母线紧贴高压电线6，此时如果滚轮8转动，则可以带动后臂沿高压电线6运动。

后臂架5的底部设置有过渡段，所述过渡段内设置有后臂离合插销501，所述后臂离合插销501插入至套管4内，与套管4活动连接。

如图5-图8所示，前臂包括前臂架12，所述前臂架12上设置有前臂夹紧单元、前臂行走单元和升降抱合单元和控制单元，其中，前臂夹紧单元用于将行走模块推向结冰的电线然后使行走模块紧贴在电线6上的冰柱28表面；前臂行走单元用于提供沿电线行进的动力；升降抱合单元用于抱紧电线6上的冰柱28表面。

升降抱合单元包括异形抱合体，异形抱合体连接有前臂拉杆20，所述前臂拉杆20内配合连接有驱动丝杠29，所述驱动丝杠29通过安装在前臂架12上的电机30驱动连接，电机30与控制单元连接，且其输出轴上设置有联轴器31。

以所述异形抱合体为中心对称布置有两个第二圆杆1201。

异形抱合体包括两个异形抱合爪10，两个异形抱合爪10的一端张开，另一端铰接连接，同时，在该连接处设置有扭簧，使得两个异形抱合爪10在不受其他外力的情况下处于常开状态。

异形抱合爪10在闭合状态时，其外表面与第二圆杆1201的外表面相切。

异形抱合爪10的横截面的等距中线分为三段，分别为圆弧段1001、第一直线段1002和第二直线段1003，所述圆弧段1001为四分之一圆弧，所述第一直线段1002与所述圆弧段1001相切，所述第二直线段1003与所述第一直线段1002之间的夹角为钝角，两个异形抱合爪10在所述第二直线段1003的末端处铰接连接。

升降抱合单元的结构特征的优势在于，只需要电机30驱动丝杠29带动前臂拉杆20下降，就可以完成两个动作，一个是异形抱合爪10的抱合，另一个是抱合后的异形抱合爪10下降并紧贴冰柱上表面，这对于简化控制逻辑以及减少元器件使用的复杂度非常有利。

前臂夹紧单元与后臂夹紧单元的结构相同，具体地包括安装在前臂架12上的前臂丝杠电机，所述前臂丝杠电机与控制单元连接，且通过带传动连接有第二双向丝杠，所述第二双向丝杠安装在前臂架12上开设的开口槽内。

同时，前臂架12上开设的开口槽的侧壁上开设有第二滑槽，所述第二滑槽内配合连接有第二夹紧部7b。

第二夹紧部7b由结构相同的夹紧部本体组成，所述夹紧部本体为工字型结构，所述工字型结构的下端两侧设置有第二滑动凸耳，所述第二滑动凸耳与第二滑槽相配合。

同时，工字型结构的下端中间位置安装有第二丝杠螺母，所述第二丝杠螺母与第二双向丝杠相配合。

通过前臂丝杠电机驱动第二双向丝杠实现两个夹紧部本体的闭合或张开。

所述工字型结构的上端的侧壁上开设有第二半圆形凹槽，所述第二半圆形凹槽的底部设置有前臂行走单元。

前臂行走单元包括弹簧钉轮8b和驱动电机32，驱动电机32与控制单元连接，且其输出轴与弹簧钉轮8驱动连接；所述弹簧钉轮8b设置有多个，均布在所述第二夹紧部7b上的半圆形凹槽内。

弹簧钉轮8b包括轮体8b01，所述轮体8b01的外表面上沿其周向方向呈阵列式开设有安装孔，所述安装孔内安装有弹簧8b03，所述弹簧8b03的自由端连接有钉子8b02，所述钉子8b02的尖部朝向外侧。

前臂利用弹簧钉轮8b作为驱动轮，由于钉尖在冰面的防滑能力以及第二夹紧部7b的夹紧力，很好的解决了冰柱28上容易打滑的问题，同时由于第二夹紧部7b和弹簧钉轮8b的结构特点，其对冰柱28的不同直径具有较宽泛的适用性。

前臂虽然像后臂一样具有第二夹紧部7b，但不再依赖第二夹紧部7b作为悬挂承力结构，而是增加了升降抱合模块，而且此升降抱合模块对高压电线不是简单的抱合悬挂，它需要使第二夹紧部7b和弹簧钉轮8b基本不受竖直向下的力，从而使行走模块和悬挂模块相互独立工作不受彼此干扰。由于异形抱合爪10需要悬挂的是冰柱的上沿，而冰柱直径又是不确定的，要使夹紧部7b和弹簧钉轮8b不受竖直向下的力，就需要抱合爪在抱合后必须还能够上下移动从而与冰柱上沿贴合，实现悬挂。

如图9所示，套管4的外侧壁上沿其轴向方向对称布置有两个第一条状凸起401，第一条状凸起401与穿孔103的内侧壁上开设的第一条状凹槽1031相配合；

套管4的内侧壁上开设有与第一条状凸起401位置相对应的两个第二条状凹槽402；前臂离合插销1203的外侧壁上沿其轴向方向对称布置有两个第二条状凸起5011，第二条状凹槽402与第二条状凸起5011相配合。这个改进设计是为了约束套管4、后臂离合插销501、前臂离合插销1202绕各自轴心线转动的自由度，避免前后臂在升降过程中发生转动。

第一安装孔和第三安装孔内分别安装有前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元，所述前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元分别通过承重绳与前臂或后臂连接；该结构保证了悬垂工作台1在悬挂时具备较好的稳定性。

其中，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元的结构相同，以前臂承重绳收放单元为例，具体地：

如图10所示，前臂承重绳收放单元包括安装在第一安装孔内的卷线轮电机19，所述卷线轮电机19与控制单元连接，且其输出轴配合连接有主动轮17，主动轮17通过传动带16连接有从动轮，所述从动轮安装在卷线轮轴14上。

卷线轮轴14上套装有两个卷线盘1401，同时，在卷线轮轴14的两端端部配合连接有轴承15。

两个卷线盘1401上均缠绕有一根承重绳3，所述承重绳3的自由端固定在前臂架12上。

同时，卷线轮轴14与前臂架12之间还设置有滑轮13，所述承重绳3通过滑轮13缠绕在卷线轮1401上。

前臂的两根承重绳的固定端都固定于前臂下部的同一部位上，缠绕端则分别通过前臂承重绳收放模块的左右两个滑轮13缠绕在卷线轮14的两个卷线盘1401上；后组的两根承重绳的固定端都固定于后臂下部的同一部位上，缠绕端则分别通过后组承重绳收放模块的左右两个滑轮13缠绕在卷线轮14的两个卷线盘1401上。根据三角形稳定性原理，承重绳3这样设计可以保证悬垂工作台1在被承重绳3悬挂时具备较好的稳定性。

由于前臂没有自主动力，越障时前臂的离合插销1203的受力情况比较恶劣，而且对套管4的长度有特殊要求，因此前臂最好具备自主动力，进一步的，前臂需要具备在结冰的电线上行走的能力，同时还需要具有可靠的悬挂性能。根据公知常识，高压电线的两端与高压铁塔连接，中间通常还会安装有间隔棒等障碍物，因此高压电线属于两端封闭且中间有障碍物的线状路径，这就导致了无论是安装时还是越障时，都要求除冰机器人的悬挂承力结构和驱动结构既能抓附在高压电线上，又能脱离高压电线，也就是说必须是开放式的结构。

而通常情况下，结冰电线上的冰柱直径都是不定值，且冰柱表面很滑。要在结冰的高压电线上实现可靠的驱动和悬挂，就必须解决上述问题。

一种高压电线的越障除冰方法，如图11-图13所示，包括如下步骤：

步骤1：初始化。按照除冰的方向，保持前臂在前后臂在后，开启工作台悬挂模块的电磁铁18，使工作台悬挂模块的抱合爪9抱合并扣在高压电线6上的冰柱28上，实现除冰机器人的悬挂，然后人工敲掉后臂上方电线上的一小段冰柱，使其裸露出高压电线6。

步骤2：前后臂上升至合适位置。开启前后臂升降电机2，驱动后臂上升到后臂夹紧部7能够夹住高压电线6的位置，驱动前臂上升到前臂的夹紧部10b能夹住高压电线6上的冰柱28的位置。应当说明的是，在前后臂的升降过程中，需要开启与前后臂对应的承重绳收放模块的卷线轮电机19，使卷线轮14开卷或收卷，从而带动前后承重绳3伸长或缩短，使前后承重绳3的长度适应前后臂的升降，并且保持前后承重绳3始终处于拉直状态。后续步骤中，涉及到前后臂升降的过程也需要按照此方法调整前后承重绳3的长度。

步骤3：后臂夹紧。开启后臂丝杠电机23，驱动后臂的两个夹紧部7相向运动，直至贴合并夹住电线6。

步骤4：前臂夹紧。开启前臂夹紧动力模块，驱动前臂的两个夹紧部7b相向运动，直至两个夹紧部7b中的弹簧钉轮8b夹紧电线6上的冰柱28。在夹紧过程中对于夹紧部7b的行程控制方法是，当前臂丝杠电机上设置的第二感应模块检测到夹紧动力模块的负载增大到设定的阈值时，认定已经夹紧到位，同时关闭夹紧动力模块，两个夹紧部7b不再移动。这里的原理是，在前臂夹紧的过程中，弹簧钉轮8b上与电线冰柱28最接近的那部分钉子的钉尖最先接触上冰柱28，这些钉子开始压缩尾部的弹簧8b03，弹簧8b03的压缩产生的弹性力导致夹紧动力模块的负载增大，在实际应用中，可以根据弹簧钉轮8b沿冰柱28滚动时不容易发生打滑所需要的夹紧力来设定负载阈值，当负载增大到这个阈值时，夹紧部7b不再继续移动。

步骤5：前臂异形抱合爪抱合电线冰柱。开启前臂升降抱合模块的电机30，驱动拉杆20b下行，异形抱合爪10b抱合，然后电机30继续驱动拉杆20b下行，直至异形抱合爪10b紧贴冰柱28的上沿。异形抱合爪10b下行时的行程控制方法是，当电机30上设置的第一感应模块检测到电机30的主轴负载突然增大到设定的阈值时，认定已经下降到位，关闭电机30，异形抱合爪10b不再继续下行。这里的原理是，当异形抱合爪10b下降到开始接触冰柱28的上沿，接触面的压力会通过异形抱合爪10b、拉杆20b和丝杠29传递给电机30的主轴，此时电机30的主轴继续旋转已经无法使异形抱合爪10b继续下降，阻力突然增大，电机30的主轴负载就会突然增大，而这一特征就可以作为下降到位的信号。

步骤6：工作台悬挂解除。开启前后臂升降模块的升降电机2，驱动套管4沿升降丝杠22朝着靠近升降电机2的一端下降，使套管4与前臂上的离合插销1203及后臂上的离合插销501分离，然后关闭工作台悬挂模块的电磁铁18，在扭簧的作用下，工作台悬挂模块的抱合爪9分开解除抱合。

步骤7：前臂前进。启动前臂行走模块的驱动电机34，驱动弹簧钉轮8b转动，从而带动前臂前进，与此同时，开启与前臂对应的承重绳收放模块的卷线轮电机19，使卷线轮14开卷，承重绳3伸长以适应前臂前进，前臂前进的距离根据实际需要确定。

步骤8：除冰。启动与前后臂对应的承重绳收放模块的卷线轮电机19，并开始开卷，前后承重绳3均伸长，各自的伸长速度以保持悬垂工作台1姿态不发生倾斜为准，即意味着被前后承重绳悬挂着的悬垂工作台的前后两端在竖直方向上的位移量保持一致，也就意味着前后承重绳长度的变化量在竖直方向上的分量一致，因此只需要按照此规则通过几何运算反推前后承重绳长度的变化量，然后通过控制单元对前后承重绳收放模块的电机发送相应的脉冲数，即可实现此状态控制。

由于承重绳3的伸长，悬垂工作台1开始下降，当悬垂工作台1下降到合适高度时，控制卷线轮电机19反转并加速，卷线轮14开始加速收卷，前后承重绳3缩短，且各自的缩短速度同样以保持悬垂工作台1姿态不发生倾斜为准，由于前后承重绳3的加速缩短，悬垂工作台1上升且速度增加，其上的弧状凹槽107中的尖刺106与高压电线6上的冰柱28发生撞击，对冰柱28造成破坏，多次重复上述悬垂工作台1下降与上升的过程，实现对这一小段高压电线6的除冰。本除冰方法采用冲击式除冰，利用的是冰的脆性，其中悬垂工作台1相当于冲击配重，而悬垂工作台1弧状凹槽107中的尖刺106则可以使冰柱28产生裂缝，这种除冰方式比较有利于使冰柱28从电线6上脱落。

步骤9：更换除冰位置除冰。如图14所示，这一步骤更换除冰位置不需要前后臂移动，只需要控制前后承重绳收放模块，调整前后承重绳3的长度，使后承重绳伸长，前承重绳缩短，即可将悬垂工作台1移动到下一位置，伸长和缩短量以保持悬垂工作台1姿态不发生倾斜为准，具体数值根据实际需要确定，然后重复步骤8和步骤9，直至悬垂工作台1接近前臂当前所处的位置，也就是如图14中的虚线所示的位置。这一除冰方法由于能够在前后臂不动而只移动悬垂工作台1的情况下更换除冰位置，因此可以显著提高除冰的效率。图14中双箭头A1表示当前位置悬垂工作台1上下快速移动除冰，双箭头A2表示悬垂工作台1变换除冰位置后上下快速移动除冰，箭头A3表示更换除冰位置时悬垂工作台1的移动方向。

步骤10：后臂前进。启动后臂滚轮电机27，使后臂沿已经除冰了的电线6前进，直至后臂接近悬垂工作台1所处的位置。

步骤11：继续除冰。重复步骤7、8、9。

越障前准备：

当前臂上安装的与控制单元连接的摄像头检测到前方存在障碍物时，执行越障作业，首先后臂沿电线6移动，调整前后臂之间的距离到步骤4完成后的状态，然后前后承重绳收放模块开始收卷，使得前后承重绳3缩短，悬垂工作台1上升，上升到合适位置时，开启前后臂升降模块的升降电机2，驱动套管4沿升降丝杠22朝着远离升降电机2的一端上升，使套管4与前后臂上的离合插销连接，然后开启工作台悬挂模块的电磁铁18，使工作台悬挂模块的抱合爪9抱合并扣在高压电线6上。

越障：

解除前臂夹紧和前臂异形抱合爪10对电线冰柱28的抱合，然后启动前臂升降模块驱动前臂下降，再启动后臂滚轮电机27，驱动后臂前进，由于此时后臂离合插销501与后臂升降模块的套管4处于连接状态，因此悬垂工作台1也会被带动前进，直至悬垂工作台1的抱合爪9接触到障碍物，然后前臂升降模块驱动前臂上升到前臂的夹紧部7能夹住障碍物对面的高压电线6上的冰柱28的位置，接着重复步骤4、步骤5，再按照步骤7的方法使前臂前进一定距离，这个距离要大于悬垂工作台1沿高压电线6方向上的尺寸，然后启动后臂升降模块的升降电机2，驱动套管4沿升降丝杠22朝着靠近升降电机2的一端下降，使套管4与后臂上的离合插销501分离，然后关闭工作台悬挂模块的电磁铁18，工作台悬挂模块的抱合爪9分开解除抱合，再按照步骤9的方法，使后承重绳伸长，前承重绳缩短，将悬垂工作台1移动到刚好越过障碍物的位置，再按照步骤8的方法除掉此时悬垂工作台1上方电线的冰柱28，接着开启工作台悬挂模块的电磁铁18，使工作台悬挂模块的抱合爪9抱合并扣在高压电线6上，接着按照步骤3反向操作，解除后臂的夹紧，再启动后臂升降模块使后臂下降，然后前臂继续前进，并通过前承重绳3拉动悬垂工作台1和后臂一起前进，直至后臂也完全越过障碍物，接着启动后臂升降模块，驱动后臂上升到后臂夹紧部7能够夹住高压电线6的位置，再按照步骤3实现后臂夹紧，开启后臂升降模块的升降电机2，驱动套管4沿升降丝杠22朝着靠近升降电机2的一端下降，使套管4与后臂上的离合插销501分离，然后关闭工作台悬挂模块的电磁铁18，使工作台悬挂模块的抱合爪分开解除抱合，至此，除冰机器人已经完成越障。

需要说明的是，根据上述越障方式的过程和几何原理，后臂的越障需要满足的最低条件是，套管4沿升降丝杠22上升至极限状态到下降至极限状态这一过程中，套管4沿前后方向的分量的变化量的二分之一大于等于后臂沿前后方向的尺寸。

Claims (9)

1.一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，包括悬垂工作台(1)，悬垂工作台(1)上设置有工作台悬挂单元、前臂升降单元、后臂升降单元、前臂承重绳收放单元、后臂承重绳收放单元和控制单元，控制单元分别与前臂承重绳收放单元、后臂承重绳收放单元、前臂升降单元、后臂升降单元和工作台悬挂单元连接；

其中，悬垂工作台(1)包括悬垂工作台本体(101)，悬垂工作台本体(101)为凸字型结构，所述凸字型结构的大端开设有三个安装孔，分别为第一安装孔、第二安装孔和第三安装孔，第一安装孔和第三安装孔结构相同，且以第二安装孔为中心对称布置；

工作台悬挂单元安装在第二安装孔内，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元分别安装在第一安装孔和第二安装孔内；

前臂升降单元和后臂升降单元安装在悬垂工作台本体(101)的小端，且以悬垂工作台(1)的竖向轴线为中心对称布置；

前臂升降单元控制连接有前臂，后臂升降单元控制连接有后臂；同时，前臂和后臂分别通过承重绳(3)与前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元连接；

后臂包括后臂架(5)，所述后臂架(5)上安装有后臂夹紧单元，所述后臂夹紧单元上设置有后臂行走单元；

前臂包括前臂架(12)，所述前臂架(12)上并列设置有前臂夹紧单元和前臂升降抱合单元，前臂夹紧单元上设置有前臂行走单元；

所述凸字型结构的大端端部开设有弧状凹槽(107)，所述弧状凹槽(107)内设置有若干个凸起的尖刺(106)。

2.根据权利要求1所述的一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，工作台悬挂单元(101)包括安装在第二安装孔底部的电磁铁(18)，电磁铁(18)的上方设置有拉杆(21)，所述拉杆(21)与电磁铁(18)同轴布置；

拉杆(21)的上端连接有抱合体，所述抱合体包括两个抱合爪(9)，两个所述抱合爪(9)的一端张开，另一端铰接连接，两个抱合爪(9)的连接处设置有扭簧，使得两个抱合爪(9)处于常开状态；

拉杆(21)的下端具有铁磁性，与电磁铁(18)相互作用，电磁铁(18)与控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，所述后臂夹紧单元包括后臂丝杠电机(23)、所述后臂丝杠电机(23)与控制单元连接，且通过带传动(24)连接有第一双向丝杠(25)，第一双向丝杠(25)安装在后臂架(5)上开设的第一开口槽内；

第一开口槽的侧壁上开设有第一滑槽(502)，所述第一滑槽(502)的开设方向与第一双向丝杠(25)的运动方向一致，同时，所述第一滑槽(502)内连接有第一夹紧部(7)；

第一夹紧部(7)由结构相同的夹紧部本体组成，所述夹紧部本体为工字型结构，所述工字型结构的下端两侧设置有第一滑动凸耳(701)，所述第一滑动凸耳(701)安装在第一滑槽(502)内；

两个工字型结构的上端且相向的一侧的侧壁上均开设有第一半圆形凹槽(702)，所述第一半圆形凹槽(702)的底部安装有后臂行走单元；

两个工字型结构的下端安装有第一丝杠螺母(26)，两个所述第一丝杠螺母(26)分别与第一双向丝杠(25)的两端配合连接，实现第一夹紧部的张开或闭合。

4.根据权利要求3所述的一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，后臂行走单元包括若干个滚轮(8)，所述滚轮(8)均布在第一半圆形凹槽(702)的底部，所述滚轮(8)与安装在第一夹紧部(7)上的滚轮电机(27)连接，滚轮电机(27)与控制单元连接；同时，滚轮(8)的外表面与高压电线(6)的外表面相贴合。

5.根据权利要求1所述的一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，升降抱合单元包括异形抱合体，异形抱合体包括两个异形抱合爪(10)，两个异形抱合爪(10)的一端张开，另一端铰接连接，该交接连接处连接有前臂拉杆(20)，所述前臂拉杆(20)内配合连接有驱动丝杠(29)，所述驱动丝杠(29)与安装在前臂架(12)上的电机(30)驱动连接，电机(30)与控制单元连接；

前臂夹紧单元包括前臂丝杠电机，所述前臂丝杠电机与控制单元连接，且通过带传动连接有第二双向丝杠，第二双向丝杠安装在前臂架(12)上开设的第二开口槽内；

第二开口槽的侧壁上开设有第二滑槽，所述第二滑槽的开设方向与第二双向丝杠的运动方向一致，同时，所述第二滑槽内连接有第二夹紧部(7b)；

第二夹紧部(7b)由结构相同的夹紧部本体组成，所述夹紧部本体为工字型结构，所述工字型结构的下端两侧设置有第二滑动凸耳，所述第二滑动凸耳安装在第二滑槽内；

两个工字型结构的上端且相向的一侧的侧壁上均开设有第二半圆形凹槽，所述第二半圆形凹槽的底部安装有前臂行走单元；

两个工字型结构的下端安装有第二丝杠螺母，两个所述第二丝杠螺母分别与第二双向丝杠的两端配合连接，实现夹紧部的张开或闭合；

前臂行走单元包括若干个均布在第二半圆形凹槽底部的弹簧钉轮(8b)，弹簧钉轮(8b)与安装在前臂架(12)上的驱动电机(32)驱动连接，驱动电机(32)与控制单元连接；

同时，弹簧钉轮(8b)包括轮体(8b01)，所述轮体(8b01)的外表面上沿其周向方向呈阵列式开设有安装孔，所述安装孔内安装有弹簧(8b03)，所述弹簧(8b03)的自由端连接有钉子(8b02)，所述钉子(8b02)的尖部朝向外侧。

6.根据权利要求5所述的一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，前臂升降单元和后臂升降单元结构相同，其中，前臂升降单元包括安装在悬垂工作台(1)上的升降电机(2)，升降电机(2)与控制单元连接，且其输出轴驱动连接有升降丝杠(22)，升降丝杠(22)上配合连接有套管(4)，所述套管(4)与前臂架(12)底部设置的前臂离合插销(1203)连接。

7.根据权利要求1所述的一种高压电线的越障除冰装置，其特征在于，前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元的结构相同，其中，前臂承重绳收放单元包括安装在第一安装孔内的卷线轮电机(19)，所述卷线轮电机(19)与控制单元连接，且其输出轴配合连接有主动轮(17)，主动轮(17)通过传动带(16)连接有从动轮，所述从动轮安装在卷线轮轴(14)上；

卷线轮轴(14)上套装有两个卷线盘(1401)，同时，在卷线轮轴(14)的两端端部配合连接有轴承(15)；

承重绳(3)的一端缠绕在卷线盘(1401)上，另一端固定在前臂架(12)上。

8.一种高压电线的越障除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将权利要求1-7中任一项所述的越障除冰装置按照除冰的方向，保持前臂在前、后臂在后，通过悬垂工作台本体(101)将该机器人悬挂在高压电线上；

步骤2，通过后臂夹紧单元将后臂悬挂在高压电线上；通过前臂夹紧单元和前臂升降抱合单元将前臂悬挂在高压电线上；

步骤3，解除悬垂工作台(101)的悬挂状态；

步骤4，控制单元控制前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元分别释放承重绳(3)，此时，悬垂工作台(1)开始下降直至到达设定的高度阈值时为止；

步骤5，控制单元控制前臂承重绳收放单元和后臂承重绳收放单元开始加速收卷承重绳(3)，承重绳(3)带动悬垂工作台(1)上升且速度增加，此时，悬垂工作台(1)上的弧状凹槽(107)中的尖刺(106)与高压电线(6)上的冰柱(28)发生撞击，对冰柱(28)造成破坏，重复悬垂工作台(1)的下降与上升过程，完成对高压电线(6)上的某一段的除冰；

当前臂接触到障碍物时，首先，解除前臂对高压电线(6)的悬挂状态；

然后，通过前臂升降单元驱动前臂下降至设定的阈值高度；

接着，通过后臂行走单元驱动后臂前进，进而驱动悬垂工作台(1)前进，直至悬垂工作台(1)接触到障碍物为止，此时，前臂置于障碍物的上游；

接着，通过前臂升降单元驱动前臂上升，直至前臂夹紧单元和前臂升降抱合单元夹紧高压电线为止；接着，开启后臂升降单元，使得后臂升降单元和后臂处于脱离状态；

接着，解除悬垂工作台(1)的悬挂状态；通过前臂承重绳收放单元回卷前臂的承重绳，通过后臂承重绳收放单元释放后臂的承重绳，直至悬垂工作台(1)越过障碍物，重复步骤5，直至障碍物与前臂之间的冰柱被破除为止；

接着，将悬垂工作台(1)悬挂在该段高压电线上，并解除后臂的悬挂状态；

接着，通过前臂行走单元驱动前臂前进，前臂通过承重绳带动悬垂工作台(1)和后臂一起前进，直至后臂完全越过障碍物为止。

9.根据权利要求8所述的一种高压电线的越障除冰方法，其特征在于，在进行更换除冰位置时，保持前臂和后臂位置不变，通过前臂承重绳收放模块回收前臂的承重绳，同时通过后臂承重绳收放模块释放后臂的承重绳，此时，前臂承重绳带动悬垂工作台(1)向前移动。