四分裂高压输电线路除冰机器人的制作方法

本发明涉及一种四分裂高压输电线路除冰机器人，属于除冰机器人技术领域。

背景技术：

由于极端天气，多地气候骤变，不管北方还是南方都面临着冰雪天气，高压电线上结冰后，冰越结越厚，电线不堪重负，最后被压断或者高压电塔被压垮，给高压输电线路等高空设备带来了很大伤害。尤其是因雪灾导致的电力设施损毁，给工农业生产和交通运输带来了巨大损失。因此，研究高压线除冰设备具有重大意义。

通过总结国内外的各种除冰技术研究工作，高压线路除冰基本上分为机械除冰法与热力融冰法两种。机械除冰方法有强力震动法、滑轮铲刮法，该方法价格低廉，但是除冰效率低；热力融冰主要有三相短路融冰、带负荷融冰等方法，与机械除冰相比，除冰速度快，安全性高，但是只能用于局部线路。国内外对高压线除冰机器人进行了许多研究，但目前真正投入使用的高压线除冰机器人基本没有。主要原因是在寒冷天气下，除冰机器人在高空环境中作业，不仅要承受住低温、大风的考验，还要克服高压线的挠曲进行爬行。

一般，除冰机器人都具有行走和除冰两个机构，行走机构需要可靠的抓住高压线行走越障；除冰机构通过敲击或者铲刮除去积冰。除冰机器人的主要技术难点是越障，障碍包括阻尼间隔棒、杆塔等，因此，为了达到降低成本、操作简单、提高效率的目的，应该设计一种可以跨越杆塔的除冰机器人，从而减少工作人员反复的攀登杆塔安装或者卸下机器人的次数。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种四分裂高压输电线路除冰机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括机器人支撑平台、对称设置在支撑平台上的两个结构相同的六自由度手臂、设置在每个六自由度手臂上端部的除冰装置，所述机器人支撑平台包括支撑板、对称设置在支撑板两侧的两根直线导轨、安装在每根导轨上的滑块、与滑块固连的控制箱连接件、设置在两个控制箱连接件之间的控制箱、安装在支撑板一端的丝杠电机、与丝杠电机输出端连接的齿轮b、与直线导轨平行设置在支撑板上的丝杠、安装在丝杠端部的齿轮a，所述齿轮b与齿轮a啮合，所述控制箱位于支撑板的下方；

每个六自由度手臂包括设置在支撑板下端的肩部回转托架、安装在肩部回转托架内的肩部回转、与肩部回转的输出轴连接的肩部回转轴、与肩部回转轴上端连接的关节连接架、与关节连接架铰接的肩部俯仰、与肩部俯仰上端固连的连杆a、安装在连杆a端部的肘部俯仰、与肘部俯仰铰接连接的连杆b和连杆c、设置在连杆b和连杆c端部间的腕部俯仰、与腕部俯仰铰接的腕部连接件、与腕部连接件固连的腕部回转拖箱、设置在腕部回转拖箱内的腕部回转、与腕部回转输出轴连接的腕部回转轴、与腕部回转轴上端连接的行走机构，所述行走机构包括与腕部回转轴上端固连的驱动箱、安装在驱动箱内的驱动电机、安装在电机输出轴上的齿轮A、通过轴承安装在驱动箱内的驱动轴、安装在驱动轴的齿轮B，齿轮A与齿轮B啮合，所述驱动轴的两端伸出至驱动箱外且驱动轴的两端分别设置有在电缆上行走的驱动轮；

所述除冰装置包括安装在驱动箱上端的安装板、通过电机支架设置在安装板上的除冰机构电机、安装在除冰电机输出轴上的除冰主动齿轮、通过轴承座设置在安装板上的除冰机构转轴、安装在除冰机构转轴上的除冰从动齿轮、设置在除冰机构转轴端部上的敲击架连接件、设置在敲击架连接件两端的敲击架a和敲击架b，除冰主动齿轮与除冰从动齿轮啮合，敲击架a和敲击架b均是十字型结构，且在敲击架a与桥机架b之间对称设置有四根敲击杆轴，每个敲击杆轴上安装有敲击杆。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.在机器人支撑平台中间位置还设置有中间支撑臂，中间支撑臂包括安装在支撑板中间位置的底部固定架、与底部固定架两端连接的支撑杆、同时与两个支撑杆连接的顶部连接件、安装在顶部连接件上的齿轮箱托架、安装在齿轮箱托架内的齿轮箱、与齿轮箱输出轴连接的中间回转轴、与中间回转轴上端部固连的轴支架、安装在轴支架上的从动轴、安装在从动轴两端的两个与电缆配合的从动轮。

2.所述肩部回转、腕部回转和齿轮箱的结构相同，均包括一号方形箱体、外置在方形箱体侧面上的一号电机、与一号电机输出轴连接的且水平设置在一号方形箱体内的一号蜗杆、竖直安装在一号方形箱体内的一号蜗轮轴、安装在一号蜗轮轴的上的一号蜗轮，一号蜗杆与一号蜗轮啮合，且一号蜗轮轴的上端部伸出至一号方形箱体外作为输出轴。

3.所述肩部俯仰、肘部俯仰和腕部俯仰的结构相同，均包括二号方形箱体、外置在二号方形箱体侧面的二号电机、与二号电机输出轴连接的且水平设置在二号方形箱体内的二号蜗杆、水平设置在二号方形箱体内的二号蜗轮轴、安装在二号蜗轮轴上的二号蜗轮，二号蜗轮与二号蜗杆啮合，且二号蜗轮轴的一端部伸出至二号方形箱体外部作为输出轴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明包括机器人支撑平台、6自由度手臂、除冰装置、中间支撑臂，两个6自由度手臂分别安装在机器人支撑平台的两端，两个除冰装置分别安装在两个6自由度手臂末端，中间支撑臂起到类似于张紧轮的作用。本发明采用两个6自由度手臂和两个除冰装置以及中间支撑臂相互配合，可以实现单相四分裂高压输电线的除冰任务，一般应用于500Kv的输电线路。一个机器人一次可以清除单相四分裂输电线，除冰机器人不但可以越过四分裂阻尼间隔棒，而且还可以越过杆塔，跨越连续的三个杆塔可以成直线排列，也可以成折线排列。本发明相对于其他输电线除冰机器人，具有很大优点：轻松跨越四分裂阻尼间隔棒；不论是杆塔直线排列，还是处于角点的杆塔，本发明都可以直接越过杆塔而不用间断除冰作业；除冰机器人重量轻、体积相对较小。具体的说是：

1、本发明相对于其他输电线除冰机器人，具有很大优点，其明显的增强了除冰机器人的越障能力，不但可以越过四分裂阻尼间隔棒，而且还可以越过杆塔，跨越连续的三个杆塔可以成直线排列，也可以成折线排列；

2、本发明自动化程度高:本发明可以直接越过杆塔而不用间断除冰作业，避免了线路工人每到一个杆塔就需要反复登杆/塔安装和卸载机器人；

3、本发明设计结构独特，重量轻、体积小、可靠性高，一般应用在500Kv四分裂高压输电线路上,安装除冰机器人到达电缆上操作方便。

附图说明

图1是本发明的四分裂高压输电线路除冰机器人轴测图；

图2是本发明的机器人支撑平台Ⅰ的结构示意图；

图3是本发明的6自由度手臂Ⅱ下半部分的结构示意图；

图4是本发明的6自由度手臂Ⅱ上半部分的结构示意图；

图5是本发明的肩部回转Ⅱ-1的结构示意图；

图6是本发明的肘部俯仰Ⅱ-9的结构示意图；

图7是本发明的行走机构Ⅱ-18的结构示意图；

图8是本发明的除冰装置Ⅲ的结构示意图；

图9是本发明的中间支撑臂Ⅳ的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图8，本发明的四分裂高压输电线路除冰机器人包括机器人支撑平台Ⅰ、6自由度手臂Ⅱ、除冰装置Ⅲ、中间支撑臂Ⅳ。两个6自由度手臂分别安装在机器人支撑平台的两端，两个除冰装置分别安装在两个6自由度手臂末端，中间支撑臂起到类似于张紧轮的作用。

如图2所示，机器人支撑平台Ⅰ主要由：控制箱Ⅰ-1、控制箱连接件Ⅰ-2、THK直线导轨Ⅰ-3、丝杠Ⅰ-4、深沟球轴承Ⅰ-5、丝杠座Ⅰ-6、直齿轮aⅠ-7、锁紧挡圈Ⅰ-8、电机座Ⅰ-9、支撑板Ⅰ-10、齿轮bⅠ-11、丝杠电机Ⅰ-12、THK直线导轨滑块Ⅰ-13、丝杠螺母Ⅰ-14、丝杠螺母座Ⅰ-15等构成。所述的THK直线导轨有两个，分别安装在支撑板两侧，所述THK直线导轨滑块总共有四个，每个THK导轨上分别布置两个滑块，每侧两个滑块分别安装一个控制箱连接件，所述的控制箱连接件有两个并与控制箱连接，控制箱内部有控制器、驱动器、电源等，所述丝杠座有两个，对称安装在支撑板两端，丝杠两端安装在丝杠座上，丝杠其中一端安装直齿轮a，电机座安装在支撑板一端，丝杠电机安装在电机座上，电机输出安装齿轮b，齿轮a与齿轮b啮合传递运动至丝杠，丝杠螺母安装在丝杠座中，丝杠座安装在一侧的控制箱连接件上，这样就可以使控制箱在支撑板下方往复运动，从而改变除冰机器人在不同工作过程中的重心位置，使重心处在最有利于翻越障碍的位置。控制箱Ⅰ-1内部有控制器、驱动器、电源等，控制箱重量大约为20Kg，通过上述机构，可以使控制箱在支撑板Ⅰ-10下方往复运动，从而调节除冰机器人在不同工作过程中的重心位置，使重心处在最有利于翻越障碍的位置。

如图3、图4所示，6自由度手臂Ⅱ主要由：肩部回转Ⅱ-1、肩部回转托架Ⅱ-2、回转轴Ⅱ-3、圆锥滚子轴承Ⅱ-4、轴承套筒Ⅱ-5、关节连接件Ⅱ-6、肩部俯仰Ⅱ-7、连杆aⅡ-8、肘部俯仰Ⅱ-9、连杆b和cⅡ-10、腕部俯仰Ⅱ-11、腕部连接件Ⅱ-12、腕部回转拖箱Ⅱ-13、腕部回转Ⅱ-14、支撑板Ⅱ-15、腕部轴承套筒Ⅱ-16、圆锥滚子轴承Ⅱ-17、行走机构Ⅱ-18。其中肩部俯仰Ⅱ-7、肘部俯仰Ⅱ-9、腕部俯仰Ⅱ-11为相同的模块化结构；肩部回转Ⅱ-1和腕部回转Ⅱ-14结构基本相同。肩部回转托架Ⅱ-2安装在机器人支撑平台下部，用于安装肩部回转Ⅱ-1，轴承套筒Ⅱ-5安装在机器人支撑平台上表面，用于固定回转轴Ⅱ-3，这样就可以将6自由度机械手臂Ⅱ和机器人支撑平台Ⅰ连接起来。腕部回转Ⅱ-14的作用是控制行走机构Ⅱ-18回转，以避免和高压线缆干涉，顺利运动到线缆上方。两个6自由度手臂Ⅱ安装在机器人支撑平台Ⅰ的两端，关节形式的机械手臂使得除冰机器人的跨越障碍能力大大增强。具体的说：肩部回转安装在机器人支撑平台上，肩部回转的输出轴与回转轴连接，回转轴通过轴承套筒固定，关节连接件将回转轴和肩部俯仰连接起来，连杆a将肩部俯仰和肘部俯仰连接起来，连杆b、连杆c将肘部俯仰和腕部俯仰连接起来，腕部连接件将腕部俯仰和腕部回转连接起来，腕部轴承套筒安装在腕部回转上，回转轴安装在腕部轴承套筒内并与腕部回转的输出轴连接，行走机构连接件将回转轴和行走机构连接起来；所述的肩部回转包括齿轮箱托架、齿轮箱、蜗轮轴、蜗轮、蜗杆、蜗杆轴承座、电机，齿轮箱托架将齿轮箱安装在机器人支撑平台上，输出轴竖直向上，蜗轮安装在输出轴上，蜗杆一端安装在齿轮箱上，一端安装在蜗杆轴承座上，蜗杆轴承座安装在齿轮箱侧面，电机安装在齿轮箱体外侧，并与蜗杆一端连接起来；所述的肩部俯仰、肘部俯仰、腕部俯仰为相同的模块化结构，包括箱体、电机、蜗杆、蜗杆轴承座、蜗轮轴、蜗轮，电机安装在箱体外侧并与蜗杆连接，蜗杆一端安装到箱体上，一端安装到蜗杆轴承座上，蜗轮安装到蜗轮轴上，蜗轮轴安装在两侧箱体上并对外传递运动；腕部回转和肩部回转结构一致；所述行走机构包括驱动箱、驱动电机、电机座、驱动轴、齿轮A、齿轮B、驱动轮，电机座安装在驱动箱底板上，电机安装在电机座上，电机输出轴连接齿轮a，齿轮b安装在驱动轴上，驱动轴安装在两侧驱动箱体上并每端分别安装一个驱动轮，驱动轮在电缆滚动行走。

图5为肩部回转Ⅱ-1的结构，包括前箱体Ⅱ-1-1、深沟球轴承Ⅱ-1-2、左箱体Ⅱ-1-3、圆锥滚子轴承Ⅱ-1-4、蜗轮轴Ⅱ-1-5、上箱体Ⅱ-1-6、蜗杆Ⅱ-1-7、蜗杆轴承座Ⅱ-1-8、后箱体Ⅱ-1-9、电机Ⅱ-1-10、右箱体Ⅱ-1-11、联轴器Ⅱ-1-12、下箱体Ⅱ-1-13、圆锥滚子轴承Ⅱ-1-14。肩部回转Ⅱ-1负责为整个机械手臂的下部回转轴提供自由度，当跨越不在一条直线的三个杆塔时用到这一肩部回转自由度。

图6为肘部俯仰Ⅱ-9的结构，包括蜗杆Ⅱ-9-1、前箱体Ⅱ-9-2、左箱体Ⅱ-9-3、深沟球轴承Ⅱ-9-4、上箱体Ⅱ-9-5、圆锥滚子轴承Ⅱ-9-6、右箱体Ⅱ-9-7、联轴器Ⅱ-9-8、驱动电机Ⅱ-9-9、右箱体Ⅱ-9-10、蜗杆轴承座Ⅱ-9-11、蜗轮轴Ⅱ-9-12、下箱体Ⅱ-9-13。上述肩部俯仰Ⅱ-7、腕部俯仰Ⅱ-11与肘部俯仰Ⅱ-9为相同的模块化结构，蜗轮轴安装在两侧箱体上并对外传递运动，这种关节形式的手臂可以使除冰机器人相对更加灵活，可以跨越可能遇到的各种障碍形式；

图7为行走机构Ⅱ-18，行走机构包括驱动箱Ⅱ-18-1、驱动电机Ⅱ-18-2、电机座Ⅱ-18-3、齿轮AⅡ-18-4、锁死螺母Ⅱ-18-5、轴套Ⅱ-18-6、驱动轮Ⅱ-18-7、驱动轮螺母Ⅱ-18-8、圆锥滚子轴承Ⅱ-18-9、齿轮BⅡ-18-10、驱动轴Ⅱ-18-11。驱动轴每端分别安装一个驱动轮，驱动电机经过齿轮传动带动驱动轮转动，两个行走机构分别安装在6自由度机械手臂末端，驱动轮在电缆上方滚动行走。

图8为除冰装置Ⅲ的结构设计，此设计的实施例中的除冰装置Ⅲ通过旋转敲打的方式清除输电线上的履冰，其由电机后支架Ⅲ-1、除冰机构电机Ⅲ-2、电机前支架Ⅲ-3、锥销锁紧挡圈Ⅲ-4、除冰主动齿轮Ⅲ-5、安装板Ⅲ-6、除冰机构轴承座Ⅲ-7、圆锥滚子轴承Ⅲ-8、除冰机构转轴Ⅲ-9、除冰从动齿轮Ⅲ-10、除冰机构轴承座Ⅲ-11、敲击架aⅢ-12、敲击杆轴Ⅲ-13、敲击杆Ⅲ-14、圆锥滚子轴承Ⅲ-15、套筒Ⅲ-16、敲击架bⅢ-17、敲击架连接件Ⅲ-18等组成。旋转盘上均匀安装4个敲击杆，电机固定在驱动机构中的电机座上，经过直齿轮传递运动给除冰机构转轴，带动敲击架转动，敲击杆在高速状态下击碎冰块。所述的敲击架有两个，敲击杆和敲击杆轴分别为四个，电机支架安装在驱动箱上面，电机安装在电机支架上，电机输出轴安装齿轮a，并通过锁紧挡圈轴向限位，除冰机构转轴安装在除冰机构轴承座上，齿轮b安装在除冰机构转轴上并通过轴套对其轴向限位，两个敲击架通过敲击架连接件连接起来，四对敲击杆和敲击杆轴安装在两个敲击架之间。通过电机带动敲击杆快速旋转即可达到单相四分裂输电线的除冰任务。

图9为中间支撑臂Ⅳ的结构设计，此装置由底部固定架Ⅳ-1、支撑杆Ⅳ-2、顶部连接件Ⅳ-3、齿轮箱托架Ⅳ-4、回转轴支撑板Ⅳ-5、轴承套筒Ⅳ-6、圆锥滚子轴承Ⅳ-7、从动轴Ⅳ-8、从动轮Ⅳ-9、深沟球轴承Ⅳ-10、轴支架Ⅳ-11、锁死螺母Ⅳ-12、中间回转轴Ⅳ-13、齿轮箱Ⅳ-14等组成。所述齿轮箱Ⅳ-14和6自由度手臂中的腕部回转结构相同，底部固定架安装在机器人支撑平台Ⅰ上，中间支撑杆安装在底部固定架上，顶部连接件安装在中间支撑杆上端，齿轮箱托架安装在顶部连接件上，齿轮箱安装在托架中，轴承套筒安装在齿轮箱托架上板，回转轴安装在轴承套筒中并与齿轮箱输出轴连接，轴支架将回转轴和从动轴连接起来，从动轴两端分别连接一个从动轮。中间支撑臂的作用是：当跨越障碍时，两边机械手臂伸长，中间支撑臂的回转轴正向转动90°，两边机械手臂缩短使从动轮运动到线缆上方，中间支撑臂的回转轴反向转动90°，两边机械手臂伸长至三排轮同时接触线缆上表面，一边的6自由度机械手臂松开，除冰机器人仍然平衡，松开的手臂跨越障碍，后续中间支撑臂和另外一个机械手臂依次翻越障碍。中间支撑臂配合两边的6自由度手臂，起到张紧作用，防止冰机器人在大风或者振动的影响从输电线缆上掉下。一般行走过程中，支撑臂上的从动轮在电缆下方与电缆张紧，当跨越障碍时，支撑臂上的从动轮运动到电缆上方，相应的机器人支撑平台Ⅰ下方的控制箱移动，使重心向一侧偏移，然后另外一边的6自由度手臂脱离电缆，这样机器人重心依然处于合适的位置不会倾倒，脱离电缆的6自由度手臂开始跨越障碍物。

本发明的主要动作有：6自由度手臂伸长、手臂行走机构放置到四分裂输电线的下部两根线上部、6自由度手臂缩短、两个除冰装置同时工作除冰、除冰机器人越障动作，具体如下：

1、控制机器人支撑平台上的控制箱运动到中间位置，确保重心处在除冰机器人中心，两边的6自由度手臂同步伸长，使之末端垂直于机器人支撑平台并且高于中间支撑臂150mm。

2、手臂末端腕部回转使行走机构转过90°，将两个行走机构的驱动轮分别放到下排线缆之上，腕部回转再转90°使行走机构恢复到原来位置。驱动轮的沟槽与高压输电线配合进行限位，保证除冰机器人顺着电缆行走。

3、两边的6自由度手臂同步缩短，缩短至其驱动轮中心和从动轮中心的垂直高度为100mm，此时中间支撑臂上的从动轮在电缆下方压紧线缆，这样做可以防止驱动轮脱离轨道，可以使除冰机器人抵御较大的风速，当遇到挠度较大的电缆时，增大张紧力可以确保驱动轮和电缆之间有足够的摩擦力，防止除冰机器人在电缆上打滑。

4、除冰装置的电机带动回转架高速回转，回转架四周均布有4个敲击杆，敲击杆在高速运动下敲碎四分裂高压输电线上的积冰。

5、当遇到四分裂阻尼间隔棒或者杆塔时，首先，两边手臂同步伸长，使中间支撑臂脱离线缆，中间支撑臂上的回转轴转动90°，两边手臂同步缩短使三排轮子处于同一水平面，然后，中间支撑臂上的回转轴再次转动90°恢复原来的位置，这时三排轮均在电缆上方，且电缆均在轮子的沟槽内。再然后，控制机器人支撑平台Ⅰ上的控制箱向后运动，目的是使机器人重心向后移动，前进方向的第一个手臂脱离电缆并向前运动跨越障碍物，跨越障碍物后，第一个手臂再次回到电缆上方，并且使电缆与驱动轮的沟槽配合。再接着，使支撑平台Ⅰ上的控制箱移向中间，中间支撑臂运动到电缆下方，机器人接着前行，使中间支撑臂跨越障碍，中间支撑臂跨越障碍后，从动轮运动到电缆上方并且沟槽与电缆配合好，支撑平台Ⅰ上的控制箱移向前进方向端，这时机器人重心在前端。最后，除冰机器人前进方向的第二个手臂脱离电缆，并运动到电缆下方，除冰机器人接着向前运动并使第二个手臂跨越障碍，跨越障碍后，第二个手臂的主动轮回到电缆上方，中间支撑臂最后运动到线缆下方张紧，至此完成了除冰机器人的越障动作，除冰机器人继续向前运动除冰。总之，此越障结构在实际应用中非常灵活，手臂自由度多达6个，结合躲避障碍动作和越障动作可以跨越杆塔，从而轻松实现越障、跨越杆塔连续除冰作业。