一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人的制作方法
【專利摘要】一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，包括兩個中心對稱于高壓導(dǎo)線⑼的可開合懸浮瓦⑻，所述懸浮瓦⑻包括矩形線圈⑷和從內(nèi)向外依次設(shè)置的內(nèi)襯瓦⑴、磁芯⑵、外襯瓦⑶。其優(yōu)點是：機器人可懸浮于高壓導(dǎo)線之上，機器人與高壓導(dǎo)線之間零接觸、零摩擦，消除了有害磨損和有害動載荷；在有驅(qū)動力的情況下，這種零接觸、零摩擦方式，可大大提高機器人的移動速度；磁力懸浮方式，可降低機器人移動機構(gòu)的復(fù)雜度，實現(xiàn)機器人的輕型化；磁力懸浮裝置尺寸下、成本低，容易實現(xiàn)。
【專利說明】一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人技術(shù)和磁場學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]架空高壓輸電線路作業(yè)機器人主要包括巡檢機器人、除冰機器人、絕緣子清掃機器人等以及其它智能檢測和維護(hù)設(shè)備。自上世紀(jì)八十年代以來，架空高壓輸電線路作業(yè)機器人一直是機器人【技術(shù)領(lǐng)域】的研究熱點。美國、日本、加拿大、中國等國家先后開展了架空高壓輸電線路作業(yè)機器人的研究工作。2008年，日本的Debenest等人專為高壓多分裂導(dǎo)線研制出了名為“Expliner”的巡檢機器人。2000年，加拿大魁北克水電研究院的Montambault等人研制了名為HQ Line-ROVer的遙控小車,該小車起初被用于清除電力傳輸線地線上的積冰，逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護(hù)等多用途的移動平臺。2006年至今，Montambault及Pouliot等人在HQ LineROVer的基礎(chǔ)上研制并發(fā)展了新一代巡檢機器人，取名“LineScout”，其技術(shù)比較先進(jìn)，功能比較齊全，該機器人不僅可以巡檢線路，還可以完成導(dǎo)線修補、螺栓緊固等相對簡單的線路維護(hù)作業(yè)。
[0003]20世紀(jì)90年代末，武漢大學(xué)的吳功平教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊率先在國內(nèi)開展架空高壓輸電線路巡線機器人的研究，在國家“十五”和“十一五”863計劃的資助下，該課題組研制成功了沿高壓導(dǎo)線行駛的兩種自主巡檢機器人:沿220kV導(dǎo)線行駛的自主巡檢機器人，以及沿(超)高壓多分裂導(dǎo)線行駛的自主巡檢機器人，這兩種機器人均采用輪臂復(fù)合反對稱結(jié)構(gòu)和輪式驅(qū)動方式；2010年該團(tuán)隊還與湖南大學(xué)合作研發(fā)了高壓輸電線路除冰機器人，由于同樣采用輪式驅(qū)動方式，在結(jié)冰的線路上打滑問題突出，嚴(yán)重影響機器人的作業(yè)效率。中科院自動化所、山東大學(xué)和遵義供電局聯(lián)合開展了 “l(fā)lOkV輸電線路自動巡檢機器人”的研究，設(shè)計了 一種三臂懸掛式巡檢機器人。
[0004]架空高壓輸電線路作業(yè)機器人的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但距離實用化還有很大差距。目前，國內(nèi)外研究的架空高壓輸電線路作業(yè)機器人在無障礙線路多采用輪軌方式牽引機器人移動，這種方式主要存在以下幾個方面的問題。第一，輪軌系統(tǒng)中，驅(qū)動輪必須與線路接觸，因而摩擦影響不可避免，摩擦不僅損壞高壓導(dǎo)線，而且會縮短行走輪的使用壽命；第二，輪軌式移動方式受到線路表面粘著條件的限制，容易發(fā)生打滑；第三，輪軌系統(tǒng)的效率有一定的局限性，因而實際研發(fā)的高壓輸電線路作業(yè)機器人在無障礙線路的巡航速度還無法滿足實際需要；第四，輪軌系統(tǒng)的振動會增大架空高壓導(dǎo)線的有害動載荷。
[0005]磁懸浮技術(shù)(magnetic suspension technique)的研究源于德國，1922年，德國Hermann kemper提出了電磁懸浮原理,它利用磁力使物體懸浮起來，滿足機械運動裝置高速、無磨損、低能耗的需要，并提高振動控制水平。磁懸浮技術(shù)集成了電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、機械動力學(xué)等多門學(xué)科技術(shù)。早期的磁懸浮技術(shù)發(fā)展比較緩慢，直到二十世紀(jì)六十年代，由于控制理論的飛速發(fā)展、數(shù)字控制技術(shù)的引入以及電子技術(shù)和磁性材料技術(shù)的進(jìn)步，磁懸浮技術(shù)的研究及應(yīng)用才取得了快速發(fā)展。其應(yīng)用研究涉及很多領(lǐng)域，主要包括磁懸浮列車、磁懸浮軸承、磁懸浮定位平臺、醫(yī)療、冶煉、軍工導(dǎo)航與定位等。目前，無論磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于何種領(lǐng)域，其應(yīng)用方式可以分為三類:1.電磁吸引控制懸浮方式EMS(Electromagnetic Suspension)。EMS方式利用了電磁鐵與導(dǎo)磁材料之間的吸引力，幾乎大多數(shù)磁懸浮技術(shù)采用這種方式。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和驅(qū)動元器件的高性能、低價格化,EMS方式得到了廣泛的應(yīng)用。2.永久磁鐵斥力懸浮方式PRS (Permanent RepulsiveSuspension)。這是最簡單的一種方案，它利用永久磁鐵同極間的斥力，產(chǎn)生的斥力可達(dá)lkg/m2,稱為永久磁鐵斥力懸浮方式。由于橫向移位的不穩(wěn)定因素，需要從力學(xué)角度安排磁鐵的位置。3.感應(yīng)斥力方式EDS(Electrodynamics Suspension)。EDS方式利用了磁鐵或勵磁線圈和短路線圈之間產(chǎn)生的斥力，簡稱感應(yīng)斥力方式。為了得到斥力，勵磁線圈和短路線圈間必須有相對運動，這種方式主要被應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮裝置上。總之，上述三種磁懸浮方式都是基于磁極的，都是利用同級相斥、異極相吸的磁學(xué)原理來實現(xiàn)懸浮的。
[0006]綜上所述，基于輪軌方式的架空高壓輸電線路作業(yè)機器人存在打滑、效率低下、無法避免有害磨損和振動帶來的有害動載荷等問題，利用高壓電流產(chǎn)生的磁場使機器人懸浮可解決這些問題，但該類磁場是近似于圓形的環(huán)形磁場，無磁極可利用，無法沿用上述基于磁極的磁懸浮技術(shù)，要利用高壓導(dǎo)線周圍的磁場實現(xiàn)磁力懸浮，必須采用新的方法來實現(xiàn)。本專利申請就是在這樣的背景下展開的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決架空高壓輸電線路作業(yè)機器人現(xiàn)有的輪軌式移動方式帶來的打滑和有害摩擦問題；提供了一種零接觸、零摩擦并能消除打滑問題的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人。
[0008]本發(fā)明還有一個目的是解決架空高壓輸電線路作業(yè)機器人在桿塔之間的無障線路段巡航速度低的問題；提供了一種能實現(xiàn)高效巡航的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人。
[0009]本發(fā)明再有一目的是解決架空高壓輸電線路作業(yè)機器人現(xiàn)有的輪軌式移動方式的振動帶來的有害動載荷問題；提供了一種可避免因為振動帶來的有害動載荷的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人。
[0010]一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，包括兩個中心對稱于高壓導(dǎo)線9的可開合懸浮瓦8，所述懸浮瓦8包括矩形線圈4和從內(nèi)向外依次設(shè)置的內(nèi)襯瓦1、磁芯2、外襯瓦3。
[0011]所述內(nèi)襯瓦I為弱導(dǎo)磁材質(zhì)，呈半圓管狀，用于保護(hù)和支撐磁芯2，內(nèi)襯瓦I的外圓柱面與磁芯2內(nèi)圓柱面配合連接。
[0012]所述磁芯2為強導(dǎo)磁材質(zhì)，用于強化高壓電流7產(chǎn)生的磁場6，呈半圓管狀；沿磁芯2的圓周方向，均布有多個從磁芯2 —個端面到另一端面的磁芯導(dǎo)向孔201，便于矩形線圈有效長邊401穿過；磁芯2的外圓柱面與外襯瓦3內(nèi)圓柱面配合連接。
[0013]所述外襯瓦3為弱導(dǎo)磁材質(zhì)，呈半圓管狀，用于支撐磁芯2和矩形線圈4 ;沿外襯瓦3圓周方向，均布有多個從外襯瓦3的一個端面到另一端面的外襯瓦導(dǎo)向孔301和I個先導(dǎo)孔302，便于矩形線圈無效長邊402穿過，所述外襯瓦導(dǎo)向孔301和磁芯導(dǎo)向孔201的數(shù)量相同。[0014]所述矩形線圈4為首先穿過先導(dǎo)孔302，螺旋變向后再依次穿過磁芯導(dǎo)向孔201和外襯瓦導(dǎo)向孔301，并沿磁芯2和外襯瓦3的圓周方向循環(huán)繞制而成橫斷面為矩形的圓弧狀
螺旋管。
[0015]矩形線圈4位于磁芯導(dǎo)向孔201中的長邊為有效長邊401，位于外襯瓦導(dǎo)向孔301中的長邊為無效長邊402。
[0016]矩形線圈4為軟鐵材料制成，其外設(shè)絕緣層。
[0017]架空高壓輸電線路作業(yè)磁力驅(qū)動機器人可采用級聯(lián)方式，倍增機器人的驅(qū)動力。
[0018]本發(fā)明架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人的工作原理如下:
[0019]兩懸浮瓦8閉合，對稱布置于水平位置的高壓導(dǎo)線9上下兩側(cè)，高壓導(dǎo)線9中的高壓電流7產(chǎn)生磁場6 (方向向外的磁場用“.”表示，方向向里的磁場用“ X ”表示)，上下兩側(cè)的懸浮瓦8所處的磁場方向剛好相反；上側(cè)的懸浮瓦中矩形線圈4通以線圈電流5，根據(jù)左手定則，則矩形線圈4兩個長邊受到方向相反的安培力，由于有效長邊401被置于具備強導(dǎo)磁性能的磁芯2中，而無效長邊402被置于弱導(dǎo)磁性能的外襯瓦3中，它們所處的磁場強度不一樣，因而，在鉛垂方向上，該線圈受到的安培力合力向上，這個合力構(gòu)成機器人得以懸浮的磁力懸浮力；處于高壓導(dǎo)線9下側(cè)的懸浮瓦中，矩形線圈4中通以大小相等方向相反的線圈電流，由于所處的磁場方向相反，因而，在鉛垂向上，該矩形線圈4也能提供大小相等方向向上的安培力。高壓導(dǎo)線9上下兩側(cè)的懸浮瓦8受到的安培力一起構(gòu)成了使得機器人得以懸浮的磁力懸浮力。上下兩側(cè)線圈的對應(yīng)的直短邊403受到的安培力剛好抵消，對應(yīng)變向短邊404受到的安培力也剛好抵消。采用電流源給矩形線圈4供電，通過系統(tǒng)傳感器感知磁場6的方向來改變線圈電流5，從而保證機器人可以獲得穩(wěn)定的磁力懸浮力。
[0020]本發(fā)明架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人的優(yōu)點是:
[0021]1、機器人可懸浮于高壓導(dǎo)線之上，機器人與高壓導(dǎo)線之間零接觸、零摩擦，消除了有害磨損和有害動載荷；
[0022]2、在有驅(qū)動力的情況下，這種零接觸、零摩擦方式，可大大提高機器人的移動速度；
[0023]3、磁力懸浮方式，可降低機器人移動機構(gòu)的復(fù)雜度，實現(xiàn)機器人的輕型化；
[0024]4、磁力懸浮裝置尺寸下、成本低，容易實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人的工作原理圖。
[0026]圖2為本發(fā)明架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人的主視圖。
[0027]圖3為本發(fā)明架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人的后視圖。
[0028]圖4為兩懸浮瓦閉合時局部立體視圖。
[0029]圖5為兩懸浮瓦打開時局部立體視圖。
[0030]圖6為內(nèi)襯瓦立體視圖。
[0031]圖7為磁芯局部立體視圖。
[0032]圖8為外襯瓦局部立體視圖。
[0033]圖9為矩形線圈立體視圖。
[0034]圖10為內(nèi)襯瓦剖視圖。[0035]圖11為磁芯剖視圖。[0036]圖12為外襯瓦剖視圖。[0037]圖13為磁力懸浮力受力分析圖。[0038]圖中，1為內(nèi)襯瓦，2為磁芯，201為磁芯導(dǎo)向孔，3為外襯瓦，301為外襯瓦導(dǎo)向孔，302為先導(dǎo)孔，4為矩形線圈，401為矩形線圈有效長邊，402為矩形線圈無效長邊，403為矩形線圈直短邊，404為矩形線圈變向短邊，5為線圈電流，6為磁場，7為高壓電流，8為懸浮瓦，9為高壓導(dǎo)線，F(xiàn)為磁力懸浮力。
【具體實施方式】[0039]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明:[0040]參見圖1一圖9，架空高壓輸電線路作業(yè)機器人的磁力懸浮方法，利用高壓電流產(chǎn)生的磁場對通電導(dǎo)線的安培力使機器人得以懸浮；包括兩個結(jié)構(gòu)相同、可以開合的、對稱布置于高壓導(dǎo)線9上下兩側(cè)的懸浮瓦8，所述懸浮瓦8由內(nèi)襯瓦1、磁芯2、外襯瓦3、矩形線圈4組成。[0041]參見圖6和圖10，內(nèi)襯瓦I采用弱導(dǎo)磁材料制成，呈半圓管狀，用于保護(hù)和支撐磁芯2,內(nèi)襯瓦I的外圓柱面與磁芯2內(nèi)圓柱面配合連接；內(nèi)襯瓦1內(nèi)圓柱面半徑為30mm,外圓柱面半徑為40mm,內(nèi)襯瓦I長度為300mm。[0042]參加圖7和圖11，磁芯2采用強導(dǎo)磁材料制成，用于強化高壓電流7產(chǎn)生的磁場6，呈半圓管狀；沿磁芯2圓周方向，開有29個從磁芯2 —個端面到另一端面的磁芯導(dǎo)向孔201，便于矩形線圈有效長邊401穿過；磁芯2的外圓柱面與外襯瓦3內(nèi)圓柱面配合連接；磁芯2的內(nèi)圓柱面半徑為40mm,外圓柱面半徑為45mm, 29個磁芯導(dǎo)向孔201所在圓柱面半徑為42.5mm,磁芯2長度為300mm,磁芯導(dǎo)向孔201直徑為3mm。[0043]參見圖8和圖12,外襯瓦3米用弱導(dǎo)磁材料制成,呈半圓管狀,用于支撐磁芯2和矩形線圈4 ;沿外襯瓦3圓周方向，開有29個從外襯瓦3的一個端面到另一端面的外襯瓦導(dǎo)向孔301和1個先導(dǎo)孔302，便于矩形線圈無效長邊402穿過；外襯瓦3的內(nèi)圓柱面半徑為45mm,外圓柱面半徑為55mm, 29個外襯瓦導(dǎo)向孔301和I個先導(dǎo)孔302所在圓柱面半徑為50mm,外襯瓦3長度為300mm,襯瓦導(dǎo)向孔301和先導(dǎo)孔302的直徑均為3mm。[0044]參見圖9，矩形線圈4用軟鐵材料制成并涂上絕緣漆；矩形線圈4首先穿過先導(dǎo)孔302，螺旋變向后再依次穿過磁芯導(dǎo)向孔201和外襯瓦導(dǎo)向孔301，并沿磁芯2和外襯瓦3的圓周方向循環(huán)繞制而成橫斷面為矩形的圓弧狀螺旋管；矩形線圈4的每一圈的有效長邊401置于磁芯導(dǎo)向孔201中且與高壓導(dǎo)線9平行，無效長邊402置于外襯瓦導(dǎo)向孔301中且與高壓導(dǎo)線9平行；參見圖2，矩形線圈變向短邊404在懸浮裝置的主視圖端面上實現(xiàn)矩形線圈4的螺旋變向；參加圖3，矩形線圈直短邊403在懸浮裝置的后視圖端面上沿磁芯2徑向布置；矩形線圈有效長邊401長度為300mm,線圈直徑為3mm。[0045]在該實施例中，懸浮瓦8所能提供的磁力懸浮力大小計算如下:[0046]參見圖13，高壓電流7大小為Itl，高壓導(dǎo)線9周圍的磁場近似于圓形磁場，矩形線圈的有效長邊401所處的磁場大小為:[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:包括兩個中心對稱于高壓導(dǎo)線⑶的可開合懸浮瓦⑶，所述懸浮瓦(8)包括矩形線圈⑷和從內(nèi)向外依次設(shè)置的內(nèi)襯瓦⑴、磁芯⑵、外襯瓦⑶。
2.如權(quán)利要求1所述的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:所述內(nèi)襯瓦⑴為弱導(dǎo)磁材質(zhì)，呈半圓管狀，用于保護(hù)和支撐磁芯⑵，內(nèi)襯瓦⑴的外圓柱面與磁芯⑵內(nèi)圓柱面配合連接。
3.如權(quán)利要求1所述的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:所述磁芯⑵為強導(dǎo)磁材質(zhì)，用于強化高壓電流(7)產(chǎn)生的磁場(6)，呈半圓管狀；沿磁芯⑵的圓周方向，均布有多個從磁芯⑵一個端面到另一端面的磁芯導(dǎo)向孔(201)，便于矩形線圈有效長邊(401)穿過；磁芯⑵的外圓柱面與外襯瓦⑶內(nèi)圓柱面配合連接。
4.如權(quán)利要求1所述的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:所述外襯瓦⑶為弱導(dǎo)磁材質(zhì)，呈半圓管狀，用于支撐磁芯⑵和矩形線圈⑷；沿外襯瓦⑶圓周方向，均布有多個從外襯瓦⑶的一個端面到另一端面的外襯瓦導(dǎo)向孔(301)和I個先導(dǎo)孔(302),便于矩形線圈無效長邊(402)穿過，所述外襯瓦導(dǎo)向孔(301)和磁芯導(dǎo)向孔(201)的數(shù)量相同。
5.如權(quán)利要求1所述的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:所述矩形線圈⑷為首先穿過先導(dǎo)孔(302)，螺旋變向后再依次穿過磁芯導(dǎo)向孔(201)和外襯瓦導(dǎo)向孔(301)，并沿磁芯⑵和外襯瓦⑶的圓周方向循環(huán)繞制而成的橫斷面為矩形的圓弧狀螺旋管。
6.如權(quán)利要求1所述的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:矩形線圈⑷為軟鐵材料制成，其外設(shè)絕緣層。
7.如權(quán)利要求1所述的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人，其特征在于:架空高壓輸電線路作業(yè)磁力懸浮機器人可采用級聯(lián)方式，倍增機器人的驅(qū)動力。
【文檔編號】H02N15/00GK103595301SQ201310598743
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】徐顯金, 楊光友, 鐘飛, 湯亮, 楊小俊, 季永芹 申請人:湖北工業(yè)大學(xué)