本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)和電磁場(chǎng)學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種架空高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)裝置。

背景技術(shù)：

自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，架空高壓輸電線路作業(yè)機(jī)器人一直是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國(guó)、日本、加拿大、中國(guó)等國(guó)家先后開(kāi)展了架空高壓輸電線路作業(yè)機(jī)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(jī)器人，該機(jī)器人采用輪式驅(qū)動(dòng)方式，依賴輪槽與線路之間的靜摩擦力推動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)，對(duì)輪槽表面的材料要求較高，而且在大坡度情況下，難以保證機(jī)器人不打滑，且結(jié)構(gòu)不緊湊，尺寸較大，效率低下。2000年，加拿大魁北克水電研究院的montambault等人研制了名為hqline-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(dòng)平臺(tái)。為了避免打滑，該機(jī)器人采用了壓緊輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器人爬坡時(shí)，壓緊力過(guò)大，難以避免對(duì)線路的損傷。2006年至今，montambault及pouliot等人在hqlinerover的基礎(chǔ)上研制并發(fā)展了新一代巡檢機(jī)器人，取名“l(fā)inescout”，其技術(shù)比較先進(jìn)，功能比較齊全，該機(jī)器人不僅可以巡檢線路，還可以完成導(dǎo)線修補(bǔ)、螺栓緊固等相對(duì)簡(jiǎn)單的線路維護(hù)作業(yè)。但該機(jī)器人采用多懸臂輪式驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)行緩慢，巡檢效率低下。

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(duì)率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展架空高壓輸電線路巡線機(jī)器人的研究，在國(guó)家“十五”和“十一五”863計(jì)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(jī)器人：沿220kv導(dǎo)線行駛的自主巡檢機(jī)器人，以及沿(超)高壓多分裂導(dǎo)線行駛的自主巡檢機(jī)器人，這兩種機(jī)器人均采用輪臂復(fù)合反對(duì)稱結(jié)構(gòu)和輪式驅(qū)動(dòng)方式，雖然都有一定的越障能力，但機(jī)身過(guò)重，對(duì)系統(tǒng)能源要求較高，因而續(xù)航能力有限，且在大坡度線路段存在打滑現(xiàn)象，在兩段檔之間的無(wú)障礙線路段的巡航速度不理想。中科院自動(dòng)化所、山東大學(xué)和遵義供電局聯(lián)合開(kāi)展了“110kv輸電線路自動(dòng)巡檢機(jī)器人”的研究，設(shè)計(jì)了一種三臂懸掛式巡檢機(jī)器人，該巡檢機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，控制難度大，巡檢效率低下。2014年湖北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靠高壓線周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生安培力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，該方法在原理與技術(shù)上是可行的，但采用的結(jié)合工藝存在缺陷，打孔穿線的結(jié)合存在漏磁，當(dāng)漏磁嚴(yán)重時(shí)機(jī)器人所獲得的安培力將成百倍的下降，導(dǎo)致安培力難以克服驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的重力和摩擦力。

架空高壓輸電線路作業(yè)機(jī)器人的研究已取得了較大進(jìn)展，但距離實(shí)用化還有很大差距。目前，國(guó)內(nèi)外研究的架空高壓輸電線路作業(yè)機(jī)器人均采用輪式驅(qū)動(dòng)方式，這種輪式驅(qū)動(dòng)方式主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。第一，輪式驅(qū)動(dòng)方式需依賴行走輪與線路表面的靜摩擦力牽引機(jī)器人移動(dòng)，當(dāng)靜摩擦力不足以克服重力用時(shí)，容易導(dǎo)致行走輪打滑，尤其在上坡線路段和結(jié)冰線路段，打滑現(xiàn)象頻繁且嚴(yán)重。打滑不僅嚴(yán)重影響機(jī)器人的作業(yè)效率，而且容易損壞電線，縮短行走輪的使用壽命，同時(shí)，嚴(yán)重打滑會(huì)讓機(jī)器人變得難以控制，甚至無(wú)法移動(dòng)。第二，基于直流電機(jī)的輪式驅(qū)動(dòng)方式的效率有一定的局限性，因而實(shí)際研發(fā)的高壓輸電線路作業(yè)機(jī)器人在無(wú)障礙線路的巡航速度還無(wú)法滿足實(shí)際需要；第三，基于直流電機(jī)的輪式驅(qū)動(dòng)方式，需要配備電機(jī)及伺服裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及行走輪，研發(fā)成本高，機(jī)體重，尺寸大。

磁力直線驅(qū)動(dòng)常見(jiàn)于磁懸浮列車技術(shù)領(lǐng)域，目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在開(kāi)發(fā)、研制高速磁懸列車。1905年有兩人分別建議用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為火車的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，一位是英國(guó)的h.wilson建議把許多初級(jí)短段嵌入軌道，在需要時(shí)就接上電源。另一位是德國(guó)的a.zehden建議把許多初級(jí)裝在車上，把片狀次級(jí)軌條裝在軌道上，a.zehden的想法正是目前一些國(guó)家正在進(jìn)行大規(guī)模試驗(yàn)的幾種直線電動(dòng)機(jī)的先驅(qū)。直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是由一個(gè)定子(初級(jí))和一個(gè)轉(zhuǎn)子(次級(jí))組成，上述的任何一種方式，本質(zhì)上是利用同級(jí)相斥異極相吸的磁學(xué)原理，都是基于磁極的磁力驅(qū)動(dòng)方式。磁懸浮列車技術(shù)用磁力驅(qū)動(dòng)方式取代了列車傳統(tǒng)的輪軌系統(tǒng)，大大提高了列車速度，并消除了有害摩擦和振動(dòng)噪聲，提高了旅行的舒適度。

綜上所述，輪式驅(qū)動(dòng)的架空高壓輸電線路作業(yè)機(jī)器人存在打滑、效率低下和驅(qū)動(dòng)模塊成本高等問(wèn)題，而一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人方法在加工及結(jié)合工藝上易發(fā)生漏磁，所獲得的安培力大小不理想，利用高壓電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并改變?cè)械拇蚩状┚€工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)磁力驅(qū)動(dòng)才能解決以上問(wèn)題，要利用高壓導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁力驅(qū)動(dòng)，且避免發(fā)生漏磁，必須采用新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明就是在這樣的背景下展開(kāi)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可避免打滑、漏磁，且制作簡(jiǎn)單的架空高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置利用通有電流的導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁材料在高壓輸電線周圍的環(huán)形磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力，作為機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)力。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

架空高壓輸電線路巡檢機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)裝置，包括磁芯和導(dǎo)線；

所述的磁芯以高壓導(dǎo)線為軸線、由可開(kāi)合的上磁芯和下磁芯閉合組成；磁芯和下磁芯均由導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊交替連接構(gòu)成，且整個(gè)磁芯中導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊也是交替連接；

所述的導(dǎo)線為u型導(dǎo)線，包括一條長(zhǎng)邊和兩條短邊，采用u型導(dǎo)線將磁芯中所有導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊順次連接，具體為：

設(shè)磁芯中導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊數(shù)量為n，將導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊順次記為導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊1、導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊2、……導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊n；采用(n-1)個(gè)u型導(dǎo)線，u型導(dǎo)線卡于磁芯上，且第i個(gè)u型導(dǎo)線一短邊的端頭連接導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊i的外側(cè)，另一短邊的端頭連接導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊(i+1)的內(nèi)側(cè)，i依次取1、2、…(n-1)。

進(jìn)一步的，導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊均呈扇環(huán)狀。

進(jìn)一步的，導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊各自直邊延長(zhǎng)線的交點(diǎn)落于高壓導(dǎo)線上。

進(jìn)一步的，第i個(gè)u型導(dǎo)線一短邊的端頭連接導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊i的外側(cè)中心處，另一短邊的端頭連接導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊(i+1)的內(nèi)側(cè)中心處，i依次取1、2、…(n-1)。

本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置的工作原理如下：

見(jiàn)圖1～2，上磁芯2和下磁芯3閉合，利用導(dǎo)線6將磁芯中所有導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4順次連接，形成一條通路，此時(shí)導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5在磁芯中充當(dāng)電絕緣體將導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4隔開(kāi)。導(dǎo)線6的長(zhǎng)邊601和短邊602均置于空氣中，上磁芯2和下磁芯3的內(nèi)、外徑與高壓導(dǎo)線1同心，且導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4與導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5的兩邊交點(diǎn)落在高壓導(dǎo)線1軸線上。當(dāng)導(dǎo)線6通電時(shí)，電子將從導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4的外端向下一導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4的內(nèi)端運(yùn)動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4可看作充當(dāng)通電導(dǎo)線。導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4在高壓導(dǎo)線1周圍的磁場(chǎng)8中受到安培力的作用，并與導(dǎo)線6的長(zhǎng)邊601受的安培力做差，即巡檢機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)力。

本發(fā)明由機(jī)器人系統(tǒng)電源以電流源的方式給導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊提供電流，借助機(jī)器人自帶的傳感器控制導(dǎo)線的電流大小及方向，從而控制機(jī)器人的移動(dòng)方向和移動(dòng)速度。與2014年湖北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的一種架空高壓輸電線路作業(yè)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人方法相比，該方法不采用磁芯打孔穿線方式，避免了線圈與磁芯導(dǎo)向孔間隙配合帶來(lái)的漏磁嚴(yán)重問(wèn)題。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)磁力驅(qū)動(dòng)方法是利用高壓線周圍的磁場(chǎng)，使通有電流的導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊受安培力作用，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，打破了由輪臂式驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)方法，并徹底消除了輪臂式驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的打滑問(wèn)題。

(2)利用對(duì)導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊通電的方法，有效的避免了由多電機(jī)帶來(lái)的機(jī)器人體型笨重及體型龐大等問(wèn)題。

(3)可有效提高機(jī)器人的巡檢效率。

(4)與現(xiàn)有的磁極式驅(qū)動(dòng)原理不同，本發(fā)明利用高壓線周圍磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁材料產(chǎn)生安培力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)可以通過(guò)控制電流的輸入大小及方向使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)加速或剎車，設(shè)計(jì)新穎。

(5)與目前現(xiàn)有的架空高壓輸電線路作業(yè)磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)器人方法相比，本發(fā)明避免了線圈與磁芯導(dǎo)向孔間隙配合帶來(lái)的漏磁嚴(yán)重問(wèn)題。

(6)本發(fā)明實(shí)施簡(jiǎn)便，體積小，重量輕，造價(jià)低廉。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置的原理圖；

圖2為本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置的主視圖；

圖3為本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置磁芯的閉合左視圖；

圖4為本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置磁芯的打開(kāi)立體視圖；

圖5為本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置上磁芯的立體視圖；

圖6為本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置下磁芯的立體視圖；

圖7為實(shí)施例中磁芯的尺寸示意圖；

圖8為架空高壓線路上坡路段機(jī)器人的受力圖。

圖中，1-高壓導(dǎo)線，2-上磁芯，3-下磁芯，4-導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊，5-導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊，6-導(dǎo)線，601-長(zhǎng)邊，602-短邊，8-磁場(chǎng)，9-高壓導(dǎo)線電流。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1～6，本發(fā)明裝置中，通有電流的導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4利用高壓電流周圍的磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在高壓線路上行走。本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)體，所述的驅(qū)動(dòng)體包括磁芯和導(dǎo)線6，磁芯又由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的上磁芯2和下磁芯3閉合組成，上磁芯2和下磁芯3以高壓導(dǎo)線1作為軸線實(shí)現(xiàn)開(kāi)合。上磁芯2和下磁芯3均由導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5交替連接而成，且上磁芯2和下磁芯3結(jié)合面處的材料互不相同，即整個(gè)磁芯中導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5交替連接，這樣可強(qiáng)化高壓電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。本發(fā)明中，導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5均呈扇環(huán)狀，導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4和導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5各自直邊延長(zhǎng)線的交點(diǎn)落于高壓導(dǎo)線1上。

利用導(dǎo)線6將各導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4順次連接，導(dǎo)線6具體為u型導(dǎo)線，包括一條長(zhǎng)邊601和兩條短邊602，短邊602為無(wú)效邊，u型導(dǎo)線置于空氣中。各u型導(dǎo)線一短邊的端頭連接一導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊外側(cè)，另一短邊的端頭連接下一導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊的內(nèi)側(cè)，這樣即實(shí)現(xiàn)了所有導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4的順次連接。導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5充當(dāng)絕緣體將導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4隔開(kāi)，使導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4在通有電流的條件下受安培力作用。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力即導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4與長(zhǎng)邊601所受的安培力之差。具體實(shí)施時(shí)，u型導(dǎo)線一短邊的端頭連接一導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊的外側(cè)面中心處，另一短邊的端頭接觸下一導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊的內(nèi)側(cè)面中心處。這樣，電子將從導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4的外側(cè)面中心處流向下一導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊的內(nèi)側(cè)面中心處，即實(shí)現(xiàn)最短路徑運(yùn)動(dòng)。

參見(jiàn)圖7，磁芯的內(nèi)半徑r1受高壓導(dǎo)線外徑及支撐輪尺寸約束，本實(shí)施例中，磁芯內(nèi)半徑r1為48mm。磁芯外半徑r2根據(jù)磁芯受力情況與所受安培力大小優(yōu)化得到一個(gè)取值范圍，本實(shí)施例中，磁芯外半徑r2為92mm。

本發(fā)明磁力驅(qū)動(dòng)裝置中，可采用級(jí)聯(lián)方式或增加導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊數(shù)量，達(dá)到倍增磁力驅(qū)動(dòng)的目的。

本實(shí)施例中，上磁芯2和下磁芯3提供的磁力驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如下：

取高壓電流i0＝1000a(實(shí)際高壓電流可達(dá)到3000a)，導(dǎo)線6中電流i1＝10a。高壓導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)近似于圓形磁場(chǎng)，給導(dǎo)線6通電時(shí)，電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4，此時(shí)每塊導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4可視為一根載流導(dǎo)線，所受安培力f0為：

式(1)中，μr＝1000μ0，μr為磁芯蓋和磁芯的磁導(dǎo)率；真空磁導(dǎo)率μ0＝4π×10^-7。

假設(shè)磁芯中導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4的總數(shù)為60，則可視為60根載流導(dǎo)線，所受的安培力f1為：

導(dǎo)線6的長(zhǎng)邊601是置于空氣中，則60根導(dǎo)線6的長(zhǎng)邊601所受的安培力f2為：

導(dǎo)線6的短邊602所受力可忽略不計(jì)。

參見(jiàn)圖1，機(jī)器人的磁力驅(qū)動(dòng)力為導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4與長(zhǎng)邊601所受的安培力之差，即機(jī)器人磁力驅(qū)動(dòng)力f為：

f＝f1-f2≈78n(4)

因此，本實(shí)施例中可提供78n的牽引力。

考慮到高壓線路上坡路段機(jī)器人需要更大的牽引力，參見(jiàn)圖8，取線路坡度γ＝45⁰，實(shí)際線路很少達(dá)到如此大的坡度。根據(jù)式(4)計(jì)算結(jié)果，在忽略摩擦力的前提下，78n的磁力驅(qū)動(dòng)力可以驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人的重量g為：

即可驅(qū)動(dòng)約11.2公斤的機(jī)器人。

本發(fā)明具有很好的擴(kuò)展性，將上述磁力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行級(jí)聯(lián)，則可倍增機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力。

盡管本文較多地使用了上磁芯2、下磁芯3、導(dǎo)磁導(dǎo)電軟磁塊4、導(dǎo)磁不導(dǎo)電軟磁塊5、導(dǎo)線6、長(zhǎng)邊601、短邊602等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其它術(shù)語(yǔ)的可能性。使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。