哈尔滨工业大学成功研发高压线除冰巡检机器人
一种高压线除冰机器人的设计
一种高压线除冰机器人的设计设计了一款基于STC89C52单片机的高压线除冰机器人。
该机器人可通过蓝牙通讯、短信通信和自我检测完成在高压线上的行走、除冰和数据实时监测等功能。
通过实验室测试和调整，较好地实现了预期功能。
标签：机械除冰；光强检测；高压线路Abstract：A high-voltage deicing robot based on STC89C52 microcontroller is designed. The robot can perform the functions of walking，deicing and data real-time monitoring on high-voltage lines through Bluetooth communication，short message communication and self-detection. Through the laboratory test and adjustment，the expected function is well realized.Keywords：mechanical deicing；light intensity detection；high voltage line改革开放以来，我国的电力行业得到迅速发展，电网覆盖面积扩大，线路走廊穿越的地理环境更加复杂，输电线路冰灾事故更为频发。
严重的输电线路覆冰会导致杆塔倾斜、倒塌、断线，绝缘子闪络，而且线路不均匀覆冰和不同期脱冰还会引起导线舞动现象，这些情况会引发线路跳闸、供电中断等事故，给工农业生产和人民生活造成严重影响。
目前，国内外除冰方法有30余种，根据除冰机理可分为机械除冰法与热力融冰法两类。
机械除冰方法能耗较小，但是除冰效率低，而且一般需要人工参与；热力融冰较机械除冰速度快，安全性高，但实际应用中限制因素太多，不能广泛适用。
对于较为严重的导线覆冰一般以人工上线除冰最为有效，但人工除冰危险性很高且效率较低。
悬挂行走式高压线除冰越障机器人的设计
悬挂行走式高压线除冰越障机器人的设计朱健林;原所先;陈陆淼;李建军【摘要】通过对高压线除冰技术的分析,重点研究了高压线除冰技术中机械除冰方式的实现方法,通过大量的设想与实践,确定了高压线除冰机械装置的比较有效机构.设计了悬挂行走式高压线除冰越障机器人加强除冰能力.有助于在冰冻或大雪之后高压线上的冰块等破除,防止危险的产生.而且此机器人自行控制,减少了人力,提高了效率.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2011(024)006【总页数】3页(P22-23,15)【关键词】高压线;除冰;越障;行走;机械【作者】朱健林;原所先;陈陆淼;李建军【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言气候多变，无论北方南方都面临着冰雪天气，给高压电线等高空设备带来了很大伤害。
南方的冻雨导致这些降雨在空中还是水，但是落到了高压电线上就结成了冰，冰越结越厚，导致电线不堪重负，最后被压断，或者高压电塔被压垮。
尤其是因雪灾导致电力设施损毁，给工农业生产和交通运输带来了巨大损失。
因此，开发高压线除冰设备具有重大意义。
国内外对高压线除冰装置的开发进行了许多研究，但目前真正投入使用的高压线除冰装置基本没有，在寒冷冰冻天气下，高空环境中，作业的装置要求很高，不仅可以承受住温度等的考验，还要克服高压线的挠度、风力的干扰，保证工作的正常进行。
悬挂行走式高压线除冰机器人是通过机械巧妙创新，利用行走和除冰两个机构进行高压线越障除冰的功能，有助于在冰冻或大雪之后高压线上的冰块等破除，防止危险的产生。
而且此机器人自行控制能达到减少人力，提高效率的目的。
1 整体结构设计由于工作环境特殊，除冰机器人必须满足：具有爬坡、下坡和制动能力；具有防滑能力；具有足够的空间和负载能力，可模块化搭载相应除冰装置；较小的重量和体积，便于携带和投送；具有足够灵活的越障能力，并在越障时保证机器人姿态平稳，保持与导线和线塔金属部件的安全间距[2]。
高压线除冰机器人设计
福州大学本科毕业设计（论文）开题报告题目轻量化高速过障超高压巡线除冰机器人设计院、系机械工程及自动化专业机械设计制造及其自动化学生姓名杨祥学号*********指导教师聂晓根2013年10 月28 日国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献通过这个课题的研究，能通过一种机械设备，较高效率的替代工作人员预防和除去因雨雪冰冻引起的线缆冰冻灾害，减轻工作人员的负担，保障电力设施的正常运行，降低电力公司的损失，保障人民生活的正常进行。
如今一些国家也在研究线缆除冰问题，不少国家在此领域也有不少成就，线缆除冰技术关系到人们生活中的各个方面，除了电力公司设备设施，工作人员的安全外，还关系到交通运输，生活用电等。
各种除冰技术及除冰方案也有所不同，目前国内外的除冰技术有30余种，常见的就有热力融冰法、机械除冰法、自然被动法和其他方法。
热力融冰法[1]就是利用电阻焦耳效应发热来融化线缆上的覆冰，具体操作方法为当供电线缆上的冰层达到一定厚度时，先停止供电，断开供电导线与两端设备的联接，在线路的一段用临时导线将结冰的供电导线联通，而在另一端接上除冰用的临时电源和滑动变阻器调节电流的大小，使供电导线的温度保持在一定的范围内。
已有的机械除冰法也有各种各样的机构形式：文献[架空高压输电线除冰机器人设计] [2]给出了一种由曲柄滑块机构组成，滑块沿轴线方向高速往复滑动，冲击头与滑块固接，带动冲击头敲打覆冰。
其冲击头构件零件图如图1所示：图1 敲打式除冰冲击头这种机构除冰方式可以用于不同厚度形状的覆冰，但由于覆冰在低温下具有粘性，冲击头破冰后，可能在电线上粘有一层薄冰层，可能会使得破冰不够彻底，且影响除冰效率。
文献[高压输电线上除冰机器人的系统设计] [3]提出了一种压轮推进方式除冰机构，该机器人除冰刀具如图2所示：图2 压轮推进式机器人刀具示意图该设计机体上的两个固定压轮骑挂在输电线上保持机体的平衡，机体的重心位于输电线下方，另两个动力压轮分别与两个固定压轮配合，当推动动压轮时, 动压轮向上抬升, 与固定压轮配合从上下夹紧输电线, 依靠压轮与输电线的摩擦获得前进的动力，机体前部的除冰机构呈圆柱形, 分为上下两个。
“长眼”的钻头会从一个油层钻进另一个油层
用……多次循环） ，还可使 隔爆 设备具备 “ 防 （ 两 防止擅 自送
电， 防止 擅 自开盖 操 作 ） ”功 能和 “ 开 一 防 （ 盖 报 警 、或 三 开 开盖 断 电 、或 开盖 闭锁 及 防 止 擅 自开 盖 操作 ） ”功 能 ，填 补 了
国内外一项技 术空 白，具有创造性、先进性和实用性 ，可产
护电力供应 ，还可避免人工 高危 作业 ，提 高救灾抢险效率 。
目前，研发者正在搜集南方 雨雪冰冻的最 新相关数据，对机
器人进行适应性改进 。
据哈工大机 电学院大学生机械创新实 践基地 副主任 王滨 生介绍 ，这部 除冰 机器人 曾在去年获得第 四届全 国大学生机 械创新 设计大 赛一等奖， 目前正在 申请专利 。这 部机 器人 长 ４ ４厘米 、宽 ２ ４厘米，看上 去就像 吊在金属 电线上的小坦克模 型 。按下开关 ，它便 紧紧地夹着 电线稳步前进 ，最前端 安装 的两把 月牙形 除冰 刀有 力开合，将附着在金属 电线上 的冰凌
成果 ，有利于加快实现大规模 商业 化应 用的最终 目标 。该项
目现 已和赣商集 团签订协议 ，并获得数 亿资助，应用前景可
观。
近年来 ，我 国南方部分地 区频繁发生雨雪冰冻灾害 ，导
致输 电线表面结冰 、重力增 大，高压输 电线路大面积受损 。
而除冰工作要 由人工进行 ，不仅 工作 量大、效率低 ，而且十 分危 险。这部机器人能除掉 ８ ５毫米线 径上包裹的直径达 —１ ６ Ｏ毫米的冰柱，速度可达每 小时 ７０米 。研发 小组还为这部 ５ “ 除冰机 器人 ”自主研发 了随动越障扇轮 、人字 定心机 构、
业 化 开 发 ，预 计 国 内市 场 效 益 约 ４ ０亿 元 。 ０
架空高压输电线除冰机器人设计
块机 构 ，滑块 沿轴线 方向高速 往复滑动 ， 冲击头与滑块 固接 ，带动 冲击头沿轴线 方 向以 １ Ｈｚ的频率敲打覆冰 。同时 ，发动 ５
引言
输 电 线 路 冬 季 因 受冰 雪 危 害 引起 的 供 电中断事故通常都是较严重的， 其修复难度 大、 周期 长 、 电面 积 广 、 响铁 路 交通 。 停 影 因
少 ，效 率 较 低 。 自然被动法 ：依靠风 、地球 引力、随 机 散射和温 度变化等 脱冰 的被动方法。该 方法无需附加 能量 ，但随机性 较大 ，不能 保证 可靠除冰 。
ｍ ｃｉ Ｔ ｅ ｒｂ ｔ ａ ｏ ｔ ｋ ｓ ａ ｖ ｎａ ｅ ｏ ａｈ ｅ ｎ ｈ ｏｏ ｌ ａ ｅ ｄ ａ ｔ ｇ ｆ ａ ３
热 力融 冰 法 ：利 用 电 流 电 阻 焦 耳 效 应 发 热 融 化 线 上 的 覆 冰 ，这 种 方 法 把 冰 融
２机器人行走模块 ．
资料显示 ，国内外高压线巡线机器人
的行走基本采用两种方式 步进蠕动式和轮
式 滚 行 式 。 进 蠕 动式 行 走速 度较 慢 ， 缆 步 线 与夹 紧块 比较 ， 直径 较 小 ， 步行 方 式 的稳 定
化 ，消耗 同样 的 能量 ，所 能 除的 覆冰 较
ｔ ｅ ｉ ａ ｄ ｎｕｅ ｈ ｓ ａ ｉｔ ｏ ｔ ｅ ｈ ｌｅ ｎ ｅ ｓｒ ｔｅ ｔ ｂｌｙ ｆ ｈ ｗｈ ｛ ｎ ｉ ｏｅ
性较高 ， 且具有跨越障碍的功能；轮式滚行 方式速度快 ， 但不平稳 。 本文设计的机器人 行走装置将两者的优点结合 。 三个带槽的轮 子紧紧地将输 电线缆夹紧， 既能达到所需行
ｐ ｐｒ ｗ ｒｍ ｔ ｎ ｅ ｆｃ￣ｅ ｗａ ｏ ｒｄｃ ｈ ａ ｅ ｍ ｐｏ ｏ ｅ ａ ｆｅ ｔ ｙ ｔ ｅ ｕｅ ｔｅ
输电线路除冰机器人抓线智能控制方法
运动学模型：建立机器人的运动学模型，描述机 器人末端执行器（抓线机构）与关节角度之间的 关系，为路径规划提供基础。
在实现过程中，需要进行大量实验验证和调试， 确保控制方法的稳定性和可靠性。最终，通过在 实际输电线路除冰场景中的应用，验证该方法的 有效性和实用性。
04
实验与结果分析
实验设置
01
实验环境
感知系统
包括摄像头、红外传感器等，用于实时监测 输电线路的位置、状态和冰层厚度。
电源系统
为机器人提供持续稳定的能源供应，保证长 时间作业。
机器人工作原理
感知阶段
机器人利用感知系统对输电线路进行 扫描，获取线路的位置、形态和冰层 信息。
分析阶段
控制系统对感知数据进行处理，识别 出需要抓取和除冰的目标区域。
2. 传感器技术集成：成功集成了 多种传感器技术，实现了对输电 线路状态实时监测和自适应控制 。
这些创新点和贡献推动了机器人 技术在输电线路维护领域的发展 ，提高了电力系统的运行可靠性 和安全性。
未来研究展望
尽管本研究取得了显著成果， 但仍存在一些有待进一步探讨 的问题
1. 复杂环境下的适应性：未来 研究可进一步关注机器人在更 复杂环境（如极端天气、复杂 地形）下的适应性和稳定性。
2. 性能提升：相比传统的人工除冰方法 ，机器人除冰方法在效率、安全性和经 济性方面均有显著提升。
创新点与贡献
1. 控制算法创新：首次将深度学 习算法应用于机器人抓线控制， 提高了控制的精确度和稳定性。
3. 经济性提升：通过机器人自主 作业，降低了人力成本，提高了 除冰作业的经济性。
本研究在输电线路除冰机器人抓 线智能控制方法方面的创新点与 贡献如下
输电线路除冰机器人抓线智 能控制方法
高压电线除冰机器人
高压电线除冰机器人
作者：暂无
来源：《发明与创新·中学生》 2016年第2期
文长沙市雅礼中学1303班刘哲成
高压电线结冰后需要抢修与维护时，由于工作条件恶劣，人工作业存在难度大、危险性高、费用高的弊端。
本文在机械手工作原理的基础上，提出了一种高压电线除冰机器人的设计构想。
一、机械手的组成及工作原理
机械手是一种能模仿人手某些动作的器械，主要用来代替人抓取、搬运物体。
作为一种早
期的机器人，它被用来代替人类做一些繁重的劳动，并能在恶劣环境下工作，因而被广泛应用。
其结构如图1所示。
当右边的拉杆I顺时针旋转时，拉杆II带动滑块I向右运动，此时，上、下夹具体分别随滑块II、III向中间靠拢，这样机械手就可将物体夹起，如图2。
二、除冰机器人设计构想
以机械手工作原理为基础，我提出一种高压电线除冰机器人，其结构如图3所示。
为提高
除冰效率，需在机械手的夹具体上添加细齿。
高压电线除冰机器人在线轮的转动下沿电线前进，当拉杆I顺时针转动时，通过拉杆II、滑块I、II、III的传递，机械手的夹具体将高压电线夹住，从而将高压电线上的冰块除掉，如图4。
中国造高端薄膜太阳能电池关键生产设备下线
代 表 第 二 代光 伏 技 术 的 薄膜 太 阳 能 电池是 在 玻
璃 、金 属 或 塑 料 等 基 板 上 沉 积 很 薄 的光 电 材 料 形 成 的
一
商用４ 纳 米手 机芯 片研 发成功 Ｏ
展讯 通信有限公司２ １年 １ ９ ０ 月１ 曰在北京发布 了商 １
用４纳 米 手 机 芯 片 。 ０
卜 海交火物理 系科研团 队
研发 西米级超导带材
上海交通大学物 理系教授李贻 杰领 衔的科研 团队 历时３ ，于近 Ｅ成功研 发国内百米级第二代高温超 导 年 ｌ
带材。
破损情况 。机器人上部还装有夜视灯 ，可 以在夜 间和雾
霾 天气 下 作 业 。
百万 千瓦空冷 机组投 产发 电
磁共 振 成像 仪 等 ，产 业 前景 不 可限 量 。 节 约标 准 煤 ２ ． 吨 ，每 年 减 少 向 大 气 排 放 二 氧 化 硫 ５万 ３
近 年来 随着超导带 材制备技术 的不 断提高 ，其成 ７ 万 吨 ；两 台百 万 干 瓦 超 超 临 界 空 冷 机 组 节 水 效 果 显 ． ２ ４万吨／ ，与同容量湿冷机组耗水 年 本正在快速 下降 ，目前同样规格 的带材价格仅为５ 年前 著 ，实际耗水量为６０ 的五分之一 ，超 导技术正在逐步进 入实用阶段 。该 团 量３ ０ 万吨／ ３４ 年相 比，节水量达２ ６万吨／ ，相当于近 ６４ 年 ０ 队研 制成功 了载流能 力达 到１４ ９ Ａ、百米级的第二代高 ８万人一年的用水量。 温超导带材 ，这一 阶段性成果有利于 加快 实现大规模
目前 世界主 流量产 的手机芯 片普遍采 用６纳 米技 ５ 术 ，此次展讯 通信研 发成功 的４纳米 手机芯片 ，可 以 ０ 在 更 小 的芯 片集 成 更 多 的 电路 ，具 有 高性 能 、低 功 耗 、高集成度 、低成本等四大优势。
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４ ５岁， 曾经是一名职业网球手。 考夫曼的发明历时 ６ 年
才 获成 功 。
这 种 雨 伞打 开呈 半 球 形 ， 面装 有 背 带 ， 用 时将 里 使 背 带套在 肩膀 上 即可 固定 。只 需轻按 一个按键 ， 雨伞就 会 自动打 开 。这种新 型 雨伞 用尼龙 和铝 合金 制成 ， 其前 端 伞 面采 用 热 塑性 聚 氨 酯 为材 料 ， 约 １ 重 ． 斤， ２公 售价
聚 氨 酯对 雨伞 的新 创 新
折 叠 雨伞 虽然 可 以达 到 节约 空 间的 目的 ， 是 由于 但 需要 龙 骨 支撑 ， 因此 还是 需要 占用不 小的 空间 。而这款 充 气雨伞 则 可以为 您节 约更 多的 空间 。
展
哈尔滨工业大学成 功研 发高压 线 除冰 巡 检 机 器 人
膜 制造 工 艺、 装备 设 计及 配方 等 关键技 术 ， 形成 了具有 核 心竞 争能 力的 专有技 术和 工 艺 ， 品技 术指标 可媲 关 产
进 口产品 ， 填补 了国 内空 白， 打破 了国外的 市场 垄断 。 深 圳 市星 源 材 质科 技 股 份 有 限公 司动 力锂 电池 隔 膜 华 南制造 基地 一期 工程 的投 产 ， 四 川 大学与 深圳 市 是
关键技术。在三维夹芯层连织物织造方法、 异步施胶工
艺及 制 造技 术等 方 面有 重要创 新 ， 已获 国 家授 权 专利 ５
项， 具有 自主 知识产权 。经现 场试 用反 映 良好 。
星源材 质科技 股份 有 限公 司发挥 各 自优 势 ， 学研 密切 产 合作 的 结果 ， 有 力推 动我 国新 能 源和 新材 料产 业 的发 将
一
充 气的 雨伞整体 由聚 氨 酯材质 制成 。 它的使 用方 法
类似 于气球 ，使 用者 可 以利 用手 柄 上 的 气泵 给 雨伞 充
部 由哈 尔滨工 业 大 学研 发 的 “ 高压线 除 冰巡检 机
气， 因此 无 需 骨架 的 支撑 ， 雨伞 仍 然 可 以保持 坚挺 。放 气过程 同样 非 常简单 ， 需拉 开 手柄 即 可。 内置 的三 个 只
作 开展锂 离子 电池 隔膜 的研 究开发 工作 ， 同承担 了国 共
人 工 费下 降 ５ ％， ０ 总成 本 １ ８元／ 别较 传 统 手 糊 ７ ｍ， 分
法及 真 空浸渍 法低 ２ ％和 ４ ％。 层 工 艺简单 、 ０ ０ 铺 层数 少，
提 高工效 大为提 高。制 作过 程 固化 变形 小， 品结 构之 产 刚性 明显优 于传 统材料 同类之 产品 。
这 种机 械 手臂 非 常 柔软 ， 至 能够攥住 生鸡蛋 或 者 甚 活老 鼠 ， 与传 统 的 坚硬 机械 手 臂 相 比 ， 它没 有 复 杂精 确
家 ８ ３项 目“ 离子动 力蓄 电池 高安 全性 复合 隔膜 的产 ６ 锂
业化” ，并在 锂 电池 隔膜 的研 制 方 面取得 重 大突破 。在
动 力锂 电池 的产 业化过 程 中， 四川 大学提供 了锂 电池隔
在研 制过 程 中 ，厂校 合 作 攻 克 了三 维 夹芯 层连 织 物织 造 、 匀浸胶 复 合 、 品 结构设 计 及 其连接 装 配等 均 产
３ ０英 镑 ｆ 合 ５ 美元 １ 约 ９ 。
国 内高校研发三维夹芯复合
材 料 机 舱 罩
由北 京航 空航 天 大 学 和 江 苏常 州伯 龙 三 维复 合 材 料 有 限公 司和 北 京航 空航 天 大学共 同研 制 的这 两种 为 风 力发 电 配套 的产 品 ， 有 重 量 轻 、 具 整体 刚度 好 、 振 抗
在搜 集 南方 雨雪 冰 冻的最新 相 关数据 ， 对机 器人 进行 适
应性 改进 。
这 种雨伞 名 为“ ｕｒｌ ”发 明者 艾伦 ・ Ｎ ｂｅａ ， ｌ 考夫 曼现 年
・
Ⅷ ・
科技信 息
据 哈 工 大机 电 学 院大 学 生机 械 创 新 实践 基 地 副 主 任 王 滨 生介 绍 ，这部 除 冰机 器人 曾在 去年 获得 第四届 全 国大 学 生机 械创 新 设计 大赛一 等 奖 ， 目前 正在 申请 专利 。这 部机 器人 长 ４ ４厘 米 、 ２ 宽 ４厘 米 ， 看上 去 就像
以常 用的 １ ＭＷ 风 电机舱 罩 为例 ，有 无加 强筋 者 ． ５ 其 重量分 别为 ２ ０ ｋ ４ ０ ｇ与 １ ０ ｋ 。单位 面积重 量 ９５ ｇ ９０ｇ ．ｋ ／
ｍ ２
，
研 究 团 队基 于在 高分 子 材料 加 工 方 面 的科 研 优 势 ， 于 ２ ０ 底 开始 与深 圳 市星 源材质 科技 股 份有 限公 司合 ０ ７年
吸 能 、 型工 艺 简便 及成 本较低 等 显著优 点 。 成
四川大 学 主 导研 发 的锂 电池 隔 膜 打 破 国外 垄 断
锂 电 池 隔膜 是 关 系到我 国新 能 源产 业发 展 的 关键
材料 ， 长期被 国外 两 家公 司垄断 。四川 大 学高分子研 究
所和 高分子 材 料 工程 国家 重点 实验 室 向 明教授 领 导的
Ｌ Ｄ还 可 以帮 助 你照 亮夜 晚 的道
器人 ” ，有 望帮助 中国南 方遭 受低 温 雨 雪冰冻 灾害的地 区清 除 高压 线上 的 积冰 ， 可有 效 维护 电力供 应 ， 可 既 又 避 免人 工 高危作 业 ， 高救 灾抢 险效 率 。 提 目前 ， 研发 者正
科 技 信 息
・Ⅶ ・
就会 发 电 ， 而供 收音机 使 用 。淋 浴 收音 机 节 能环保 ， 从
相信倡 导绿 色生活 的达人 们一 定会 爱不释 手 。 Ｈ ０表 示 ，这 款 收音 机 可 以直接 连 接 到 淋 浴软 管 ２ 上， 兼容 当前 市面上 ９ ％的淋浴设 备 。 ２ ９ Ｈ ０还排 除 了一 个 让 大家担 心 的方 面 ，那就 是 淋 浴收 音机 并不会 影响 水压 ， 以用户 不用担 心 洗浴 受到 影 响。 所