需要解决如下技术问题。 ２．２．１机器人运动学和动力学建模与分析
机器人运动学和动力学特性的准确建模是实
现机器人运动控制和导航避障的前提。除冰机器人
动力学建模需要重点考虑以下问题。 （１）必须考虑机器人与柔性作业环境间的非线
性动力学耦合特性。在进行除冰机器人动力学研究 时，必须考虑柔性作业环境对除冰机器人动力学特 性的影响，即大垂度柔性输电导线与相对刚性较大 的机器人之间的刚柔耦合特性。机器人本身是一个 多刚体动力学系统，而高压输电线路相邻两塔间的 万方数据
关键技术如下所述。
２．１
实现直线越障和变向运动时，由于姿态调整引起重 心不稳定，会通过夹紧臂传给导线一个反作用力， 这样，除冰机器人与作业环境间就构成了一个强耦 合系统。 （２）考虑机械臂和关节弹性效应的机械臂刚一 柔耦合动力学特性研究。为了提高作业效率，机器 人应尽可能轻质高速，为保证在高速高效的除冰作
础，输电线路在线除冰机器人本体设计需满足如下
几项基本技术指标：①可实现在柔性输电线缆上 的平稳爬行，具有爬坡、下坡和制动能力；②具 有防滑能力；③故障自保安措施和防摔落机制； ④具有足够的空间和负载能力，可模块化搭载相 应除冰装置；⑤较小的质量和体积，便于携带和 投送；⑥具有足够灵活的越障能力，可避越高压 线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍，并 在越障时保证机器人姿态平稳，并保持与导线和线
性的影响，需要结合变结构控制、鲁棒控制、自适 应控制、神经网络、模糊控制或视觉伺服控制等先 进控制方法ｌｌ引，研究不确定条件下除冰机器人的精
确运动伺服控制问题。 除冰机器人运行过程中需要跨越的主要障碍 物包括：绝缘子、防振锤和引流跳线（图７）。这通常
输电线除冰机器人跟一般工业机器人不同，它 悬挂在柔性输电导线上，在运行过程中机器人的姿 态时刻发生着变化，呈现出多体系三维空间的复杂
档距大到几百甚至上千米，弧垂可达几十米，是大 垂度柔索结构，具有柔性大且结构阻尼小的特点。 输电线路自身在风载等环境激励作用下会产生多
种形式的振动，线路的振动将通过机器人与导线之 间的边界耦合传递到机器人本体：同时，机器人在
殊的要求，现有巡线机器人技术无法满足其设计
要求。
２除冰机器人关键技术问题
输电线路在线除冰机器人是机械、电子、计算 机、通信和自动化等多学科交叉的产物，目前国内 外尚没有成熟的技术可供借鉴。由于工作环境复 杂，所以各项技术实现难度较大，需要突破的一些
ｏｆ
ｒｏｂｏｔ
０１１
ｏｖｅｒｈｅａｄ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ
ａ托ｓｕｒｖｅｙｅｄ．Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｃｏｍｐｌｅｘ
ｄｅ－ｉｃｉｎｇ ｒｏｂｏｔ
ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ
ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｈｉｇｈ
ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ
Ｒｅｖｉｅｗ
ｏｎ
Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｄｅ—ｉｃｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ ＷＥＩ
ＹＩＮ Ｆｅｎｇ ＹＡＮＧ Ｙｉｍｉｎ ＴＡＮ Ｌｅｉ
ｏｎ
Ｏｖｅｒｈｅａｄ
ＷＡＮＧ
Ｙａｏｎａｎ
Ｓｈｕｎｉｎｇ
ＣＡＯ
Ｗｅｎｍｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２）
内外对除冰机器人的研究报道较少，较早出现的输 电线路除冰机器人装置包括加拿大魁北克水电研 究院于２０００年开始研制的ＬｉｎｅＲＯＶｅｒ遥控小车”“。 该遥控小车起初用于清除电力传输线地线上的积
冰，后逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移 动平台，通过安装不同的工作头可完成架空线视 觉、红外检查、压接头状态评估、导线清污和线路 除冰”叫（图１）等不同作业任务，其缺点在于无越障 能力，只能在两线塔之间作业。通过技术的不断改 进”’”Ｊ，研究组于２００６年研制出结构更为复杂、
图７输电线路结构示意图
在设计控制系统时可采用如图８所示的分层控 制系统结构，即将总系统分为地面监控层（管理层）
和机器人本体控制层（规划层和执行层），分别实现
除冰机器人运动机构和除冰执行机构的伺服控制。
２０１１年１２月
王耀南等：输电线路除冰机器人关键技术综述
３３
杆塔等障碍，行走环境介于结构化和非结构化环境
・国家“十一五”科技支撑计划资助项１１１（２００８ＢＡＦ３６８０１）．２０１１０３０８ 收到初稿，２０１１０９２７收到修改稿
作业时，还可作巡线用途，其发展前景广阔。
万方数据
２０１１年１２月
王耀南等：输电线路除冰机器人关键技术综述
输电线路除冰机器人是电力特种机器人研究
领域的最新研究课题之一，国内外对于除冰机器人 研究尚停留在起步阶段，各项技术研究还未建立统 一的标准。为此，本文在简要介绍除冰机器人研究 取得的阶段性成果基础一ｆ：，将着重分析除冰机器人 研究中的关键技术问题，以期建立一个统一的研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｃｅ－ｃｏａｔｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｈａｒｍ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｐｏｗｅｒ鲥ｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ
Ｃａｎ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆｄｅ－ｉｃｉｎｇ，ｄｅ—ｉｃｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ ｈａｖｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｃｏｓｔ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ，ｅｔ ａ１．Ａｓ ａｒｅａ，ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｒｕｎｎｉｎｇ
功能更加完备，具备越障功能的ＬｉｎｅＳｃｏｕｔ输电线
巡检机器人““（图２），但该巡检机器人不具备除冰 功能。
图６三臂除冰机器人
作为输电线路作业机器人之一，巡线机器人研
图２加拿大巡线机器人
制过程积累的技术经验为除冰机器人研究提供了
万方数据
３２
机械工程学报
第４７卷第２３期
良好的借鉴，但是，由于除冰机器人工作在恶劣环 境中，对其结构、功能、动力、通信等方面都有特
大的局限性；随着机器人技术的发展，各种巡线机
器人已成功用于替代人工完成对输电线的巡检任
网覆冰现象严重，如何加强和改善输电线路的抗覆 冰能力，加快研究有效的线路抗冰融冰技术，最大
务，因此，采用机器人进行输电线路除冰已成为可
能。与传统除冰方法相比，采用机器人除冰具有无 人员伤亡、无须停电和转移负载等优点，无需除冰
ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｗｏｒｋ；ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ
ａｎｄ
ｓｔｒｏｎｇ
ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ｓｐｅｃｉａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｕｎｄｅｒ ｐｏｏｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ
框架，为除冰机器人后续研究工作提供参考。
１国内外研究现状
目前输电线路机器人主要应用于线路巡检“。Ｊ，
巡线机器人的研究始于２０世纪８０年代末，日本、
加拿大、美国等发达国家先后开展了巡线机器人的 研究工作”…。９０年代末，国内的一些研究机构和 高等学校陆续开展了巡线机器人的研究工作““…，
并取得一定的研究成果。与巡线机器人相比较，国
ｔｏ
ｏｎ
ａｎ
ｔｈｅ ｄｅ—ｉｃｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｉＳ ｓｔｉｌｌ ｉｎ ｉｔｓ
ｉｎｆａｎｃｙ，ａｎｄ
ｎｏ
ｍａｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｕｓ ｉｔ ｉｓ
ｒｅｖｉｅｗ ｃｕｒｒｅｎｔ
ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｎｄ
Ｏｎ
ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ．Ｓｔａｔｅ・・ｏｆ－ｔｈｅ—・ａｒｔ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅ・・ｉｃｉｎｇ
第４７卷第２３期
２０１
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ
Ｖｂｌ．４７ Ｄｅｃ．
ＮＯ．２３ ２ Ｏ ｌ １
１年１２月
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ

ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＤｏＩ：１０．３９０１，ＪＭＥ．２０１１．２３．０３０
输电线路除冰机器人关键技术综述宰
王耀南 魏书宁 印 峰 杨易曼 谭
磊
曹文明
（湖南大学电气与信息工程学院长沙４１００８２）
ａｒｃ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｅｉｃｉｎｇ ｒｏｂｏｔ
ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ． Ｄｅ・ｉｃｉｎｇ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ
ｒｏｂｏｔ
Ｄｅ－ｉｃｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ
Ｓｕｒｍｏｕｎｔ ｏｂｓｔａｃｌｅ
限度地避免和防止冰灾对输电线路造成的危害，已
在国内，山东电力研究院与加拿大魁北克水电
研究院进行合作，对ＬｉｎｅＲＯＶｅｒ小车在能源动力、
远程通信与控制、防水性能等方面做了技术改进， 完善了机构的性能，但仍不具备越障能力…１（图３）。 湖南大学在国家科技支撑计划的资助下，联合国防 科技大学、武汉大学和山东大学等多家单位，研制 开发了单体除冰机器人（图４）和可越障除冰的两臂 除冰机器人（图５）、三臂除冰机器人（图６），积累了 一定的研发经验。
摘要：输电线路覆冰严重危害到电网的安全稳定运行，与传统除冰方法相比，采用机器人除冰在能耗、成本及安全性等方面 具有优势。作为一个新兴的研究领域，国内外对除冰机器人的研究尚处在起步阶段，并没有成熟的技术可借鉴，因此有必要 对现有研究成果进行系统分析和深入总结。回顾国内外高压输电线路除冰机器人的研究和应用现状，详细探讨了除冰机器人 复杂柔性结构输电线缆上的高可靠性运动机构设计；复杂非结构化环境下的机器人自主行为控制与导航；无损伤高效除冰机 构；野外大范围长时间工作的持续动力供给；远距离强电磁干扰条件下的机器人远程通信、监测和遥操作；恶劣工作环境中 的本体特殊保护机制等关键技术问题。给出除冰机器人下一阶段研究方向的建议。 关键词：巡线机器人除冰机器人除冰机构输电线路越障 中图分类号：ＴＭ９３２