蕩越式巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與越障機(jī)理

北京聯(lián)合大學(xué) 朱永林 閆貴琴 楊志成 劉 茜

蕩越式巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與越障機(jī)理

北京聯(lián)合大學(xué) 朱永林 閆貴琴 楊志成 劉 茜

針對(duì)現(xiàn)有巡檢機(jī)器人越障速度低，提出了一種由機(jī)體和雙臂結(jié)構(gòu)組成的蕩越式巡檢機(jī)器人，可使越障時(shí)間縮短為單擺周期。并在總體設(shè)計(jì)、行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和越障機(jī)理等方面進(jìn)行了研究。為了驗(yàn)證機(jī)器人結(jié)構(gòu)的合理性，根據(jù)機(jī)器人機(jī)械特性，對(duì)其在越障時(shí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析。利用MATLAB軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，說(shuō)明了蕩越式機(jī)器人具備越障速度快、所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論的正確性，制作了樣機(jī)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人試驗(yàn)，機(jī)器人能夠蕩越式越障，證明了設(shè)計(jì)的正確性。

蕩越式；快速搭線脫線；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；越障速度；運(yùn)動(dòng)學(xué)；仿真

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

架空電纜需要長(zhǎng)期的保護(hù)和維護(hù)，人工維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境危險(xiǎn)、工作效率低。因此，我國(guó)主管單位對(duì)巡檢機(jī)器人的研究非常重視，陸續(xù)推出了多款巡檢機(jī)器人，并在電力部門(mén)獲得一定程度的應(yīng)用[1-3]。

但是，就目前推出的機(jī)器人系統(tǒng)而言，研究重點(diǎn)大多圍繞越障控制問(wèn)題、障礙自動(dòng)識(shí)別等問(wèn)題。與實(shí)際的應(yīng)用要求相比，越障過(guò)程質(zhì)心位移平衡式機(jī)器人調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

1.蕩越式電纜巡檢機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及機(jī)體自平衡原理

機(jī)器人有一個(gè)正四棱柱型的機(jī)體，機(jī)體的兩端各有一條手臂。機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，每條手臂設(shè)計(jì)了3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、1個(gè)平移關(guān)節(jié)和1個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別是肩部電機(jī)、肘部電機(jī)、腕部電機(jī)；平移關(guān)節(jié)是電磁閥；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是行走輪，行走輪安裝在行走機(jī)構(gòu)中。機(jī)器人越障過(guò)程中，一般前臂作為吊掛臂，承擔(dān)整個(gè)身體的重量。同時(shí)機(jī)體調(diào)整姿態(tài)也是以前臂動(dòng)作趨勢(shì)提前調(diào)整。后臂作為工作臂，調(diào)節(jié)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，用于調(diào)節(jié)手臂的姿態(tài)，定位行走輪的搭線角度和位置。=

1.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

能過(guò)快速實(shí)現(xiàn)搭線、脫線是蕩越式機(jī)器人成功的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)能夠快速搭線脫線的機(jī)器手尤為重要。行走機(jī)構(gòu)的快速搭線和脫線，在做越障運(yùn)動(dòng)時(shí)，在動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化中減少能量損耗，還可提高越障速度[11]。此裝置可以使行走輪從電纜下方直接搭線；從電纜上方直接脫線。它克服了常規(guī)電纜機(jī)器人在越障時(shí)，行走輪需從側(cè)方繞過(guò)電纜，才能實(shí)現(xiàn)搭線和脫線的繁瑣程序。

圖2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.機(jī)器人越障機(jī)理

機(jī)器人無(wú)障礙行走時(shí)，兩個(gè)手臂承受了機(jī)器人的重量，機(jī)器人機(jī)體始終保持水平。其余各關(guān)節(jié)均處于待命狀態(tài)，當(dāng)行走至坡路時(shí)，調(diào)整一個(gè)肘關(guān)節(jié)夾角就可以很好地控制機(jī)器人的身體姿勢(shì)，該機(jī)器人有了較好的適應(yīng)性。

機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，陀螺儀和加速度傳感器測(cè)量出機(jī)體與地平線的夾角，就可判斷機(jī)器人的位姿，通過(guò)調(diào)整肩關(guān)節(jié)的角度，就可保持機(jī)體水平。并以此為參照，控制另一個(gè)機(jī)器臂的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和行走機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成其行走輪脫線、越障、搭線等動(dòng)作。

圖中“▇”代表左臂行走機(jī)構(gòu)；“□”代表右臂行走機(jī)構(gòu)。

圖3 越障機(jī)理過(guò)程示意圖

如圖3（A）所示，機(jī)器人遇到障礙物停止前行，此時(shí)，兩個(gè)機(jī)器臂均受力。圖3(B)所示，左手臂指關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)脫線，機(jī)器人的兩個(gè)肘關(guān)節(jié)逐步伸直，機(jī)器人的質(zhì)心下移，整個(gè)機(jī)器人以右手機(jī)構(gòu)為圓心，以兩臂長(zhǎng)為半徑做半圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3(C)右臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)左臂末端行走輪到達(dá)電纜下方時(shí)，電磁閥開(kāi)、合運(yùn)動(dòng)，指關(guān)節(jié)完成搭線動(dòng)作。如圖3(D)所示，機(jī)器人完成單臂越障行動(dòng)。圖3（EF）重復(fù)圖3（BC）運(yùn)動(dòng)，區(qū)別左右手動(dòng)作順序交換。最后，機(jī)器人還原初始狀態(tài)，完成越障過(guò)程。與文獻(xiàn)[1]蠕動(dòng)式越障對(duì)比，將分解的7個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作，組合成3個(gè)復(fù)合動(dòng)作，提高了越障速度。

3.機(jī)器人受力仿真

從圖3所示的巡線機(jī)器人越障過(guò)程可以看出，由于機(jī)器人減少了用于平衡機(jī)體的質(zhì)心機(jī)構(gòu)，手臂的各關(guān)節(jié)承受的轉(zhuǎn)矩將大大減小。即便如此，為了提高機(jī)器人在越障過(guò)程中安全性，仍保留兩種不同的越障方式，即傳統(tǒng)方式越障和蕩越方式越障。

設(shè)置仿真過(guò)程中機(jī)器人各部分質(zhì)量如下: m0=7.63 kg(因?yàn)闇p少了配重模塊等),m1=2kg ,m2=l kg,m3= 0.5kg, m4= 1kg，m5=2kg；l1=250mm，l2=350mm，l3=200mm，l4=350mm，l5=250mm。

巡線機(jī)器人在蕩越障礙物時(shí)，由于慣性的存在，手臂從脫線到搭線過(guò)程中，機(jī)器人由勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，再由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。根據(jù)機(jī)械能守恒定律，機(jī)器人越障過(guò)程幾乎不需要外加動(dòng)能。現(xiàn)實(shí)來(lái)說(shuō)，各個(gè)電機(jī)的力矩輸出也會(huì)較小。下面詳細(xì)分析機(jī)器人在越障時(shí)各個(gè)階段，雙臂各關(guān)節(jié)的受力情況。

腦，需要讀取物資信息時(shí)，掃描該物資的身份二維碼，即可讀取到所需的數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2，物資入庫(kù)時(shí)，用戶通過(guò)軟件客戶端錄入相關(guān)信息，并由二維碼生成模塊生成該物資唯一的二維碼，此時(shí)數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫(kù)作為初始數(shù)據(jù)；在儲(chǔ)存過(guò)程中物資的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄該物資狀態(tài)變化的信息；物資出庫(kù)投入使用時(shí)可用掃碼設(shè)備對(duì)其掃碼識(shí)別，以讀取初始數(shù)據(jù)信息；在使用過(guò)程中隨著使用時(shí)間的推移，其對(duì)應(yīng)信息均由系統(tǒng)自動(dòng)保存入數(shù)據(jù)庫(kù)；物資達(dá)到使用年限，需報(bào)廢處理時(shí)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除其信息，同時(shí)其對(duì)應(yīng)的二維碼也隨之作廢。

4.結(jié)束語(yǔ)

二維碼技術(shù)的興起和其在購(gòu)物、支付、信息追蹤等各方面的廣泛應(yīng)用，極大的便利了現(xiàn)代人的生活。本文根據(jù)基層臺(tái)站物資管理的特點(diǎn)以及二維碼在信息儲(chǔ)存等方面的優(yōu)點(diǎn)和使用的便捷性，論述了二維碼技術(shù)應(yīng)用于基層臺(tái)站物資管理中的可行性和實(shí)現(xiàn)方法，為后續(xù)基于二維碼技術(shù)的臺(tái)站物資管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考。

[1]劉志海、萬(wàn)麗榮、宋作玲．條碼技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)．化學(xué)工業(yè)出版社．

[2]BarTender具體功能描述． BarTender官網(wǎng)．