新型電力鐵塔攀爬機器人的設(shè)計及攀爬步態(tài)分析

劉 帥，莊紅軍，高宏力，魯彩江

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，貴州 畢節(jié)551700；2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都610031）

1 引言

為確保高壓輸電線路穩(wěn)定運行，需要定期檢測和維護(hù)電力系統(tǒng)。人工檢測輸電線路時需要攀爬電力鐵塔，該方法工作效率低，有高空墜落的風(fēng)險［1，2］。因此，電力鐵塔攀爬機器人的研制迫在眉睫［3，4］。它不僅能提高效率、降低高空墜落風(fēng)險，而且可在不影響供電的情況下進(jìn)行作業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，針對電力鐵塔攀爬機器人的研究都未能推廣應(yīng)用。四川大學(xué)的陸小龍等人對電塔攀爬機器人進(jìn)行了較多研究，設(shè)計了一種機械夾持機構(gòu)［5］。后期他們又設(shè)計了一種直線推桿機構(gòu)［1］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊模仿昆蟲蠕動設(shè)計了一種電磁吸附攀爬機器人［6］。總的來看，運動方式主要為步進(jìn)式和蠕動跨越式，靜態(tài)定位方式主要為機械夾持式和磁吸附式。機械夾持式能穩(wěn)定夾持，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾持器通用性差：磁吸附式結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性有待提高。此外，如何跨越電力鐵塔上螺栓區(qū)等障礙物也是研究難點之一。現(xiàn)階段的設(shè)計中，機器人夾持對象都是電力鐵塔的角鋼，尚未將角鋼上的腳釘加以利用，利用腳釘攀爬能避開角鋼上的眾多障礙，具有研究價值。

這里參考了尺蠖攀爬步態(tài)，創(chuàng)新性地以角鋼上的腳釘為夾持對象，采用機械電磁復(fù)合手爪的夾持方式，設(shè)計了一種新型電力鐵塔攀爬機器人并對攀爬步態(tài)進(jìn)行了分析。機械電磁復(fù)合手爪結(jié)構(gòu)簡單，可以在不光滑的角鋼表面實現(xiàn)穩(wěn)定夾持。以腳釘為夾持對象的機器人遵循設(shè)計的攀爬步態(tài)進(jìn)行攀爬時，可以避開螺栓區(qū)、節(jié)點板等障礙物，解決了避障這一難題。

2 機器人攀爬對象的選取

電力鐵塔一般由4根尺寸較大的主材角鋼和一些用于斜拉支撐的輔材角鋼構(gòu)造而成［7］。主材與地基常呈80°傾角布置，布局較為簡單：而輔材為各種角度的斜拉布置。主材與輔材、輔材之間都采用螺栓直接連接或者通過節(jié)點板連接而成。

沿著角鋼棱線攀爬時，機器人運動過程中重心落在角鋼上，運動較穩(wěn)定，因此，選擇棱線進(jìn)行攀爬。如圖1所示，電力鐵塔的一條主材上設(shè)有腳釘供電力工人攀爬，腳釘在角鋼兩側(cè)交替且均勻分布，腳釘伸出的長度遠(yuǎn)大于障礙物高度，以腳釘作為夾持對象，將大大簡化機器人結(jié)構(gòu)，解決越障難題。

圖1 電力鐵塔Fig.1 Electric Power Tower

綜上，這里以主材角鋼為攀爬對象，以主材角鋼上的腳釘為夾持對象，沿角鋼棱線攀爬。

3 攀爬機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

這里參考尺蠖攀爬步態(tài)設(shè)計了機器人主體，創(chuàng)新性地以鐵塔角鋼上的腳釘為夾持對象，設(shè)計了機械電磁復(fù)合手爪。

3.1 主體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

攀爬機器人主體，如圖2所示。包括前腕關(guān)節(jié)、中間關(guān)節(jié)、后腕關(guān)節(jié)三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，依照關(guān)節(jié)將其分為前手爪、前臂、后臂、后手爪。前臂裝有攝像頭用來觀察工作環(huán)境并將其傳輸至地面，后臂上的電池可以為機器人提供電能，實現(xiàn)機器人離地工作。

圖2 攀爬機器人模型Fig.2 Model of Climbing Robot

如圖3所示，前、后腕關(guān)節(jié)分別由單獨的電機直接驅(qū)動，調(diào)節(jié)前、后手爪的俯仰角度。中間關(guān)節(jié)的運動由安裝在后臂內(nèi)部的電機驅(qū)動，電機通過齒輪帶動絲桿轉(zhuǎn)動，螺母沿著絲桿上下移動，中間關(guān)節(jié)驅(qū)動桿位置的變化可以改變兩臂的夾角，即利用電機的正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)中間關(guān)節(jié)的角度大小。

圖3 攀爬機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal Structure of Climbing Robot

3.2 機械電磁復(fù)合手爪的設(shè)計

現(xiàn)階段靜態(tài)定位主要分為機械夾持和磁吸附兩種方式，機械夾持穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁鐵吸附結(jié)構(gòu)簡單，但夾持不穩(wěn)定。綜合兩者的優(yōu)點，這里設(shè)計了一種機械電磁復(fù)合手爪。

手爪主要包括糾偏裝置、足架、電磁鐵和機械爪，結(jié)構(gòu)如圖4所示。足架一端與機器人的前后臂相連，另一端連接電磁鐵和機械爪。手爪前端的糾偏裝置呈90°，可與角鋼兩側(cè)面完全貼合起到導(dǎo)向作用，當(dāng)手爪輕微偏離角鋼棱線時，也可起到糾偏作用。電磁鐵選用條形電磁鐵，兩電磁鐵呈90°且與角鋼兩側(cè)面貼合。手爪兩側(cè)各有一個機械爪，左右完全對稱。因為主材角鋼上的腳釘左右交替分布，對稱設(shè)計可保證必有一側(cè)的機械爪夾持在腳釘上，同電磁鐵與角鋼的兩個接觸點共同構(gòu)成一個三角形，保證了夾持的可靠性。手爪夾持狀態(tài)，如圖5所示。

圖4 機械電磁復(fù)合手爪Fig.4 Mechanism-electromagnetism-combined Gripper

圖5 手爪夾持狀態(tài)Fig.5 Clamping State of Gripper

機械爪由齒條、齒條外殼、夾爪、連桿和定位桿組成，采用對稱設(shè)計，如圖6（a）所示。機械爪的開合由齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)，安裝在足架上的電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動兩個齒條同時向外移動，夾爪張開松開腳釘，反之則夾爪閉合夾住腳釘：連桿和定位桿的主要作用是對腳釘進(jìn)行定位，定位桿一端與夾爪鉸接，另一端與連桿通過銷連接，連桿另一端與齒條外殼鉸接，銷能在定位孔中自由滑動。如圖6（b）所示，夾爪閉合過程中，銷沿定位孔向外滑動，帶動定位桿向內(nèi)閉合，夾爪夾住腳釘時，定位桿的圓弧狀末端剛好與腳釘完全貼合并將其定位。

圖6 手爪上的機械爪Fig.6 The Clamper on the Gripper

3.3 關(guān)鍵受力部件有限元分析

為了保證機器人安全可靠地工作，對足架和中間關(guān)節(jié)驅(qū)動桿兩個關(guān)鍵受力部件利用Workbench進(jìn)行有限元分析。兩個部件均采用6061鋁合金，取安全系數(shù)為2，則許用應(yīng)力為27.6MPa。網(wǎng)格劃分采用四面體法并指定網(wǎng)格大小為1mm。

足架：在足架與機械爪的接觸面添加固定約束，在足架與臂連接的孔內(nèi)施加重力載荷。如圖7所示，足架最大形變量為0.009mm，最大應(yīng)力4.814MPa＜27.6MPa，滿足強度要求。

圖7 足架位移云圖及應(yīng)力云圖Fig.7 Deformation and Stress Figure of Gripper Frame

中間關(guān)節(jié)驅(qū)動桿：在驅(qū)動桿下端孔添加固約束，在上端的孔內(nèi)施加重力載荷。如圖8所示，最大形變量為0.550mm，可以安全工作：最大應(yīng)力19.433MPa＜27.6MPa，滿足強度要求。

圖8 中間關(guān)節(jié)驅(qū)動桿位移云圖及應(yīng)力云圖Fig.8 Deformation and Stress Figure of Connecting Rod

根據(jù)有限元分析結(jié)果，可以看出機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求，可以安全工作，設(shè)計合理。

4 機器人攀爬步態(tài)分析

攀爬機器人的首要任務(wù)就是攀爬電力鐵塔，以腳釘為攀爬對象可以避開螺栓區(qū)、節(jié)點板等障礙物，故只需考慮攀爬步態(tài)。機器人需要調(diào)整前腕關(guān)節(jié)、中間關(guān)節(jié)、后腕關(guān)節(jié)三者協(xié)調(diào)運動才能實現(xiàn)機器人的攀爬功能，因此有必要對機器人的攀爬運動進(jìn)行運動學(xué)建模，并且進(jìn)行相應(yīng)的運動學(xué)分析與仿真。

4.1 攀爬步態(tài)設(shè)計

攀爬步態(tài)的設(shè)計是機器人運動學(xué)分析的基礎(chǔ)，機器人攀爬步態(tài)如圖9所示。

圖9 機器人攀爬步態(tài)示意圖Fig.9 Climbing Gait of Climbing Robot

Step1：機器人前后手爪電磁鐵通電，機械爪閉合，前手爪緊緊夾持在2號腳釘上，后手爪夾持在1號腳釘上；

Step2：后手爪夾持狀態(tài)不變，前手爪電磁鐵斷電且機械爪張開，前、后腕關(guān)節(jié)以及中間關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合運動，使得前手爪松開2號腳釘，離開電力鐵塔并向上邁動；

Step3：前手爪夾持到3號腳釘上，前手爪電磁鐵通電且機械爪閉合，此時，機器人前后手爪緊緊夾持在腳釘上；

Step4：前手爪夾持狀態(tài)不變，后手爪電磁鐵斷電且機械爪張開，前、后腕關(guān)節(jié)以及中間關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合運動，使得后手爪松開1號腳釘，離開電力鐵塔并向上邁動；

Step5：后手爪夾持到2號腳釘上，后手爪電磁鐵通電且機械爪閉合，此時，機器人前后手爪緊緊夾持在腳釘上；

至此，機器人完成了一個攀爬步驟，以此循環(huán)。

4.2 攀爬運動學(xué)模型的建立

攀爬過程中，典型姿態(tài)為后手爪夾持在角鋼上，前手爪騰空，以機器人后腕關(guān)節(jié)為基坐標(biāo)系進(jìn)行D-H建模［8］。這里采用改進(jìn)D-H參數(shù)法建立連桿坐標(biāo)系［9］，如圖10所示。

圖10 攀爬機器人D-H模型Fig.10 D-H Model of Climbing Robot

通過建立連桿坐標(biāo)系得到D-H參數(shù)表，如表1所示。

表1 D-H參數(shù)表Tab.1 D-H Parameter Table

4.3 攀爬運動學(xué)分析

根據(jù)圖10連桿坐標(biāo)系建立連桿i對連桿i-1相對位置的齊次變換矩陣

展開，得

其中，

方程（3）構(gòu)成攀爬機器人的運動學(xué)方程。

4.4 攀爬運動學(xué)模型的驗證

采用的驗證方法為給定關(guān)節(jié)的變量值，代入運動學(xué)方程中求解相應(yīng)位姿坐標(biāo)，再代入Robotics Toolbox求解相應(yīng)位姿坐標(biāo)，若結(jié)果相等，則運動學(xué)模型正確，否則模型錯誤。

對各關(guān)節(jié)變量賦值：θ1=π/3，θ2=-2π/3，θ3=-π/6，代入式（3）得出機器人前手爪相對于基坐標(biāo)系的位姿r11=0，r12=1，

在Robotics Toolbox中建立一個3自由度機械臂模型，命名為“攀爬機器人”。定義初始位姿為［π/3，-2π/3，-π/6］，得到如圖11（a）所示的運動學(xué)模型。調(diào)用fkine（）函數(shù)進(jìn)行正運動學(xué)分析，可得機器人前手爪相對于基坐標(biāo)系的位姿矩陣為：

圖11 攀爬機器人運動學(xué)仿真Fig.11 Kinematics Simulation of Climbing Robot

式（4）與運動學(xué)方程求得的解一致，故運動學(xué)模型正確。

4.5 攀爬運動學(xué)仿真

機器人初始位置的關(guān)節(jié)變量為［π/3，-2π/3，-π/6］，終止位置關(guān)節(jié)變量為［π/6，-π/3，-π/3］。在Robotics Toolbox生成3個關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度曲線［10］，如圖11（b）、（c）、（d）所示。

可以看出：攀爬機器人在攀爬過程中各個關(guān)節(jié)運行平穩(wěn)，曲線平滑，不存在奇異點。而且，機器人各關(guān)節(jié)在攀爬過程中沒有剛性沖擊和柔性沖擊，滿足機器人的控制要求，設(shè)計合理。

5 結(jié)論

針對危險系數(shù)高的電力鐵塔作業(yè)，這里設(shè)計了一種新型電力鐵塔攀爬機器人并且分析了攀爬步態(tài)。創(chuàng)新性地將電力鐵塔角鋼上的腳釘作為夾持對象，采用機械電磁復(fù)合手爪，簡化了機械結(jié)構(gòu)。然后通過Workbench對關(guān)鍵受力部件進(jìn)行有限元分析，利用MATLAB里的Robotics Toolbox驗證了改進(jìn)D-H參數(shù)法所建攀爬運動學(xué)模型的正確性并且進(jìn)行了運動學(xué)仿真，結(jié)果證明了機器人機械結(jié)構(gòu)以及攀爬步態(tài)設(shè)計合理，為軌跡規(guī)劃和動力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。新型電力鐵塔攀爬機器人提高了夾持穩(wěn)定性，解決了避障難題，在攀爬過程中各個關(guān)節(jié)運行平穩(wěn)，無剛性沖擊和柔性沖擊。攀爬機器人可以保障電力工人的人身安全，提高電力檢測的效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。