電力巡檢可調(diào)機(jī)械人的設(shè)計(jì)與研究

王守鵬

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132102)

中國(guó)及世界大規(guī)模的高壓電力網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，使以人工巡檢為主的電力巡檢壓力越來(lái)越大，由于架空線(xiàn)路長(zhǎng)期暴露在野外，因重力而產(chǎn)生的機(jī)械張力、線(xiàn)材的老化、冰霜雨雪等惡劣天氣，都影響著電力系統(tǒng)的正常工作[1].掛線(xiàn)式巡檢機(jī)器人有著近距離檢測(cè)準(zhǔn)確、巡檢速度快、在惡劣氣候下可靠巡檢等特點(diǎn)成為本文研究的重點(diǎn).掛線(xiàn)式巡檢機(jī)器人的工作環(huán)境，對(duì)機(jī)器人的越障能力提出更高的要求.現(xiàn)有的掛線(xiàn)式機(jī)器人主要有多關(guān)節(jié)蛇形巡檢機(jī)器人、雙臂式巡檢機(jī)器人、平行四臂巡檢機(jī)器人及復(fù)合式巡檢機(jī)器人等，其中加拿大四臂巡檢機(jī)器人LineRanger越障最迅速，應(yīng)用也最為成熟，但其結(jié)構(gòu)只適用于固定線(xiàn)寬雙線(xiàn)巡檢，不能應(yīng)用于單線(xiàn)及不同規(guī)格線(xiàn)寬巡檢[2].本文針對(duì)復(fù)雜工作環(huán)境設(shè)計(jì)一種四臂可控姿態(tài)五桿巡檢機(jī)器人，在傳統(tǒng)四臂巡檢機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上加入姿態(tài)控制桿件，使機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活多用、越障能力強(qiáng)等特點(diǎn)，更適合高壓線(xiàn)上近距巡檢工作[3].

1 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是其正常工作和越障能力的基礎(chǔ)，常見(jiàn)的越障方式包括兩種，一種跨越式，另一種為穿越式.跨越式遇到防振錘、懸垂、線(xiàn)夾等障礙物時(shí)采用多臂交替越障，越障能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自重大，如圖1所示.穿越式工作時(shí)不脫離高壓線(xiàn)路，利用彈性阻尼機(jī)構(gòu)直接滾過(guò)障礙物，具有越障迅速、結(jié)構(gòu)重量輕等特點(diǎn)，如圖2所示.本文在設(shè)計(jì)上采用穿越式機(jī)械臂[4].巡檢機(jī)器人的主要機(jī)構(gòu)包括：掛線(xiàn)機(jī)構(gòu)和底座驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分.

1.1 五桿掛線(xiàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

考慮到機(jī)器人的越障需求，設(shè)計(jì)時(shí)采用可調(diào)五桿機(jī)構(gòu)[5-6]，解決多工位多角度掛線(xiàn)控制問(wèn)題，機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示.機(jī)構(gòu)在正常工作時(shí)，通過(guò)控制主桿和姿態(tài)控制桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)控制機(jī)器臂的掛線(xiàn)姿態(tài).該機(jī)構(gòu)的自由度為2，利用兩組3副機(jī)構(gòu)從底座提供輸入驅(qū)動(dòng)，輸出機(jī)構(gòu)桿為“電機(jī)架掛線(xiàn)輪”組件，掛線(xiàn)時(shí)，兩組3副機(jī)構(gòu)輸入的角度不同，利用不同的差動(dòng)角度控制掛線(xiàn)位置和姿態(tài).

機(jī)器人采用對(duì)稱(chēng)布局，兩組共4個(gè)掛線(xiàn)臂，其受力符合平面機(jī)構(gòu)受力要求.分析時(shí)可以簡(jiǎn)化為平面機(jī)構(gòu)，在工作時(shí)通過(guò)改變主桿和受力桿運(yùn)動(dòng)角度，可以完成不同線(xiàn)寬雙線(xiàn)纜及單線(xiàn)纜掛線(xiàn)功能.其掛線(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真如圖4所示.

當(dāng)遇到障礙物時(shí)，障礙物(如防振錘、懸垂等線(xiàn)夾)向上推動(dòng)線(xiàn)輪，驅(qū)動(dòng)姿態(tài)控制桿的彈簧推桿受力壓縮，姿態(tài)控制桿的角度發(fā)生變化，線(xiàn)輪在壓緊線(xiàn)纜的前提下旋轉(zhuǎn)越障，如圖5所示.

1.1.1 建立掛線(xiàn)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

建立以O(shè)點(diǎn)為圓心的笛卡爾直角坐標(biāo)系,以X軸正方向?yàn)閰⒖蓟鶞?zhǔn),如圖6所示，各桿件命名為L(zhǎng)1、L2、L3、L4和L5，主桿L1和姿態(tài)控制桿L4初始角度為θ1和θ4，建立如圖1所示的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型.

根據(jù)矢量條件建立掛線(xiàn)輪位移模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

將式(5)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得：

(6)

矩陣方程形式：

(7)

(8)

各國(guó)高壓電線(xiàn)的寬度并沒(méi)有統(tǒng)一，使用五桿機(jī)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)整輸入角度θ1和θ4，來(lái)實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)，用以上位移方程和動(dòng)力學(xué)方程，可以定量求解不同寬度的線(xiàn)纜上的可靠掛線(xiàn).本文采用450 mm線(xiàn)寬線(xiàn)纜，未掛線(xiàn)初始角度θ1=144°，θ4=163°；掛線(xiàn)時(shí)的角度θ1=133°，θ4=104°.

1.1.2 機(jī)器人靜態(tài)工作仿真

UG是德國(guó)西門(mén)子公司研發(fā)的一款CAD/CAM/CAE商用軟件，設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，其運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真模塊既可以執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、靜力學(xué)分析又可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)分析[7].

因?yàn)閁G的動(dòng)力學(xué)分析只能在運(yùn)動(dòng)副之間傳遞外載荷，因此可以利用設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)求解各構(gòu)件之間的受力情況.在靜力學(xué)分析時(shí)，對(duì)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將掛線(xiàn)臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成一個(gè)獨(dú)立的剛體，在“掛線(xiàn)輪”和線(xiàn)纜之間施加轉(zhuǎn)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)設(shè)置為0，如圖7所示.掛線(xiàn)臂與底座的連接處施加轉(zhuǎn)動(dòng)副，驅(qū)動(dòng)設(shè)置“恒定”，其“初始位移”、“初速度”、“加速度”均設(shè)置為零，如圖8所示.使用UG的靜力學(xué)分析求解，可以得出“掛線(xiàn)輪”力幅值為102.4 N，如圖9所示.

使用同樣的方法可以將每一個(gè)構(gòu)件所受的載荷都求解出來(lái)，為后續(xù)機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

機(jī)器人工作時(shí)，其載荷不是靜態(tài)載荷，隨著工況的變化而改變，但這種改變對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的影響比較小.因此,本文在合理提高安全系數(shù)的前提下，采用靜態(tài)載荷作為強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù).

1.2 底座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

“底座驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)”為“掛線(xiàn)機(jī)構(gòu)”提供兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸入，考慮實(shí)際使用需求，采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力來(lái)源，用4組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為掛線(xiàn)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力輸入.底座機(jī)構(gòu)由電機(jī)、蝸輪蝸桿、曲柄搖桿、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成，如圖10所示.

底座將電機(jī)的輸出扭矩經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速,利用蝸輪和搖桿組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，用搖桿滑塊組成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到4個(gè)主臂上，在搖桿上選取不同的節(jié)點(diǎn)組成一組新的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到姿態(tài)控制桿上，完成機(jī)械臂的掛線(xiàn)動(dòng)作，如圖11所示.設(shè)計(jì)時(shí)將驅(qū)動(dòng)“姿態(tài)控制桿”的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改為彈性桿，保證機(jī)器人正常越障.

2 整機(jī)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)巡檢機(jī)器人工作情況，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸，在保證機(jī)械人各構(gòu)件互不干涉的前提下，以強(qiáng)度、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)的可靠性為優(yōu)化變量，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸為約束條件，在保證其正常工作的情況下優(yōu)先考慮機(jī)器人的重量.

機(jī)器人的優(yōu)化，需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析[1].靜力學(xué)是有限元最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的分析形式，其分析不考慮慣性力、運(yùn)動(dòng)摩擦等因素，分析采用UGCAE高級(jí)仿真平臺(tái).選擇主要部件采用6061鋁材，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下可以降低機(jī)器人的重量.靜力學(xué)分析主要考核應(yīng)力和位移指標(biāo)，從云圖中看，機(jī)構(gòu)最大位移為25.3 mm,最大應(yīng)力為129.99 N/mm2，如圖12～13所示.

應(yīng)力可以滿(mǎn)足使用要求，但最大位移偏差過(guò)大，無(wú)法保證準(zhǔn)確掛線(xiàn)，必須對(duì)原有模型進(jìn)行改進(jìn)，在加大直徑和壁厚后，位移量從25 mm降到17.93 mm,如圖14所示.若繼續(xù)加大直徑，對(duì)重量影響較大，對(duì)構(gòu)件變形進(jìn)一步分析，決定對(duì)影響變形較大的姿態(tài)控制桿、連桿及主桿做加強(qiáng)筋處理，機(jī)構(gòu)的變形從17.93 mm下降到4.464 mm,如圖15所示，基本滿(mǎn)足機(jī)器人的使用要求.

3 巡檢越障運(yùn)動(dòng)分析

3.1 巡檢越障流程規(guī)劃

越障是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要指標(biāo).在巡檢中出現(xiàn)防震錘等障礙物時(shí)機(jī)器人必須具有自主越障能力.

步驟1：當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，機(jī)帶攝像對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別，減速.

步驟2：以?huà)炀€(xiàn)輪為研究對(duì)象，管線(xiàn)輪在行走時(shí)，會(huì)受到障礙物施加的垂直于掛線(xiàn)方向的反作用力.

步驟3：掛線(xiàn)輪上受到的力，會(huì)從推桿傳遞到姿態(tài)控制桿，最終會(huì)傳遞到底座的曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)桿上.

步驟4：底座上驅(qū)動(dòng)姿態(tài)控制桿的推桿設(shè)計(jì)成彈性推桿，當(dāng)載荷超過(guò)140 N時(shí)，推桿將受迫壓縮，使掛線(xiàn)輪受力彈開(kāi)的同時(shí)始終緊緊壓在導(dǎo)線(xiàn)及障礙物體上，依靠摩擦力及其他掛線(xiàn)輪保證機(jī)器人不掉落，完成越障動(dòng)作.

3.2 越障過(guò)程仿真

使用UG運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真模塊，進(jìn)行機(jī)器人的越障仿真.其仿真過(guò)程，如圖16所示.

4 結(jié) 論

基于對(duì)電力巡檢方式研究，設(shè)計(jì)一款具有自主越障能力的巡檢機(jī)器人，通過(guò)靜力學(xué)分析修改結(jié)構(gòu)的尺寸和形式，利用UG的動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊，對(duì)機(jī)器的掛線(xiàn)功能，越障功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.與其他巡檢機(jī)器人相比，本文中的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、越障可靠，可在多種線(xiàn)距間進(jìn)行越障.此次設(shè)計(jì)創(chuàng)新地采用雙驅(qū)動(dòng)可調(diào)五桿機(jī)構(gòu)，提高機(jī)器的工作柔性，為后來(lái)機(jī)器人研究提供一個(gè)新思路，具有參考價(jià)值.