巡检机器人机械结构设计研究

李坤全，文睿

（河南工程学院，河南 郑州 451191）

巡检机器人机械结构设计研究

李坤全，文睿

（河南工程学院，河南 郑州 451191）

随着科技的不断发展和社会的进步，科技广泛的应用于工业生产过程中，其中典型的例子如机器人的应用，用机器人代替人工进行作业，不仅节约了大量的劳动力，在一定程度上还保障了人们的生命安全。对于机器人而言，不同的行业，其作用也不同，例如有服务行业专用机器人，工业生产专用机器人以及进行巡检的机器人。本文从不同的方面对巡检机械人的机械结构进行研究。

巡检机器人；总体结构设计；机体结构设计

要想将机械和机构的功能充分发挥出来，就必须以机械结构为基础，而在对机械结构进行设计时是根据机械和机构的功能进行设计的。对于机械结构，在一定的程度上，我们可以将其看成图纸的复制粘贴，以原理设计方案为底板，将各个零件进行组装，通过输入一定的指令，进而实行特有的功能。对于整个机械人系统而言，巡检机器人的机械结构是基础工作，只有做好这项工作，整个机器人的系统的完成才有可能实现。这也是机器人朝着工程使用转型的一大难题。基于以上种种原因，对巡检机器人机械结构设计进行研究具有一定的实际意义。

1 巡检机器人总体机构设计

和机器人的基本机构相比较，巡检机器人的基本机构较为简单，在对巡检机器人的基本结构进行设计时，我们仅考虑运动学结构，而对于各个零部件的布局执行机构的具体设计等都不在总体机构设计的考虑范围之内，提出了不同机构设计的基础是建立在关节组合的自由度较少的基础上的。在这一理论的支持下，我国科研人员做了大量的实验，并按照相关的要求制作出相关模型。

对于七自由度机器人设计的要求而言，在对空间不进行干涉和关节结构的范围内可以对所有位姿进行调整，换句话讲，就是在进行巡检的过程中机器人可以自主的完成所有的巡检工作，此外，在巡检的过程中，对于一些障碍也会及时的躲避和跨越。

对于巡检机器人而言，由于工作需求，除了要考虑各个关节的自由度，以及躲避障碍工程所需的其他条件之外，对于一些技术问题也要进行充分考虑，例如像机器人在线路上固定的问题、机器关节行走自由度的控制的问题，为了使机器人可以进行自由作业，在其两臂安装行走机构是十分有必要的，行走机构上的行走轮的滚动进而带动巡检机器人进行巡检作业，在长时间的作业的状况下，滚动轮会出现行走打滑的现象，极大的降低了工作效率。为减少这一现象的发生，工作人员在每个主动轮下安装压紧轮，其作用有二，其主要作用是增加摩擦，降低滚动轮打滑几率，此外，以主动轮为参考对象，实现升降运动。在进行巡检的过程中，机器人的双臂还要具备蠕动爬行和单臂加持并跨越障碍物的能力，为实现机器人的这一能力，工作人员在两臂中安装夹爪；在跨越障碍物的过程中，机器人会出现左右摇动的现象，机器人还要具备自我调节重力的能力，因而在机器人的机构中还安装了一个重力调节机构，对受重状况进行分析，并对其进行调整。

根据工作原理，该机构可以完成不同的运动，例如在机器人的双臂悬挂时，整个机器人行走的动力支持是行走轮提供的滚动；由于工作需求，在进行作业时，机器人的两个机器臂不同时作业，可能是一个机械臂固定在线路上，另一机械臂脱地线跨越障碍物，这时的越障机械臂的空间运动动力支持是由压紧关节和伸缩关节共同提供的，摆动关节的主要作用是确保机械人在越障时机体和地线保持平衡，回转关节和移动关机的主要作用是保证机械臂转离或者是转回地线以及机械臂的相对运动。

2 巡检机器人结构设计

对于巡检机器人结构设计而言，它的设计主要包括四个方面：一是对机器人总体机构进行设计；二是对机体结构设计；三是机械臂结构设计；四是机器人总体模型。下面就对三种设计进行简单的分析。

2.1 机器人总体结构设计

巡检机器人的主要功能就是代替人完成相关作业，因而不仅要完成相关的动作，对一些突事件，还能进行处理， 因而其研制过程是一个相对较为复杂的过程。通过上文对巡检机器人总体机构设计进行研究，并对其机械人总体机构设计进行总结归纳，对于机械人的功能可分为三个层面。下面就对不同的层面进行简单的分析：首先是对于机器人的总体而言的，它的主要作用是可以实现行使、跨越。这一功能的完成要求机器人在运行轨道上高速行驶，并在行使的过程避开所有的障碍物。其次是对机器人进行“分割”，将机器人分为两个部分：机体部分和机械臂部分，机械臂在进行作业时，一个机械臂越障，进行位姿的固定和调整，另一机械臂的作用在以机体为调整平台进而夹持目标线路进行调整。这一过程中，机体可实现链机械臂的交错运动。第三个功能层就是更为细致的对机器人机构的功能进行划分：各个关节机构层面，对于机体的构成而言，其由两个机构组成，一是运动关节移动机构，二是辅助机构重心调节机构组成。另外，对于机械臂而言，主要有五部分构成；其分别是回转机构、摆动机构、伸缩机构以及运动关节等。之外，机器人还有一个装置，就是机器人控制箱，它的主要作用是储存电源、控制系统以及各种处理设备。之外其还有一大作用，就是对作用重心调节机构的调节码使用，它的工作原理十分简单，将其连接到重心调节机构上即可。

在一定的程度上我们可以讲巡检机器人整体机构模块是各个零部件的有机整合，其各个关节机构模块包括两个四和一个一，具体而言，两个四是指上述我们描述过的四种关节以及四种辅助机构；一个一是指一个控制箱。之外，各个模块零部件的安装都是相互独立的，各个零部件组装之后，对各个模块进行有机的整合，就完成了整个机器人的机械结构的设计。

2.2 机体结构设计

首先机器人两个机械臂的载体是机器人机体，其次是机械臂要想正常工作，就必须要依附于机器人的机构中，对于机器人的机构而言，它由三部分组成：移动机构、中心机构以及控制箱。另外，由于机器人机体的质量越大，消耗的能量就越大，因而为了尽可能的减轻其质量，其机体机构成为最重要重力承载体。在重力调节机构中，其机构支架是移动机构，控制箱和重力机制像连接，它的主要作用在于对各个辅助系统作业正常进行监测，之外，还有一个重要的作用，就是作为重力调节器的调节块使用。

2.3 机械臂结构设计

作为机器人整个机构的最为重要的组成部分，机械臂是机器人行使和越障的重要关节机构的有机集合。对于机械臂机构，我们可以将其大致分为五个部分，首先是行走机构，其次是夹爪机构，再次是伸缩开关，有的机器人中是压缩机构，第四是摆动机构，第五就是会转机构，在机械臂的回转关节上有一个固定移动滑块，它的主要作用就是和移动关节的导轨相连接。

2.4 机器人总体模型

在各个系统，各个关节的设计完成之后，对其进行组装，进入对机器人进行总体模型设计的环节。在这一环节中，要注意将控制箱和重心调节滑块相连接，机体部件的形成不是各个关节的累加，而是重心调节机构和移动机构两者的有机结合。机械臂部件是由行走机构、夹爪机构、机械外臂、摆动座以及蜗轮固定杆等组成。另外，移动滑块进行工作的前提是和移动导轨结合。再者，回转滑块台要和移动钢丝绳上的两个滑块连接，以上便构成机械人总体模型。

3 结语

综上所述，本用总分的形式对巡检机器人结构进行研究：首先对巡检机器人总体机构设计进行分析，其次从机器人总体结构设计、机体结构设计、机械臂结构设计以及机器人总体模型等四个方面对巡检机器人结构设计进行分析。

[1]刘璘 . 巡检机器人机械结构设计 研究 [J]. 赤 峰学院学报 ( 自 然版 ), 2012(24):73-75.

[2]叶 长 龙， 高 露， 余 雪， 等 . 三 臂 结 构 高 压 线 巡 检 机 器 人 设计 与 运 动 学 仿 真 效 果 研 究 [J]. 沈 阳 农 业 大 学 学 报， 2015, 46(1):79～84.

[3]曹雷 , 郭锐 , 赵金龙 ,等 . 架空输电线路巡线机器人越障过程运动学仿真分析 [J]. 微计算机信息 , 2012(7):50-51.

[4]王吉岱 , 王静 , 魏军英 . 一种新型四臂巡检机器人的机械本体设计与越障仿真分析 [J]. 机械传动 , 2015(6):103-106.

[5]张明 , 吴功平 , 刘夏清 ,等 . 高压巡线机器人清障机械臂运动学建模与分析 [J]. 武汉大学学报工学版 , 2015, 48(4):547-550.

[6]王婷 , 吴功平 , WANGTing,等 . 跨越式高压输电线路巡线机器人动力学研究 [J]. 电子设计工程 , 2015(21):5-8.

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