变电站搬运机器人的机械臂结构设计与分析＊

袁镜江，何满棠

变电站搬运机器人的机械臂结构设计与分析＊

袁镜江，何满棠

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

随着社会的进步，中国输电线路网络技术也在蓬勃发展，因此，与之相关的变电站的数量在不断增加，相对应的用人数量也在不断增加，加上相关专业技术人员的匮乏，导致国家现有搬运人员越来越无法满足变电站的搬运任务。因此，设计分析了一种实用新型的电力作业搬运机器人，主要从结构和组成分析了其能够自动搬运重物的运动机理。搬运机器人的使用不仅可以提高作业工作效率、节省劳动成本，还不容易发生安全事故。

输电线；变电站；搬运任务；工作效率

1 引言

随着经济和社会的发展，人们对电力供应的要求也在不断提高，电力线路的铺设也将日益完善。在当今现代社会发展中，电力作业的应用已经渗透到社会生活中的每一个角落，种类和数量众多的电力设备已经支撑起了社会生活的正常运行。由于电力设备种类繁多、数量大、应用广泛等特点，所以，经常会发生电力设备故障或损坏的现象，因此需要电力相关工作人员进行维护或维修。然而，在维护和维修的过程中，时常需要搬运一些重物，比如高压瓷瓶，而目前主要是采用人工搬运重物的方式，由于一些重物体积比较大，光靠人工无法搬动，这样不仅容易降低劳动者作业的工作效率，而且还容易发生安全事故，为了解决上述问题，本文设计了一种应用在电力作业的新型搬运机器人，并对其结构进行设计与分析。

2 新型机器人的机械臂结构设计与分析

本文设计的新型机器人主要解决的技术问题是提供一种自动作业的重物搬运机械人，不需要人工操作，这不仅可以提高作业效率，且不容易发生安全事故，新型电力作业重物搬运机械臂的整体结构如图1所示。

新型搬运机械人的结构为：第一伸缩支腿设置在车架底盘的前端，包括第一旋转关节、第一支腿液压缸、第一主腿以及第一伸缩杆腿；第二伸缩支腿设置在车架底盘的前端，包括第二旋转关节和第二支腿液压缸、第二主腿以及第二伸缩杆腿；第三伸缩支腿设置在车架底盘的后端，包括第三旋转关节、第三支腿液压缸、第三主腿以及第三伸缩杆腿；第四伸缩支腿设置在车架底盘的后端，包括第四旋转关节、第四支腿液压缸、第四主腿以及第四伸缩杆腿。

另外，第一伸缩杆腿、第二伸缩杆腿、第三伸缩杆腿和第四伸缩杆腿之间可进行伸缩设置，以抬升车架底盘的高度。第一履带和第二履带设置在车架底盘的两侧端，车架底盘的两侧端设有车轮，第一履带和第二履带包裹在车轮外，通过在车架底盘的两侧端设置第一履带和第二履带，方便机器人行走爬行。旋转底板可旋转设置在车架底盘上。伸缩臂设置在旋转底板的一侧端上。斜推油缸设置在旋转底板的另一侧端上，机械臂铰接设置在伸缩臂远离旋转底板的一端上。机械臂包括第一电机、第一转臂、第二电机、第二转臂、第三电机，安装板、第四电机以及固定板。由于机械臂操作灵活独特，已经在工业装配、安全防爆以及电力搬运领域得到广泛的应用，但对于不同的任务，机械臂则需要规划关节空间的运动轨迹，因此，这就对机械臂的精度要求极为重要。机械臂是一个多输入、多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统，存在着参数摄动、外界干扰等不确定因素，本文将从3个角度去分析新型机械手臂的结构组成以及特点。搬运机械臂抓手结构正面如图2所示。

机械手臂的组成部分以及特点分析：机械手臂设置在固定板上，当重物为高压瓷瓶时，该机械手包括械手安装底座、第一手爪支撑板、第二手爪支撑板、第一手爪板、第二手爪板、第一推动板和第二推动板。

机械手安装底座内设有第五电机，并且两端分别设有第一丝杆和第二丝杆，另外还分别设有第一安装框和第二安装框；第一手爪支撑板和第二手爪支撑板对称设置在机械手安装底座的一侧面上，其中第一手爪支撑板设有用于卡置高压瓷瓶的第一夹持块，第二手爪支撑板设有用于卡置高压瓷瓶的第二夹持块。第一手爪板铰接设置在安装底座的一端上，其中第一手爪板的一端上设有用于卡置高压瓷瓶的第三夹持块，第二手爪板铰接设置在安装底座的另一端上，其中第二手爪板的一端上设有用于卡置高压瓷瓶的第四夹持块。第一推动板和第二推动板分别可移动设置在机械手安装底座的两侧端，第一推动板和第一手爪板的另一端连接，以通过第一推动板带动第一手爪板转动，第二推动板和第二手爪板的另一端连接，以通过第二推动板带动第二手爪板转动。

20—车架底盘；21—第一履带、第二履带；22—旋转底板；23—伸缩臂；24—斜推油缸；25—机械臂、机械手；26—第一伸缩支腿；27—第二伸缩支腿；28—第三伸缩支腿；29—第四伸缩支腿。

10—安装底板；11—第一手抓支撑板；12—第二手抓支撑板；13—第一手抓板；14—第二手抓板；15—第一推动板；16—第二推动板；17—第五电机；101—第一安装框；102—第一刹车电机；103—第二安装框；104—第二刹车电机；105—第一滑动导轨；106—第二滑动导轨；154—第一移动部；155—第一滑块；164—第二移动部；165—第二滑块；171—第一丝杠；172—第二丝杠。

在实施过程中，第二开孔呈椭圆状设置，以使得第一手爪板的另一端可在第一推动板的第一开孔内移动，且第二开孔和第四开孔呈椭圆状设置，以使得第二手爪板的另一端可在第二推动板的第二开孔内移动。第一推动板设有与第一丝杆螺纹连接的第一移动部，第二推动板设有与第二丝杆螺纹连接的第二移动部，以通过第五电机驱动第一丝杆和第二丝杆转动，以带动第一移动部在第一丝杆上移动，第二移动部在第二丝杆上移动，从而带动第一推动板和第二推动板在机械手安装底座的两侧端移动。同时，安装底座的两侧端分别设有第一滑动导轨和第二滑动导轨，第一推动板设有用于在第一滑动导轨上移动的第一滑块，第二推动板设有用于在第二滑动导轨上移动的第二滑块。当机械手需要夹紧高压瓷瓶时，第五电机控制第一丝杆和第二丝杆转动，以带动第一移动部和第二移动部朝远离第五电机方向移动，使得第一移动部带动第一推动板朝远离第五电机方向移动，第二移动部带动第二推动板朝远离第五电机方向移动。此时，第一推动板带动第一手爪板的另一端一起移动，由于第一手爪板的中部铰接设置在第二承载板远离第一承载板的一端上，因此第一手爪板的一端朝向第二手爪支撑板方向靠近，以夹紧高压瓷瓶；同理，第二推动板带动第二手爪板的另一端一起移动，由于第二手爪板的中部铰接设置在第四承载板远离第三承载板的一端上，因此，第二手爪板的一端朝向第一手爪支撑板方向靠近，以夹紧高压瓷瓶；反之，当机械手需要松开高压瓷瓶时，第五电机控制第一丝杆和第二丝杆反方向转动，以带动第一移动部和第二移动部朝靠近第五电机方向移动，使得第一移动部带动第一推动板朝靠近第五电机方向移动，第二移动部带动第二推动板朝靠近第五电机方向移动。

3 结论

随着中国自动化技术的不断发展，服务于电力供应作业部门的自动搬运机械人也开始成为学者研究的热点问题，机械臂作为一个复杂多变的多输入多输出的系统，存在着很多不确定的因素，本文从以解决实际问题的角度出发，设计分析了一种用于变电站搬运的新型机械人的结构，从结构和使用方法的角度进行了总结分析，并且详细列出了机械人的结构组成，列出了机械人的3个局部示意图，从张紧和松开两个角度进行了分析，并且以高压瓷瓶为载体详细分析了搬运机械人的工作流程，这将为以后的机械人的设计与研发提供理论参考与依据。

［1］张郭，谢亚军.自动搬运机器人的设计与研究［J］.伺服控制，2015（7）：54-55.

［2］王惠莲.智能搬运机器人的设计［J］.应用方法论，2011（2）：169.

［3］史士财，史磊，李荣.空间机械臂关键技术研究［J］.机械与电子，2007（9）：58-60.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.008

2095－6835（2019）18－0019－02

广东电网有限责任公司科技项目资助“东莞供电局变电检修辅助作业机器人应用研究”（编号：031900KK52160035）

〔编辑：张思楠〕