电力巡检可调机械人的设计与研究

王守鹏

(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132102)

中国及世界大规模的高压电力网络的建设，使以人工巡检为主的电力巡检压力越来越大，由于架空线路长期暴露在野外，因重力而产生的机械张力、线材的老化、冰霜雨雪等恶劣天气，都影响着电力系统的正常工作[1].挂线式巡检机器人有着近距离检测准确、巡检速度快、在恶劣气候下可靠巡检等特点成为本文研究的重点.挂线式巡检机器人的工作环境，对机器人的越障能力提出更高的要求.现有的挂线式机器人主要有多关节蛇形巡检机器人、双臂式巡检机器人、平行四臂巡检机器人及复合式巡检机器人等，其中加拿大四臂巡检机器人LineRanger越障最迅速，应用也最为成熟，但其结构只适用于固定线宽双线巡检，不能应用于单线及不同规格线宽巡检[2].本文针对复杂工作环境设计一种四臂可控姿态五杆巡检机器人，在传统四臂巡检机构基础上加入姿态控制杆件，使机械臂具有结构简单、灵活多用、越障能力强等特点，更适合高压线上近距巡检工作[3].

1 巡检机器人机构设计

巡检机器人的机构设计是其正常工作和越障能力的基础，常见的越障方式包括两种，一种跨越式，另一种为穿越式.跨越式遇到防振锤、悬垂、线夹等障碍物时采用多臂交替越障，越障能力强，但结构复杂，自重大，如图1所示.穿越式工作时不脱离高压线路，利用弹性阻尼机构直接滚过障碍物，具有越障迅速、结构重量轻等特点，如图2所示.本文在设计上采用穿越式机械臂[4].巡检机器人的主要机构包括：挂线机构和底座驱动机构两个部分.

1.1 五杆挂线机构设计及工作原理

考虑到机器人的越障需求，设计时采用可调五杆机构[5-6]，解决多工位多角度挂线控制问题，机构示意图如图3所示.机构在正常工作时，通过控制主杆和姿态控制杆的转动角度来控制机器臂的挂线姿态.该机构的自由度为2，利用两组3副机构从底座提供输入驱动，输出机构杆为“电机架挂线轮”组件，挂线时，两组3副机构输入的角度不同，利用不同的差动角度控制挂线位置和姿态.

机器人采用对称布局，两组共4个挂线臂，其受力符合平面机构受力要求.分析时可以简化为平面机构，在工作时通过改变主杆和受力杆运动角度，可以完成不同线宽双线缆及单线缆挂线功能.其挂线运动仿真如图4所示.

当遇到障碍物时，障碍物(如防振锤、悬垂等线夹)向上推动线轮，驱动姿态控制杆的弹簧推杆受力压缩，姿态控制杆的角度发生变化，线轮在压紧线缆的前提下旋转越障，如图5所示.

1.1.1 建立挂线臂运动学模型

建立以O点为圆心的笛卡尔直角坐标系,以X轴正方向为参考基准,如图6所示，各杆件命名为L1、L2、L3、L4和L5，主杆L1和姿态控制杆L4初始角度为θ1和θ4，建立如图1所示的机构运动学模型.

根据矢量条件建立挂线轮位移模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

将式(5)对时间求导得：

(6)

矩阵方程形式：

(7)

(8)

各国高压电线的宽度并没有统一，使用五杆机构可以通过调整输入角度θ1和θ4，来实现所需运动，用以上位移方程和动力学方程，可以定量求解不同宽度的线缆上的可靠挂线.本文采用450 mm线宽线缆，未挂线初始角度θ1=144°，θ4=163°；挂线时的角度θ1=133°，θ4=104°.

1.1.2 机器人静态工作仿真

UG是德国西门子公司研发的一款CAD/CAM/CAE商用软件，设计功能强大，其运动学/动力学仿真模块既可以执行机构运动学分析、静力学分析又可以实现动力学分析[7].

因为UG的动力学分析只能在运动副之间传递外载荷，因此可以利用设置转动副来求解各构件之间的受力情况.在静力学分析时，对机构模型进行了简化，将挂线臂机构简化成一个独立的刚体，在“挂线轮”和线缆之间施加转动副，驱动设置为0，如图7所示.挂线臂与底座的连接处施加转动副，驱动设置“恒定”，其“初始位移”、“初速度”、“加速度”均设置为零，如图8所示.使用UG的静力学分析求解，可以得出“挂线轮”力幅值为102.4 N，如图9所示.

使用同样的方法可以将每一个构件所受的载荷都求解出来，为后续机构优化提供依据.

机器人工作时，其载荷不是静态载荷，随着工况的变化而改变，但这种改变对机器人结构的影响比较小.因此,本文在合理提高安全系数的前提下，采用静态载荷作为强度分析和结构优化的依据.

1.2 底座机构设计

“底座驱动机构”为“挂线机构”提供两个驱动输入，考虑实际使用需求，采用蜗轮蜗杆机构作为动力来源，用4组曲柄滑块机构为挂线机构提供动力输入.底座机构由电机、蜗轮蜗杆、曲柄摇杆、曲柄滑块机构串联组成，如图10所示.

底座将电机的输出扭矩经过蜗轮蜗杆减速,利用蜗轮和摇杆组成的曲柄摇杆机构，用摇杆滑块组成的曲柄滑块机构将动力传递到4个主臂上，在摇杆上选取不同的节点组成一组新的曲柄滑块机构将动力传递到姿态控制杆上，完成机械臂的挂线动作，如图11所示.设计时将驱动“姿态控制杆”的曲柄滑块机构改为弹性杆，保证机器人正常越障.

2 整机设计及机构优化

针对巡检机器人工作情况，确定机械结构尺寸，在保证机械人各构件互不干涉的前提下，以强度、质量、运动的可靠性为优化变量，机构的结构尺寸为约束条件，在保证其正常工作的情况下优先考虑机器人的重量.

机器人的优化，需要对其进行有限元分析[1].静力学是有限元最简单、最基础的分析形式，其分析不考虑惯性力、运动摩擦等因素，分析采用UGCAE高级仿真平台.选择主要部件采用6061铝材，在保证刚度和强度的前提下可以降低机器人的重量.静力学分析主要考核应力和位移指标，从云图中看，机构最大位移为25.3 mm,最大应力为129.99 N/mm2，如图12～13所示.

应力可以满足使用要求，但最大位移偏差过大，无法保证准确挂线，必须对原有模型进行改进，在加大直径和壁厚后，位移量从25 mm降到17.93 mm,如图14所示.若继续加大直径，对重量影响较大，对构件变形进一步分析，决定对影响变形较大的姿态控制杆、连杆及主杆做加强筋处理，机构的变形从17.93 mm下降到4.464 mm,如图15所示，基本满足机器人的使用要求.

3 巡检越障运动分析

3.1 巡检越障流程规划

越障是机器人设计的重要指标.在巡检中出现防震锤等障碍物时机器人必须具有自主越障能力.

步骤1：当机器人遇到障碍物时，机带摄像对障碍物进行识别，减速.

步骤2：以挂线轮为研究对象，管线轮在行走时，会受到障碍物施加的垂直于挂线方向的反作用力.

步骤3：挂线轮上受到的力，会从推杆传递到姿态控制杆，最终会传递到底座的曲柄滑块驱动杆上.

步骤4：底座上驱动姿态控制杆的推杆设计成弹性推杆，当载荷超过140 N时，推杆将受迫压缩，使挂线轮受力弹开的同时始终紧紧压在导线及障碍物体上，依靠摩擦力及其他挂线轮保证机器人不掉落，完成越障动作.

3.2 越障过程仿真

使用UG运动动力学仿真模块，进行机器人的越障仿真.其仿真过程，如图16所示.

4 结 论

基于对电力巡检方式研究，设计一款具有自主越障能力的巡检机器人，通过静力学分析修改结构的尺寸和形式，利用UG的动力学/运动学模块，对机器的挂线功能，越障功能进行仿真验证，证明结构设计的合理性.与其他巡检机器人相比，本文中的设计结构简单、重量轻、越障可靠，可在多种线距间进行越障.此次设计创新地采用双驱动可调五杆机构，提高机器的工作柔性，为后来机器人研究提供一个新思路，具有参考价值.