四連桿越障巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)分析 【摘要】根據(jù)高壓輸電線(xiàn)路障礙環(huán)境特點(diǎn)及巡檢任務(wù)需求，提出一種基于平行四邊形的四連桿越障巡檢機(jī)器人。行走越障機(jī)構(gòu)采用一個(gè)行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上行走，提供機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)力，采用一個(gè)夾緊電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊輪，保證夾緊輪與行走輪剛好夾緊輸電線(xiàn)，防止機(jī)器人從線(xiàn)上跌落；利用連桿與行走臂構(gòu)成四連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障功能。利用ADMAS建立巡檢機(jī)器人虛擬樣機(jī)，研究水平行走和爬坡時(shí)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)特性，仿真結(jié)果為機(jī)器人電機(jī)選型、載荷特性分析和控制策略制定奠定基礎(chǔ)?！娟P(guān)鍵詞】巡檢機(jī)器人；四連桿結(jié)構(gòu)；越障分析；虛擬仿真1引言高壓輸電線(xiàn)路長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路老化磨損、斷股等損傷，存在很大的安全隱患，電力部門(mén)需定期對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行巡檢。目前采用的方法主要有人工巡檢和直升機(jī)巡檢，人力巡檢效率低、危險(xiǎn)性高，且部分特殊環(huán)境無(wú)法巡檢；直升機(jī)巡檢成本高1。國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)輸電線(xiàn)巡檢機(jī)器人展開(kāi)了研究，如日本東京工業(yè)大學(xué)研制的遙操作巡檢機(jī)器人Ex-pliner2通過(guò)機(jī)械臂調(diào)整機(jī)器人質(zhì)心位置實(shí)現(xiàn)越障，加拿大魁北克水電研究所開(kāi)發(fā)的帶電巡檢機(jī)器人LineScout3采用蠕動(dòng)方式交替跨越障礙物；國(guó)內(nèi)武漢大學(xué)的吳功平教授團(tuán)隊(duì)4和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所王洪光團(tuán)隊(duì)5-6也對(duì)高壓輸電線(xiàn)巡檢機(jī)器人進(jìn)行了研究。但是大多數(shù)巡檢機(jī)器人因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體型大、控制難度高且整機(jī)越障時(shí)間長(zhǎng)等諸多因數(shù)，限制了巡檢機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于四連桿越障的輸電線(xiàn)巡檢機(jī)器人，利用平行四桿結(jié)構(gòu)的變形適應(yīng)性，將越障過(guò)程中的阻力轉(zhuǎn)化為行走輪抬高的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人跨越防震錘、間隔棒等越障物，越障流程簡(jiǎn)單易于控制，行走安全平穩(wěn)。并對(duì)機(jī)器人的線(xiàn)上行走、爬坡、越障等運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行分析，驗(yàn)證了機(jī)器人用于線(xiàn)上巡檢的可行性。2巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)巡檢機(jī)器人的三維模型如圖1所示，主要包括行走機(jī)構(gòu)I、行走機(jī)構(gòu)II、夾緊機(jī)構(gòu)、兩個(gè)相同的第一連桿和第二連桿。工作時(shí)打開(kāi)行走電機(jī)和夾緊電機(jī)，行走電機(jī)經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)I運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上行走；安裝在輔助行走機(jī)械臂上的夾緊電機(jī)，經(jīng)彈性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)夾緊輪調(diào)節(jié)與輔助行走輪距離，適應(yīng)輸電線(xiàn)的直徑，保證夾緊輪和輔助行走輪剛好夾緊輸電線(xiàn)，防止巡檢機(jī)器人從線(xiàn)上掉落。巡檢機(jī)器人可以用單臂或雙臂懸掛控制箱在輸電線(xiàn)上平穩(wěn)行走完成線(xiàn)上巡檢作業(yè)任務(wù)。利用巡檢機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)時(shí)，將機(jī)器人的行走輪懸掛在輸電線(xiàn)上，夾緊輪與行走輪配合夾緊輸電線(xiàn)，機(jī)器人在行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在線(xiàn)上行走，控制夾緊電機(jī)的夾緊力可調(diào)節(jié)行走輪與輸電線(xiàn)間的摩擦力，從而保證機(jī)器人在線(xiàn)上平穩(wěn)行走。兩個(gè)行走機(jī)械臂與第一連桿和第二連桿構(gòu)成平行四桿機(jī)構(gòu)，利用平行四邊形的變形適應(yīng)性，可以確保行走機(jī)構(gòu)能夠輕松跨越震動(dòng)錘、間隔棒等障礙物。3巡檢機(jī)器人分析3.1水平行走分析將巡檢機(jī)器人三維模型另存為.x_t格式文件，直接導(dǎo)入到ADAMS虛擬環(huán)境中形成初步的虛擬樣機(jī)模型，為模型添加運(yùn)動(dòng)副約束以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，構(gòu)成完整的虛擬樣機(jī)模型。為行走輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)速度為360°/s，設(shè)置仿真時(shí)間為5s，仿真步長(zhǎng)為0.01s。3.2爬坡分析正常工作過(guò)程中，巡檢機(jī)器人需要具有一定的爬坡能力，以上坡行進(jìn)為例。圖中AB為高壓輸電線(xiàn)路，其與水平面所形成的角度記為∂，巡檢機(jī)器人正常工作時(shí)兩條機(jī)械臂始終保持豎直狀態(tài)掛線(xiàn)，圖中平行四邊形機(jī)構(gòu)CDEF在巡檢機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中，CD，EF邊始終與輸電線(xiàn)路保持平行，故EF邊與水平面所形成的角度為∂。以C，D，E，F(xiàn)四點(diǎn)為連接點(diǎn)所形成的平行四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)角線(xiàn)ED與水平面所形成最大角度時(shí)巡檢機(jī)器人的爬坡能力最強(qiáng)。仿真結(jié)束后測(cè)量?jī)尚凶咻嗱?qū)動(dòng)力矩如圖7所示。從圖中可以看出5s時(shí)刻，行走機(jī)構(gòu)I開(kāi)始爬坡，此時(shí)行走輪的驅(qū)動(dòng)力矩也隨著增大，在9s左右行走機(jī)構(gòu)II開(kāi)始爬坡，存在與行走機(jī)構(gòu)I相同的現(xiàn)象，此時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力矩也增大。當(dāng)行走機(jī)構(gòu)完全與帶有傾斜角度的輸電線(xiàn)接觸時(shí)，需求的力矩也要比水平行走時(shí)大將近4倍。4結(jié)論本文設(shè)計(jì)了一種基于平行四連桿越障機(jī)構(gòu)的巡檢機(jī)器人，并通過(guò)ADAMS建立巡檢機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)機(jī)器人水平行走和爬坡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，仿真分析將為實(shí)際的控制和載荷能力分析提供參考。