電力鐵塔攀爬機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及解析總結(jié)計(jì)劃

電力鐵塔攀登機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)與剖析電力鐵塔攀登機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)與剖析

電力鐵塔攀登機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與剖析

陸小龍，趙世平*，廖俊必，曹志華（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院

,

四川成都

,610065

）

綱要：依據(jù)對(duì)電力鐵塔攀登機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力剖析，提出并設(shè)計(jì)了一種新式雙V字夾持機(jī)構(gòu)，

其夾持爪V形槽角度固定，大小可變，雙爪聯(lián)動(dòng)可從多個(gè)方向?qū)Σ灰粯右?guī)格角鋼夾持。成立了機(jī)構(gòu)CAD模型

及數(shù)學(xué)模型，并對(duì)夾持力進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果考證了這類夾持機(jī)構(gòu)能夠從多個(gè)方向

對(duì)寬度從80-220mm不一樣規(guī)格的角鋼進(jìn)行靠譜夾持，為攀登機(jī)器人在電力鐵塔挪動(dòng)供給靠譜的夾持力。

要點(diǎn)詞：電力鐵塔；攀登機(jī)器人；夾持機(jī)構(gòu)；雙V字形

中圖分類號(hào)：

DesignandAnalysisofClampingMechanism

forPowerTowerClimbingRobot

LUXiao-long,ZHAOShi-ping*,LIAOJun-bi,CAOZhi-hua

(SchoolofManufacturingScienceandEngineering,UniversityofSichuan,Chengdu,P.R.China,610065)

Abstract:InordertofixaPowertowerclimbingrobotonatowerreliably,anoveldouble-V-clamperisproposedinthepaper.ThegrippingclawhasananglefixedV-grooveandavariablelength,sothatitispossibletoclampanglebarswithvariousspecificationsindifferentdirections.TheCADandmathematicalmodeloftheclampingmechanismweresuggestedandtheclampingforcewassimulated.Furthermore，

Prototypeexperimentsweremadeinlaboratory.Theresultsshowthatthegrippercangraspanglebarsfirmlyandreliablywhichwidthsvaryfrom80to220mminseveraldirections,forthethree-dimensionalmovementofthepowertowerclimbingrobots.

Keywords:powertower;climbingrobot;clampingmechanism;doubleV-shaped

基金項(xiàng)目：四川省科技廳資助項(xiàng)目（2008GZ0156）作者簡介：陸小龍（1982-），男，博士生.研究方向：

智能機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用

通信聯(lián)系人[1]。按期打掃絕緣子是最

高壓輸電線路是電力傳輸?shù)闹饕d體，其安全運(yùn)轉(zhuǎn)愈來愈遇到各級(jí)部門的重視。作為輸電線路的主要構(gòu)成部分，電力鐵塔長久裸露在空氣中，受風(fēng)

吹雨淋、粉塵污染等影響，絕緣子的閃絡(luò)事故屢次。

據(jù)不完整統(tǒng)計(jì)，由污穢惹起的絕緣閃絡(luò)事故目前在

電網(wǎng)事故總數(shù)中占第二位

基本、最有效的防污閃方法。傳統(tǒng)的人工打掃方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全性和打掃成效得不到保證。采納機(jī)器人取代人工打掃不單能減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低觸電和高空墜落的危險(xiǎn)，并且能夠在不影響供電的狀況下進(jìn)行帶電作業(yè)，效率高、打掃一致性好、靠譜性高，擁有寬泛的應(yīng)用遠(yuǎn)景。

攀登機(jī)器人是挪動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要研究分支，也是目前機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱門之一。它把地面挪動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸附技術(shù)有機(jī)聯(lián)合起來，能夠在垂直壁面上附著爬行，并能夠攜帶工具達(dá)成必定的作業(yè)任務(wù)。最近幾年來，國內(nèi)外的研究者對(duì)攀登機(jī)器人進(jìn)行了大批研究，但目前還沒有特意針對(duì)輸電線路鐵塔絕緣子打掃的攀登機(jī)器人，僅有有關(guān)近似爬升的機(jī)構(gòu)：M.Tavakoli等提出的四自由度爬桿

機(jī)器人[2][3]能夠輕松爬越管道節(jié)點(diǎn)，沿折彎為隨意

角度的圓柱桿爬行；麻省理工大學(xué)DanielaRus教

授研制的Shady3D桁架攀登機(jī)器人[4]，經(jīng)過自重構(gòu)

能夠達(dá)成在由修長方形截面桿構(gòu)成的三維桁架空

間挪動(dòng)；C.Balaguer教授設(shè)計(jì)的六自由度兩臂關(guān)節(jié)

式機(jī)器人ROMA，能夠攜帶必需的設(shè)施對(duì)由矩形或

工字形截面構(gòu)成的桁架橋梁進(jìn)行無損檢測[5]，但該

機(jī)器人自重達(dá)75公斤，不合用于電力鐵塔絕緣子

打掃工作；哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳偉國教授提出的小型

雙臂關(guān)節(jié)式桁架攀登機(jī)器人，體積小、構(gòu)造緊湊，

能夠在由圓柱桿構(gòu)成的空間桁架中挪動(dòng)[6]。這幾類

攀登機(jī)器人所采納的夾持機(jī)構(gòu)只好用于特定的環(huán)境。電力鐵塔是由不一樣規(guī)格角鋼經(jīng)電焊或螺栓連結(jié)

而成的復(fù)雜空間桁架構(gòu)造。國內(nèi)外已有的攀登夾持

機(jī)構(gòu)均不可以靠譜夾持角鋼，不合用電力鐵塔攀登。本文針對(duì)電力鐵塔的構(gòu)造環(huán)境，依據(jù)電力鐵塔攀登

機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，提出并設(shè)計(jì)了一種能夠從多個(gè)

方向?qū)Σ灰粯右?guī)格的角鋼實(shí)現(xiàn)靠譜夾持的機(jī)器人夾

持機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)考證。

機(jī)器人主體構(gòu)造

圖2攀登機(jī)器人CAD模型

Fig.2.CADmodeloftheclimbing

1

2

3

4

5

6

絕緣子2.橫擔(dān)3.外包角鋼

斜材5.節(jié)點(diǎn)板6.主材圖1攀登鐵塔

Fig.1.Thetowertoclimb

如圖1所示，電力鐵塔是用角鋼電焊或螺栓連結(jié)而成的框架構(gòu)造，一般由四根主角鋼（主材）構(gòu)成正方形斷面或矩形斷面。主角鋼由角鋼資料制成的水平材或斜材連結(jié)。斜材與主材采納螺栓直接連結(jié)（當(dāng)斜材受力較小時(shí)）或外加節(jié)點(diǎn)板連結(jié)。主材與主材采納外包角鋼直接對(duì)接或外加角鋼加

襯底連結(jié)。橫擔(dān)與塔身主要采納外加節(jié)點(diǎn)板連結(jié)。鐵塔所用角鋼規(guī)格眾多，從塔基到塔頂，主材所用角鋼寬度在220—80mm之間。

機(jī)器人攀登的主要阻礙包含主材與主材連結(jié)處的外包角鋼及螺栓，斜材與主材連結(jié)處的節(jié)點(diǎn)板，以及斜材與主材直接連結(jié)處的斜材垂直邊。

本項(xiàng)目的目標(biāo)是研制一種能夠攜帶絕緣子清

掃工具或其他設(shè)施，沿鐵塔主材從塔基爬到塔頂完

成相應(yīng)檢修任務(wù)的攀登機(jī)器人。該機(jī)器人一定能夠

超出螺栓、外包角鋼、節(jié)點(diǎn)板等阻礙，夾持不一樣規(guī)

格角鋼，沿主材上下挪動(dòng)，同時(shí)要擁有很強(qiáng)的負(fù)載

能力以攜帶必需的設(shè)施，達(dá)成相應(yīng)的檢修任務(wù)。

矩形導(dǎo)軌ZX左滑塊

右滑塊

Y

導(dǎo)向桿

滾珠絲桿

夾持機(jī)構(gòu)

1.1應(yīng)用環(huán)境與要求

1.2機(jī)器人基本構(gòu)造

與地面挪動(dòng)機(jī)器人不一樣，攀登機(jī)器人在挪動(dòng)過程中一定戰(zhàn)勝自己重力影響。在知足實(shí)現(xiàn)基本功能的前提下，機(jī)器人構(gòu)造應(yīng)盡可能簡單，以減少自己重量。設(shè)計(jì)中，既要像挪動(dòng)機(jī)器人同樣考慮挪動(dòng)方式，也要針對(duì)工作任務(wù)和環(huán)境選用吸附方式。

針對(duì)電力鐵塔攀登機(jī)器人的攀登環(huán)境及技術(shù)

要求，參照攀登機(jī)器人常用的幾種吸附方式[7]，我們提出了如圖2所示的機(jī)器人基本構(gòu)造設(shè)計(jì)方案。機(jī)器人主要由左右滑塊構(gòu)成的主體和兩個(gè)獨(dú)立的

機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)構(gòu)成。左滑塊與導(dǎo)向桿固連，右滑塊

與滾珠絲桿副固連。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，左右滑塊沿

導(dǎo)向桿相對(duì)挪動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿X軸的伸縮運(yùn)動(dòng)。

兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)能夠沿固連在左右滑塊

上的矩形導(dǎo)軌沿Z軸上下挪動(dòng)，以便超越阻礙。攀登過程中前后兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)交替松開、夾緊，主體作伸縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿鐵塔主材的上下挪動(dòng)。為保證機(jī)器人靠譜地在鐵塔主材上挪動(dòng)，并擁有較高的負(fù)載能力，要點(diǎn)和難點(diǎn)是夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)

計(jì)。

機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)研究

2.1機(jī)構(gòu)模型

機(jī)器人在沿鐵塔主材上下攀登的過程中，多半

狀況下只有一個(gè)夾持爪夾持角鋼。所以，一方面要

經(jīng)過構(gòu)造優(yōu)化，降低機(jī)器人的自重，另一方面，夾

持機(jī)構(gòu)要能供給足夠大的夾持力，以保證機(jī)器人運(yùn)

動(dòng)中不會(huì)跌落或滑移。

本文提出的攀登機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)如圖3所示，

主要由構(gòu)造同樣的左右V形手爪、中間體和連結(jié)支

座三部分構(gòu)成。

與傳統(tǒng)的雙V字夾持爪不一樣，該機(jī)構(gòu)左右手爪

形槽角度固定，大小可變。每個(gè)手爪由兩個(gè)斜面角相等的斜楔構(gòu)成，此中一個(gè)與手爪基座固連，稱為定指；另一個(gè)稱為動(dòng)指與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)件固連，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)件又與螺母固連，在絲桿螺母的帶動(dòng)下能夠沿矩形導(dǎo)軌上下挪動(dòng)。當(dāng)動(dòng)指相對(duì)定指上下挪動(dòng)時(shí)，

動(dòng)指的斜面可視為沿豎直方向平移，由平面幾何中平行線的性質(zhì)：兩直線平行同位角相等理論可知，

動(dòng)指與定指斜面夾角一直保持不變，所以能夠?qū)⒃?/p>

手爪當(dāng)作是一個(gè)夾角固定，形狀可變的V形爪。左

右手爪對(duì)稱散布于中間體雙側(cè)，導(dǎo)向桿與滾珠絲桿

平行并與中間體和左右電機(jī)支座固連，手爪基座嵌

有螺母，在手爪夾緊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，兩手爪沿導(dǎo)向

桿相對(duì)中間體挪動(dòng)，經(jīng)過手爪的伸縮和開、合動(dòng)作

能夠?qū)θ鐖D4(a)、（b）、（c）、（d）四種安裝形式的

角鋼靠譜夾持，而其他兩種形式則需借助安裝于中

間體腔體內(nèi)的頂塊來實(shí)現(xiàn)。頂塊端面開有V形槽，

根部倒圓角，利于與角鋼根部充分接觸。

（主視）

矩形導(dǎo)軌2.手爪基座3.定指4.（導(dǎo)俯軌視運(yùn)）動(dòng)

件

動(dòng)指6.頂塊7.中間體8.導(dǎo)向桿

手爪夾緊電機(jī)10.絲桿11.動(dòng)指伸縮電機(jī)圖3夾持爪的CAD模型

f2n

111

102

389

5746

Z0t2f4t2t2f3f1CoM

OX0bmg4t1F1nnf3f4t1Y0f3X0Of1t1a

f1nt2f2F2

2.2夾持力剖析

靠譜性和安全性是攀登機(jī)器人設(shè)計(jì)中考慮的

要點(diǎn)問題。夾持機(jī)構(gòu)一定靠譜堅(jiān)固的抓緊攀登對(duì)

象，免得機(jī)器人墜落或滑移。機(jī)器人本體對(duì)夾持爪

產(chǎn)生的負(fù)荷隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，為了均衡負(fù)荷，夾持機(jī)構(gòu)一定擁有力關(guān)閉或形狀關(guān)閉的特色[8]。限于篇幅，本文對(duì)此特征不加剖析，僅對(duì)施加一個(gè)

固定負(fù)載的情況進(jìn)行基本的靜力學(xué)剖析。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

數(shù)學(xué)模型

本文僅對(duì)一種擁有代表性的角鋼種類的夾持

狀況進(jìn)行剖析。如圖5所示，假定手指的斜楔斜面

角為α，等邊角鋼的長為b，厚為a，機(jī)器人及負(fù)

載對(duì)夾持爪產(chǎn)生的扭力在夾持爪的X0Y0Z0坐標(biāo)系中

表示為W=(Fxd,Fyd,Fzd,Txd,Tyd,Tzd)在圖中沒有

圖4夾持爪夾持不一樣角鋼

Fig.4.Thegrippergraspingvariousobjects

標(biāo)示），負(fù)載的扭矩能夠利用牛頓歐拉遞歸方法獲

得。夾持機(jī)構(gòu)對(duì)角鋼夾持是四個(gè)線接觸，為了方便

剖析，此處將其當(dāng)作是四個(gè)點(diǎn)接觸，并將夾持爪與

角鋼第k個(gè)接觸點(diǎn)的法向和切向力定義為：

fkn,fkt=(fkt1,fkt2)(k=1,2,3,4)，

力的正方向如圖5中所示。

依據(jù)均衡條件可得：

Fxd+(f1n-f2n-f3n+f4n)cosa+(f1t1+f2t2-f3t1-f4t1)sina=0Fyd+(-f1n-f2n+f3n+f4n)sina+(f1t1-f2t2-f3t1+f4t1)sina=0Fzd+(f1t2+f2t2+f3t2+f4t2)=0Txd+(-f1t2-f2t2+f3t2+f4t2)×1b=0Tyd+f2t2×1b+f3t2×c=02(1)2Tzd+(f1t1×sina+f1n×cosa)×1b2+(f2t1×(b-(b×tga-b)×sina)+cosa2nbbf2×(cosa-2)×cosa)t11+(f3×(2b×tga+c)×cosa+f3n×(b-c×tga)×cosa)2+(f4t1×sina-f4n×cosa)×1b=02假定角鋼與夾持機(jī)構(gòu)夾緊元件（斜

楔）接觸面間的摩擦系數(shù)μ，則依據(jù)極限摩擦

定律可得：

(fkt1)2+(fkt2)2μfkn(k=1,2,3,4)(2因?yàn)榻佑|力一直是單向的，所以：n0（k=1,2,3,4）(3)fk由2.1節(jié)知，圖中F1和F2分別是滾珠絲桿作用在左右夾持爪上的力。依據(jù)均衡條件

得：(4F1=(f3n+f4n)×sinα+(f3t1+f4t1)×cosαF2=(f1n+f2n)×sinα+(-f1t1+f2t1)×cosα(5明顯，求出這12個(gè)接觸力才能計(jì)算出機(jī)器人靠譜附著在鐵塔上所需要的夾持力。上述聯(lián)立方程無確立解。但要夾持角鋼，使機(jī)器人靠譜附著在鐵

塔上，必然存在一個(gè)最小夾持力。所以，這是一個(gè)

利用12個(gè)變量（接觸力）求最優(yōu)值的問題，限于

圖5夾持力剖析

篇幅，此處不做詳述。

仿真剖析

由上文成立的數(shù)學(xué)模型不可以直接推導(dǎo)出夾持力的大小。為了考證機(jī)構(gòu)的夾持特征，本文應(yīng)用動(dòng)力學(xué)剖析與仿真軟件ADAMS5.0進(jìn)行剖析。

a）L100x10角鋼夾持

b）L100x10組合角鋼夾持

2.3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果剖析

依照前面的剖析，我們設(shè)計(jì)了一臺(tái)夾持機(jī)構(gòu)樣機(jī)，為增大夾持面摩擦系數(shù)，夾持元件表面開有鋸

齒槽。機(jī)器人總重26Kg。實(shí)驗(yàn)攀登桁架采納L120x10,L80x8和L60x6三種規(guī)格熱軋等邊角鋼搭建，高3米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

由表1可知，單個(gè)獨(dú)立的夾持爪能夠從多個(gè)方

向?qū)?shí)驗(yàn)架上不一樣規(guī)格角鋼進(jìn)行靠譜夾持；與挪動(dòng)機(jī)構(gòu)組裝后成功率不及單爪夾持。除了兩次因夾緊電機(jī)過電流外，其他多因夾持爪未完整與角鋼接觸造成。攀登機(jī)器人由兩個(gè)夾持爪和挪動(dòng)主體構(gòu)成。

單爪夾持時(shí)，主體成懸臂梁狀態(tài)。在重力作用下，機(jī)器人可能傾斜，夾持爪與本體采納直線挪動(dòng)副剛性連結(jié)，不可以對(duì)偏差進(jìn)行賠償。賠償機(jī)構(gòu)是下一步研究的主要問題。

表1樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.1Testresultsofprototype

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)成功成次數(shù)次數(shù)功率單爪夾持4040100%前爪夾持后爪移373491%動(dòng)后爪夾持前爪移363288%動(dòng)

（c）L100x10加襯底組合角鋼夾持3.結(jié)論與展望圖6夾持機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真本文提出了一種能從多個(gè)方向?qū)Σ灰粯右?guī)格角Fig.6.SimulationoftheGrippingforce鋼進(jìn)行夾持的鐵塔攀登機(jī)器人雙V字夾持機(jī)構(gòu)，其夾持爪V形槽角度不變，大小可變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，夾持機(jī)構(gòu)在夾持力的作用下，經(jīng)過夾緊元件在電力鐵塔攀登機(jī)器人挪動(dòng)過程中，該夾持構(gòu)造能（斜楔）與夾持對(duì)象接觸面之間的摩擦力來均衡下夠從從多個(gè)方向?qū)Σ灰粯右?guī)格角鋼進(jìn)行夾持，保證機(jī)滑力。夾緊元件選擇橡膠資料，動(dòng)摩擦系數(shù)：0.75，器人靠譜的附著在鐵塔表面。靜摩擦系數(shù)：0.55。分別夾持L100x10角鋼的直平下一步工作需要研究賠償機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行機(jī)器人面和兩塊L100x10組合角鋼的根部，以及兩塊越障能力剖析。L100x10加襯底組合角鋼的根部，對(duì)夾持爪施加50Kg的負(fù)載，仿真結(jié)果如圖6?？芍簥A緊L100x10

角鋼時(shí)，左右電機(jī)的扭矩不等，因?yàn)閷?duì)角鋼直平面

夾持是一個(gè)非對(duì)稱夾持，所以與實(shí)質(zhì)狀況符合；夾

緊兩類組合角鋼時(shí)，左右電機(jī)的扭矩很小，頂緊電

機(jī)的扭矩為1Nm。結(jié)果表示該夾持機(jī)構(gòu)能以較小的

夾持力夾緊不一樣種類的角鋼，負(fù)載能力大，知足電

力鐵塔攀登機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。

（（

圖7樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

Fig.7.Testoftheprototype

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