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1、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,防止機(jī)器人從線上跌落;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)。
【關(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
高壓輸電線路
2、長期暴露在外部環(huán)境中會導(dǎo)致線路老化磨損、斷股等損傷,存在很大的安全隱患,電力部門需定期對輸電線路進(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)境無法巡檢;直升機(jī)巡檢成本高[1]。國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)對輸電線巡檢機(jī)器人展開了研究,如日本東京工業(yè)大學(xué)研制的遙操作巡檢機(jī)器人Ex-pliner[2]通過機(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發(fā)的帶電巡檢機(jī)器人LineScout[3]采用蠕動(dòng)方式交替跨越障礙物;國內(nèi)武漢大學(xué)的吳功平教授團(tuán)隊(duì)[4]和中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所王洪光團(tuán)隊(duì)[5-6]也對高壓輸電線巡檢機(jī)器人進(jìn)行了研究。但是大多數(shù)巡檢機(jī)
3、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,越障流程簡單易于控制,行走安全平穩(wěn)。并對機(jī)器人的線上行走、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)線上
4、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)輸電線的直徑,保證夾緊輪和輔助行走輪剛好夾緊輸電線,防止巡檢機(jī)器人從線上掉落。巡檢機(jī)器人可以用單臂或雙臂懸掛控制箱在輸電線上平穩(wěn)行走完成線上巡檢作業(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上,夾緊輪與行走輪配合夾緊輸電線,機(jī)器人在行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下在線上行走,控制夾緊電機(jī)的夾緊力可調(diào)節(jié)行走輪與輸電線間的摩擦力,從而保證機(jī)器人在線上平穩(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。
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5、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,仿真步長為0.01s。
3.2爬坡分析
正常工作過程中,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,圖中平行四邊形機(jī)構(gòu)CDEF在巡檢機(jī)器人行進(jìn)過程中,CD,EF邊始終與輸電線
6、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)對角線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)束后測量兩行走輪驅(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ADAMS建立巡檢機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型,對機(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。