四连杆越障巡检机器人设计分析

四连杆越障巡检机器人设计分析 【摘要】根据高压输电线路障碍环境特点及巡检任务需求，提出一种基于平行四边形的四连杆越障巡检机器人。行走越障机构采用一个行走电机驱动行走轮实现线上行走，提供机器人的行走驱动力，采用一个夹紧电机驱动夹紧轮，保证夹紧轮与行走轮刚好夹紧输电线，防止机器人从线上跌落；利用连杆与行走臂构成四连杆结构实现机器人的越障功能。利用ADMAS建立巡检机器人虚拟样机，研究水平行走和爬坡时机器人的驱动特性，仿真结果为机器人电机选型、载荷特性分析和控制策略制定奠定基础。【关键词】巡检机器人；四连杆结构；越障分析；虚拟仿真1引言高压输电线路长期暴露在外部环境中会导致线路老化磨损、断股等损伤，存在很大的安全隐患，电力部门需定期对输电线路进行巡检。目前采用的方法主要有人工巡检和直升机巡检，人力巡检效率低、危险性高，且部分特殊环境无法巡检；直升机巡检成本高1。国内外多家研究机构对输电线巡检机器人展开了研究，如日本东京工业大学研制的遥操作巡检机器人Ex-pliner2通过机械臂调整机器人质心位置实现越障，加拿大魁北克水电研究所开发的带电巡检机器人LineScout3采用蠕动方式交替跨越障碍物；国内武汉大学的吴功平教授团队4和中国科学院沈阳自动化研究所王洪光团队5-6也对高压输电线巡检机器人进行了研究。但是大多数巡检机器人因其结构复杂、体型大、控制难度高且整机越障时间长等诸多因数，限制了巡检机器人的实际应用。本文设计了一种基于四连杆越障的输电线巡检机器人，利用平行四杆结构的变形适应性，将越障过程中的阻力转化为行走轮抬高的动力，实现巡检机器人跨越防震锤、间隔棒等越障物，越障流程简单易于控制，行走安全平稳。并对机器人的线上行走、爬坡、越障等运动功能进行分析，验证了机器人用于线上巡检的可行性。2巡检机器人结构巡检机器人的三维模型如图1所示，主要包括行走机构I、行走机构II、夹紧机构、两个相同的第一连杆和第二连杆。工作时打开行走电机和夹紧电机，行走电机经减速器驱动行走机构I运动，实现线上行走；安装在辅助行走机械臂上的夹紧电机，经弹性联轴器驱动夹紧轮调节与辅助行走轮距离，适应输电线的直径，保证夹紧轮和辅助行走轮刚好夹紧输电线，防止巡检机器人从线上掉落。巡检机器人可以用单臂或双臂悬挂控制箱在输电线上平稳行走完成线上巡检作业任务。利用巡检机器人执行巡检任务时，将机器人的行走轮悬挂在输电线上，夹紧轮与行走轮配合夹紧输电线，机器人在行走电机的驱动下在线上行走，控制夹紧电机的夹紧力可调节行走轮与输电线间的摩擦力，从而保证机器人在线上平稳行走。两个行走机械臂与第一连杆和第二连杆构成平行四杆机构，利用平行四边形的变形适应性，可以确保行走机构能够轻松跨越震动锤、间隔棒等障碍物。3巡检机器人分析3.1水平行走分析将巡检机器人三维模型另存为.x_t格式文件，直接导入到ADAMS虚拟环境中形成初步的虚拟样机模型，为模型添加运动副约束以及运动参数，构成完整的虚拟样机模型。为行走轮添加转动速度为360°/s，设置仿真时间为5s，仿真步长为0.01s。3.2爬坡分析正常工作过程中，巡检机器人需要具有一定的爬坡能力，以上坡行进为例。图中AB为高压输电线路，其与水平面所形成的角度记为∂，巡检机器人正常工作时两条机械臂始终保持竖直状态挂线，图中平行四边形机构CDEF在巡检机器人行进过程中，CD，EF边始终与输电线路保持平行，故EF边与水平面所形成的角度为∂。以C，D，E，F四点为连接点所形成的平行四连杆机构对角线ED与水平面所形成最大角度时巡检机器人的爬坡能力最强。仿真结束后测量两行走轮驱动力矩如图7所示。从图中可以看出5s时刻，行走机构I开始爬坡，此时行走轮的驱动力矩也随着增大，在9s左右行走机构II开始爬坡，存在与行走机构I相同的现象，此时需要的驱动力矩也增大。当行走机构完全与带有倾斜角度的输电线接触时，需求的力矩也要比水平行走时大将近4倍。4结论本文设计了一种基于平行四连杆越障机构的巡检机器人，并通过ADAMS建立巡检机器人的虚拟样机模型，对机器人水平行走和爬坡运动进行了动力学仿真分析，仿真分析将为实际的控制和载荷能力分析提供参考。