电力铁塔攀爬机器人夹持机构设呢计与分析

电力铁塔攀爬机器人夹持机构设计与分析陆小龙，赵世平基金项目：四川省科技厅资助项目（2008GZ0156）作者简介：陆小龙（1982-），男，博士生. 研究方向：智能机器人技术及应用*通讯联系人，廖俊必，曹志华（四川大学制造科学与工程学院, 四川成都, 610065）摘要：根据对电力铁塔攀爬机器人夹持机构的运动和受力分析，提出并设计了一种新型双V字夹持机构，其夹持爪V形槽角度固定，大小可变，双爪联动可从多个方向对不同规格角钢夹持。建立了机构CAD模型及数学模型，并对夹持力进行了动力学仿真。实验室样机试验，结果验证了这种夹持机构能够从多个方向对宽度从80-220mm不同规格的角钢进行可靠夹持，为攀爬机器人在电力铁塔移动提供可靠的夹持力。关键词：电力铁塔；攀爬机器人；夹持机构；双V字形中图分类号：Design and Analysis of Clamping Mechanism for Power Tower Climbing Robot LU Xiao-long, ZHAO Shi-ping*, LIAO Jun-bi, CAO Zhi-hua (School of Manufacturing Science and Engineering, University of Sichuan, Chengdu, P. R. China, 610065)Abstract: In order to fix a Power tower climbing robot on a tower reliably, a novel double -V-clamper is proposed in the paper. The gripping claw has an angle fixed V-groove and a variable length, so that it is possible to clamp angle bars with various specifications in different directions. The CAD and mathematical model of the clamping mechanism were suggested and the clamping force was simulated. Furthermore，Prototype experiments were made in laboratory. The results show that the gripper can grasp angle bars firmly and reliably which widths vary from 80 to 220 mm in several directions, for the three-dimensional movement of the power tower climbing robots. Key words: power tower; climbing robot; clamping mechanism; double V-shaped高压输电线路是电力传输的主要载体，其安全运行越来越受到各级部门的重视。作为输电线路的主要组成部分，电力铁塔长期暴露在空气中，受风吹雨淋、粉尘污染等影响，绝缘子的闪络事故频繁。据不完全统计，由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网事故总数中占第二位1。定期清扫绝缘子是最基本、最有效的防污闪方法。传统的人工清扫方法劳动强度大，安全性和清扫效果得不到保证。采用机器人代替人工清扫不仅能减轻工人的劳动强度、降低触电和高空坠落的危险，而且可以在不影响供电的情况下进行带电作业，效率高、清扫一致性好、可靠性高，具有广泛的应用前景。攀爬机器人是移动机器人领域的一个重要研究分支，也是当前机器人领域研究的热点之一。它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可以在垂直壁面上附着爬行，并能够携带工具完成一定的作业任务。近年来，国内外的研究者对攀爬机器人进行了大量研究，但目前尚无专门针对输电线路铁塔绝缘子清扫的攀爬机器人，仅有相关类似爬升的机构：M .Tavakoli等提出的四自由度爬杆机器人23可以轻松爬越管道节点，沿折弯为任意角度的圆柱杆爬行；麻省理工大学Daniela Rus教授研制的Shady3D桁架攀爬机器人4，通过自重构可以完成在由细长方形截面杆构成的三维桁架空间移动；C.Balaguer教授设计的六自由度两臂关节式机器人ROMA ，可以携带必要的设备对由矩形或工字形截面构成的桁架桥梁进行无损检测5，但该机器人自重达75公斤，不适用于电力铁塔绝缘子清扫工作；哈尔滨工业大学吴伟国教授提出的小型双臂关节式桁架攀爬机器人，体积小、结构紧凑，可以在由圆柱杆构成的空间桁架中移动6。这几类攀爬机器人所采用的夹持机构只能用于特定的环境。电力铁塔是由不同规格角钢经电焊或螺栓连接而成的复杂空间桁架结构。国内外已有的攀爬夹持机构均不能可靠夹持角钢，不适用电力铁塔攀爬。本文针对电力铁塔的结构环境，根据电力铁塔攀爬机器人的设计要求，提出并设计了一种能够从多个方向对不同规格的角钢实现可靠夹持的机器人夹持机构，并对其进行了实验验证。1. 机器人主体结构1.1 应用环境与要求1.绝缘子 2.横担 3. 外包角钢4. 斜材 5. 节点板 6.主材图1 攀爬铁塔Fig.1. The tower to climb如图1所示，电力铁塔是用角钢电焊或螺栓连接而成的框架结构，一般由四根主角钢（主材）组成正方形断面或矩形断面。主角钢由角钢材料制成的水平材或斜材连接。斜材与主材采用螺栓直接连接（当斜材受力较小时）或外加节点板连接。主材与主材采用外包角钢直接对接或外加角钢加衬底连接。横担与塔身主要采用外加节点板连接。铁塔所用角钢规格繁多，从塔基到塔顶，主材所用角钢宽度在22080mm之间。机器人攀爬的主要障碍包括主材与主材连接处的外包角钢及螺栓，斜材与主材连接处的节点板，以及斜材与主材直接连接处的斜材垂直边。图2 攀爬机器人CAD模型Fig.2. CAD model of the climbing robot本项目的目标是研制一种能够携带绝缘子清扫工具或其它设备，沿铁塔主材从塔基爬到塔顶完成相应检修任务的攀爬机器人。该机器人必须能够越过螺栓、外包角钢、节点板等障碍，夹持不同规格角钢，沿主材上下移动，同时要具有很强的负载能力以携带必要的设备，完成相应的检修任务。1.2 机器人基本结构与地面移动机器人不同，攀爬机器人在移动过程中必须克服自身重力影响。在满足实现基本功能的前提下，机器人结构应尽可能简单，以减轻自身重量。设计中，既要像移动机器人一样考虑移动方式，也要针对工作任务和环境选取吸附方式。针对电力铁塔攀爬机器人的攀爬环境及技术要求，参考攀爬机器人常用的几种吸附方式7，我们提出了如图2所示的机器人基本结构设计方案。机器人主要由左右滑块构成的主体和两个独立的机械夹持机构组成。左滑块与导向杆固连，右滑块与滚珠丝杆副固连。在电机的驱动下，左右滑块沿导向杆相对移动，实现机器人沿X轴的伸缩运动。两个独立的机械夹持机构可以沿固连在左右滑块上的矩形导轨沿Z轴上下移动，以便跨越障碍。攀爬过程中前后两个夹持机构交替松开、夹紧，主体作伸缩运动，从而实现机器人沿铁塔主材的上下移动。为确保机器人可靠地在铁塔主材上移动，并具有较高的负载能力，重点和难点是夹持机构的设计。2. 机械夹持机构研究2.1 机构模型机器人在沿铁塔主材上下攀爬的过程中，多数情况下只有一个夹持爪夹持角钢。因此，一方面要通过结构优化，降低机器人的自重，另一方面，夹持机构要能提供足够大的夹持力，以确保机器人运动中不会跌落或滑移。本文提出的攀爬机器人夹持机构如图3 所示，主要由结构相同的左右V形手爪、中间体和连接支座三部分组成。与传统的双V字夹持爪不同，该机构左右手爪V形槽角度固定，大小可变。每个手爪由两个斜面角相等的斜楔组成，其中一个与手爪基座固连，称为定指；另一个称为动指与导轨运动件固连，导轨运动件又与螺母固连，在丝杆螺母的带动下可以沿矩形导轨上下移动。当动指相对定指上下移动时，动指的斜面可视为沿竖直方向平移，由平面几何中平行线的性质：两直线平行同位角相等理论可知，动指与定指斜面夹角始终保持不变，因此可以将该手爪看成是一个夹角固定，形状可变的V形爪。左右手爪对称分布于中间体两侧，导向杆与滚珠丝杆平行并与中间体和左右电机支座固连，手爪基座嵌有螺母，在手爪夹紧电机的驱动下，两手爪沿导向杆相对中间体移动，通过手爪的伸缩和开、合动作可以对如图4(a)、（b）、（c）、（d）四种安装形式的角钢可靠夹持，而其余两种形式则需借助安装于中间体腔体内的顶块来实现。顶块端面开有V形槽，根部倒圆角，利于与角钢根部充分接触。1.矩形导轨 2.手爪基座 3. 定指 4. 导轨运动件 5. 动指6. 顶块 7. 中间体 8. 导向杆 9. 手爪夹紧电机 10. 丝杆 11. 动指伸缩电机图3 夹持爪的CAD模型Fig.3. CAD model of the Gripper2.2 夹持力分析图4夹持爪夹持不同角钢Fig.4. The gripper grasping various objects可靠性和安全性是攀爬机器人设计中考虑的重点问题。夹持机构必须可靠牢固的抓紧攀爬对象，以免机器人坠落或滑移。机器人本体对夹持爪产生的负荷随机器人的运动状态变化，为了平衡负荷，夹持机构必须具有力封闭或形状封闭的特点8。限于篇幅，本文对此特性不加分析，仅对施加一个固定负载的情形进行基本的静力学分析。 图5 夹持力分析Fig.5. Fixing forces on the gripper 2.2.1 数学模型本文仅对一种具有代表性的角钢类型的夹持情况进行分析。如图5所示，假设手指的斜楔斜面角为，等边角钢的长为b，厚为a，机器人及负载对夹持爪产生的扭力在夹持爪的X0Y0Z0坐标系中表示为W=(Fxd,Fyd,Fzd,Txd,Tyd ,Tzd )在图中没有标示），负载的扭矩可以利用牛顿欧拉递归方法获得。夹持机构对角钢夹持是四个线接触，为了方便分析，此处将其看成是四个点接触，并将夹持爪与角钢第k个接触点的法向和切向力定义为：(k=1,2,3,4)，力的正方向如图5中所示。根据平衡条件可得：(1) 假设角钢与夹持机构夹紧元件（斜楔）接触面间的摩擦系数，则根据极限摩擦定律可得：(2) (k=1,2,3,4) (3)由于接触力始终是单向的，因此：（k=1,2,3,4）(4)由2.1节知，图中F1和F2分别是滚珠丝杆作用在左右夹持爪上的力。根据平衡条件得：(5)显然，求出这12个接触力才能计算出机器人可靠附着在铁塔上所需要的夹持力。上述联立方程无确定解。但要夹持角钢，使机器人可靠附着在铁塔上，必定存在一个最小夹持力。因此，这是一个利用12个变量（接触力）求最优值的问题，限于篇幅，此处不做详述。2.2.2 仿真分析由上文建立的数学模型不能直接推导出夹持力的大小。为了验证机构的夹持特性，本文应用动力学分析与仿真软件ADAMS5.0进行分析。（a）L100x10角钢夹持（b）L100x10组合角钢夹持（c）L100x10加衬底组合角钢夹持图6 夹持机构的动力学仿真Fig.6. Simulation of the Gripping force夹持机构在夹持力的作用下，通过夹紧元件（斜楔）与夹持对象接触面之间的摩擦力来平衡下滑力。夹紧元件选择橡胶材料，动摩擦系数：0.75，静摩擦系数：0.55。分别夹持L100x10角钢的直平面和两块L100x10组合角钢的根部，以及两块L100x10加衬底组合角钢的根部，对夹持爪施加50Kg的负载，仿真结果如图6。可知：夹紧L100x10角钢时，左右电机的扭矩不等，由于对角钢直平面夹持是一个非对称夹持，因此与实际情况相符；夹紧两类组合角钢时，左右电机的扭矩很小，顶紧电机的扭矩为1Nm。结果表明该夹持机构能以较小的夹持力夹紧不同类型的角钢，负载能力大，满足电力铁塔攀爬机器人的设计要求。2.3 实验及结果分析依据前面的分析，我们设计了一台夹持机构样机，为增大夹持面摩擦系数，夹持元件表面开有锯齿槽。机器人总重26Kg。实验攀爬桁架采用L120x10,L80x8和L60x6三种规格热轧等边角钢搭建，高3米。实验结果如表1。由表1可知，单个独立的夹持爪可以从多个方向对实验架上不同规格角钢进行可靠夹持；与移动机构组装后成功率不及单爪夹持。除了两次因夹紧电机过电流外，其余多因夹持爪未完全与角钢接触造成。攀爬机器人由两个夹持爪和移动主体组成。单爪夹持时，主体成悬臂梁状态。在重力作用下，机器人可能倾斜，夹持爪与本体采用直线移动副刚性连接，不能对误差进行补偿。补偿机构是下一步研究的主要问题。表1 样机实验结果Tab.1 Test results of prototype实验项目实验次数成功次数成 功率单爪夹持4040100%前爪夹持后爪移动373491%后爪夹持前爪移动363288%3. 结论与展望本文提出了一种能从多个方向对不同规格角钢进行夹持的铁塔攀爬机器人双V字夹持机构，其夹持爪V形槽角度不变，大小可变。实验结果表明，在电力铁塔攀爬机器人移动过程中，该夹持结构能够从从多个方向对不同规格角钢进行夹持，确保机器人可靠的附着在铁塔表面。下一步工作需要研究补偿机构，并进行机器人越障能力分析。（a）（b）（c）图7 样机实验Fig.7. Test of the prototype参考文献1 Chen Xiaolun, Peng Xilan, Yang Ruqing,et al. 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