無配重欠驅(qū)動輸電線路巡檢機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

北京聯(lián)合大學(xué) 樂海豐 張利霞 孫力紅

1.采用力學(xué)方法進(jìn)行機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用仿長臂猿的雙臂結(jié)構(gòu)，每條手臂設(shè)計了4個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別是肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、和腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)以及水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并在腕關(guān)節(jié)與箱體的兩端之間引入了一條柔索7。機器人越障過程中，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)用于調(diào)節(jié)手臂的姿態(tài)，并定位行走輪的位置。指關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)行走機構(gòu)的快速搭線和脫線；還為機器人在做翻轉(zhuǎn)、越障運動時，在動勢能轉(zhuǎn)化中減少損耗提供保障。水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于調(diào)節(jié)行走輪的姿態(tài)，繞開障礙物。柔索主要用于承受機器人的重量，調(diào)整它的長度可以機器人的質(zhì)心位置。機器人通過兩條手臂上的柔索長度以及各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)機器人的越障功能。

在傳統(tǒng)機器人基礎(chǔ)上，減少配重系統(tǒng)，機器人的結(jié)構(gòu)大大簡化，由兩個機器臂和機體組成。機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中各參數(shù)意義如下：Pi為腱張力；mi為臂部各段重量，li為臂部各段長度；Ji為臂部各段轉(zhuǎn)動慣量；di為各關(guān)節(jié)到該部重心的距離；θi為結(jié)構(gòu)角度，此處i=1,2,3。

無配重欠驅(qū)動機器人結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。圖中各參數(shù)意義如下：Pi為腱張力；mi為臂部各段重量，li為臂部各段長度；Ji為臂部各段轉(zhuǎn)動慣量；di為各關(guān)節(jié)到該部重心的距離；θi為結(jié)構(gòu)角度，此處i=1,2,3。

圖1 機器人模型圖

圖2 機器人結(jié)構(gòu)簡圖

現(xiàn)有的大多數(shù)電纜巡檢機器人為了保證機體平衡，是通過在機體處添加可改變質(zhì)心位置的配重實現(xiàn)的。在實現(xiàn)搭線和脫線運動中，類似于被提起一個螯的螃蟹，這種設(shè)計使機器臂的仿生性降低。而本設(shè)計的欠驅(qū)動機器臂，兩臂之間相互配合，一個機器臂承擔(dān)全身重量時，另一個機器臂不只完成搭線等任務(wù)，還承擔(dān)機體平衡的校正任務(wù)，由此可以減少機器人的配重機構(gòu)，也提高了機器人的仿生性。

2.欠驅(qū)動機器人的越障構(gòu)態(tài)

無配重欠驅(qū)動機器人在不同的運動環(huán)節(jié)，依靠關(guān)節(jié)彈簧和機械限位機構(gòu)，形成它專門的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（簡稱構(gòu)態(tài)），完成機器人的特有運動。下面通過機器人的自然構(gòu)態(tài)、行走構(gòu)態(tài)、轉(zhuǎn)身構(gòu)態(tài)、脫線構(gòu)態(tài)和搭線構(gòu)態(tài)分別說明：

機器人的自然構(gòu)態(tài)，是指機器人在沒有外界約束的情況下依靠自身彈性元件復(fù)位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如圖3（A）所示。在彈簧和限位裝置的共同作用下，兩個機器臂的大臂與水平面成γ角，腕部與水平面成δ角。目的是在滾筒電機回收腱時，防止大臂與機體平行而出現(xiàn)肩關(guān)節(jié)卡死現(xiàn)象；腕部在搭線脫線時疊加肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的彎曲角度，可以接近豎直，方便行走機構(gòu)搭線脫線。

機器人的行走構(gòu)態(tài)，如圖3（B）所示，機器人雙臂在重力的作用下，肩、肘、腕各個關(guān)節(jié)的彈簧受到壓縮（拉伸），雙臂成豎直狀態(tài)。

圖3 機器人的越障機理構(gòu)態(tài)組圖

脫線構(gòu)態(tài)；開始越障時，如圖3（C）所示，后臂滾筒電機轉(zhuǎn)動使腱p1收回，腱帶動大臂l1回轉(zhuǎn)，大臂壓縮肩關(guān)節(jié)向內(nèi)彎轉(zhuǎn)。此時與之相連接的小臂l2受機體等物的重力約束，向下垂直，使得肘關(guān)節(jié)向外彎轉(zhuǎn)。機體逐漸水平移至小臂的正下方，機體位移也逐漸上升。由于機體的上升，前臂逐漸失去承擔(dān)機體重量的功能，同時也失去了重力的約束，但在腱F2的約束下，依舊呈豎直狀態(tài)，當(dāng)其行走機構(gòu)高于電纜時，前臂的行走機構(gòu)不受下面的電纜約束，就輕松地實現(xiàn)脫線工作了。

轉(zhuǎn)身與回身構(gòu)態(tài)，如圖3（D）所示，轉(zhuǎn)身構(gòu)態(tài)是前臂完成脫線工序后，后臂水平關(guān)節(jié)向外旋轉(zhuǎn)，帶動整個身體轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)身角度可根據(jù)障礙物的形狀和大小而定，最大為90度。當(dāng)前面的障礙物較大時機器臂后面的行走機構(gòu)繼續(xù)前進(jìn)，行至后臂靠近障礙物時，調(diào)整機器人的自平衡構(gòu)態(tài)?；厣順?gòu)態(tài)是轉(zhuǎn)身構(gòu)態(tài)的復(fù)位工作，區(qū)別是后臂水平關(guān)節(jié)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，后面的行走機構(gòu)到達(dá)電纜的正上方，繼續(xù)后續(xù)的搭線過程。

自平衡構(gòu)態(tài)，搭線構(gòu)態(tài)，如圖3（E）所示，當(dāng)行走機構(gòu)處于電纜的正上方時，該滾筒電機轉(zhuǎn)動，使得腱逐漸收緊，行走機構(gòu)和機體受腱牽引，之間的距離變小，最終行走機構(gòu)完全落在電纜之上，逐漸承擔(dān)機體的重量，完成前臂的搭線過程。

上述構(gòu)態(tài)僅完成了一個臂的越障，后臂和前臂進(jìn)行動作互換，就可以完成整個越障過程了。越障時的構(gòu)態(tài)如圖3（F）、（G）、（H）和（I）所示。

3.結(jié)束語

通過研究，本文設(shè)計的機器人，不需要配重的情況下平穩(wěn)的調(diào)整機器人身姿。機器人的一個機器臂調(diào)整身姿，另一個機器臂做搭線或脫線的預(yù)備動作，達(dá)到快捷性。通過機器人的越障機理構(gòu)態(tài)組圖，表明該機器人能在無配重系統(tǒng)的情況下，保持了機體基本平衡；利用欠驅(qū)動控制實現(xiàn)了機器人的平穩(wěn)越障；達(dá)到了減輕機器人自重的目的。