質(zhì)心調(diào)節(jié)式巡線機器人機械本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

盧坤媛 ，王吉岱

（1.青島黃海學(xué)院，青島 266590；2.山東科技大學(xué)，青島 266590）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)的高速發(fā)展，輸電線路的安全穩(wěn)定運行越來越受到人們的重視。為了代替人工、直升機巡檢等傳統(tǒng)的巡檢方式，減輕人工勞動強度和作業(yè)成本，國內(nèi)外多家研究機構(gòu)展開了對研究輸電巡線機器人技術(shù)的研究，并取得了一定的成就。目前，塔內(nèi)作業(yè)的巡檢技術(shù)比較成熟，但越塔作業(yè)的巡線機器人還沒有很成熟的技術(shù)。巡線機器人沿著電力線路巡檢時，完成塔內(nèi)和塔間的工作，在塔內(nèi)作業(yè)時，沿著直線行走，遇到簡單障礙（防震錘、間隔棒、懸垂線夾等）時，可以比較容易越障。但是遇到耐張線塔，需要跨越引流線時，越障難度就比較大。巡線機器人的工作環(huán)境如圖1所示。

圖1 高壓線路巡線機器人工作線路圖

1 巡線機器人的系統(tǒng)組成

作為機電一體化產(chǎn)品，巡線機器人涉及到機械機構(gòu)、傳感器融合技術(shù)、驅(qū)動系統(tǒng)、通訊技術(shù)以及電源技術(shù)等多個領(lǐng)域。巡線機器人一般由機械本體、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)等組成的。巡線機器人控制系統(tǒng)包括手動控制裝置、遙控器控制裝置以及遠程監(jiān)控裝置。檢測裝置可以實時檢測巡線機器人的行走狀態(tài)以及線路故障狀態(tài)，并將檢測信號反饋給控制系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制，將反饋的信息比較之后，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出新的指令，進行位姿調(diào)整。

巡線機器人的機械本體技術(shù)是目前制約巡線機器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。在設(shè)計機械本體時，首先要研究清楚高壓輸電線路巡線機器人的工作要求以及要達到的技術(shù)指標，其主要內(nèi)容有：在人工輔助下可以實現(xiàn)上、下線；在驅(qū)動系統(tǒng)的作用下，沿線穩(wěn)定行走；遇到障礙，檢測系統(tǒng)發(fā)出信號，反饋系統(tǒng)將信號反饋到巡線機器人的上位機，從而控制驅(qū)動裝置驅(qū)動行走輪平穩(wěn)越障；電力線路是有一定弧度的，因此巡線機器人要有一定的爬坡能力；越障功能：可以跨越電力線路上的間隔棒、防震錘、懸垂線夾和跳線等障礙；依據(jù)巡線機器人要實現(xiàn)的功能目標和性能要求，其機械本體設(shè)計包括：越障手臂設(shè)計行走臂設(shè)計和整體框架設(shè)計等。

2 可調(diào)質(zhì)心巡線機器人的機構(gòu)簡圖

一般的機械手臂，具有六個自由度，針對本文的技術(shù)要求，可以適當?shù)臏p少自由度的個數(shù)，執(zhí)行末端既可以達到指定的位姿，又減少了控制的難度。利用人沿線攀援的仿生學(xué)原理，本文設(shè)計了三臂巡線機器人，左右兩側(cè)的手臂均有三個自由度：豎直面的伸縮移動、水平面的轉(zhuǎn)動、豎直面的轉(zhuǎn)動。這三個自由度就可以滿足行走輪的位姿即末端執(zhí)行器的需求。對于中間機械手臂無需實現(xiàn)水平面的跨越，因此可以減少一個豎直面的仰俯的自由度。三臂巡線機器人的機構(gòu)簡圖，如圖2所示。

圖2 質(zhì)心可調(diào)的巡線機器人的機構(gòu)簡圖

巡線機器人沿線向右行走時，當右側(cè)的機械臂遇到障礙時，右臂依靠伸長抬起離線，此時只有兩個機械臂掛線，整體的機械重心就會偏斜，影響越障的平穩(wěn)性，故在三個機械手臂的底部基架上安裝質(zhì)心調(diào)節(jié)機構(gòu)。越障時，抬起一個手臂時，借助控制箱和機座的相對移動，調(diào)整整個巡線機器人的重心在兩個掛線的機械臂中間。

在線越障時，考慮到實際線路障礙尺寸的大小以及分布的情況，機械臂伸縮等諸多因素，確定巡線機器人的左右兩臂之間的距離為280mm，三個行走輪的直徑為100mm，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)1、2的轉(zhuǎn)動角度為60°，關(guān)節(jié)3的伸縮距離為240mm。依左臂為例，可以實現(xiàn)沿線跨度為700mm的距離，如圖3所示。

圖3 機械臂跨越示意圖

3 巡線機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

巡線機器人沿線巡檢線路時，它的所有重量都作用在高壓線路上，為了避免因重量問題對線路造成損壞，在設(shè)計巡線機器人時，盡可能設(shè)計質(zhì)量輕便、易于操作的機構(gòu)。結(jié)合實際的工況要求，左右兩臂要反向?qū)ΨQ布置在輸電線路上，機構(gòu)相同，都有行走機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、組合擺臂機構(gòu)、剎車機構(gòu)等。通過絲杠螺母副，來控制控制箱和基座之間的移動，進而調(diào)節(jié)整機的機構(gòu)重心。

3.1 伸縮機構(gòu)的設(shè)計

伸縮機構(gòu)由導(dǎo)向桿、梯形絲杠、絲母、絲母座、伸縮臂護板、底板以及驅(qū)動電機等組成。伸縮臂機構(gòu)和行走機構(gòu)之間通過絲座連接固定，傳動機構(gòu)采用螺旋機構(gòu)平穩(wěn)傳動，由電機驅(qū)動螺紋絲杠，帶動絲母沿導(dǎo)桿上下移動，進而實現(xiàn)行走主機構(gòu)的升起和降落運動。

3.2 行走機構(gòu)的設(shè)計

行走機構(gòu)由行走輪和伸縮臂組成，行走輪由電機通過兩個錐齒輪機構(gòu)帶動，它是行走機構(gòu)的主要零件之一。它需要沿線行走，還需要承受整個機器人的重量，所以在設(shè)計行走輪時，既要考慮重量問題，還要考慮摩擦力的問題。行走輪自身既要輕便，又要滿足足夠的強度和剛度。作者選用尼龍70作為行走輪的主體，在其外表面采用高強度、高彈性的聚氨酯耐磨材料。聚氨酯材料具有高彈性和高耐磨性，可以防止爬坡時機器人打滑，同時又減輕了對線路的磨損。

3.3 組合擺臂機構(gòu)的設(shè)計

組合擺臂機構(gòu)由兩個轉(zhuǎn)動副組成，每個轉(zhuǎn)動副是一個蝸輪蝸桿傳動，其轉(zhuǎn)角在±60°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，蝸輪蝸桿傳動由電機驅(qū)動，實現(xiàn)組合擺臂在豎直方向或者在水平方向內(nèi)的轉(zhuǎn)動。在控制系統(tǒng)的作用下，組合擺臂和伸縮臂配合實現(xiàn)在線的行走以及簡單的越障功能。因為蝸輪蝸桿機構(gòu)具有良好的自鎖性能，所以組合擺臂在線運行的任何位姿都可以保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.4 質(zhì)心可調(diào)機構(gòu)的設(shè)計

質(zhì)心可調(diào)機構(gòu)是利用絲杠螺母移動副，實現(xiàn)箱體和機械手臂之間的移動，從而調(diào)節(jié)整個機器的機構(gòu)重心。絲杠采用梯形螺紋絲杠，傳遞動力大、自鎖性好。電機帶動梯形螺紋絲杠，絲杠帶螺母沿著機箱的燕尾槽往復(fù)的水平移動。

3.5 制動機構(gòu)的設(shè)計

在線檢測時，遇到故障，巡線機器人需要制動剎車，本文設(shè)計的制動剎車機構(gòu)由剎車片、減速器、杠桿等組成，減速器采用蝸輪蝸桿傳動，自鎖性和精密性較好。利用該制動剎車機構(gòu)，巡線機器人可以在線上平穩(wěn)停車。

4 巡線機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選取

依據(jù)驅(qū)動源的不同，巡線機器人的驅(qū)動系統(tǒng)包含液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動以及混合驅(qū)動等。

1）液壓驅(qū)動系統(tǒng)以高壓油為工作介質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈敏且傳動平穩(wěn)，這是液壓驅(qū)動的優(yōu)點。其缺點是：密封要求的條件高，液壓的元件成本高，而且需要配備專門的儲油缸、液壓閥，體積比較大。在巡線機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中不適合采用這種驅(qū)動方式。

2）氣動以壓縮空氣作為動力，氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護簡單，易于操作。但是因為是壓縮空氣，其可靠性不高，工作運行的穩(wěn)定性稍差，不能進行高精度的控制。所以這種驅(qū)動方式也不適合。

3）電機驅(qū)動沒有污染，易于控制，運動精度較高，因此在機械驅(qū)動中被廣泛應(yīng)用。驅(qū)動電機有步進電機和伺服電機，而伺服電機又分為直流和交流。步進電機價錢便宜，控制系統(tǒng)簡單，但是它是開環(huán)控制，精度比較低。交流伺服電機在成本和維護上比直流電機有優(yōu)勢，但是對于高輸電線路上的巡線機器人如何取電成了難題。在啟動性能上，調(diào)速范圍上，直流伺服電機比其他幾種電機都有明顯的優(yōu)點但是價錢較高。因此，本文在選擇電機時，選用直流電機附加編碼器的方式，既經(jīng)濟又實用，能夠較好的驅(qū)動巡線機器人，實現(xiàn)在線作業(yè)。

5 巡線機器人的三維實體建模及優(yōu)化

巡線機器人的機械本體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，借助于計算機輔助設(shè)計模塊方便對巡線機構(gòu)進行優(yōu)化。在三維建模的過程中，涉及到了實體建模、特征建模和裝配建模三個模塊，借助于這三大模塊的強大的產(chǎn)品設(shè)計功能，為后期的機構(gòu)運動分析和動力分析奠定了基礎(chǔ)。對巡線機器人的組成進行分解，左右兩臂機構(gòu)對稱，裝配時一定要注意對稱性，依據(jù)各個零部件的位置和建模關(guān)系，對各個零部件進行機構(gòu)分析。

在UG中虛擬裝配分為自底向上的方式和自頂向下的方式，以及混合組裝。對于本文設(shè)計的三個機械手臂采用了自底向上的裝配方式，而裝配行走機構(gòu)和伸縮機構(gòu)則用了自頂向下的裝配方式。在建模和裝配的過程中，出現(xiàn)了干涉情況，重新繪制二維圖紙，建立三維模型，直到?jīng)]有干涉發(fā)生為止，最終得到巡線機器人的總裝配體圖，如圖4所示。

圖4 巡線機器人的三維優(yōu)化模型

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種質(zhì)心可調(diào)節(jié)的巡線機器人機械本體的結(jié)構(gòu)。該巡線機械人包括機械組成部分和動力控制部分，機械組成部分又分為行走機構(gòu)和質(zhì)心調(diào)節(jié)機構(gòu)。按照要到達的技術(shù)要求，利用CAD設(shè)計二維圖紙，然后在UG軟件中建立零部件的三維模型，在裝配過程中對發(fā)生干涉的零部件重新設(shè)計，反復(fù)優(yōu)化，最終建立了巡線機器人的整體裝配模型。