双吊臂式架空线路机器人的攀爬机构研究

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采用高压/超高压/特高压架空输电线路是长距离输配电的主要方式l。为了确保电网可靠运行，电力企业需定期对架空线路及线上各类金具进行巡检。传统的架空线路巡检方法主要有人工目测法和直升飞机航测法日。从 20世纪 80年代末开始，使用架空线路机器人实施巡检作业的研究在国内外相继展开 。

架空线路上安装的各种金具，如悬垂绝缘子、防震锤、问隔棒等，大大增加了机器人在架空线路上攀爬行驶的难度，机器人必须具备较强的平衡调节能力和越障能力。因此机器人本体机构的设计成为架空线路机器人研发的-大难题。

架空线路机器人逐渐发展为飞行机器人和爬行机器人两大类。总的来说，爬行机器人巡检质量高、自主.眭好，相比于飞行机器人更具备可行f生和实用性 。文献 的综述调研结果还表明：吊臂式机器人是国内外架空线路机器人研究中采用的主要机构形式之-，但这种机构类型往往存在姿态控制能力差和越障能力弱的局限。

沿用 日本某公司研制的 Expliner机器人 提出的-类具有代表性的基于质心调节原理的双吊臂本体机构，并根据该机构特点，提出了-种新型结构的攀爬机构，旨在提升机器人的姿态控制能力和爬坡能力。

2机器人本体机构设计如图 1所示，机器人上半部分为攀爬机构，采用对称的双吊臂结构，由前攀爬臂 、后攀爬臂 、 形基座等组成；下半部分为基于二自由度机械臂质心调节原理的平衡调节机构。

图 1机器人本体Fig.1 The Structure，of Robot质心调节器末端的配重箱占机器人整体质量约 l/3，向前或向后伸展质心调节器可相应将机器人的质心向前或向后移动，从而对应抬起后攀爬臂或前攀爬臂。凭借这种本体机构设计，机器来稿日期：2012-09-11作者简介：文雪峰，(1988-)，男，四川人，在读硕士研究生，主要研究方向：特种机器人研究与开发；佃松宜，(1972-)，男，四川人，博士，硕士研究生导师，主要研究方向：特种机器人研究与开发第7期 文雪峰等：双吊臂式架空线路机器人的攀爬机构研究 169人跨越悬垂线夹的动作分解示意，如图 2所示。(动作顺序为(a)-(b)-(c)-(d)-(e)-(f))。

臂从动轮所受最大支撑力；， -机器人质量； -重力加速度。

当机器人工作于坡度较大的架空线路上时，须先通过抬臂动作将辅助臂从动轮放置于架空线下方充当夹持轮，如图 4(b)所示。(1)辅助臂作用于架空线上，产生转矩用于增加机器人的抬臂高度，以提升机器人坡上抬臂越障的能力，降低质心调节的难度；(2)可增大滑轮与架空线之间的摩擦力，避免机器人打滑，提升机器人的爬陡坡能力，也可防止机器人受到风力扰动从线上图2跨越悬垂线夹动作分解示意图Fig.2 Sequence of Motion for Obstacle-Navigating3攀爬机构设计3.1攀爬臂结构设计前后攀爬臂均由驱动轮轴、驱动轮、驱动轮轴关节、辅助臂、辅助臂关节和从动轮轴组成，-个攀爬臂的结构原理图，如图 3所示。攀爬臂的驱动轮轴用于驱动机器人前进，驱动轮轴上的两个滑轮间距为450ram。辅助臂关节由-组减速齿轮传动，实现与驱动轮轴关节在同-轴线上两个旋转关节内外包裹的机械结构，使辅助臂可绕驱动轮轴独立 自由旋转。

机驱动轮轴 驱动轮轴关节图3攀爬臂结构 3D设计图Fig.3 3D Models of Motion Arms3-2辅助臂工作原理及参数确定当机器人抬臂处于单臂悬挂姿态时，容易发生姿态失稳现象，且当机器人受到风力干扰时，质心调节器更无法保证姿态稳定性。旋转辅助臂使辅助臂从动轮作用在架空线上充当第二支点轮，如图4(a)所示。质心调节器只需将机器人质心调节至驱动轮轴和辅助臂从动轮之间任意位置即可保证机器人抬臂姿态稳定性，从而提高了机器人的姿态稳定裕度。

要保证机器人抬臂时质心的稳定范围为L ，辅助臂从动轮最大需能够承受机器人全部质量。辅助臂长度为 0.2m，机器人本体结构采用航空铝材料，整体质量约70kg。则辅助臂关节最大输出转矩 I唧由公式(1)来计算：7 。× xmg137.2Nm (1)式中： 稍 助臂长度； 助臂从动轮所受支撑力； 辅助图4机器人攀爬臂受力情况及分析Fig.4 Force Analysis of Motion Arm机器人坡上抬臂受力关系公式为：Frf(mgcosOF)mgsin0 (2)由(2)式可求解机器人最大攀爬坡度为：0，.arcsin f ) (3) 、1 J /令 Kmg可得：0maxarcsinf丛 -1 1 (4)、 f1 /式中： -滑轮与架空线之间的摩擦力； -架空线的坡度 ；7-滑轮与架空线摩擦系数。

设计机器人爬坡能力需综合考虑 K4两个参数。由(1)选取K ，选取材料 厂-0.4，由公式(4)计算可得机器人最大攀爬坡度- -43.5。，相较于不采用这种夹持方法，最大攀爬坡度增加了约21.5。，显著提高了机器人的爬坡能力。

4机器人攀爬机构运动学建模及姿态监测以架空线为参照系，采用第二连杆坐标系建立方 ，建立机器人攀爬机构部分的连杆坐标系，如图5所示。

在前后攀爬臂的中点 0处设立架空线基坐标系0，点 0到后攀爬臂点A之间为第零连杆。点A为机器人后攀爬臂滑轮和架空线之间的悬挂点，机器人在抬臂过程中会发生侧倾偏转和俯仰偏转 ，因此可将点 A看成-个球形副。运动学建模时，拆分为1、2两个坐标系来表示，分别用 0 和 来表示机器人的侧倾偏转角度和俯仰偏转角度，由此也确定 r质心调节器必须具有两个 自由度才能满足机器人的平衡调节和姿态控制。再依次确定3、4、j 5坐标系。 为 钐基座水平杆的长度， 为攀爬臂到 T形基座水平杆的高度， 为辅助臂关节沿 轴负方向到形基座的距离。机器人在抬起前臂时，前攀爬臂D-日参数 ，如表1所示170 机 械设 计 与制 造No.7July.2013图 5机器人攀爬机构部分杆件坐标系Fig.5 Coordinate System of the Climbing Mechanism Part表 1机器人攀爬机构部分D-H参数Tab.1 The D-日 Parameters of the ClimbingMechanism Part机器人的姿态控制过程中需要对机器人的姿态进行监控和架空线坡度检测，并分析机器人姿态失稳情况。攀爬机构的每个关节均装有编码器可实时反馈关节的实际旋转角度 ，从而实现对关节 、 、 的旋转角度 、04、0 的监控，但 0。.02以及架空线坡度无法直接获龋 的获取方法：通过力位控制策略，在机器人抬臂的过程中，保持辅助臂紧贴架空线，则0 等于后辅助臂关节 厶旋转的角度。0.的获取方法：在攀爬臂上安装两轴倾角传感器，可检测攀爬臂的侧倾角度0.，和横向倾斜角度 。架空线坡度获取方法：结合辅助臂力位控制策略测得的 0 和倾角传感器测得的攀爬臂横向倾斜角度 ，则架空线坡度等于 。机器人姿态失稳情况主要由侧倾失稳角度△ 和俯仰失稳角度△ 来表征，分别由公式(5)和(6)表示，0 为输入命令抬臂角度。

△ c (5)△ r r- 2 (6)5基于 ADAMS的前攀爬臂的仿真及结果分析使用 ADAMS软件分别构建了不带辅助臂的常规攀爬机构和带辅助臂的攀爬机构的机器人虚拟样机。如图6结果表明，增加辅助臂设计后，机器人抬臂的延迟时间大大缩短，辅助臂可很好地抑制机器人在抬臂过程和行进过程中的俯仰失稳和侧倾失稳现象。

昌量键I J- 白f崎- 枷r 罐辑抽∞I lqVIVTl Em J l I I抬臂讨 秤 忿 叫 兀牛搠刖胃 俐 l ·(a)前攀爬臂垂直方向振动时间s )(b)前攀爬臂侧向振动图6仿真结果Fig.6 The Results of Simulation6总结(1)针对-类基于质心调节原理的双吊臂架空线路巡检机器人，根据其结构特点，提出了-种新型结构的攀爬机构。(2)对攀爬机构进行了详细原理分析 、参数计算和运动学建模。基于攀爬机构运动学模型还提出了姿态失稳和架空线坡度的监测方法。

(3)采用ADAMS软件对机器人抬臂行进过程进行了仿真分析。仿真结果表明采用带辅助臂结构的攀爬机构可提升机器人的姿态控制能力，从而提升机器人的越障能力。(4)采用本攀爬机构的架空线路巡检机器人原理样机已研制成功，如图 1所示。后期将致力攀爬机构和质心调节器的控制算法实现与优化。