vc電力鐵塔攀爬機器人夾持機構設計與分析

電力鐵塔攀爬機器人夾持機構設計與分析陸小龍，趙世平基金項目：四川省科技廳資助項目（2008GZ0156）作者簡介：陸小龍（1982-），男，博士生. 研究方向：智能機器人技術及應用*通訊聯(lián)系人，廖俊必，曹志華（四川大學制造科學與工程學院, 四川成都, 610065）摘要：根據(jù)對電力鐵塔攀爬機器人夾持機構的運動和受力分析，提出并設計了一種新型雙V字夾持機構，其夾持爪V形槽角度固定，大小可變，雙爪聯(lián)動可從多個方向對不同規(guī)格角鋼夾持。建立了機構CAD模型及數(shù)學模型，并對夾持力進行了動力學仿真。實驗室樣機試驗，結果驗證了這種夾持機構能夠從多個方向對寬度從80-220mm不同規(guī)格的角鋼進行可靠夾持，為攀爬機器人在電力鐵塔移動提供可靠的夾持力。關鍵詞：電力鐵塔；攀爬機器人；夾持機構；雙V字形中圖分類號：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高壓輸電線路是電力傳輸?shù)闹饕d體，其安全運行越來越受到各級部門的重視。作為輸電線路的主要組成部分，電力鐵塔長期暴露在空氣中，受風吹雨淋、粉塵污染等影響，絕緣子的閃絡事故頻繁。據(jù)不完全統(tǒng)計，由污穢引起的絕緣閃絡事故目前在電網(wǎng)事故總數(shù)中占第二位1。定期清掃絕緣子是最基本、最有效的防污閃方法。傳統(tǒng)的人工清掃方法勞動強度大，安全性和清掃效果得不到保證。采用機器人代替人工清掃不僅能減輕工人的勞動強度、降低觸電和高空墜落的危險，而且可以在不影響供電的情況下進行帶電作業(yè)，效率高、清掃一致性好、可靠性高，具有廣泛的應用前景。攀爬機器人是移動機器人領域的一個重要研究分支，也是當前機器人領域研究的熱點之一。它把地面移動機器人技術與吸附技術有機結合起來，可以在垂直壁面上附著爬行，并能夠攜帶工具完成一定的作業(yè)任務。近年來，國內外的研究者對攀爬機器人進行了大量研究，但目前尚無專門針對輸電線路鐵塔絕緣子清掃的攀爬機器人，僅有相關類似爬升的機構：M .Tavakoli等提出的四自由度爬桿機器人23可以輕松爬越管道節(jié)點，沿折彎為任意角度的圓柱桿爬行；麻省理工大學Daniela Rus教授研制的Shady3D桁架攀爬機器人4，通過自重構可以完成在由細長方形截面桿構成的三維桁架空間移動；C.Balaguer教授設計的六自由度兩臂關節(jié)式機器人ROMA ，可以攜帶必要的設備對由矩形或工字形截面構成的桁架橋梁進行無損檢測5，但該機器人自重達75公斤，不適用于電力鐵塔絕緣子清掃工作；哈爾濱工業(yè)大學吳偉國教授提出的小型雙臂關節(jié)式桁架攀爬機器人，體積小、結構緊湊，可以在由圓柱桿構成的空間桁架中移動6。這幾類攀爬機器人所采用的夾持機構只能用于特定的環(huán)境。電力鐵塔是由不同規(guī)格角鋼經(jīng)電焊或螺栓連接而成的復雜空間桁架結構。國內外已有的攀爬夾持機構均不能可靠夾持角鋼，不適用電力鐵塔攀爬。本文針對電力鐵塔的結構環(huán)境，根據(jù)電力鐵塔攀爬機器人的設計要求，提出并設計了一種能夠從多個方向對不同規(guī)格的角鋼實現(xiàn)可靠夾持的機器人夾持機構，并對其進行了實驗驗證。1. 機器人主體結構1.1 應用環(huán)境與要求1.絕緣子 2.橫擔 3. 外包角鋼4. 斜材 5. 節(jié)點板 6.主材圖1 攀爬鐵塔Fig.1. The tower to climb如圖1所示，電力鐵塔是用角鋼電焊或螺栓連接而成的框架結構，一般由四根主角鋼（主材）組成正方形斷面或矩形斷面。主角鋼由角鋼材料制成的水平材或斜材連接。斜材與主材采用螺栓直接連接（當斜材受力較小時）或外加節(jié)點板連接。主材與主材采用外包角鋼直接對接或外加角鋼加襯底連接。橫擔與塔身主要采用外加節(jié)點板連接。鐵塔所用角鋼規(guī)格繁多，從塔基到塔頂，主材所用角鋼寬度在22080mm之間。機器人攀爬的主要障礙包括主材與主材連接處的外包角鋼及螺栓，斜材與主材連接處的節(jié)點板，以及斜材與主材直接連接處的斜材垂直邊。圖2 攀爬機器人CAD模型Fig.2. CAD model of the climbing robot本項目的目標是研制一種能夠攜帶絕緣子清掃工具或其它設備，沿鐵塔主材從塔基爬到塔頂完成相應檢修任務的攀爬機器人。該機器人必須能夠越過螺栓、外包角鋼、節(jié)點板等障礙，夾持不同規(guī)格角鋼，沿主材上下移動，同時要具有很強的負載能力以攜帶必要的設備，完成相應的檢修任務。1.2 機器人基本結構與地面移動機器人不同，攀爬機器人在移動過程中必須克服自身重力影響。在滿足實現(xiàn)基本功能的前提下，機器人結構應盡可能簡單，以減輕自身重量。設計中，既要像移動機器人一樣考慮移動方式，也要針對工作任務和環(huán)境選取吸附方式。針對電力鐵塔攀爬機器人的攀爬環(huán)境及技術要求，參考攀爬機器人常用的幾種吸附方式7，我們提出了如圖2所示的機器人基本結構設計方案。機器人主要由左右滑塊構成的主體和兩個獨立的機械夾持機構組成。左滑塊與導向桿固連，右滑塊與滾珠絲桿副固連。在電機的驅動下，左右滑塊沿導向桿相對移動，實現(xiàn)機器人沿X軸的伸縮運動。兩個獨立的機械夾持機構可以沿固連在左右滑塊上的矩形導軌沿Z軸上下移動，以便跨越障礙。攀爬過程中前后兩個夾持機構交替松開、夾緊，主體作伸縮運動，從而實現(xiàn)機器人沿鐵塔主材的上下移動。為確保機器人可靠地在鐵塔主材上移動，并具有較高的負載能力，重點和難點是夾持機構的設計。2. 機械夾持機構研究2.1 機構模型機器人在沿鐵塔主材上下攀爬的過程中，多數(shù)情況下只有一個夾持爪夾持角鋼。因此，一方面要通過結構優(yōu)化，降低機器人的自重，另一方面，夾持機構要能提供足夠大的夾持力，以確保機器人運動中不會跌落或滑移。本文提出的攀爬機器人夾持機構如圖3 所示，主要由結構相同的左右V形手爪、中間體和連接支座三部分組成。與傳統(tǒng)的雙V字夾持爪不同，該機構左右手爪V形槽角度固定，大小可變。每個手爪由兩個斜面角相等的斜楔組成，其中一個與手爪基座固連，稱為定指；另一個稱為動指與導軌運動件固連，導軌運動件又與螺母固連，在絲桿螺母的帶動下可以沿矩形導軌上下移動。當動指相對定指上下移動時，動指的斜面可視為沿豎直方向平移，由平面幾何中平行線的性質：兩直線平行同位角相等理論可知，動指與定指斜面夾角始終保持不變，因此可以將該手爪看成是一個夾角固定，形狀可變的V形爪。左右手爪對稱分布于中間體兩側，導向桿與滾珠絲桿平行并與中間體和左右電機支座固連，手爪基座嵌有螺母，在手爪夾緊電機的驅動下，兩手爪沿導向桿相對中間體移動，通過手爪的伸縮和開、合動作可以對如圖4(a)、（b）、（c）、（d）四種安裝形式的角鋼可靠夾持，而其余兩種形式則需借助安裝于中間體腔體內的頂塊來實現(xiàn)。頂塊端面開有V形槽，根部倒圓角，利于與角鋼根部充分接觸。1.矩形導軌 2.手爪基座 3. 定指 4. 導軌運動件 5. 動指6. 頂塊 7. 中間體 8. 導向桿 9. 手爪夾緊電機 10. 絲桿 11. 動指伸縮電機圖3 夾持爪的CAD模型Fig.3. CAD model of the Gripper2.2 夾持力分析圖4夾持爪夾持不同角鋼Fig.4. The gripper grasping various objects可靠性和安全性是攀爬機器人設計中考慮的重點問題。夾持機構必須可靠牢固的抓緊攀爬對象，以免機器人墜落或滑移。機器人本體對夾持爪產(chǎn)生的負荷隨機器人的運動狀態(tài)變化，為了平衡負荷，夾持機構必須具有力封閉或形狀封閉的特點8。限于篇幅，本文對此特性不加分析，僅對施加一個固定負載的情形進行基本的靜力學分析。 圖5 夾持力分析Fig.5. Fixing forces on the gripper 2.2.1 數(shù)學模型本文僅對一種具有代表性的角鋼類型的夾持情況進行分析。如圖5所示，假設手指的斜楔斜面角為，等邊角鋼的長為b，厚為a，機器人及負載對夾持爪產(chǎn)生的扭力在夾持爪的X0Y0Z0坐標系中表示為W=(Fxd,Fyd,Fzd,Txd,Tyd ,Tzd )在圖中沒有標示），負載的扭矩可以利用牛頓歐拉遞歸方法獲得。夾持機構對角鋼夾持是四個線接觸，為了方便分析，此處將其看成是四個點接觸，并將夾持爪與角鋼第k個接觸點的法向和切向力定義為：(k=1,2,3,4)，力的正方向如圖5中所示。根據(jù)平衡條件可得：(1) 假設角鋼與夾持機構夾緊元件（斜楔）接觸面間的摩擦系數(shù)，則根據(jù)極限摩擦定律可得：(2) (k=1,2,3,4) (3)由于接觸力始終是單向的，因此：（k=1,2,3,4）(4)由2.1節(jié)知，圖中F1和F2分別是滾珠絲桿作用在左右夾持爪上的力。根據(jù)平衡條件得：(5)顯然，求出這12個接觸力才能計算出機器人可靠附著在鐵塔上所需要的夾持力。上述聯(lián)立方程無確定解。但要夾持角鋼，使機器人可靠附著在鐵塔上，必定存在一個最小夾持力。因此，這是一個利用12個變量（接觸力）求最優(yōu)值的問題，限于篇幅，此處不做詳述。2.2.2 仿真分析由上文建立的數(shù)學模型不能直接推導出夾持力的大小。為了驗證機構的夾持特性，本文應用動力學分析與仿真軟件ADAMS5.0進行分析。（a）L100x10角鋼夾持（b）L100x10組合角鋼夾持（c）L100x10加襯底組合角鋼夾持圖6 夾持機構的動力學仿真Fig.6. Simulation of the Gripping force夾持機構在夾持力的作用下，通過夾緊元件（斜楔）與夾持對象接觸面之間的摩擦力來平衡下滑力。夾緊元件選擇橡膠材料，動摩擦系數(shù)：0.75，靜摩擦系數(shù)：0.55。分別夾持L100x10角鋼的直平面和兩塊L100x10組合角鋼的根部，以及兩塊L100x10加襯底組合角鋼的根部，對夾持爪施加50Kg的負載，仿真結果如圖6?？芍簥A緊L100x10角鋼時，左右電機的扭矩不等，由于對角鋼直平面夾持是一個非對稱夾持，因此與實際情況相符；夾緊兩類組合角鋼時，左右電機的扭矩很小，頂緊電機的扭矩為1Nm。結果表明該夾持機構能以較小的夾持力夾緊不同類型的角鋼，負載能力大，滿足電力鐵塔攀爬機器人的設計要求。2.3 實驗及結果分析依據(jù)前面的分析，我們設計了一臺夾持機構樣機，為增大夾持面摩擦系數(shù)，夾持元件表面開有鋸齒槽。機器人總重26Kg。實驗攀爬桁架采用L120x10,L80x8和L60x6三種規(guī)格熱軋等邊角鋼搭建，高3米。實驗結果如表1。由表1可知，單個獨立的夾持爪可以從多個方向對實驗架上不同規(guī)格角鋼進行可靠夾持；與移動機構組裝后成功率不及單爪夾持。除了兩次因夾緊電機過電流外，其余多因夾持爪未完全與角鋼接觸造成。攀爬機器人由兩個夾持爪和移動主體組成。單爪夾持時，主體成懸臂梁狀態(tài)。在重力作用下，機器人可能傾斜，夾持爪與本體采用直線移動副剛性連接，不能對誤差進行補償。補償機構是下一步研究的主要問題。表1 樣機實驗結果Tab.1 Test results of prototype實驗項目實驗次數(shù)成功次數(shù)成 功率單爪夾持4040100%前爪夾持后爪移動373491%后爪夾持前爪移動363288%3. 結論與展望本文提出了一種能從多個方向對不同規(guī)格角鋼進行夾持的鐵塔攀爬機器人雙V字夾持機構，其夾持爪V形槽角度不變，大小可變。實驗結果表明，在電力鐵塔攀爬機器人移動過程中，該夾持結構能夠從從多個方向對不同規(guī)格角鋼進行夾持，確保機器人可靠的附著在鐵塔表面。下一步工作需要研究補償機構，并進行機器人越障能力分析。（a）（b）（c）圖7 樣機實驗Fig.7. Test of the prototype參考文獻1 Chen Xiaolun, Peng Xilan, Yang Ruqing,et al. Study on Development of Live Line Cleaning Robot for 330kVTransformation EquipmentsJ Power System Technology,2007,31(19): 56-59.陳曉倫，彭夕嵐，楊汝清等. 330KV變電設備帶電清掃機器人研究J. 電網(wǎng)技術,2007，31(19): 56-592 M.Tavakoli, M.R.Zakerzade, G.R.Vossoughi，S.Bagheri. A hybrid Pole Climbing and Manipulating Robot with Minimum DOFs for Construction and service applications J. Journal of Industrial Robot, 2005,32(2):171-1783 M.Tavakoli, A.Marjovi, L.Marques,et.al. 3DCLIMBER: A climbing robot for inspection of 3D human made structureC/ 2008IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and systems,IROS, p4130-4135,20084 Yoon Yeoreum, Rus Daniela. Shady 3d: A robot that climbs 3d trusses C /Proceedings-IEEE International Conference on Robotics and Automation,p 4071-4076，2007.5 C. Balaguer, A. Gimenez, A. Jardon. Climbing robots mobility for inspection and maintenance of 3D complex environments J. Autonomous Robots ,2005,18(2),157-1696 Li Xiaolan, Wu Weiguo. Avoidance research and simulation of double-arms & hands mobile robot in spatial truss structure J. Machinery Design & Manufacture, 2008, (5): 177-179.李曉燕，吳偉國，雙臂手移動機器人空間桁架內避障移動研究與仿真J.機械設計與制造, 2008, (5).177-179.7 Domenico Longo, Giovanni Muscato. Adhesion techniques for climbing robots: State of the art and experimental considerationsC/ Proceedings of the Eleventh International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, Coimbra, Portuga ,20088 Qin Zhiqiang, Zhao Xifang, Li Zexiang. On the Force Closure of Robotic Multifingered Grasp J. Journal of Shang Hai Jiaotong University, 1999,33(7):858-861.秦志強，趙錫芳，李澤湘. 機器人多指抓取的力封閉判別J.上海交通大學學報, 1999, 33(7):858-861