一种高压线巡检机器人的设计研究.pdfVIP

第2 8 卷第3 期机电产品开簋与刨新 V 0 1 2 8 ，N 0 3 呈鱼! 曼圭曼旦旦! 兰! 竺竺! 竺垒! ! ! 竺坐! ! 兰竺竺生! ! ! 垒兰堕! ! 璺皇兰竺竺 竺型：! 兰里! 曼 文章编号：1 0 0 2 6 6 7 3 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 2 0 - 0 3 一种高压线巡检机器人的设计研究 黄荣舟，李炳川 ( 西南科技大学， ，陈果，汪明辉 四川绵阳6 2 1 0 1 0 ) 摘要：针对高压线路检修困难的现状，设计了一种高压线巡捡机器人。机器人能在电线上越障行走，以检 查高压线路上可能出现的隐患问题。介绍了机器人的机构组成与设计，在P r o E 中建立了机器人的 三维模型。应用A D A M S 模拟高压线上真实环境对机器人进行了仿真测试，分析了机器人通过障碍 物与爬坡的情形。制作实物进行了实验，实验结果符合预期要求。 关键词：A D S ：结构设计：避障行走 中图分类号：T P 2 4 2文献标识码：Ad o i：1 0 3 9 6 9 ，j is s n 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 5 0 3 0 0 7 D 商g l l 卸dR 巧髓r chf o rt h eP o w 盯L il l 髂I l l s p e ct i佃R o b o t 删MJ I 、，GR D ，矿Z 勋u ，L ，B 确卜劬啪，叫E ，vG ，肌 G 胧，l g - 日u i ( S o u 出w e s tu n j v e r s 时o f S cie n cea I l dT e ch n 0 1 0 9 y ，M ia l l y a n gS ich u a J l6 2 1 0 1 0 ，C h in a ) A b s t m ct ： I no r d e rt os o l v et h ed i伍c1 1 1 d e so fm 正n t a m 幻gp o w e rh n e s ，ap o w e rl h l e siI l s p e cd o nr d b o tw 舔d e s ig n e d T h j sr d b o tca nm o V eo n h n e sa n dcr o s so b s t a cl e st och e ckt h eh id d e nd a n g e ro fp o w e r1 in e s T h em e ch a l l ica ls m l ct u r ea 1 1 dt h ed e s ig no ft h er o b o tw 越in 廿o d u ce d ，a J l d d l r e e d im e n s io n a lm o d e 】o ft h er o b o tw a sb u mi1 1P r o E T h er e a le n 、，if o n m e n tw 於s im l l l a t e dinA D A M St o t e s tt 1 1 er o b o ta 1 1 d 柚a 】v s et 1 1 e s it l l a d o no fcr o s s in go b s t a cl e sa n dm o v in go nt h es 1 0 p e T h er o b o tw 硒m a n u 丘ct u r e dt ot e s t 垴p e r f o n n a n ce ，a il dt h er e s u l tm e tt h ee ) 中e ct a t io n K e yw o H b ：A D A M S ；s u cm r ed e s ig n ；m o V 访ga cr o 豁o b s t a cl e s 0 引言 高压输电线路长期暴露于野外。存在线路老化、电 器闪络、材料老化等问题，需要及时发现并予以修复。 传统的地面目测法劳动强度大，工作效率和探测精度 低；航测法尽管探测效率和精度高，但技术难度大、运 行费用高。为了解决上述问题，本文设计了一种高压线 巡检机器人，其主要特征是能在电线上行进、具有一定 的避障和爬坡能力，其避障方式为遥控或手动控制。 1 障碍物模型 在设计之初，本文通过查询高压线传输相关资料得 知高压线上常见的保护金具有悬垂线夹、防震锤、压线 管等故本文将高压线上的障碍物简化为以下三种：压线 管，防震锤，悬垂线夹。障碍物模型与参数如图1 所示。 2 机器人结构设计 本文设计的高压线巡检机器人能在电线上移动完 修稿日期：2 0 1 5 0 3 2 9 作者简介：黄荣舟( 1 9 9 2 一) ，男，四川成都人，在读本科生。主要 研究方向：机电一体化。 成线路的检测任 务。机器人在线 上的行进分为两 个过程其一为 线上移动其二 为越障。针对机 器人的行进特 点本文设计了 以连杆机构为主 的机械本体结 构。以实现机器 人在线上的行进 与越障。机器人 模型如图2 所 示图中的虚线 为电线。机器人 的机械结构主要 由三部分组成： 图l 障碍物模型 F ig 1M o d e lo f0 b s t a cI 鹤 行车轮 i一影二磊 二二二，! 兰， f 一 已j 一 行走轮、开合掌图2 机器人简图 机构、滑台机 F ig 2s ch e m a t icd ia g r 帅o f t h er o b o t 构。机器人依靠三对行走轮在线上行进，行走轮可以直 接通过高压线上的小型障碍物：开合掌机构的升降功能 开发与创新 可改变行走轮的高度和开合角度。从而越过障碍物：机 器人在越障和爬坡过程中通过移动滑台机构改变质心 保证自身行进的稳定性。 2 1 行走轮设计 本文设计的行走轮如图3 所示。图中6 0 0 的夹角增 大了线与行走轮之间的摩擦力增加小车的行走能力以 及提高行走的坡度。由于行走轮的左右两个半轮具有离 合性，在两个半轮合并时，为了保证它们之间的转动同 步同时减少能量损失故在左右轮上分别加工处理成带 有互补形状的方块。使之能够正确啮合。 图3 行走轮 F i9 3 W h e d 2 2 开合掌机构的设计 开合掌机构为连杆与丝杠的组 合机构通过丝杠控制连杆机构运 动。从而使行走轮开合、升降。当 前方有障碍物时，两个开合掌机构 固定不动另一个开合掌机构作为 工作机构，通过工作的开合掌机构 的张开使一对行走轮之间产生一定 角度。并向上抬升。当工作的开合 掌机构顺利通过障碍物后。需要对 线路重新定位，定位成功后缓慢将工作的开合掌机构的 移动副下移，使工作的开合掌机构的轮子与线路重新夹 紧从而顺利通过电线上的障碍物，继续移动行走。 如图4 所示为开合掌机构闭合和开合两种状态图。 开合掌机构能够在闭合状态下通过压线管与防震锤，在 开合状态时通过悬垂线夹。设B C 两点间的距离为Z 。， A B 两点间的距离为f ：，B F 两点间的距离为Z ，F G 两点 间的距离为f 。 H趟 I 卜、 拶 图4 开合掌机构 F i蛋4L in k 舡I ds cn ws t 邝ct I l 他 开口度是 衡量该机构越 障能力的指标， 设开口度为o p ， 可得： O m o p 2 丁 o D 取值范 围为( 0 ，1 ) ，设a 边与x 轴的初始夹角为e ，变化量为0 ，则行走轮半径 r 和开合过程中行走轮相对竖直线角度的变化也为e ， 设行走轮中心开合距离为o m ，可得： o m = o m + 2 I 弓in e 行走轮中心的竖直位移为： S 。= Z 2 s in ( e + 0 ) 一f 2 s in e 水平位移为： S x _ 0 5 Z 广Z 2 co s ( 0 + e ) 故行走轮中心的合位移为： S = 、S 2 + S ，2 当行走轮的直径相对Z ，、Z ：较小时，行走轮可以看 做一个质点，开合掌机构在开合状态下，行走轮可通过 障碍物的半径即为S 。设A B 边与B F 边的夹角为B ，B F 边与F G 边交点的上升距离为H l ，可得： H l = Z 3 s in ( p 一0 一e ) 一3 s in ( p e ) 设F G 边与y 轴的初始角度为_ y ，变化角度为1 ； 丝杠节点与F 点间上升距离为H ：，得： H 2 = Z 4 co s y f 4 co s ( 7 + y ) 故丝杠总的上升高度为： H 。i凸= H l + H 2 = f 3 s in ( B O 一0 ) 一f 3 s in ( p 一0 ) + f 4 co s y Z 4 co s ( 1 + 1 ) 开合掌机构在通过悬垂线夹时，需要使行走轮底部 与D 点距离大于障碍物的距离，设该距离为L ，可得： L = Z 2 s in 0 + 0 5 Z l t a n ( B 一0 ) 一r 经过计算后得到了机器人相关参数。 2 3 滑台机构的设计 滑台机构其主体为一个可以移动的控制箱，用于 存放电源、控制器件、检测设备等。控制箱可由滑轨来 调整其位置。在机器人通过障碍物与爬坡时会适当地向 前或向后运动，从而调整机器人的质心，使机械本体保 持稳定。 本文用一个额外的驱动来控制滑台机构移动，采用 了挠性传动的方式提供过载保护，使用双绕线，完成对 重物的拖动，其结构如图5 所示。 图5 滑台机构 F ig 5C e n t m mm o v i吣s t m ct m e 3 三维建模分析 在完成机构设计与参数计算后，本文在P r o ，E 中 对机械结构进行三维造型建立了线上障碍物模型， 并且将机器人与线上障碍物模型一同导入A D A M S 中进 行仿真设计。在A D A M S 中虚拟仿真的主要目的是测试 小车是否能顺利通过线上的三种障碍物，并且在斜坡上 行走。 2 1 开发与创新 【簿1 l ! ! 3 1 开合掌机构仿真 本文在A D A M S 中建立了开 合掌机构的模型，并且对其进行 了仿真处理。本文建立了测量点 到点类型的测量变量，测定前文 所述L 的距离以验证开合掌机 构张开时能否通过悬垂线夹。 管第蔺 本文设计了一种高压 线巡检机器人，对机器人 的机械结构设计过程进行 了阐述建立了机器人的 三维模型，并在A D A M S 中对其进行了仿真设计。 本文在A D A M S 中对机器 人进行了测试，结果表明 图1 2 实物图 机器人不仅能够稳定地通 F ig 1 2T h 。m b o t 过线上的障碍物，而且可以爬上1 5 。的斜坡。实物如图 1 2 所示，对加工出的经行测试表明。本文设计的机器人 满足设计要求，具有控制方便、行进稳定、机构可靠等 特点。 参考文献： 1 】孙翠莲，王洪光，赵明扬，等超高压线巡检机器人移动越障机构 综述L 玎机械设计与制造，2 0 0 6 ，1 0 【2 】张廷羽高压线巡检机器人动力学建模及分析系统仿真学报， 2 0 0 8 1 8 3 张廷羽高压线巡检机器人的研究 D 】上海：上海大学，2 0 0 8 4 任志斌高压输电线巡检机器人控制系统的研究与实现 D 】上海： 上海大学2 0 0 1 9 5 杜娥基于A D A M S 的巡检机器人运动学、动力学仿真【D 】武汉：武 汉大学2 0 0 5 【6 】孔志增输电线路巡检机器人系统及控制软件研究【D 】北京：华北 电力大学2 0 0 8 【7 】A l is s o nF b n s e ca ，R ica I d oA b d 0 ，J o 苴0A l b e r t o R o b o tf o rI n s p e ct io no f n s 而s s io n “n e s c】I E E EI n t e m a t io n a lco n f e r e n ceo nA p p l ie dR o - b o t icsf o rt h eP o w e rI n d u s t r y ，2 0 1 2 8 S P e u “铲u n g w a l B P u “g s