（机械制造及其自动化专业论文）一种缆线爬行机器人的运动与动力学分析.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为了对高压输电电网进行自动化巡检，提高对输电缆线的巡检效率、降 低人工作业的成本和防止人身意外事故的发生，本论文设计了一种用于 2 2 0 k v 高压输电线路巡检的爬行机器人本体机构，并对其运动、动力性能进 行了全面的研究。 本文以爬行机器人的机构综合和动力学分析为主要研究内容，模拟了四 足爬行动物的运动步态，将原始的仿生机构进行恰当的倒置、变异，提出了 一种新型缆线爬行机器人的机构本体，完成了机构的型综合、尺度综合和运 动优化，设计出结构紧凑、质量更轻的机械结构。 为了使运动学、动力学计算成为可能，提出了以机构运动中的特征位置 点或等间距点作为插值结点、以傅里叶级数作为插值函数，进而将传动函数 展开为三角级数的计算方法。在此基础上，对机构本体进行了逆动力学、正 动力学分析，分别建立了动态静力学矩阵方程和动力学微分方程，最终获得 机构本体在电机额定转速下的力学参数、以及在电机额定转矩下的真实运动 规律。 文中提出的机构本体可以直接应用于缆线爬行机器人的计算机仿真研 究；同时提出的传动函数展开法以及动力学方程解法能够在一定程度上简化 微积分计算量，充实了机械动力学的计算方法。 关键词：仿生机理机构综合运动优化傅里叶展开 动力学分析 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i no r d e rt oi n s p e c tt h eh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o na u t o m a t i c a l l y , i m p r o v e s t h ee f f i c i e n c yo fc a b l ei n s p e c t i o n ，r e d u c e st h ec o s to fm a n u a lw o r ka n dp r e v e n t s p e r s o n a la c c i d e n t s ，t h i sp a p e rs u g g e s t s an e wk i n d o fc r a w l i n gr o b o tf o r i n s p e c t i o no f 2 2 0 k vt r a n s m i s s i o nl i n e ，w h i c hs t u d i e si t sm o v e m e n ta n dd y n a m i c s c o m p r e h e n s i v e l y t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e sm e c h a n i s ms y n t h e s i sa n dk i n e t i ca n a l y s i so f c a b l e c r a w l i n gr o b o t w i t hs i m u l a t i n gt h em o v e m e n to fq u a d r u p e dg a i tr e p t i l e s a n da p p r o p r i a t e l yi n v e r t i n gt h eo r i g i n a lb i o n i cm e c h a n i s m ，i ts u g g e s t san e wt y p e o fr o b o t i cm e c h a n i s m ，a n dc o m p l e t e st h es t r u c t u r a ls y n t h e s i s ，s c a l es y n t h e s i sa n d m o t i o no p t i m i z a t i o n b e s i d e si t d e s i g n st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ef o rl i g h t e r q u a l i t y f o ri m p l e m e n t i n gt h ek i n e m a t i cc o m p u t a t i o na n dt h ec a l c u l u sc o m p u t a t i o n o fd y n a m i c s ，t h i s p a p e rs u g g e s t st a k i n gs p e c i a lp o s i t i o np o i n t s o r t a k i n g e q u i d i s t a n tp o i n t s a si n t e r p o l a t i o nn o d e s ，a n d t a k i n gaf o u r i e rs e r i e s a sa n i n t e r p o l a t i o n ，s ot h a te x p a n d st h et r a n s m i s s i o nf u n c t i o nt oat r i g o n o m e t r i cs e r i e s t h e ni tc a r r i e so u tt h ei n v e r s ed y n a m i c sa n dt h ef o r w a r dd y n a m i c s ，w h i c h e s t a b l i s h e st h es t a t i c sd y n a m i c se q u a t i o na n dc a l c u l u sd y n a m i c s e q u a t i o n u l t i m a t e l y , i tg e t st h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r sb yt h er a t e dm o t o rs p e e d sa n dt h e r e a lm o t i o nb yt h er a t e dm o t o r t o r q u e a sr e s u l t ，t h em e c h a n i s mc a nb ed i r e c t l ya p p l i e dt ot h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n o fc a b l e c r a w l i n gr o b o t b e s i d e s ，i ts u g g e s t san e we x p a n s i o nm e t h o da b o u t t r a n s m i s s i o nf u n c t i o na n dt h es o l v i n gm e t h o da b o u tk i n e t i ce q u a t i o n ，w h i c ha r e u s e f u lf o rt h ec a l c u l a t i o no ft h em e c h a n i c a ld y n a m i c s k e yw o r d s ：b i o n i cm e c h a n i s m ；m e c h a n i s md e s i g n ；c a m p a i g no p t i m i z a t i o n ； f o u r i e re x p a n s i o n ；d y n a m i ca n a l y s i s 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1社会背景 电力是我国重要的能源资源，对国民经济有至关重要的作用。电力的输 送主要依靠高压输电线路。这些输电线路往往位于山林、荒野，跨越江河、 湖泊，长期暴露在风吹、同晒、雨淋等自然条件中。同积月累，输电缆线和 附属电气件容易产生断股、表面破损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，就 可能引发严重的电力事故，造成大面积的停电和经济损失。例如，2 0 11 年1 月，在我国南方多个地区发生了严重的雨雪冰冻灾害。不少省市的输电线路 出现结冰、覆冰等现象，其中湖北省的部分线路覆冰超过5 0 毫米，直接造成 大量铁塔倒塌、线路断线，变压器烧坏等事故，对当地经济和人民生活产生 了极大的危害。 为了保证电力系统的正常运营，电力公司每季度会对输电线路进行巡检， 对破损、失效的部位进行修复更新。目前，采用的输电线路巡检方式_ 般分 为人工巡检和机器人巡检。人工巡检是指电力工作人员直接参与线路巡检， 包括目测巡检和直升机巡检。目测巡检由巡检人员直接攀爬在输电缆线上进 行检测，劳动强度大、工作效率低且危险性高，如图l 一1 ( a ) 所示；直升机巡 检则利用直升机搭载摄像设备进行检测，探测效率和精度较高，但具体实施 的难度较大、运行费用偏高，如图1 1 ( b ) 所示。 翅 瓴 a ) 目测巡检 b )直升机巡检 图1 - 1人工巡检 三 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 机器人巡检是指采用自动化程度高的移动机器人直接对线路检测维修， 工作人员可以间接参与控制或者完全脱离巡检，按巡检特点可分为：在线机 器人巡检和地面机器人巡检。在线机器人的作业环境为高空输电缆线，通常 以悬挂移动的方式直接对缆线进行巡检，若进行适当改装( 如增加清污装置、 机械手臂) 则能实现清洁、维修缆线等功能，如图1 2 ( a ) 所示；而地面机器 人是在电网覆盖的地面区域上作业，通过视频装置或热感应器间接对上方的 输电缆线进行巡检，一般不具备维修缆线的功能，如图1 2 ( b ) 所示。 a )在线机器人巡检 图卜2机器人巡检 b )地面机器人巡检 作为一种新生的巡检技术，机器人巡检具有工作效率高、可靠性强、巡 检费用低等优点，正逐步成为今后输电线路的主要巡检方式【1 1 1 z l 。 1 2国内外研究综述 1 2 1缆线爬行机器人的研制 缆线爬行机器人作为一种高度自动化的在线巡检机器人，其研制与应用 一直受到各国的重视。国外对这种机器人的研发始于2 0 世纪8 0 年代，其中 以同本、美国、加拿大为代表。国内对这方面的研究始于2 0 世纪9 0 年代， 山东大学、中科院沈阳自动化研究所、武汉大学等机构均进行了深入的分析 和研究。目前，国内外诸多公司、大学和科研机构己研制出一系列具有不 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 同结构的缆线爬行机器人。 本文根据机器人的爬行原理以及运动特点，将这种机器人分为两大类： ( 1 ) 轮式滚动机器人 这种类型的机器人一般采用小车式结构，并由多组行走轮组成。运动时， 依靠行走轮与缆线挤压产生的摩擦力推动整机前进；遇到障碍物时，借助越 障机构作翻越障碍物。 日本s a t o 公司设计了一种具有单体小车结构的缆线损伤探测器。该机器 由地面工作人员遥控，沿缆线爬行。通过车载探测仪器探测线路的损伤程度 及准确位置，并将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中，然后由地面 工作人员复查，确定损伤情况。如图1 3 所示。 2 0 0 0 年，加拿大魁北克水电研究院研制了h ql i n r o v e r 遥控巡检小车， 如图1 4 所示。该巡检小车可用于清除输电缆线上的积冰、线路巡检以及维 修等。 图1 - 3s a t o 缆线损伤探测器 f i g 1 3 c a b i ed a m a g ed e t e c t o r o fs a t o 图1 - 4 h 0l i n r o v e r 遥控巡检小车 f i g 1 4 r e m o t ep a t r o ic a rf o r c a b i ein s p e c t i o n 国内北京航空航天大学的耿欣、周延泽设计了一种基于凸轮连杆机构的 轮式滚动机器人本体。该机器人由三组相同的四杆机构组成，每组四杆机 构由大臂、小臂、滑块组成，由凸轮轴驱动，三个凸轮在凸轮轴周向均匀分 布。它利用四杆机构使各臂依次通过障碍物，越障动作简单、高效，如图l 一5 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜5北京航空航天大学设计的轮式滚动机器人n 1 f i g 卜5 w h e e i e dm o b ii er o b o to fb e i h a n gu n i v e r s i t y 3 】 ( 2 ) 仿手臂式爬行机器人 这种类型的机器人机构主体由两只或三只机械手臂组成，爬行动作类似 于猿猴在树枝上的攀越动作。运动时，一只手臂脱离缆线并向前跨越，另一 只手臂牢牢抓紧在缆线并支撑前臂的跨越，然后前臂抓紧缆线，后臂接着向 前跨越，重复前后手臂的交替跨越动作即可实现整机的移动。 l9 8 8 年，日本东京电力公司的s a w a d a 等人研制了光纤复合架空底线 ( o p g w ) 巡检机器人。该机器人越障时，利用自身携带的导轨从障碍物侧面 滑过，如图1 6 所示。 图1 - 6 o p g w 巡检机器人 f i g 1 6 i n s p e c t i o nr o b o to fp o g w 图1 - 7t r c 巡检机器人 f i g 1 7 i n s p e c t i o nr o b o to ft r c 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 19 8 9 年，美国t r c 公司研制了一台悬臂式自治巡检机器人，能沿输电 缆线长距离爬行，并执行视觉检测任务。当机器人遇到铁塔时，模仿猿猴攀 缘的动作从侧面越过铁塔，如图l - 7 所示。 1 检测装置2 驱动装置3 柔性臂4 输电缆线5 制动装置 7 手掌开合装置 图卜8山东大学设计的l $ - y - 臂式爬行机器人1 国内山东大学的周风余、李贻斌等人设计了一种仿生手臂式爬行机器人 。该机器人由驱动装置、刹车制动装置、柔性臂、手掌开合装置、整体式 电源箱和控制箱等组成，爬行动作由三只柔性机械臂交替爬行完成，如图1 8 所示。 图卜9双臂式巡检机器人 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 中科院沈阳自动化研究所设计了一种双臂式巡检机器人。该机器人采用 双臂交替跨越的方式越过障碍物，如图1 9 所示。 上述两类机器人在机械结构、控制原理和运动特点等方面均有较大的差 异，轮式移动机器人结构紧凑、控制简单且运动速度较快，但越障能力较差； 仿手臂式爬行机器人的机械结构和自动控制均比较复杂，但具有更多的运动 自由度，越障能力更强。 1 2 2机器人动力学分析及建模 机器人动力学是研究机器人各个关节驱动力和输出运动之间关系的学 科，属于多自由度机械系统动力学与机器入学的交叉学科。随着当前各类机 器人朝着高速、轻质、精密等方向发展，人们对机器人的运动、力学性能要 求也愈来愈高。为了优化机器人的机械结构、动力学性能和自动控制，近几 年众多国内外学者在机器人动力学领域进行了更为深入、广泛的研究。 缆线爬行机器人一般由多关节和多连杆组成。在中低速度情况下，连杆 变形量很小，可以近似作为刚体系统研究；而在高速情况下，连杆的柔度增 大，惯性力也急剧增大，由此产生的弹性变形可能会给机器人的输出运动带 来误差。因此，不同运动状态下机器人的动力学分析方法有所不同。常用的 分析方法有：静力分析( s t a t i ca n a l y s i s ) 、动态静力分析( k i n e t o s t a t i c a n a l y s i s ) 、动力分析( d y n a m i ca n a l y s i s ) 和弹性动力分析( e l a s t o - d y n a m i c a n a l y s i s ) a 国外对于缆线爬行机器人的动力学研究较早。美国学者r l h u s t o n 探讨 了绝对坐标在机器人多体系统动力学中的应用，分析了动力学方程的数值解 法【4 9 l 。w a n gl c t 提出了一种基于两个非线性编程技术和前向递推公式的数 值解法，并将其应用于解决机器人的逆动力学问题，数值结果稳定、计算效 率较高 s o l 。m i l l e r 和k a r o l 等人开发出了一种关于并联式机器人的动力学性能 指标和非线性规划方法，并结合h a m i l t o n 正则方程解决了并联式机器人的动 力学问题1 5 l l 。 国内也有不少学者在这方面取得突破。山东大学的周风余分析了三臂式 缆线爬行机器人系统的力学性能，获得了机器人运动的约束条件，并采用循 环坐标下降法对机器人进行逆运动学分析1 4 2 。武汉大学的杜娥应用a d a m s 软 件对双臂式机器人的越障过程进行了仿真，分析了机器人沿缆线爬行的逆动 力学问题以及机器人与缆线之间的振动规律1 4 1 1 。华中科技大学的肖晓晖应用 l a g r a n g e 方法建立了机器人的多刚体系统动力学模型，分析了机器人在典型 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 工况下的正动力学问题【2 i 】。 1 2 3 目前存在的问题 尽管缆线爬行机器人的研制已经在国内外相关机构广泛开展起来，并取 得了可喜的成果，但离实际工程应用还有一段距离。目前，在机械设计、动 力学分析两方面还存在一些问题亟需解决。 现有的缆线爬行机器人一般采用轮式滚动或仿手臂式交替爬行实现整机 前进。轮式滚动机器人存在越障能力不足，易在输电缆线打滑、倒退等缺陷； 由于采用了大量的框架结构，导致该型机器人的重量偏大。仿手臂交替爬行 机器人在越障过程中，手臂部分必须脱离缆线向前迈进，这就导致越障动作 的稳定性较差，并且这种机器人由多个手臂构成，其机械结构十分复杂，也 不便于自动控制。 对这类机器人进行动力学分析时，通常采用传统的动力学建模方式，即 求出机构的传动函数以及一阶、二阶导数并代入动态静力平衡矩阵方程或动 力微分方程。一般来说，动力学方程式的求解过程涉及到大量的微积分运算， 倘若传动函数结构复杂，那么将极大地增大微分、积分的运算量，甚至导致 微分方程难以求解。所以，关于如何快速、准确地求解动力学方程的问题还 值得我们进行深入地探讨。 1 3研究对象和主要内容 本文的研究对象为缆线爬行机器人的机械系统，分为两部分：第一部分 为机器人的机构选型和机械结构设计；第二部分为机构本体的动力学分析、 建立正动力学和逆动力学运动方程以及数值计算。主要内容如下： ( 1 ) 应用仿生学原理，综合出爬行机构和越障机构，并叠加出爬行机器 人的机构本体。 ( 2 ) 对机构本体进行运动分析，通过尺度综合优化机构的运动性能。 ( 3 ) 设计爬行机器人的整机结构和各个组成部分的机械结构。 ( 4 ) 运用动态静力平衡原理和功能原理，分别对机构本机进行逆动力学 和正动力学分析，建立动力学矩阵方程和微分方程。 ( 5 ) 运用数值计算方法，求解机构本体的动力学方程，描绘各项运动参 数和力学参数的变化规律。 为了充实爬行机器入的结构选型和动力学计算方法，本文中埕出了一些 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 关于机构综合、结构设计和动力学分析方面的创新点，并将之应用于爬行机 器人的机械部分的设计过程。 1 4研究方法、技术方案和预计目标 1 4 1 本论文的研究方法、技术方案 应用仿生学牛的相似性原理和机构综合方法，研究适合缆线爬行的爬行 机构本体和较为紧凑的机械结构；根据达朗贝尔( j d a l e m b e r t ) 原理和功能 原理( w o r k e n e r g yt h e o r e m ) ，对机构本体进行动态静力分析( k i n e t o s t a t i c a n a l y s i s ) 和动力分析( d y n a m i ca n a l y s i s ) ，建立机构的动力学方程式，并予 以求解。 技术方案为：首先，以2 2 0 k v 高压输电线路作为巡检对象，分析输电线 路的组成和结构特点，规划爬行机器人在缆线上的运动步态。结合生物界中 的四足爬行动物运动特点，建立具有类似爬行功能的简化模型。然后，以偏 置曲柄滑块机构为基础，综合出具有爬行功能的运动机构，再设计相应的越 障机构，将两者叠加得到机构本体。 接下来，提出针对机构传动函数的傅罩叶近似展开方法，将复杂的传动 函数展开为形式简单的三角级数。进一步对机构本体进行j 下动力学和逆动力 学分析，建立相应的动态静力平衡方程式和动力学微分方程式，并对其进行 数值计算，最终得到爬行机器人的运动参数和力学参数以及变化规律。其中， 使用了m a t l a b 、a d a m s 等软件进行运动学方面的辅助分析，以增强设计的准 确性。 1 4 2预计目标 在爬行机器人的机械部分设计过程中，对机构选型、机械结构设计、运 动优化和动力学计算方法等方面特出了相应的要求。目标如下： ( 1 ) 机构本体的构型紧凑、整机重量较轻，方便携带和上下线操作；自 由度尽量少，方便电机控制。 ( 2 ) 能有效实现爬行、越障运动，并可以进行空间位置姿态的灵活调整； 保证爬行时的机器人整体处于动态平衡，对输电缆线产生的振动较小，具备 较高的可靠性和稳定性。 ( 3 ) 将复杂结构的连杆机构传动函数展开为形式简洁的傅罩叶级数，以 方便对其进行微积分运算。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 4 ) 将傅里叶近似展开法应用到爬行机器人的动力学分析中，并缩减传 统动力学分析的计算量。 1 5创新点 为了克服现有缆线机器人在机械结构设计和机器人动力学分析方面的不 足之处，本文结合实际情况提出了一些新的设计思路和分析方法，期望能扩 充这些方面的研究思路，具体如下： ( 1 ) 提出一种基于曲柄滑块的爬行机构，以两套曲柄滑块机构串联的方 式模拟四足爬行动物的步态，借助前后两套行走轮的周期性交替爬行实现缆 线机器人的整体前进。 ( 2 ) 设计了两种用于跨越缆线障碍物的单向行走轮，这些行走轮具有单 向滚动、向后自锁的功能并能跨越防震锤、压接管或其它障碍物。 ( 3 ) 根据爬行机构具有周期性运动的特点，提出将机构从动件上任意一 点的传动函数展开成傅里叶级数，并以运动中的特殊位置点或等间距点作为 结点，通过插值的方式得到传动函数的近似傅里叶展开式。 ( 4 ) 将传动函数的近似傅里叶展开式及其一阶、二阶导数代入爬行机构 的动力学矩阵方程，建立完整的逆动力学数学模型，分析了机构在电机额定 转速下的受力、振动情况；另外，建立了爬行机构的正动力学微分方程，并 求解该机构在电机驱动下的真实运动规律。 以上四个创新点在本论文中均进行了理论性分析和实用性分析，并通过 a u t o c a d 、u g 等机械软件绘制了机构简图或通过数值分析得到了动力学参 数，验证了创新点的正确性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 2 机器人的功能分析和仿生机理 在进行机器人的机械设计之前，首先对机器人的作业环境进行详细分析， 总结作业过程中的特点；然后根据作业环境进行整机规划，提出相应的功能 要求，并明确具体的设计任务；最后利用仿生学和相似性原理，分析四足爬 行动物的运动步态，建立具有类似爬行动物生理结构、运动功能的物理模型。 2 1 高空作业环境 目前，我国的输电线路的等级分为：l o k v 、3 5 k v 、1 1 0 k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、 5 0 0 k v 。其中，l o k v 、3 5 k v 等级的线路为配电线路，一般由当地电力部门管 理，造价相对较低，改造、迁移的可能性较大。l l o k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 等级的线路为输送电线路，危险性大，供电覆盖面广，一般可达数个省市电 网、电站等l s 】。因此，本爬行机器人的巡检对象以l l o k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、 5 0 0 k v 输电线路为主。 2 1 1高压输电线路的特点与结构 图2 - 12 2 0 k v 输电线路 高压输电线路是由绝缘子( 瓷瓶、单悬垂金具或双悬垂金具) 将输电缆 线架设在铁塔上，并与发电厂或变电厂连接，由此构成电力系统输送电能。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 这种输电线路长期暴露在自然环境中，受到各种气象条件( 风暴、冰雪、雷 击等) 的侵袭、化工气体的腐蚀以及外力的破坏。其特点为：( 1 ) 输电线路 往往分布在荒郊野外，覆盖面积广，遭受自然灾害袭击的可能性较大。( 2 ) 输电缆线一般离地面2 0 3 0 m ，整体结构为柔性体、易变性，不利于人工对 其进行检修，同时高空作业对巡检人员的人身安全有较大的危险。( 3 ) 输电 线路直接关系一个地区的工业、农业、群众的用电安全，若出现事故或安全 隐患，要求供电部门能高效、稳定、快速地予以解决。 以2 2 0 k v 高压输电线路为例。该线路主要由铁塔、输电缆线、避雷线和 防震锤、压接管、单悬垂金具、瓷瓶等附属器件组成。这些元件有机地组合 在一起就形成了一条高压输电线路 5 1 。典型结构如图2 1 所示。 2 1 2 主要元件的材料和结构 ( 1 ) 输电缆线 输电缆线是线路的主要组成部分，用于输送电流，要求具有良好的导电 性、高强度、高柔韧性、高抗腐蚀性以及质轻价廉，其材料主要有铜、铝、 钢。铜导线用于跨越山谷、江河等特大线路中；铝导线用于跨距较小的l0 k v 以下的线路；使用钢导线时，需要表面镀锌以防腐蚀。 不同电压负载下的输电缆线结构也有所不同。一般地，输电缆线分为单 股线、单金属多股绞线、复合金属多股绞线三种。单股线不能用于输电线路， 表2 - 1钢芯铝绞线的规格型号 t a b 2 - 1s t a n d a r dm o d e io fa l u m i r u mc o n d u c t o rs t e e lr e i n f o r c e d 3 5 k v 以上的输电线路使用钢芯铝绞线，这样既发挥了钢导线的高强度优点， 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 又发挥了铝导线电导率高的特点。另外，1o k v 的城区高压输电线路采用带有 绝缘外皮的缆线，并用一个或几个瓷瓶对铁塔绝缘；3 5 k v 及以上的高压输电 线路则采用裸露的缆线，随着电压等级的升高会使用更多的瓷瓶进行绝缘。 常见钢芯铝绞线的规格型号见表2 1 。 ( 2 ) 附属器件的结构与尺寸 输电缆线上附着有各种附属元器件，对机器人的爬行运动有阻碍作用， 故需对它们的结构、尺寸进行仔细分析。 防震锤 防震锤通过其线夹固定于输电缆线上。当输电缆线发生振动时，防震锤 上下运动，利用重锤的的惯性，使其钢绞线产生内摩擦消耗输电缆线的大部 分振动能量。根据能量平衡原理，防震锤的能量消耗使微风振动的强度降低。 其结构和尺寸如图2 - 2 所示。 4 0 0 图2 - 2防震锤 fig 2 2a n ti e a r t h q u a k eh a m m e r 对于输电线路来说，在铁塔附近安装防震锤能够极大地消减输电缆线的 振动，有利于整个电网的稳定。然而，它阻碍了缆线爬行机器人的巡线作业， 成为了机器人必须跨越的障碍物。 压接管 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 输电缆线由专业厂家按照国家相关标准生产，材质为钢丝铝绞线。在搭 建线路时，需要使用压接管将每根钢丝铝绞线联接为一体，一般使用高压或 爆破等手段实现联接。压接管的结构和尺寸如图2 3 所示。 3 2 0 图2 - 3压接管 f i g 2 - 3 c o n n e c t i o nt u b e 避雷线 为了避免雷击对输电线路的破坏，在铁塔顶端都架设有避雷线，且直接 接地，这样可以有效地将雷电引至大地。通常，选用高强度的镀锌钢绞线作 为避雷线。 铁塔 铁塔多由钢材或钢筋混泥土制成，是输电线路的主要支撑结构，用于支 撑输电缆线和避雷线及其附属器件。按其使用功能分为：承力塔、直线塔、 换位塔和大跨越高塔。 单悬垂金具 单悬垂金具是电力悬垂金具( 也称悬吊金具、支撑金具或悬垂线央) 中 的一种，主要用于将输电缆线固定在铁塔的瓷瓶上，或将避雷线悬挂在铁塔 上，也可支撑换位铁塔上的换位缆线或转角铁塔上的固定跳线。 瓷瓶 瓷瓶( 俗称绝缘子) ，材料为陶瓷，它是用来支持输电缆线的绝缘体。瓷 瓶可以保证缆线和铁塔之间有足够的绝缘性，按结构可分为支持瓷瓶、悬式 瓷瓶、防污型瓷瓶和套管瓷瓶。 2 2 爬行路径规划 本爬行机器人直接用于铁塔问输电缆线的巡检，能够在线路上自主爬i 行 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 和越障，并完成相关的巡检任务，作业过程如下： 首先，由现场工作人员直接将机器人悬置于某一铁塔，然后以遥控巡检 或自动巡检的方式指挥机器人从该铁塔爬行至另一铁塔，此时现场工作人员 再将其放置到铁塔的另一端继续爬行，这样重复作业多次即可实现整个输电 线路的巡检。期间，机器人要跨越防震锤和压接管，但不需跨越单悬垂金具 和瓷瓶。 根据缆线上的爬行路况，机器人在缆线上的运动可分为无障碍爬行和越 障爬行。无障碍爬行是指在光滑、干净的线路作业，机器人只需以稳定的速 度前进即可；越障爬行是指机器人在爬行中需要跨越防震锤、压接管以及外 界杂物等障碍物，除了维持前进速度，还需稳定、可靠地跨越一系列的障碍 物。 2 3爬行机器人的功能分析 本文的设计目标是研制一台针对2 2 0 k v 高压架空输电线路，具备自主运 行和越障能力、能够完成部分人工巡检任务的爬行机器人。根据前述的作业 环境，下面从多个角度对该爬行机器人提出功能要求：( 1 ) 爬行功能；机构 本体能够实现滚动、交替爬行，有效地在柔性缆线上爬行，并具备一定的爬 坡能力。( 2 ) 越障功能；机构本体能跨越缆线上的障碍物，例如：防震锤、 压接管，并保证整机在缆线上的稳定性。( 3 ) 自锁功能；当机器人在弧度较 大的缆线上爬坡时，能够有效白锁，防止整机出现打滑、倒退等失控状态。 ( 4 ) 良好的动力学功能；爬行机器人运动时保持动态平衡，各个构件惯性力、 惯性力矩较小，速度变化平稳，对缆线产生的振动较小。 由此可知，要使爬行机器人具备上述功能，并且快速、可靠地完成巡检 任务，就必须设计出合理的机械结构。没有一个良好的机构作为平台，爬行 机器人就难以完成既定的工作任务。按此设计，爬行机器人的机械本体主要 包括爬行机构、越障机构和自锁夹紧机构。特别需要指出的是，爬行机器人 以悬挂的方式定位在柔性的架空输电缆线上，爬行、越障时应保证机器人姿 态平稳，应尽可能削弱机械主体绕输电缆线摆动。 2 4 仿生机理 绪论中介绍过，缆线爬行机器人按机械结构分为：手臂式爬行机器人和 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 轮式滚动机器人两大类。手臂式爬行机器人通过多只手臂的交替移动完成爬 行，运动灵活、越障能力强，但结构和控制均比较复杂；轮式滚动机器人依 靠电机驱动的行走轮与缆线之间的摩擦力推动机器整体前进，行走速度快、 结构和控制均比较简易，但不具备越障能力。为了克服这些缺陷，本文提出 了一种新型的爬行机器人结构。 众所周知，爬行动物以其复杂精妙的肢体结构、简易灵活的运动控制策 略，成为重要的仿生资源。将爬行动物作为仿生原型开发缆线爬行机器人， 进行结构、运动及控制，已成为机器人技术的重要研究方向【7 1 。为了设计出 具有更强运动功能的缆线爬行机器人，本文将自然界中的爬行动物运动特性 引用到机器人的机构设计中。 2 4 1四足爬行动物 自然界中存在众多的爬行类动物，在适应环境的过程中，这些动物进化 出了具有高度适应性的生理结构和运动机能。一般地，爬行类动物的骨骼是 关节式结构，不同种类动物在足、腿和躯干的关节构造有所不同；并且，身 体上不同位置关节的运动形式和自由度也不尽相同。有些关节具有明显的三 维运动特点，比如猿猴的肩关节；有些则以平面形式存在，比如猿猴的肘关 节。对爬行类动物的骨骼结构进行深入研究，可得到动物骨骼的简化模型。 运用拓扑学理论对骨骼模型进行简化得到相似的物理模型【s 】【9 】l 】。 多足爬行动物的身体结构复杂，爬行时依靠多对足交替前行。而四足爬 行类动物的身体由头、躯干、四肢和尾部构成，生理结构比较紧凑，如图2 4 所示。爬行时，依靠四肢的交替迈进实现整个身体的前进，其运动方式为： 周期性交替式爬行。 j 头部2 躯干3 前足4 前小腿5 前人腿6 后大腿7 后小腿8 后足 图2 - 4四足爬行动物 fig 2 4 、 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2 4 2 结构分析 。 四足爬行动物的运动主要依靠腿完成，其腿结构属于侧关节式结构，即 关节的轴跟身体躯干方向垂直，如图2 5 所示。构成腿部的关节被分成三种： 第一种关节为类髋关节，位于大腿跟躯干连接处，其自由度的转轴与躯干平 面垂直，为腿提供一个向前的摆动；第二种关节为类膝关节，位于大腿与小 腿的连接处，具有一个轴向与大腿垂直的旋转自由度，使机器人具有往复爬 行的能力；第三种关节为类踝关节，位于小腿与足部的连接处，也具有一个 轴向与小腿平面垂直的摆动自由度。 j 大腿2 小腿3 足部4 躯干5 类髋 关节6 类膝关节7 类踝关节 图2 - 5四足爬行类动物的结构简图 f i g 2 5 s t r u c t u r ed i a g r a mo ff o u r i e g g e d 7 观察爬行类动物的身体比例和骨骼尺寸，易知大腿和小腿的长度远大于 足部的长度，前者的摆动范围也远大于足部的摆动范围，即腿部的摆动主要 由大腿和小腿协作完成，因此将腿部结构简化由大腿和小腿组成。另外，躯 干、大腿和小腿骨骼的长度远大于其宽度尺寸，可用轻质的细长杆件替换； 而类髋关节和类膝关节的作用是连接身体的各部件，并实现连接件之间的相 对转动，与平面转动副类似。那么可以用机构学中连杆和平面转动副等效替 换爬行动物的骨骼和关节，即用简化的机构模拟动物结构，模拟机构见图2 6 。 模拟机构中的各构件和运动副在形态和功能上与生物结构十分相似，其中每 条模拟腿具有两个自由度，所以两者具有很高的互换性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 彳、口、c 、d 、e 、，表示平面转动副 图2 - 6模拟机构 f i g 2 - 6 s i m u i a t i o nm e c h a n is m 2 4 3 爬行步态分析 爬行动物运动时的腿部运动分一般为水平方向的迈、收腿动作和垂直方 向的抬、放腿动作。在一个腿部运动周期里，理想的运动状态应该是：水平 方向迈腿的同时，在垂直方向完成抬腿和放腿，然后水平方向收腿，借助足 端与地面间的摩擦力带动身体向前移动。 a )前半个周期 b )后半个周期 图2 - 7一个周期内的爬行步态 f i g 2 - 7 c r a w ii n gg a i tc y c i e 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 研究还发现它们的爬行是前后各一只腿构成一组腿进行周期性协调运 动。例如腿j 、3 为组，腿2 、4 为一组，同组的两腿几乎是同步运动的， 与另一组腿相差半个腿部运动周期，运动步态模型如图2 7 所示。由步态分 析可知，腿j 、3 向前迈进的同时，腿2 、4 固定在地面上，借助与地面的摩 擦力带动身体整体向前运动一个步长，然后换腿2 、4 迈进，同时腿j 、3 固 定在地面上，身体继续向前运动一个步长，不断重复即可使动物整体直线前 行。若反向进行整个步态可使动物整体实现直线后退。 2 5本章小结 ， 对高空输电线路的组成结构进行详细分析，得到运动障碍物的形状、尺 寸，并对机器人的爬行路径进行了规划。运用仿生学原理，对四足爬行动物 的身体结构进行分析，归纳动物的爬行步态和四足的运动特点，建立了简化 的运动模型。为下一步的机构综合打下理论基础。 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 3 机构的选型与综合 所谓机构的选型是指利用发散思维的方法将前人创造发明出的各种机构 按照运动特性或实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所 需要的运动特性或实现功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构 形式l t t t t 2 l t s 。机构选型一般先按执行构件的运动形式要求选择机构，同时还 应考虑机构的功能特性和原动机的形式。前面对四足类动物的身体构架、运 动特点进行了深入分析并建立了直观形象的模拟机构，可以发现平面连杆机 构与爬行动物的生理结构十分相似。同时，平面连杆机构具有实现往复移动 运动的功能，经适当的机构变异和倒置可实现直线爬行运动，那么将缆线爬 行机器人设计为关节式的平面连杆机构。 3 1 爬行机构的选型 爬行机构作为机器人的机械主体，实现整机的在线爬行运动，并负载相 关的检测、传感设备，对机器人的运动功能具有重要作用。第2 章建立的模 拟机构虽然和动物生理结构非常相似，但直接将其作为爬行机器人的机构本 体明显不妥。原因是作业环境为高空缆线，大腿一一小腿跨步式的爬行机构 在上面爬行时存在两个缺陷：一方面，一对足需要脱离缆线向前迈进，迈步 过程中机器人的稳定性难以保证；另一方面，腾空迈步的双足与缆线的再次 接触需要辅助机构和大量的传感设备协助完成，其机械结构和控制部分都十 分复杂。本节提出以曲柄滑块机构为基础，应用机构倒置、变异、组合等方 法综合出一种适于输电线路爬行的机构本体。 3 1 1 曲柄滑块机构 曲柄滑块机构是一种常见的平面连杆机构，具有将周转运动转化为直线 往复运动的特点，且结构紧凑、制造方便，故在机械工程中得到广泛应用 n 2 1 。 图3 1 为一典型的偏心式曲柄滑块机构，曲柄彳b 作为主动件绕铰链彳逆时 针周转，角速度为国；滑块c 则作周期性往复直线运动，行程为，。 当曲柄彳曰从初始位置4 b o 逆时针转到位置彳b l ，滑块c 随之从最远端 c o 运动到最近端c l ，运动过程耗时t o ，滑块的平均速度为1 ，o ；然后，曲柄 彳b 从位置彳召l 逆时针转到位置彳b o ，滑块c 随之又从最近端c l 运动到最远 端c o ，运动过程耗时，l ，滑块平均速度为1 ，l 。同时，最远端、最近端对应的 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 曲柄位置之间存在运行角差缈。 图3 1 偏心式曲柄滑块机构 f i g 3 1 e c c e n t ri cc r a n ksii d e r c o ( 1 ) 机构的特性 假定曲柄a b 作匀速转动，即角速度国恒定不变，那么根据图中的几何 关系可以求得滑块往返两过程消耗的时间为 1 8 0 0 一够 t o 2 - _ - _ - _ _ _ _ _ 二一 缈 1 8 0 0 + 矽 t l = ，- 缈 滑块往返两过程的平均速度为 ，1 驴i 【 ， l 驴i j ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 由公式( 3 一1 ) 、( 3 - 2 ) 可得：t o ，l ，这一特点称为偏心式曲柄 滑块机构的输出急回特性f 1 2 l 。 ( 2 ) 运行角差缈和滑块行程，的计算公式 令曲柄a b 的为长度1 1 ，连杆b c 的长度，l ，曲柄回转中心a 与滑块轨迹 的偏心距为h 。再从图3 - l 提取三角形a c ! c o ，得到图3 2 ，其中：p 、t 分 别表示极限位置时，连杆b c 与滑块运动轨迹的夹角。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 - 2极位三角形 f i g 3 - 2 t ri a n g i eo fp o i ep o s i t i o n c o 自于 砌肚焘一町2 击 所以 妒= 一伽矗一一切焘 3 ) 根据余弦定理可知 ，2 = o 。+ ，2 ) 2 + ( f 2 一，。) 2 2 ( ，l + z 2 2 一，。) c o s ( 3 4 ) c o s 0 = 丛生掣代入式( 3 4 ) ， 整理后得 l i 十1 2 ，：2 ( 1 2 + ，；) 一2 ( ，：一，。) 、i i ：_ _ 云阿 ( 3 5 ) 由公式( 3 - 3 ) 可知：曲柄周转中心a 与滑块运动轨迹之间存在的偏移量 h ，引起曲柄在往返过程中的转角不相等( 存在运行角差p ) 。若曲柄作等角 速度周转运动，则滑块的往返耗时和速度均各不相等，整个机构存在速度波 动，并容易产生较大的惯性力和机械振动。而根据公式( 3 - 5 ) 可以快速的求 出滑块存一个周期内的往返路程。 3 1 2机构倒置 鉴于曲柄滑块机构具有实现往复直线运动功能，对其进行适当的倒置1 1 1 可得到其它类型的爬行机构。这里在偏心式曲柄滑块机构的铰链a 上链接滑 块，则原机构转化为一种新型机构，称之为单曲柄双滑块机构，如图3 3 所 示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ，7 f ，7 ，5 j 滑块2 曲柄3 连杆辱滑块 5 机架 图3 - 3单曲柄双滑块机构 f i g 3 - 3s i n g i e c r a n km e c h a n is mw i t hd o u b i es ii d e r s 选取曲柄2 作为主动件，对其施加逆时针方向的恒定角速度缈，并将曲 柄2 与连杆3 拉直共线状态作为机构的初始位置。该机构的爬行原理是这样 的： ( 1 ) 初始位置a b o c o 时，将滑块j 与机架5 固联。 掣耻二二 ? ， 前半机构的运动 fi3-4 t h ef is th a io fh ec y c ao fe c a n is mo t o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 3 页 曲柄2 绕铰链a 作匀速转动，滑块4 由最远端c o 向左运动；当曲柄2 转至与连杆3 重叠共线时，滑块4 达到最近端。本过程曲柄4 的行程为j 、 平均速度为、耗时t o ，称之为爬行机构的前半周期运动。 ( 2 ) 曲柄2 与连杆3 重叠共线时，将滑块j 释放，滑块4 与机架5 固联。 图3 - 5后半周期机构的运动 f i g 3 5 t h eo t h e rh a i fo ft h ec y c l 6o fm e c h a n i s b i m o t i o n 曲柄2 继续绕铰链彳作逆时针转动，但运动形式由定轴转动变为平面复 杂运动；连杆3 则绕铰链c 作定轴摆动。滑块j 在曲柄2 的反作用力下从最 近端a l 向右移动，当曲柄2 转至与连杆3 拉直共线时，滑块j 达到最远端 a 2 ，