（机械制造及其自动化专业论文）巡线机器人多体动力学分析、优化与实验研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文。巡线机器人多体动力学分析、优化与 实验研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担； 作者签名：五i 型垒2 1 至年之月监日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学位论 文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 忙编学位论文。 作者签名 导师签名 五甾堑业年立月隍日 蚴电：生年王月监日 摘要 针对5 0 0 k v 超高压架空输电线路特殊作业环境，设计了采用轮式移动与步进式蠕 动混合爬行的巡线机器人。该机器人能够实现自主跨越防振锤、悬垂线夹、跳线等结 构障碍能够自主选择爬行方式以适应不同坡度的上坡路段。坡度较小时采用轮式爬 行坡度较大时采用步进式蠕动爬行。从而保证了巡线机器人可以对输电线路进行全 程不问断的巡梭。本课题主要工作和成果如下： 根据巡线机器人功能要求以及客户的意见提出了本课题的巡线机器人结构方 案，利用c a t i a 软件建立了该机器人的基于特征的参数化模型+ 进而建立了该机器 人的虚拟样机。 通过对重要执行机构与传动机构的运动原理及其工作状态的分析建立了异形片 刹车机构、机械手手臂等零部件的优化设计数学模型。实现了异形片刹车机构的多目 标优化设计，巡线机器人轮式爬行上皱角度最大化的优化设计： 利用动力学分析软件a d a m s 建立了巡线机器人跨越悬垂线夹的仿真模型并 对其进行了运动学与动力学仿真分析获取了仿真实验的有关数据及其曲线图，确定 了机器人成功越障的运动规划与主动关节的驱动函数。通过对比分析优化前后的仿真 实验结果进一步验证了机器人结构设计、优化的合理性以及机器人运动规划的可行 性。 关键词：巡线机器人i 虚拟样机；优化设计：动力学分析i 运动规划；仿真模型 a b s t r a c t b a s e do nt h es p e c i a li n s p e c t i n gw o r ke n v i r o n m e n tf o r5 0 0k ve 1 4 vo v e r h e a dp o w e r t r a n s m i s s i o nl i n e s a l li n s p e c t i o nr o b o ti sp u tf o r w a r d ，w h i c hg o e sa h e a di nt h em a n n e r so f s c r o l l i n gm i x e dw i t hc r e e p st h er o b o ti sa b l et oa u t o m a t i c a l l ys p a nt h ep r e v e n t i n gs h o c k h a m m e r s s u s p e n s i o nc l a m p sj u m p i n gl i n e sa n do t h e rs t r u c t u r a lb a r r i e r s a l s o a b l et o a u t o m a t i c a l l ) a d o p tt h er i g h tm a n l q e ri no r d e rt oa d a p tt od i 位r e n tu p h i l lr o a d sw h i c hh a v e u n e q u a ls l o p e s i tg o e sa h e a do nt h eu p h i l lr o a d si nt h em a n n e ro fs c r o l l i n gb xw h e e lw h i l e t h es l o p ei ss m a l lo t h e r w i s e i tg o e sa h e a db ym e a n so f s t e p p e r i s t a l t i cc r a w l i n gt h u s t h e i n s p e c t i o nr o b o tc a ni n s p e c tt h ep o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e st h r o u g h o u tw i t h o u ta n yi n t e r v a l t h em a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f i n s p e c t i o nr o b o ta n dt h eu s e r sc o m m e n t s t h ei s s u eo f i n s p e c t i o nr o b o ts t r u c t l l l - ei sr a i s e da n dt h ef e a t u r e - b a s e dp a r a m e t r i cm o d e lo f i n s p e c t i o nr o b o ti se s t a b l i s h e du s i n gt h es o f t w a r ec a t i at b e r e b ) t h e 、i r t u a lp r o t o t y p ei s s e tu p v i at h ea n ay s i si nk i n e m a t i c a lp r i n c i p l ea n dw o r ks t a t eo fi m p o r t a n ti m p l e m e n t m e c h a n i s m sa n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m st h eo p t i m i z a t i o nm o d e l sf o rs h a p e dp i e c e b r a k e sa n dt h em e c h a n i c a la r m si n c l u d i n gb i ga r m sa n ds m a l la r m s a r ee s t a b l i s h e di t r e a l i z e st h a tt h es h a p e d p i e c eb r a k e sa r e o p t i m i z e dm u l t i o b j e m i v e l y a n d t h ew h o l e s t r u c t u r eo fi n s p e c t i o nr o b o ti sa l s oo p t i m i z e df o rm a x i m u ma b i l i ty , t oc r a w lo bu p h i l l r o a d s t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fi n s p e c t i o nr o b o ti si m p o r t e di n t ot h ed y n a m i c a la n a l y s i s s o f l c e a r ea d a m st h e nt h em o d e lo fs p a n n i n gt h es u s p e n s i o nc l a m p sw a se s t a b l i s h e d t h e n a n u m b e ro f i t sk i n e m a t i c sa n d d y n a m i c ss i m u l a t i o n a n da n a l y s e sa r 8p e r f o r m e dt h e r e l e v a n td a t aa n dg r a p h sa r ea l s oo b t a i n e dd u r i n ge a c hs i m u l a t i o nt h er o b o tsm o t i o n p l a n n i n ga n ds o m ej o i n t sd r i v i n gf u n c t i o n a r ed e t e r m i n e ds ot h a tt h er o b o lc a ns p a n b a r r i e r ss u c c e s s f u l ub 3c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fi n s p e c t i o nr o b o tsv i r t u a l p r o t o t y p eb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n i tp r o v e sn l o r ec o n c l u s i v et h a tt h er o b o tss t r u c t u r e a n di t so p t i m i z a t i o na r er e a s o n a b l ea n dt h er o b o tsm o t i o np l a n n i n gi sf e a s i b l e k c y v o r d s ：i n s p e c t i o nr o b o t ；v i r t u a lp r o t o | ) p c ；o p t i m a ld e s i g n ：d ) 。n a m i c sa n a l ) s i s ； m o t i o np l a n n i n g ；s i m u l a t i o nm o d e l 目录 摘要 a b s t i i a c v 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义 1 i2 巡线机器人国内外研究概况 2 13 虚拟样机技术及其应用 6 14 本文主要研宄内容 6 第二章巡线机器人结构设计与建模 8 2 i 建模环境8 21 巡线机器人结构设计与建模 9 2 3 巡线机器人虚拟样机 1 4 2 4 本章小结 一 1 6 第三章巡线机器人结构的优化设计17 31 优化设计及其方法简介 17 3 2 机器人机械结构优化设计 1 9 33 本章小结 3 1 第四章巡线机器人仿真实验研宄3 2 41 运动学与动力学仿真理论基础 3 2 42 巡线机器人仿真模型 3 7 43 巡线机器人越障的运动规划 3 9 4 4 巡线机器人主动关节驱动函数4 1 45 巡线机器人越障仿真与分析 4 5 4 , 6 本章小结 5 0 第五章总结与展望 5 1 5 】本文总结5 】 52 后续工作与展望 5 l 致谢5 3 参考文献 5 4 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 超高压( 5 0 0 k v ) 以上输电是我国电力远程输送的主要方式。保障超高压输电线 路的安全运行对社会经济发展具有重要意义。目前国内架设的超高压输电线路里程 己超过2 3 万公里，分布的地域遍及大江南北l l l 。2 0 0 8 年，南方数省遭遇了百年一遇 的冰雪灾害造成大面积的电力系统瘫痪，给国民经济带来巨大损失。因此必须定 期对输电线路进行巡检，随时了解输电线路系统工作状态及时发现异常情况，防患 于未然。针对架空输电线路的巡检，传统的主要方法有地面人工巡检法和直升飞机航 测法。前者效率低个别地区不能作业( 如图11 ) ：后者所需费用高昂( 1 0 0 公里双 回线1 年的巡检费用约为2 1 79 2 万元) ，存在飞行安全风险( 如图12 ) 。此外，传统 的巡检方法实现的巡检精度都比较低1 3 4 1 。 图i i 地面人工巡检图l2 直升机航测巡检 超高压输电线路巡线机器人由于其具有诸多优点成为特种机器人领域的一个研 究热点，并被纳入围家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 5 1o 巡线机器人可虬克服传 统巡检方法带来的各种弊端，减轻劳动强度，降低巡线成本，还可以提高巡检作业的 检测精度与自动化程度，创造更高的经济效益和社会效益。 巡线机器人以输电导线为支撑和行走路径。利用自身携带的传感仪器( 如c c d 摄像机、红外摄像机、无线频谱分析仪) 对线塔、输电导线、避雷线、悬垂绝缘子、 连接金具等物体进行近距离探测。同时，地面设有基站实时接收由巡线机器人机载 设备传送的检测数据井对其进行人工或自动化处理。特殊的工作任务要求巡线机器 人能够长时间不问断地沿着输电导线行走，平稳地跨越悬垂线夹、跳线等结构性障碍 物，并能够爬越一定角度的斜坡。 由于复杂的越障任务对巡线机器人机械结构的运动功能和动态特性有很高要求， 机器人本体结构设计成为重中之重。在传统的设计与制造过程中设计完成之后通 常要制造物理样机，并措建模拟实际工作环境( 如导线、障碍物、线塔等) 的现场进 行试验对物理样机的工作性能进行评估，并进一步分析机器人设计j _ _ 的优势和不足。 严 ll1 ，_ 一一，一一 通过实验发现问题后，回头对原来设计进行分析和改进，经过多次设计、实验、改进 这样一个循环过程，产品性能才会达到预期的结果。因此传统的设计方法周期长，而 且投入成本高。 利用仿真技术可以快捷地建立巡线机器人的虚拟样机模型并对整个系统进行运 动分析、动力分析，载荷与应力分析变形与应变分析等，有效地提高产品设计水平 和效率。而且，应用仿真软件还可以实现产品机械结构的优化蹬计，即在试制物理样 机前改进产品设计的缺陷和不足井可以仿真多种设计方案，从中选取最优的设计方 寨。通过虚拟样机的仿真实验替代机器人物理样机各种状态下的试验，降低了现场实 验的风险j 。反过来，利用物理样机实验的数据对仿真模型进行修改，又可以增加虚 拟样机的仿真程度。综合仿真数据与现场实验数据就可以对巡线机器人的虚拟样机与 物理样机做出更准确的评价，并提出更有针对性、可预见性的改型建议。 本文利用虚拟样机技术建立了超高压输电线路巡线机器人的虚拟样机，对其进 行了运动学与动力学分析，实现了部分重要机构，如异形片刹车机构、大小手臂，以 及整体结构的优化设计使巡线机器人的结构更紧凑、机械本体重量更轻，增强了机 器人的刹车制动能力和越障能力。为研究巡线机器人工作性能、动力学特性和泺入讨 论控制从虚拟样机的角度提供了参考依据。 1 2 巡线机器人国内外研究概况 上世纪8 0 年代后期，日本率先开展了研制架空输电线路巡线机器人的工作。美 国、加拿大等国家紧随其后。 1 9 8 8 年世界上第一台用于架空输电线路巡检的机器人由日本东京电力公司研制 成功i ”。该机器人最大的结构特点就是有一根弧形导轨，其作用是在遇到线塔时，机 器入采用仿人攀缘机理，借助弧形导轨进行越障； 】9 8 9 年，美国t r c 公司研制成功一台悬臂自治巡线机器人如图13 所示。它 可以实现长距离爬行对悬垂绝缘子、连接金具、线夹等器件进行有效的视觉检查 并对检删的数据进行预处理后传送给地面的基站设备由工作人员对检测结粜进行判 读和处理。遇到线塔等障碍物时，该机器人也是采用仿人攀缘的机理实现避让和越 障。该机器人的不足之处在于爬坡极限角度小于3 0 。限制了它的应用范围。 图i3 美国t r c 公司的悬臂巡线机器人 1 9 9 0 年日本法政大学研制了一种蛇形巡线机器人，如图14 所示。该机器人采 用仿生学设计原理，参照蛇类身体结构由多个小车结构连接而成吲。控制系统在头 部t 尾部受头部控制而运动。该机器人不能用于跨越尺寸较大的障碍。 a i 虻m 机g 结构目 器羲筹薄一 嘈刮裔分一 蓦灞舞罟_ 一 专罐警卜- 舞嘲等 = 龋嘲器旨 曲堙e m 机口人越障过程圈 图i4 蛇形巡线机器_ 凡 2 0 0 1 年，泰国学者p e u n g s u n g w a l 等人研制了一台工作电源可以自给的巡线机器 人”c 其中的关键技术是成功地利用电流互感器从周围输电线获取感应电流，并将感 应电流储存作为机器人工作用的电源，如图l5 所示。有赖这项技术，巡线机器人长 时间工作的动力源问题迎刃而解了。不过由于机械结构设计上的不足这台机器人 1 ：能攀越线塔只能在无障碍线路上爬行。 s p p o 删w h e e l sm a g n e t i cc o l e 圉i5 电源自给巡线机器人 上世纪9 0 年代以来，国内逐渐开展了对架空输电线路巡线机器人的研究。2 0 0 2 年，这项研宄被纳入国家8 6 3 计划。 中国科学院沈阳自动化研究所于2 0 0 6 年成功研制出一台两臂式的巡线机器人( 如 图16 所示) 主要用于5 0 0 k v 以上超高压架空输电线路的巡检。研究所于2 0 0 6 年4 月j 2 日和锦州l 超高压局合作开展了现场带电巡榆实验，取得较好的实验结果。但越 障能力还有不足，短期内不能投入市场。 隧 囤l6 沈阳自动化研究所的两臂式巡线机器人 山东大学在2 0 0 5 年开发出一台沿l l o k v 输电线自主行走的巡线机器人，如图17 所示m 1 。单机重量3 5 k g 巡检的平均速度约为1 , 5 k m h ，最大爬坡角度约为3 0 。蓄 电池组可连续供电45 小时。机器人主要结构有末端执行器( 含滚轮、锁紧器、刹车 机构) 、末端执行器开合机构、机械手臂、措载箱、中手移动滑台。 图17 山东大学研制的三臂式巡线机器人 综台国内外己取得的有关巡线机器人的研宄成果可知现有的大多数产品只停留 在实验室阶段，能够完成一些相对简单的越障任务如防振锤、缓坡等，而对一些越 障难度较大的障碍，如悬垂线夹、跳线等显得捉襟见肘。制约巡线机器人发展的关键 技术主要表现在结构设计、工作电源、导航与定位、无线通讯、线路损伤探测等方面。 ( 1 ) 结构设计方面 结构设计是机电一体化系统设计的基础。巡线机器人不仅是典型的机电一体化系 统，而且工作环境也很复杂。机器人结构要求能够平稳地实现滚动和蠕动两种爬行方 式的切换，通过机械手位姿变换跨越悬垂线夹、跳线等障碍物：成套的传感器、通讯 设备、电源装置等器件需要携带这些郁对逃线机器入结构的紧凑性、轻量化提出了 更高的要求。 ( 2 ) 工作电源方面 由于体积和熏量的限制普通的蓄电池组无法满足巡线机器人大范围巡检的动力 要求。只有实现机器人工作电源自给才能保证在野外长时间工作。现有的解决办法分 两种，一种是小型汽油发电机发电法，另一种是电磁感应取电法。前一种方法需要携 带危险性很高的汽油箱，环境适应性差，安全隐患大。后一种方法则是通过电流互感 器，利用电碰感应原理，直接从周围输电线获取电能。此法洁挣安全实用性强。 文献1 1 0 】深入研究了电磁感应原理取电的方法。通过一系列实验，文献作者得出 了机器入所需最大驱动力与电流互感器重量、磁芯截面积、副边线圈匝数等变量的关 系。此法的技术难点在于可靠地控制磁芯分离机构和切换各用电源。 ( 3 ) 导航与定位方面 为了实现远程自主行走，自主跨越和避让各种类型障碍完成预期的巡检任务， 巡线机器人需要实时导航。包括对机器人进行全局路径规划咀及局部越障动作规划。 导航系统的功能则是实时探测井识别障碍类型，确定机身与障碍相对位置，从而正确 规划下一步动作，引导机器人平稳地越过障碍。 定位是指实时确定巡线机器人在工作环境中的位置、这是准确标识输电线路故障 点位置的前提。现有的两种方法分别是相对位置法和线塔贴标沽。前者对巡检里程进 行累计，根据出发里程确定机器人所在位置，误差较大。后者是根据探测到的故障点 附近线塔上的路标来确定故障点所在大概位置。 ( 4 ) 无线通讯方面 地面基站l 的工作人员指挥巡线机器人工作离不开无线通讯技术。同时机器人也 会实时地向地面基站传送视频录像、机器人工作状态技术参数等数据。高效的双向通 讯要求带宽高、抗干扰力强、有效传输距离远。 ( 5 ) 线路损伤探测方面 线路损伤探测方法分两大类一粪属非接触探测，一类属接触探测。 非接触探测方法有视觉检查法、红外探测法、无线频谱分析法。视觉检查法是架 空输电线路巡检应用最为广泛的探测方法。机器人携带高分辨率c c d 对目标进行 摄像井将图像数据传送到地面基站。工作人员对这些图像进行判读，由此确定输电导 线、连接金具等器件是否损坏。红外探测法适用于早期的线路故障，如导线微小断般、 压接管松动。这些故障点部位会出现局部温升，产生热辐射场。利用红外摄像机可以 探测到这些故障。但该技术受天气的影啊很大，探测精度和准确度不高，无线频谱分 析法适用于判读绝缘于处漏电、导线断股、植物生长过于靠近导线等情况，具有较高 的灵敏度和准确度。 接触探测法有电涡流法、电阻测量法。电涡流法适用于输电导线断股、钢芯腐蚀 程度等故障的探测。电阻测量法则适用于连接金具( 如压接管、线夹等) 处故障的判 读基本原理是利用微欧姆计测量这些地方的电阻然后将其与正常电阻值相比较 做出判断并得出结论。 13 虚拟样机技术及其应用 虚拟样机技术是对c a x ( 如c a d c a m c a e 等) 、d f x ( 如d f a d f m 等) 技术 的进一步发展它有机地融合了先进的信息技术、制造技术、仿真技术，贯穿产品的 整个生命周期 1 2 1 。应用虚拟样机技术的基础是建立产品的虚拟样机( v i r t u a lp r o d u c t ) 。 设计人员可以很方便地借助c a d 系统对产品零部件进行设计然后根据零部件之间 约束关系对其进行虚拟装配利用系统提供的碰撞检测、干涉榆查等功能及时找出设 计缺陷和不足。模型建好后设计人员可以很逼真地模拟产品在各种工况下的运动与 受力状态，分析产品零部件的载荷、应力、变形等情况。通过仿真分析可以及时发 现和修改设计上的不足，避免了制造物理样机废品率高的问题：此外，利用虚拟样机 技术可以方便地对多个可行方案进行分析和比较寻求最优方案。经过相应的仿真实 验研究再制造产品物理样机，可以有效地提升产品设计水平缩短产品开发周期，提 高产品市场竞争力。 随着计算机技术的迅猛发展，虚拟样机技术也通过商业化软件的开发应用在工 程领域得到快速的推广和应用。这些针对不同客户量身开发的软件，操作界面逐渐人 性化功能日益强大根据需要可以升级和更新。著名的虚拟样机技术软件有美国 m s c 公司研发的a d a m s ，德国航天局研发的s i m p a c k 等。其中a d a m s 占据世界 市场5 f f a o 以上的份额其它软件还有w o r k i n gm o d e l ，f o l w 3 d i d e a s 等，这些软件 都支持系统并行工程设计要求； 目前虚拟样机技术不论是在国外还是在国内都已到得广泛的应用。美国波音公 司采用虚拟样机技术后其生产的波音7 7 7 客机率先实现无图纸方式设计与制造。由 此也取得良好经济效益，产品制造周期缩短5 0 设计更改费用减少9 4 ，国内一 方面上海大众、广西柳工等众多制造企业普遍采用了虚拟样技术用以提高企业设计 研发水平提高生产加工质量；另一方面清华大学、北京航空航天大学等多所高校或 科研院所也广泛使用虚拟样机技术进行教学和科研的工作。 本文采用a d a m s 虚拟样机软件，利用该软件对超高压输电线路巡线机器人虚拟 样机进行模拟实际工况的运动学与动力学分析，进而对虚拟样机的设计方案可行性进 行检验及时发现和修改巡线机器人设计上的缺陷降低物理样机制造失败的风险， 同时，通过虚拟样机的仿真实验研究可以在制造物理样机之前分析出巡线机器人的工 作性能，为进一步讨论物理样机的控靠q 提供依据。 1 4 本文主要研究内容 ( 1 ) 简要阐述了巡线机器人国内外研宄概况及其关键技术介绍了虚拟样机技 术及其在产品研发中的应用。 ( 2j 提出了本课题的巡线机器人结构方案，利用c a t i a 软件建立了谚机器人的 基于特征的参数化模型进而建立了该机器人的虚拟样机。 ( 3 ) 实现了巡线机器入重要零部件的优化设计，如异形片刹车机构的多目标优 化设计，基于机器人爬坡角度最大化目标的机械手大臂和小臂的优化设计以及机器人 整体结构的轻量化设计等。 ( 4 ) 利用c a t a d a m s 接口模块将巡线机器人虚拟样机导入到动力学分析软件 a d a m s 中，建立了机器入跨越悬垂线夹的仿真模型，井对其进行了多次的运动学与 动力学仿真分析获取了每次仿真实验的有关机械手小臂旋转关节扭矩的数据及其曲 线圈确定了机器人成功越障的运动规划与主动关节的驱动函数。通过对比分析优化 前后的仿真实验结果，进一步验证了机器人结构设计、优化的台理性以及机器人运动 规划的可行性。 第二章巡线机器人结构设计与建模 机械结构设计是巡线机器人研究的关键技术之一主要分为运动方案设计、零部 件结构详细设计两方面的内容。拟定运动方案过程包括选取恰当的驱动方式，设计实 用的传动机构与执行机构。而零部件结构的详细设计，则采用机械c a d 领域著名的 c a t i a 软件完成。该软件具有强大完善的建模功能，又有很强的关联性，使用它创建 机器人零部件三维实体模型，不仅直观快捷，而且有利于日后对模型的修改与调用。 此外，用户可以利用其工程图模块很方便地将三维实体模型转换为加工制造所需要的 二维工程图。 21 建模环境 211 三维机械设计软件c a t i a 概述 c a t l a 是法国d a s s a l ts y s t e m 公司开发的集c a d c a m c a e 于一体的设计软件， 主要的模块有风格与造型设计、机械设计、设备与系统工程、数字样机、模拟加工、 工程分析、知识库等。现行的c a t i a 软件有v 4 和v 5 两种版本：v 4 版本适用于u n i x 操作系统，而v 5 版本既适用于u n i x 系统也适用于w i n d o w s 系统。c a t i a 在汽车、 航空航天、造船、车工等制造行业都有广泛的应用著名的客户有福特、大众、空客、 波音以及国内的一汽、上汽等大公司。 c a t i a 最具特色的核心技术是混合建模技术，包括设计对象的混合建模、变量与 参数化混合建模以及几何与智能工程混合建模。基于这项技术，c a t i a 软件实现了实 体建模与曲面造型的互操作，具各变量驱动与后参数化功能，使得设计者可以充分发 挥个人建模思想与操作习惯，而不必过多地考虑参数化设计产品的具体过程提高了 工作效率。此外采用知识库模块可以帮助企业或研究机构方便可靠地积累它们多年 来的设计经验以便新员工能够继承和发挥，也可用于指导新型产品的研发，提高企 业的创新能力。此外在产品全周期的任何阶段，c a t i a 都支持对产品模型的修改， 尤其是产品建模的后期操作的修改。通过智能化的产品树结构，j ；| j 户可以方便快捷地 对产品模型的任何特征或操作进行编辑与修改。由于c a t i a 具有所有模块全相关性 三维模型的修改台直接映射到产品的工程圈、草图、有限元模型、模具、数控加工程 宇中。 21 2 软件c a t i a 在本课题中的应用 本文利用c a t i a 软件的零件设计功能建立了巡线机器人所有零件的三维模型， 调用软件系统自带的材料库喊予每一个零件相应的材料，系统自动根据零件的几何信 息与材料属性计算出零件的体积、质量、惯性矩、质心位置等参数。利用装配设计、 数字样机功能建立了巡线机器人的虚拟样机，模型包含了全部的零部件信息、完整的 装配关系及相对运动信息，通过简单运动仿真初步验证了机器人运动方案设计的正确 性与可行性。 22 巡线机器人结构设计与建模 221 设计方案要求 针对5 0 0 k v 以上超高电压输电线路特殊作业环境，设计的巡线机器人必须能够携 带一定重量的检测仪器，在分布式计算机控制系统的控制下沿着输电导线行驶工作 平稳地跨越和避让沿途的各种障碍，包括悬垂线夹、绝缘于串、连接金具、防振锤等， 大范围作业叫还需要跨越多种空间分布跳线m 】。同时要求机器人具有可靠的刹车制动 能力从而使其在执行个别复杂任务时从高空捧落。本课题巡线机器人的典型工作现 场环境如图2 1 所示。 一 图2ij ； 线机器人典型工作环境 巡线机器人大范围作业时，机械本体结构依次要求实现的运动功能包括机器人上 线、无障碍路段行驶、通过防振锤、避让悬垂线夹、爬越跳线等。实现这些运动功能 的动作规划与机构设计各不相同，分别如下： ( 1 ) 机器人上线 采用机械设备如绝缘升降车或人工上塔吊装的方法将巡线机器人悬挂到输电导 线上，做好巡检准备。 ( 2 ) 无障碍路段行驶 地面基站发出启动命令后，巡线机器人开始工作驱动轮沿着输电导线滚动前行。 同时，机器八携带的检测仪器开始工作探测前方线路障碍情况，高速球摄像机实时 拍摄沿途环境图像数据传输给地面基站并由工作人员对画面进行判读。机器人自 身运行的状态也会被实时检测，工作人员结台有关信号+ 决定是否加阻干预。 ( 3 ) 通过防振锤 机器人末端执行器采用中空设计时不必进行姿态调整即可越过防振锤。 ( 4 ) 避让悬垂线夹 传感器在一定距离位置处检测到悬垂线夹后，机器人停止行驶。根据设定好的越 障规划前手、中手、后手依次越过悬垂线夹。首先前手避障：电机驱动前手小臂旋 转关节小臂向上抬起，驱动轮脱线，接着末端执行器分开，分向移动行程不小于 1 2 0 m m ，然后小臂向下摆动直至驱动轮低于导线，中手及后手的滚轮带动机器人本 体继续向前行驶。待前手越过悬垂线夹后停止前手小臂向上抬起驱动轮高过导线 末端执行器台并，前手小臂再次向下摆动，驱动轮抱线。其次中手避障：电机驱动中 手竖直升降机构，中手向上运动。驱动轮高过导线，接着末端执行器分开分向移动 行程不小于1 2 0 m m ，然后中手向下运动，驱动轮低于导线。前手及后手滚轮带动机 器人本体继续前行，直至中手越过悬垂线夹中手向上运动，末端执行器合并，中手 再次向下运动，驱动轮抱线。最后后手避障，其避障过程与前手相似，此处不再赘述。 ( 5 ) 爬趣跳线 传感器检测到竖直跳线后，机器人开始按照相应的运动规划爬越跳线。机械手的 脱线和抱线方法和避让悬垂线夹相同，不同的是机器人姿态的调整步骤。具体的越障 过程是：首先前手脱线，前手小臂下摆，使前手抓住跳线：然后中手脱线前手及后 手驱动轮带动机器人本体向前行驶。当中手接近跳线线夹时，停止行驶调整前后手 臂使中手抓住跳线，然后机器人继续行驶；最后后手接近跳线线夹时机器人停止 行驶，后手脱线前手及中手滚轮带动机器人本体继续行驶，直至后手越过跳线线夹， 停止行驶。调整前后手臂，使其抓住跳线，完成导线到跳线的跨越。 机器人爬越转弯跳线时跨越方法和上述过程相似，不同的是机械手臂姿态除了 上下调整之外，还需要水平调整。 本课题所研究的巡线机器人主要技术指标及要求有：自主跨越和避让沿途障碍 的能力：较强的刹车制动能力，机器人可以随动随停： 一定的爬坡能力：单机 重量小于3 5 千克： 2 22 机器人总体结构 考虑到自主越障和爬坡能力的设计要求，巡线机器人的机械手必须工作范围大、 易于控制、动作执行流畅自由度不少于4 个( 含滚轮的局部自由度) 结构紧凑重 量轻。本课题提出适用于5 0 0 k v 输电线路巡线机器人模型主要由驱动装置、末端执行 器开舍机构、机械手臂、异形片刹车机构、电源与控制电路搭载箱、中手移动滑台等 零部件构成。机器人总体结构的二维机构原理图与三维模型图分别如图2 2 和图2 3 所示。 图2 2 巡线机器凡机构匣理圈 223 驱动装置 巡线机器人采用轮式移动与步进式蠕动爬行两种方式实现机器人本体移动。这两 种运动方式分别通过轮式移动机构和步进式蠕动爬行机构实现。当线路坡度较小时， 驱动轮与输电导线之间的摩擦力足以推动机器人本体向前移动：当线路坡度较大时 驱动轮与输电导线之间的摩擦力不足以推动机器人本体移动，直接表现为驱动轮打 滑此时机器人的前后手与中手刹车制动机构交替抱线结台中手移动滑台实现步进 式蠕动爬行。机器入关节采用直流伺服电机驱动，可蚍构成闭环控制，额定转速高， 输出扭矩平稳，且易于控制。 闰2 3 巡线机器人三维模型 轮式移动机构由直流伺服电机、锥齿轮减速器、手架、驱动轮以及轴承等零部件 组成。驱动轮主体采用高强度轻质的铝合金材料，外圈采用强度高且耐磨的聚氨酯材 料t 以增大驱动轮与输电导线( 钢芯铝绞线) 之间的摩擦系数；驱动轮采用中间剖分 形式，由左右两部分通过型面连接而成，配合左右手架构成了中空设计的机械手末端 执行器。它可以直接通过舫振锤，大大提高了机器人巡检效率。 图2 4 机械手末端执行器 步进式蠕动爬行机构由直流伺服电机、传动轴、滚珠丝杠螺旋副以及直线导轨组 成。滚珠丝杆旋转副传动效率高达9 0 以上响应速度快便于电机伺服控制传动 精度高。 224 末端执行器开台机构 末端执行器开合机构由丝杠螺母副、滑措凸轮副、移动副组合而成该机构的运 动简图如图25 所示。以末端执行器的左右手架分开为例，它的工作原理是电机驱动 丝杠旋转，螺母块向上运动，通过滑槽凸轮副与移动副的约束，两个滑块分向平移。 两滑块分别与左右手架固联，从而实现末端执行器的分开动作；若电机驱动丝杠反向 旋转则末端执行器会合拢。 图2 , 5 末端执行器开台机构原理图 设滑槽工作面与水平面的夹角为口，0 口 f 2 ，丝杠螺距为p 工作时角速度 为，时间，内螺母块的位移为s ，两滑块相对运动的行程为，则有下列等式成立： s ：旦兰 2 x l = 2 s c o t ( a ) 特别地，当口= 口6 时，l - 2 4 3 岛34 6 s 。这表明开合机构具有显著的输出行程放 大效果，有利于减小螺母块做功行程与电机工作转速进而增大电机输出扭矩，克服 开台机构运动阻力。 2 25 机械手手臂 机械手手臂是连接巡线机器人措载箱与腕关节、驱动轮、手架等机械手末端机构 的重要运动部件。手臂的自由度一般不少于3 个以便末端执行器能够到达任意空间 方位。由于关节型机械手臂要比非关节型机械手臂在相同体积条件下有更大的相对工 作空间和绝对工作空间且结构更紧凑，运动更灵活，因此本课题巡线机器人机械手 臂采用关节型机构。 为了使机械手末端执行器及安装在其上的传感器工作更平稳可靠，机械手末端的 运动轨迹应与输电导线保持平行。平行四杆机构不但能够有效地解决这个问题，而且 在工作时只需用电机驱动该机构四个铰接支点中的一个，避免r 引入多个关节进行 姿态联台调整导致的电机数量过多的麻烦。 综合考虑各种因素后确定巡线机器人机械手手臂具有三个自由度( 不包括驱动 轮装置局部自由度) ，分别是大臂回转、小臂俯仰、手腕回转。实现大臂回转的肩关 节和实现小臂俯仰的小臂旋转关节，均由精密蜗轮蜗杆减速器与转盘传动，输出力矩。 此外通过控制关节处直流伺服电机的制动装置，可以实现机械手臂由刚性到柔性状 志的平滑转换使机器人能够适应各种工况的要求。机械手各部分几何参数与各关节 转动范围如表2 1 、表2 2 所示。 表2 i 机械手几何参数 机构几何参数 数值m m 大臂长度 小臂长度 小臂连杆间距 腕臂长度 末端执行器高度 3 8 5 4 0 0 8 5 2 2 5 4 7 0 表2 - 2 机械手关节转动范围 关节自由度 转动范围 大臂回转 小臂俯仰 手腕回转 一9 0 。9 0 。 一1 帅c 1 8 0 0 226 异形片刹车机构 异形片刹车机构是由丝杠螺母副、曲柄滑块副串联而成的组合机构，机构原理图 如图26 所示。以刹车制动过程为例它的工作原理是电机驱动丝杠旋转螺母块向 下运动，通过连杆传动后，异形片制动端向上摆动。当异形片到达水平位置与输电导 线接触时两者z 问产生摩擦力，从而实现刹车制动。当丝杠螺母副的螺纹升角小于 当量摩擦角时，机构可以自锁。如需解除制动，只需控制电机反向旋转即可。异形刹 车片工作的角度范围达9 0 。以上。 图2 6 异形片刹车机构原理圈 23 巡线机器人虚拟样机 多体动力学分析要求获得巡线机器人零部件质量、惯性矩、暖心坐标等参数，因 此在设计之初每一个零件都应该调用c a t i a 软件自带的材料库赋予材料，材料属 性包括密度、强度、弹性模量等信息。系统会根据零部件的几何信息，材料属性，自 动计算出所需参数。 在c a t i a 环境下完成巡线机器 三维模型后还不能直接导入动力学分析软件 a d a m s 中。机器人三维模型首先要在c a r l a 数字样机运动仿真模块下定义运动副、 机架问等然后在c a t i a 与a d a m s 接口模块下重新生成a d a m s 软件能够识别的 运动副、机架问等约束关系，并另存为c m d 格式文件。接着巡线机器人虚拟样机将 以c m d 格式文件导八a d a m s 环境下、对其进行运动学与动力学仿真分析与试验e 图2 7 所示为巡线机器人虚拟样机图中蓝绿色图标代表运动副，红色图标代表运动 激励。表2 - 3 所示为机器人主要零部件的惯性参数。 图27 巡线机器人虚拟样机 搭载箱 1 12 9 7 01 7 1 0 4 6 5 0 4 6 5 末端执行器31 8 3 0 0 2 6 0 0 3 8 0 0 2 1 手腕组件 2 9 6 4 0 0 3 1 0 0 15 0 0 3 5 小臂连杆( 一】 01 4 5 0 0 0 2 5 5 5 6 】0 。 00 0 2 小臂连杆( 二j 01 3 9 0 0 0 2 6 2 9 4x 】o 。 o o o i 滑台支座0 5 8 7 2 4 6 1 0 。 00 0 3 0 0 0 3 中手支架0 5 5 600 0 7 0 0 0 8 0 0 0 2 开合滑块o1 2 8 4 8 2 7 1 0 5 11 6 9 叫0 。 】2 0 4 。1 0 4 开合螺母01 4 9 2 9 6 3 1 0 。5 i8 4 6 1 0 4 17 3 。1 0 。 滑销组件0 0 4 5 11 2 1 1 05 2 5 6 9 1 0 。 3 3 0 3 。1 0 ； 左手架0 4 4 9 0 0 0 6 0 0 0 50 0 0 ， 翌竺兰竺竺! ! ：! ! i ! ! ! ! 24 本章小结 ( 1 ) 分析丁超高压输电线路巡线机器人工作环境，规划了巡线机器人巡检作业 时从上线到跨越悬垂线央、跳线等障碍的运动过程。 ( 2 ) 提出了巡线机器人总体结构方案，建立了巡线机器人基于特征的参数化三 维模型，阐述了驱动装置、末端执行器开台机构、机械手手臂以及异形片刹车机构的 工作原理与结构特点。 ( 3 ) 建立了巡线机器人的虚拟样机获取了重要零部件的惯性参数，为后续的 动力学分析和仿真实验做好准备。 第三章巡线机器人结构的优化设计 前面根据巡线机器人功能要求，按照强度、刚度、稳定性等设计准则提出了机 器人机械结构的初始设计方案。但是它并不是可行方案当中最优的一个，为了进一步 优化机器人工作性能有必要在初始设计方案的基础上对机器人结构进行优化设计。 本章阐述了逃线机器入驱动轮异形片刹车机构制动力最大化、整体结构爬坡性能 最优化的优化设计过程。分析表明优化设计明显提高了机器人工作的综台性能。 31 优化设计及其方法简介 311 优化设计概述 传统的设计过程往往是在满足产品功能要求的前提下，先提出产品结构的初始设 计方案，再根据零部件的强度、刚度、稳定性、使用寿命等设计准则对其进行分析和 校核，进而对零部件结构形状和尺寸进行修改确定最终的结构设计方案。这种设计 方法对设计者的个人经验要求较高。优化设计则与传统设计方法截然不同。它利用计 算机高速运算能力采用高精度的数值分析方法，根据产品技术要求和约束条件，对 多个可行性设计方案进行比较分析从中获得最优的一个； 优化设计可以应用到生产生活的方方面面著名数学家华罗庚曾经提出“统筹法” 指导经济建设取得了巨大的经济效益和社会效益。这是优化设计方法实际应用的鲜 活例证。 机械结构的优化设计包括两方面的内容，一是建立优化设计问蹯的数学模型，二 是选取合适的优化方法编写相应的程序。建立优化设计问题的数学模型时，首先要 根据设计任务及要求确立优化设计的目标，并选取与之相关的参数作为设计变量， 建立设计目标与设计变量之间的函数关系，再根据设计准则和限制条件建立设计变量 的约束关系，这包括性能约束和边界约束。性能约束是指由结构性能要求所确立的约 束，如强度、刚度，稳定性等对结构各个方向尺寸的要求。边界约束是指设计变量自 身可变化的范围主要是指上限和下限。概况起来就是要确定目标函数、设计变量、 约束条件这三个方面的内容。 机械结构优化设计问题的数学模型建立之后，专业颚域的可行性设计转变为数学 领域的优化求解问题。应用数学规划方法的理论知识，针对数学模型的特点，选择适 当的优化方法进而利用相关的数学软件( 如m a t l a b ) 编制求解程序或者参数化 发计软件( 如p r o ，e n g 州e e r ) ，以计算机为计算工具求的最佳| 殳计参数。 3 12 优化方法简介 优化设计问题分为无约束优化问题和约束优化问题两大类。其中无约束优化问题 的解法是优化方法的基础。无约束优化方法按构成搜索方向所使用信息的性质坷：同可 分为两类；一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，包