（机械电子工程专业论文）高压线路巡检机器人设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 高压线路巡检机器人是机器人研究领域的前沿课题之一，是一种具有广阔 应用前景的特种机器人。该巡检机器人可以实现取代人力进行线路维护，不仅 可以减轻巡线作业的强度，降低费用，也可以提高巡检作业的质量和管理技术 水平，更保证了工作人员的安全。本文结合s o l i d w o r k s 的三维实体建模和 a d a m s 的动力学仿真功能，对巡线机器人爬行规划、机械人本体设计、运动 学分析和虚拟样机分析等内容进行了深入的研究。主要研究内容如下： 首先探讨了高压线路巡检机器人的爬行方案。提出了巡检机器人的运行可 分为直线无障碍物阶段、直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段，并对直线有障 碍物阶段和翻越耐张塔阶段的动作进行了详细讨论。 其次针对高压线巡检机器人的作业环境和要求，设计了高压线路巡检机器 人的本体结构，并利用s o l i d w o r k s 对高压线巡线机器人进行了3 d 建模，最后 给出了二维设计图纸。 第三，利用d h 参数的建模方法，建立了该巡检机器人的参考坐标系模型， 通过齐次坐标变换求出巡检机器人的运动学正解。 第四，将巡检机器人的三维实体模型导入a d a m s ，施加约束、定义相关 运动函数；对巡检机器人的直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段进行了样机仿 真。为了研究巡检机器人的平衡问题，编制了质心计算文件对机器人运动过程 的质心变化进行了研究。 最后在实验室1 ：l 模拟架空输电线路上，对巡检机器人进行了直线有障碍 物阶段运行试验，验证了样机虚拟仿真的有效性。 本文的研究工作，为高压线路巡检机器人的进一步研究奠定了基础。 关键词：高压线路，巡检机器人，a d a m s ，仿真 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n s p e c t i o nr o b o tf o rh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s ，af r o n t i e ri nr o b o t i c s ，h a sg r e a t a p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，t h ei n s p e c t i o nr o b o tc a l lr e p l a c et h ew o r k e r sf o rt h eh i g i l - v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e sm a i n t e n a n c e w i t hi t sa p p l f f a t i o n ，t h er o b o td e c r e a s e st h ee x h a u s t i o no f p e o p l e ，c o s ta n di n c r e a s e st h eq u a l i t yo f t h ep a t r o l l i n gl i n ew o r ka n dt h el e v e lo f t h em a n a g e m e n t t e c h n o l o g y , w h i c ha l s ok e e p st h ew o r k e rs e c u r i t y t h i sp a p e rp r e s e n t sc r a w l i n g # a r m i n g ， m e c h a n i c a ld e s i g n ，k i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dv h - t u a lp r o t o t y p ea n a l y s i s ，b yu t i l i z i n g3 dm o d e l i n g s o f t w a r es o l i d w o r k sa n dd y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r ea d a m s f i s t 。a n a l y z i n gt h ec r a w l i n gc o u r s c ，t h ep r o c e s so ft h ec r a w l i n gc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e p h a s e s ：l i n e sw i t h o u to b s t a c l e s ，l i n e sw t ho b s t a c l e sa n dc r a w l i n gt o w e r , t h e n , t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ei n s p e c t i o nr o b o ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h e o p e r a t i o ne n v i r o n m e n ta n dr e q u i r e m e n t a n d3 ds o l i da s s c m b l ym o d e lo f t h ei n s p e c t i o nr o b o ti s b u i l t i n s o l i d w o r k s ，f i n a l l y h e 2 d d r a w i n g s o f t h e p a r t sa r eo b t a i n e d 1 r h 确t h er e f e r e n c ef l a m em o d e lo ft h ei n s p e c t i o nr o b o ti sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ed h p a r a m e t e rm o d e l i n gm e t h o d ，a n dt h ek i n e m a t i c sf o r w a r ds o l u t i o ni ss o l v e db yh o m o g e n e o u s t r a n s f o r m a t i o no f t h e0 0 0 r d i n a t ef l a m e s f o r t h ，t h ea s s e m b l ym o d e li si m p o r t e di n t oa d a m s c o n s t r a i n t sa n dr e l e v a n tm o t i o n f u n c t i o n sa r ed e f i n e d t h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o ni nl i n e sw i t l lo b s t a c l e sa n dc r a w l i n gt o w e ra r c d o n e t h e c m ( c e n t e r o f m a s s ) o f t h e t o t a lr o b o t i s a n a l y z e d d u r i n gs i m u l a t i o n 。 f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n to i lt h ei n s p e c t i o nr o b o to nt h e1 ：1 s c a l eh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o n l i n e nt h el a b o r a t o r yi sc a r r i e d0 1 1 t h ev a l i d i t yo ft h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni sp r o v e db yt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s t h ea b o v ew o r k sp a v e st h ew a yt ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h ei n s p e c t i o n r o b o tf o rt h eh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s k e y w o r d s ：h i g h v o l t a g e t r a n s m i s s i o nl i n e s i n s p e c t i o nr o b o t a d a m ss i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：l 棒日期：h 徊l 。且 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：雌导师签名 日期：蠲3 ! 苎 上海大学硕上学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海求是机器人有限公司。 1 2 课题研究的目的和意义 高压输电线路是电力系统的动脉，其安全运行越来越受到各级部门的重视。 输电线路不仅要承受固有机械载荷和电力负荷的内部压力，而且还要经受自然 环境的各种外部侵害，如：腐蚀、污秽、雷击、强风、洪水、滑坡、沉陷、地 震和鸟害等，以及人为的破坏。随着时间的日积月累，势必造成线路上出现各 种故障，如：接触电阻增大、导线断股、避雷线断裂、杆塔倾斜、绝缘子闪烁、 金具脱落，如不及时发现和消除，将对电力系统构成灾难性的危害。为保证输 电线路安全稳定运行，需要对输电线路进行仔细的巡查以防止意外情况发生。 在我国，超高压输电线路的巡检、维护基本上采用人工沿线逐塔巡视的作 业方式，劳动强度大，费用多且危险性较高。电力部门迫切需要取代人力进行 线路维护的巡检设备。研制巡检机器人应用于超高压输电线路的巡检作业，不 仅可以减轻巡检作业强度，降低费用，而且可以提高巡检作业质量和管理技术 水平。迄今为止，国内外对于超高压输电线巡检机器人的研究还处于研制阶段， 尚无成熟的产品应用于输电线路巡检作业。本项目拟完成一台具有自主知识产 权的l l o k v 超高压输电线路巡检机器人实用样机，本项目的研究对于提高电力 部门自动化作业程度，获得更高的经济效益和社会效益具有重要的意义。该样 机可以应用于l l o k v 超高压输电线路巡检作业，其主要功能包括：巡检机器人 能够在线路上一挡内沿架空地线自主行走，其上携带的摄像机和红外热像仪作 为检测装置，用于检测输电设备( 输电线、防震锤、绝缘子及杆塔) 的损伤情 况，并将检测到的数据及图像信息经过无线传输系统发送到地面基站，地面基 站可以接收、存储及显示巡检机器人发回来的数据和图像资料，对机器人的运 行状态具有远程控制和检测能力。 上海大学硕士学位论文 2 0 0 0 年全国共有2 9 7 个供电企业，包括有超高匿输变电企业1 6 家，发电 企业2 5 6 家，负责维护l l o k v 、2 2 0 k v 、3 3 0 k v 及5 0 0 k v 四种种电压等级的超 高压线路。超高压线路维护的费用昂贵，以1 l o k v 的超高压线路为例，输电线 路全长已超过2 7 0 0 0 公里，在现行的维护管理模式下，超高压线路的运行费用 由人员工资及工资附加费、日常维护费、大修费和技改费组成。根据国家电力 公司1 9 9 9 年对国内超高压运行单位的调查报告，线路巡视成本为每公里每年为 n 1 3 7 8 0 - 4 6 8 0 元，若以4 2 0 0 元计算，则常规巡检年巡检总费用约为1 1 3 4 0 万元”。 电力专家预计，到2 0 1 0 年前后，随着三峡电力外送、西电东送、全国联网 工程的实施，我国中部、北部、南部三个跨大区电网和全国联网将基本形成。 2 0 1 0 年以后，按照国家“西电东送”电力可持续发展的战略部署，将适时开发金 沙江流域的水电站，并建设直流输电系统送至华东、华中电网和南方电网。随 着电力体制改革和电力运营市场化程度的提高，研制技术先进，性能优越的输 电线路巡检装备已成为急需解决的问题，因而超高压输电线路巡检机器人具有 强烈的市场需求，产业化前景广阔。 1 3 国内外研究概况 高压输电线路检测主要包括人工巡检、高空巡检和机器人巡检三种。在我 国目前大部分的巡检任务都是通过人工巡检来完成的。 人工巡检主要是依靠人工沿输电线路步行或借助其他交通工具巡检，其缺 点包括： a ) 人工沿线巡检受地形条件限制。 b ) 巡检的数据由于是人工注释，因此数据不是很充分。 c ) 执行检测任务花费的时间很长，一次正常的巡检一天需要行进9 6 到 1 6 公里，一次仔细的巡检一天只能行进1 6 - 3 4 公里，每次巡检还需 要攀越各类塔架【“。 d ) 在今天的技术条件下，些技术被用来作为检测方法，最大的进步就 是利用热敏照相机来检测过热点。在人工巡检情况下，偶尔的光线会 2 上海大学硕上学位论文 误导巡检者，另外，塔的高度限制了能够检测到更详细的过热点。 高空巡捡是采用借助直升机或无人航天飞机在高空来完成巡检任务，这种 巡检方式可以降低由于地形所带来的影响。但缺点也很明显，主要包括： a ) 记录检测数据仍然比较困难。 b ) 所有的检测工作都是在飞行阶段完成的，因此增加了飞行的时间从而 增加了检测的成本。 此外，对于无人航天飞机巡检造价更高，要求的技术问题更为复杂，国内 在这一领域暂时还没有研究。下图1 为挪威的n o r u ti t 公司2 0 0 5 年9 月试验 的一架无人航天飞机，重约1 2 k g ，利用汽油作为动力油源，运行速度为1 0 0 k m h ， 可运行3 0 0 k m ，能够负载有效载荷为3 k g 。该无人航天飞机由自动驾驶仪进行控 制，自动驾驶仪采用6 p s 航标点( w a y p o i n t ) 进行导航，通过卫星电话与控制 基站进行通信。卫星线路发送飞行信息到基站并接收来自基站的控制信息。这 样有助于通过基站来控制飞机和飞机上的仪器。该项目目前还处于试验阶段， 下一个目标是使运行范围扩大到3 0 0 0 k m 。由于这种巡检方式成本过高，技术复 杂，因此不具有可推广性。 图卜1 挪威的n o r u ti t 公司高压线路巡检无人航天飞机 高压巡检机器人的显著特点是可以自动跨越杆塔实现杆塔间的连续巡检， 完成跨越线路障碍物，这种机器人可以节省大量的物力和人力，而且安全系数 更高。巡检机器人的研究始于2 0 世纪8 0 年代末，日本、加拿大、美国等发达 国家先后开展了巡检机器人的研究工作。 1 3 1 国外研究概况 1 9 8 8 年，东京电力公司的s a w a d a 等人研制了光纤复合架空地线( o p g w ) 3 上海大学硕士学位论文 巡检移动机器人1 4 】( 图1 2 ) 。该机器人利用一对驱动轮和一对夹持轮沿地线 ( o p o w ) 爬行，能跨越地线上防震锤、螺旋减震器等障碍物。遇到线塔时，机 器人采用仿人攀援机理，先展开携带的弧形手臂，手臂两端勾住线塔两侧的地 线，构成一个导轨，然后本体顺着导轨滑到线塔的另一侧；待机器人夹持轮抱 紧线塔另一侧的地线后，将弧形手臂折叠收起，以备下次使用。该机器人运动控制 是把线塔和地线的资料数据( 线塔的高度、位置，地线长度，线路上附件数量 等) 预先编制好程序输入机器人，因此不具有很好的自主性；此外该机器人是 将探测数据记录到磁带上，等巡检完一个阶段再取下进行分析数据，也不具有 控制的实时性。 g u i d er 16 tm a n i p u l a t o r 制s e m b l y w l c o n t t o ；l e r 图i - 20 p g w 巡检移动机器人的基本结构 1 9 9 0 年日本法政大学的h i d e on a k a m u r a 等人开发了电气列车馈电电缆巡 检机器人【5 1 ( 见图1 - 3 ) ，机器人采用多关节小车结构和“头部决策，尾部跟随” 的仿生控制体系，以l o o m s 的速度沿电缆平稳爬行，并能跨越分支线，绝缘 子等障碍物。机器人由六对左右对称、相互联结的小车组成，每个单体小车 有两个电机，一个用于行走驱动，另一个用于控制联结前后小车的旋转关节的 关节角；左右小车采用具有自保安功能的磁锁系统联结。磁锁系统用永久磁铁 将左右小车牢牢锁紧，使两车橡胶驱动轮抱住馈电电缆，由行走电机驱动沿电 缆平稳爬行。当机器人遇到分支线，绝缘子等障碍物时，每对小车上磁锁系统 中的电磁铁通电，顺次将磁锁打开，机器人再改变两侧旋转关节的关节角，使 左右小车分开。小车依次通过障碍物后，控制两侧旋转关节使左右小车合拢， 电磁铁断电，磁锁再次锁紧，机器人恢复正常行走状态。该种机构机器人对于单 4 上海大学硕士学位论文 一的直线型杆塔间的巡检是比较方便的，但不具有在多种类型杆塔间爬行的功 能。 图1 - 3 电气列车馈电电缆巡检机器人的机械结构 加拿大魁北克水电研究院的s e r g em o n t a m b a u l t 等人2 0 0 0 年开始了h q l i n e r o v e r 遥控小车1 6 j ( 图1 3 ) 的研制工作。遥控小车起初用于清除电力传 输线地线上的积冰，逐渐发展为用于线路巡检、维护等多用途移动平台。第三 代原型机结构紧凑( 2 3 x1 7 x1 2 c m ) ，仅重2 5 k g ，驱动力大，抗电磁干扰能力强， 能爬5 2 。的斜坡，通信距离可达l k m 。小车采用灵活的模块化结构，安装不同 的工作头即可完成架空线视觉和红外检查、压接头状态评估、导线和地线更换、 导线清污和除冰等带电作业，已在工作电流为8 0 0 a 的3 1 5 k v 电力线上进行了 多次现场测试。但是，h ql i n e r o v e r 无越障能力，只能在两线塔间的电力线 上工作。目前，研究组正在开发具有越障功能的自治移动小车。 图1 - 4 h ql i n e r o v e r 遥控小车 上海大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究概况 目前国内关于巡检机器人的研究主要集中在高校和研究所内。这其中包括 有武汉大学、山东大学、中科院自动化研究所和沈阳自动化研究所等。 山东大学申请的专利2 0 0 5 1 0 0 4 2 5 6 9 5 1 7 j ( 申请日：2 0 0 5 0 3 1 8 ) 为沿1 1 0 k v 输电线路自主行走的机器人及其工作方法，由机器人本体、控制装置、传感器、 检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器 人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测 距传感器和检测障碍用的视觉传感器c c d 安装在每只手的前方，检测装置包括 高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。能够在l l o k v 输电线路 上平稳行走，自主地跨越输电线上的各种障碍，代替人进行输电线路的巡检工 作，减轻输电线路巡检的工作量，提高工作效率和检测的精度，达到确保输电 线路安全运行的突出特点。这种机构的缺点是：由于采用了三臂的结构，这样 无形地增加了机器人的重量；此外，该机器人所实现的跨越障碍物的跨距有限， 因此不能爬越耐张塔这种杆塔。 凰卜。受霍逮 一姜 弱尊一 、仲螭臀 薷秘荚节 ； 饰鳓焉 庄右蠼动 汪銎豢酾窝 圆圆圆 图卜5 山东大学申请专利的巡检机器人机械结构 中国科学院沈阳自动化研究所申请的发明专利2 0 0 4 1 0 0 2 0 4 9 0 8 1 8 j ( 申请日： 2 0 0 4 0 4 3 0 ) 涉及一种超高压输电线巡检机器人机构。它由移动车体、后手臂、 前手臂组成，其中：移动车体由本体和行走轮组成，行走轮通过水平转动副和 移动副安装在本体上，并与线路相抓持，本体通过转动副分别与前、后手臂相 连，手臂末端为手爪；所述前手臂、后手臂结构相同，其中每手臂由上臂、 下臂两部分组成，上臂为连杆及滚珠丝杠与滑块组合结构，通过水平转动副与 6 上海大学硕士学位论文 下臂相连接，下臂为大行程伸缩机构。该发明工作空间大、重量轻、能耗低且 越障能力强。这种机构的缺点也是由于采用了三臂结构，所实现的跨越障碍物 的跨距有限，因此不能爬越耐张塔这种杆塔。 图1 6 中国科学院沈阳自动化研究所申请专利的结构示意图 1 4 论文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在经济性和功 能要求的前提下跟实验室其他成员自主研发的一种高压巡检机器人，作者在之 中主要完成了对机器人爬越的方案分析、机器人机构的本体设计、机器人的运 动学分析和虚拟样机分析等，在此基础上对物理样机进行直线有障碍爬行实验。 论文按照所做科研内容进行了详细的阐述，主要内容包括： 第一章阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究现状； 第二章对输电线路巡检机器人的运动方案进行了分析； 第三章阐述了巡检机器人模块化机械结构设计； 第四章从理论的角度分析了巡检机器人运动学机理； 第五章利用a d a m s 对巡检机器人进行样机分析，并对机器人在运行过程 中的质心运动状态进行了讨论； 第六章进行了巡检机器人物理样机直线有障碍物的爬行实验； 最后第七章总结全文。 7 上海大学硕士学位论文 第二章高压输电线路巡检机器人的方案分析 2 1 巡检机器人的设计要求 针对目前的高压输电线路容易出现的问题，所设计的巡检机器人要求能以 一定的速度沿地线爬行，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹等常规障碍物， 还必须能翻越各种类型的杆塔，利用机器人携带的传感仪器对输电线路实施接 近检测。其主要收集的信息包括： 1 ) 输电线路组件( g 括线跨距和杆塔) 的状态信息：包括绝缘子、防振锤 等。通过分析来判断其是否处于异常状态或已经损坏。 2 ) 沿高压线路通道信息( 平行、交差、环境) ：沿线植物、建筑物、地上的 运动物，以此来判断这些是否靠近输电线而使其处于危险状态中。 3 ) 热信息：检测出可能的局部过热点，来推断线路的不同载荷水平。以建 立线路的高性能。 所设计的巡检机器人必须遵循三原则：提高检测的效率、降低成本和提高 检测质量。 所设计的高压线路巡检机器人必须要满足的技术要求包括： 滚动行驶速度：5 k m h 滚动坡度： 1 5 0 爬行速度：2 0 0 m h 爬行坡度： 9 0 0 跨越防振锤的时间：约3 m i n 跨越直线夹的时间：约3 m i n 跨越耐张线夹的时间：约8 m i n 总重量( 不含地面遥控接收移动站) ：3 0 k g 其中机械系统1 5 k g ，电器控制系统l o k g ，扫描检测系统2 k g ，通信系统 和电源3 k g 。 s 上海大学硕上学位论文 2 2 巡检机器人机构分析 2 2 1 巡检机器人的作业环境 巡检机器人需要携带包括可见光摄像仪和红外成像仪等检测仪器、控制系 统、通讯装置等，要求沿高压输电线路完成全路径自动巡检。这其中要求巡检 机器人能在华东地区四种主要的杆塔之间自主爬越，包括耐张塔( 图2 - 1 ) 、猫 头塔( 图2 2 ) 、洒杯塔( 图2 3 ) 和直线塔( 图2 4 ) 。 图2 - 1 耐张塔 图2 2 猫头塔 9 上海大学硕上学位论文 图2 3 酒杯塔 倒2 4 直线塔 对于猫头塔、酒杯塔和直线塔的杆塔可以考虑沿地线直接跨越杆塔，而耐 张塔地线横担宽最大可达1 6 0 0 r a m ，加上长约2 6 0 m m 的耐张夹具，需要跨越的 距离要求为2 0 0 0 r a m 多，考虑到巡检机器人的质量和刚度，因此设计的机器人 要求能够抓取耐张塔内部的角钢从而达到自主沿高压线运行的目的。 此外对于猫头塔( 图2 - 3 ) 由于是一种外凸的结构必须考虑机器人在垂直的 行进的过程中是否会碰到杆塔，因此所设计的机器人的总高度由该杆塔的尺寸 决定。根据杆塔尺寸要求，机器人总体高度控制7 0 0 m m 范围以内。 经过分析我们将整个巡检爬行的过程划分为三个阶段如图2 5 所示，巡检 机器人作为线路巡检的载体，其作业任务主要包括沿两塔间的导线巡捡和翻越 耐张塔。其中，沿两塔间巡检时，分为直线无障碍阶段和直线有障碍阶段，其 1 0 上海大学硕士学位论文 中在直线有障碍阶段，机器人需要跨越或避让直线塔、酒杯塔、猫头塔以及地 线金具的各种障碍物，如防振锤、悬垂线夹等。 直线塔 尹张夹具输电地线 酒杯塔 耐张塔 |7 猫头塔 仨 ， 一 _ r 申白由 卜- 型叫拦型十型一 图2 - 5 巡检机器人行走路线示意图 2 2 2 巡检机器人的机构选型 巡检机器人的设计不仅需要考虑在3 d 环境中运动的灵活性，而且需要考 虑在最大化机器人自主性能的情况下最小化能耗。考虑到巡检机器人重量问题， 综合国内外研究成果我们考虑的巡检机器人采用双臂结构，约定双臂分别为正 臂和负臂。 设想的一种方案如图2 - 6 所示：这种方案即翻转机构，翻转时前面的正臂 固定，后面的负臂连同基臂一起绕静面的正臂旋转1 8 0 度，如此循环，从而达 到翻越障碍物的目的。 负臂旋转关节 基臂 图2 - 6 翻转机构 滚轮 旋转关节 上海大学颂士学位论文 弊端：由于在每次翻越障碍物过程中都需要双臂的旋转，这样会产生很大 转矩，容易使机构产生很大的功耗，这对于直流电源供电的机器人来说是不允 许的。此外对于巡检效率来说这种方案无疑会增大翻越的时间。因此还需要考 虑其他的机构形式。 在此基础上我们提出了下面的方案：四杆机构( 图2 7 ) ： 负臂摆动 基臂 图2 7 四杆结构 四连杆式机器人的结构是：有正负臂和一条基臂，正负臂通过左右摆动来 达到避开障碍物的目的，这种机构对于缩短爬行时间，提高巡检效率具有很大 的优势。 弊端：此种机构在短距离的障碍物的翻越中有其优势，但在过杆塔时，为 了跨越大跨距的障碍物，就需要加长正负臂，而这样就增加了机器人的重量， 此外在翻越猫头塔时，大的臂长会与杆塔相碰。这样就不会达到自主运行的要 求。 在对上述方案对比选择的基础上我们选择了以双臂结构为主体的机器人运 动机构方案( 如图2 8 ) ，此运动机构由两个臂、两个回转台、两个滑台和一 个基臂组成。该机构采用对称结构，每一臂由摆动关节和旋转关节组成，两臂 通过滑台与基臂相联实现两臂的相对移动，共有五个自由度。正负臂的摆动关 节可以实现机器人升降，旋转关节实现机器人单臂旋转可以防止与另一手臂发 生碰撞，采用平行四边形的摆臂结构主要是为了保持机械手结构的姿态不变， 手爪与臂之间有一个旋转副是为了在抓紧柔性导线过程中调整手爪的位置。此 1 2 上海大学硕士学位论文 外我们在两臂的末端各有一个滚轮和一副手爪，滚轮实现机器人在平直导线上 的运行，夹爪用于机器人越障及 爬行阶段。 负臂 基臂 移动副 图2 - 8 双臂机器人结构示意图 如前所述，该巡检机器人的行走任务主要分为三个阶段：直线无障碍物阶 段、直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段，其中直线无障碍物阶段考虑的是通 过对两滚轮的驱动使机器人沿高压线路前行；对于直线有障碍物阶段和翻越耐 张塔阶段将分别对其爬行动作加以详细讨论。 2 3 巡检机器人爬行分析 2 3 ，1 直线有障碍物阶段 直线有障碍物阶段主要是指在直线塔、酒杯塔、猫头塔以及直线塔地线金 具特征的导线段跨越或避让直线段的各种障碍物，如防震锤、悬垂线夹等。下 面详细讨论在这个翻越阶段中巡检机器人的动作分解过程： 初始位置( 图2 9 ) ：机器入的一个臂靠近防振锤，正负臂都处于与基臂垂 直的姿态，这样可以保证在一个臂摆动过程中，另一个臂可以达到最大的上下 移动。此时以正臂为固定点，首先移动负臂越过障碍物。 上海大学硕上学位论文 图2 - 9 初始位置 正臂抬升( 图2 - 1 0 ) ：在此过程中，靠近防振锤的正臂摆动一定的角度， 由于手臂是平行四边形结构，因此负臂可以保持姿态的恒定。正臂摆动的角度 要保证使负臂的整个机械手抬升至高压线之上。 图2 - 1 0 正臂抬升 负臂旋转1 8 0 度( 图2 - 1 1 ) ：在此过程中，负臂绕自身轴旋转1 8 0 度，使手 抓机构转出电线平面，从而避免负臂机械手在沿基臂向正臂滑动过程中与正臂 手抓机构发生碰撞。 图2 1 1 负臂旋转1 8 0 度 1 4 上海大学硕士学位论文 双臂互相滑动( 图2 - 1 2 ) ：在此过程中，负臂沿着基臂的导轨滑动到基臂的 另一侧，同时基臂也相对正臂滑动到障碍物的另一侧，直到到达最大位置a 图2 1 2 双臂互相滑移 负臂旋转1 8 0 度( 图2 - 1 3 ) ：在此过程中，负臂绕自身旋转轴旋转1 8 0 度， 保证滚轮和机械手手爪处于导线正上方，且与导线位于同一垂直平面内。 图2 1 3 负臂旋转1 8 0 度 正臂下降( 图2 - 1 4 ) ：在此过程中，正臂返回到与基臂垂直的姿态，此时， 负臂也正好下降到与正臂同一高度，驱动机械手的手爪抓紧高压线。松开正臂 的手爪，再以负臂为固定点，重复上述过程使正臂越过障碍物，即可实现机器 人在直线有障碍物阶段的自主爬行。 上海大学硕士学位论文 2 3 2 翻越耐张塔阶段 图2 1 4 正臂下降 此阶段由于没有悬垂线夹，机器人跨越的不是悬垂线夹而是耐张塔，而耐 张塔加上耐张夹具总跨度可达2 0 0 0 r a m ，如果仍然按照上面的直线有障碍物阶 段的爬越方式，则必须使巡检机器人的基臂做到2 0 0 0 r a m 以上，这对重量有严 格要求的巡检机器人来说是极为不利的，另外大跨度的基臂势必影响整个机器 人的刚度。因此只能考虑通过夹持耐张塔的角钢进行翻越。 其翻越动作可以分解为下面的几个过程： 初始位置( 图2 1 5 ) ：所示粗实线标识的为需要在翻越过程中抓紧的4 0 x 5 型号的角钢。图示位置是机器人的一个臂处在耐张金具和防振锤之间，而另一 个臂处于防振锤的另一侧。 图2 1 5 翻越耐张塔时机器人的初始位置 正臂抬升和负臂旋转1 8 0 度( 图2 - 1 6 ) ：此过程中，正臂摆动抬升和负臂 1 6 上海大学硕上学位论文 绕自身旋转1 8 0 度后，负臂机械手处于导线另一侧，可以防止负臂在滑动过程 中与正臂和障碍物发生碰撞。 图2 1 6 正臂抬升和负臂旋转1 8 0 度 负臂下降( 图2 - 1 7 ) ：此过程中负臂摆动，使负臂下降到一定高度。 图2 1 7 负臂下降 正臂下降( 图2 - 1 8 ) ：此过程正臂摆动到与基臂垂直的姿态，这样负臂进一 步下降，为的是在转动过程中负臂不至于碰到杆塔。 图2 1 8 正臂下降 1 7 上海大学硕士学位论文 正臂转动( 图2 - 1 9 ) ：在正臂旋转关节的作用下使负臂绕正臂旋转至4 5 x 5 角钢上并抓紧。然后再以负臂为固定臂使正臂脱离地线绕到角钢上。 图2 1 9 正臂转动 处于角钢上阶段( 图2 - 2 0 ) ：负臂抓紧4 5 x 5 角钢后以此为固定臂，正臂经 过摆动旋转从而越过杆塔的一个斜边角钢，使整个机器人都处于角钢上。 图2 2 0 角钢上 完成这步后巡检机器人整个本体都处在4 5 x 5 的角钢上，接下来再次以正 臂为固定臂，反过程执行由地线到角钢的过程，从而使机器人翻过整个耐张塔， 如图2 2 l 所示。 上海大学顾上学位论文 2 4 本章小结 图2 - 2 1 翻越后的机器人 本章通过分析巡检机器人作业环境，提出机器人高压线巡检可分为三个过 程，即：直线无障碍物阶段、直线有障碍物阶段和翻越耐张塔阶段。在此基础 上讨论了巡检机器人的可能机构，最终选择了一种类似于人的双臂结构，并对 该种巡检机器人机构在三种巡检过程中的爬行动作进行了详细的介绍，为物理 样机的研制提供了初步的设计方案。 1 9 上海大学硕士学位论文 第三章巡检机器人本体结构设计 巡检机器人是一种可以沿电力电线自主行走、跨越障碍物并进行线路巡检 的机械设备。它的设计必须符合巡检要求，同时在能够完成巡检任务的前提下 机器人的设计还必须尽可能的简单，采用模块化的设计方法可以有效的降低设 计难度，提高设计效率。 模块化设计1 9 1 1 】是在产品设计和生产不断发展的过程中逐步形成的，是一种 设计方法。模块化设计思想由来已久，其基本思想是以产品( 系统) 的总功能 为对象，以功能分析为基础，将整个产品分解为若干特定的功能模块，然后通 过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种 需求。模块化设计的主要目的之一就是力求“以不变应万变”，尽量以少数的模 块组合成尽可能多的产品。 3 1 巡检机器人的机械系统组成 高压线路巡检机器人机械部分由机器人的机械手模块、摆臂模块和基臂模 块等组成，各部分完成某一特定的任务。 对于高压线路机器人机械部分设计的主要要求是： 1 】在满足各功能要求的前提下尽量减小结构尺寸、减轻重量 2 1 在不增大结构尺寸或结构尺寸增加不多的情况下，尽量将驱动系统执行 元件和机器人内部传感器嵌入到运动机构的结构中。 在巡检线路时用滚轮悬挂在输电线上，并靠滚轮的滚动前迸，碰到障碍物 或需要翻越耐张塔时就靠一端手臂上的夹持装置抓紧物体并作为支点，另一端 手臂通过各个关节的协调运动，使得该臂上的夹挣装置避开障碍物后接近并抓 紧其它位置的物体，该位置成为新的运动支点，再松开原支点处的夹持装置， 通过各关节的运动，调整至新的位置，寻找新的支点，从而实现跨越障碍物或 攀爬等动作。由于在空间作业，对机器人运动过程中的平衡性具有很高的要求， 该巡检机器人，在结构上两臂左右对称放置，且在实际操作的过程中，可根据 上海大学硕士学位论文 需要将具有相当重量的电器箱沿导轨移动，使得机器人重心尽量接近固定臂的 一端，减少引起机器人翻转的扭矩，起到调节平衡的效果，因而在操作过程中， 既能保证动作灵活性，又能保证操作的安全性。 巡检机器人机构的主要参数：( 各参数在机器人处于图3 一l 所示状态测量) 外形尺寸：8 0 0 毫米x 3 0 6 毫米x 5 5 5 毫米 重量：2 2 妇 图3 - 1 巡检机器人总结构图 3 2 巡检机器人运动机构设计 巡检机器人运动机构是机器人机械部分的主体，也是机器人的重要组成部 分，其主要作用是从结构上保证机器人沿高压线路地线行走；同时承载机器人 的控制系统、检测设备等。所以，可以认为巡检机器人运动机构是机器人的运 载平台。 3 2 1 基臂模块 基臂模块( 图3 2 ) 主要由电器箱、正负蜗轮转台和滑台组成。其主要任务 2 1 上海大学硕士学位论文 是实现两臂的相对移动，两臂的相对移动用于巡检机器人过障和爬行过程。电 器箱主要是将蓄电池、电机控制卡、p c i 0 4 、红外热成像仪和可见摄像机等布 置在内，此外，电器箱的在机器人的爬行过程中也可以起到平衡作用，电器箱 整个质量大约l o k g ：正负蜗轮转台是由装有蜗轮箱的转台组成，以取得自锁作 用。电器箱和正负蜗轮转台分别通过丝杆传动方式在滑台上沿滑台长度方向移 动。 基臂模块主要参数： 滑台长度：7 6 0 毫米 转台长度：5 2 毫米 两转台相对移动量：1 4 1 6 毫米 两转台相对移动速度：l 米分钟 总重量： 约1 5 6 k g 图3 - 2 基臂模块结构图 3 2 2 摆臂模块 摆臂模块( 图3 3 ) 由摆动连杆机构、丝杆传动系统和支架三部分组成。丝 杆传动系统由电机、减速箱、齿轮及丝杆组成。摆动连杆机构是由直线连杆和 三角连杆组成的一个平行四边形连杆机构。该机构已申请发明专利，专利号为 2 0 0 6 l o l l 7 5 0 9 x 。 上海大学硕士学位论文 图3 - 3 摆臂模块结构图 摆臂模块主要完成机器人在爬行过程中的姿态变化，可以沿垂直轴回转 + 1 8 0 度，其摆动关节可以使整个臂向内摆动5 0 度，向外摆动8 0 度。摆动驱动 电机驱动减速箱主动齿轮旋转，从动轮中心轴孔攻内螺纹起到螺母的作用，与 丝杆构成丝杆传动机构，而减速箱的外壳是跟三角连杆铰接，当从动轮螺母座 沿丝杆轴向运动时也将同时带动摆动连杆机构，整个摆臂将会在电机的驱动下 做摆动。通过该摆动自由度可以扩大手爪的作业范围，调节手爪高度，并且由 于是平行四边形结构，能保持手爪的姿态，对手爪夹持动作带来极大方便。整 个手臂摆动范围可达1 3 0 度，具有自锁功能，可有效的减小功耗。 丝杆外层由非金属材料制成，可减小丝杆螺母副的摩擦力并避免高压电击 穿，内层嵌套铝合金，可增加丝杆的强度。直线连杆和三角连杆均由铝合金制 成，外层涂有树脂，在保证强度和重量的前提下防止被高压电击穿。 摆臂模块主要参数： 臂长：3 7 6 m m ( 滚轮与导线接触点至滑台上部的距离) 摆臂模块质量： 约! 5 k g 3 2 3 机械手模块 机械手模块( 图3 - 4 ) 主要由手轮机构、抓紧机构和连接机构三大部分组成。 上海大学硕士学位论文 除了完成巡检机器人在导线上的行走和抓住导线外，该模块上还要安装感应导 线及障碍物探测传感器。机械手模块中蜗轮轴、支板、滚轮电机和滚轮构成手 轮机构，手爪电机、丝杠、螺母齿条、主动齿轮、从动齿轮和一对相同尺寸的 手爪构成抓紧机构，蜗轮电机、蜗杆、蜗轮轴、手蜗箱和手齿箱构成连接机构。 手轮机构主要控制在无障碍情况下滚轮沿输电线运动的速度，抓紧机构和连接 机构主要控制在有障碍情况下翻越障碍物和完成翻越耐张塔时抓紧4 5x5 角 钢。机械手模块不仅能实现机器人在高压线上运行时对高压线的抓紧，而且能 实现机器人从耐张塔的一侧翻越至另一侧过程中对塔角钢的抓紧。避免了由人 工将机器人从杆塔一侧搬运到另一侧，大大的缩短了机器人运行的辅助时间。 该模块已申请发明专利，专利号为2 0 0 6 1 0 1 1 7 5 1 0 2 。 图3 - 4 机械手模块结构图 夹紧机构( 图3 5 ) 包括一对夹爪，一对啮合的圆柱齿轮，一个螺母齿条， 一根丝杠。电机通过减速器与丝杠连接，移动螺母齿条内部与丝杠构成螺纹副， 螺母齿条外部与主动轮构成齿轮副，主动轮与从动轮为相同型号的圆柱齿轮， 两个齿轮通过健分别与夹爪相连，通过控制电机转速与方向可以控制夹爪的张 开角度，从而控制夹爪的抓紧对象。 上海大学硕士学位论文 从动 图3 - 5 机械手模块的手爪机构示意图 手轮机构( 图3 6 ) ：蜗轮轴中心掏空，用于放置滚轮电机，滚轮电机输出 轴与轴盖相连接，轴盖与滚轮相连接，滚轮与蜗轮轴之间设有滚动体。这一机 构使得蜗轮轴只承受机器人重量所产生的弯矩，滚轮只承受转矩。在直线无障 碍阶段，在滚轮电机的驱动下，滚轮将沿输电线运动。 盖 图3 6 机械手模块的手轮机构 连接机构( 图3 - 7 ) 主要是用来将手爪机构与手轮机构连接起来并且可以调 节手爪机构的高度姿态，由于高压线属于柔性体，这样在机器人运行阶段可以 上海大学硕士学位论文 适当调节该连接机构以使夹爪能抓紧导线。在这里我们采用了一对蜗轮蜗杆连 接，在该传动机构中，蜗轮固定，蜗杆跟电机减速器连接，蜗杆在电机的驱动 下沿蜗轮转动。从而带动夹紧机构沿手轮机构水平轴旋转。 。 手蜗箱 图3 - 7 机械手模块的连接机构 为满足巡检机器人质量上的要求，模块内大部分零件都采用非金属材料， 支板作为机械手模块和摆臂模块的连接件，其强度要求较高，所以在内部嵌加 铝合金材料。夹爪螺母、手爪从动齿轮、夹爪丝杆、手爪主动齿轮、手蜗轮都 市用铝合金l y l 2 c 加工，此外手蜗杆是用4 0 c r 加工。 机械手模块主要参数： 滚轮直径( 与导线最高点接触点) ：6 7 毫米 滚轮转速：4 2 2 转分钟 夹爪可夹紧9 毫米导线和4 5 5 角钢 夹爪夹紧力： 1 0 0 k g 模块总重量：2 5 k g 3 3 本章小结 本章在产品模块化设计概念下将巡检机器人的机械结构分为三大模块，包 括基臂模块、摆臂模块和机械手模块，分别详细地介绍了其结构实现。使用3 d 软件设计零部件并完成2 d 工程图纸，为虚拟样机分析提供了模型基础。 上海大学硕士学位论文 第四章巡检机器人运动学分析 机器人的运动学描述了组成机器人的各关节与机器人末端执行器之间的运 动关系，它涉及到运动物体的位置、姿态，它有两个基本的问题即正运动学和 逆运动学。正运动学问题是已知机器人各个关节变量，求解末端执行器的位姿； 逆运动学问题是已知末端执行器的位姿求解该位姿时的机器人各个关节角。运 动学的求解方法主要有两种：( 1 ) 基于d e n a v i t - h a r t e n b e r g ( d h ) 参数的建模方 法，该方法为机器人每一个关节建立一个本地坐标系，通过四个参数确定各个 关节的位姿；( 2 ) 基于旋量理论的指数积( p r o d u c t o f - e x p o n e n t i a l p o e ) 公式 将开链机器人的运动学方程表示成运动旋量的指数积形式，从而构造与关节构 型无关的运动学正逆解形式。本章将利用d h 法建立机器人的运动学方程。 4 1 机器人分析的数学基础 1 9 9 5 年，d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 1 2 l 在“a s m ej o u r n a lo f a p p l i e d m e c h a n i c s 发表了表示机器入和对机器人运动进行建模的标准方法，即d h 法。用d - h 法 求解机器人的运动学方程，必须建立机器人各个关节的参考坐标系，最后求出 末端执行器的位姿与各个关节变量之间多关系多项式。 4 1 1 机器人的位置和姿态描述 一个物体在空间的表示可以同通过在它上面固连一个坐标系，再将该固连 坐标系在空间表示出来的方法实现。对于机器人运动学系统的描