（机械制造及其自动化专业论文）输电电缆积冰清除机器人机构综合.pdf

独创性声 明 1 煳必 fy8 2 i c i i 嘈 l 百 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 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 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的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 蔫禹嗲嗍砷矗 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留学位论文的复印件 允许该论文被查阅和借阅 学校可以公布该论文的全部 或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 嵛南爹 玖慨舢 易 弓 西南科技大学硕士研究生学位论文第 页 摘要 为了对高压输电电缆上的积冰进行及时 有效地清除 从而力求避免高压架空 输线路外事故的发生 本论文提出了输电电缆积冰清除机器人机构综合这一研究课 题 论文以机构综合为主要研究内容 通过机构选型 不同类型机构之间的对比 机构的构型设计等研究内容 结合现有的曲柄滑块机构 综合出了一种新型的机构 以对心式双曲柄滑块机构的倒置 变异机构为基础机构 综合所设计的单项轮式机 构 最终形成了输电电缆积冰清除机器人的机构本体 同时制定了机构本体的爬行 越障方案 并在此基础上对机构本体开展了尺度综合的研究工作 确定了机构本体 的主要运动参数 必要的结构尺寸 曲柄的转动惯量以及机构本体的质量等 最后 通过计算机仿真 验证了机构本体及其运行方案在理论上的可行性 综合出的机构本体包括行走机构和越障机构 结合除冰机构 该机构本体能够 实现在线爬行 在线越障 在线除冰的功能 其结构简单 越障方式灵活 故有较 强的实用性 同时它为缆线爬行机构的设计及深入研究指出了一条可能的路径 对 高空缆线行走机器人的机构综合及机构选型有一定的参考价值 关键词 机构综合越障机构行走机构电缆爬行机器人 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 h 1o r d e rt or e m o v et h ei c i n go np o w e rt r a n s m i s s i o nc a b l ef o rt i m e l ya n de f f e c t i v e l y a n dt h u ss e e k i n gt oa v o i do c c t m i n gt h ea c c i d e n t so fh i 曲 v o l t a g eo 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 t h i sp a p e rp r o p o s e dar e s e a r c ht o p i co fm e c h a n i s ms y n t h e s i so f d e i c i n g r o b o to np o w e rt r a n s m i s s i o nc a b l e t h i s p a p e r sm a i nr e s e a r c h c o n t e n ti s s y n t h e s i so fm e c h a n i s m v i as e l e c t i n g m e c h a n i s m c o n t r a s t i n gb e t w e e n d i f f e r e n t t y p e s o f m e c h a n i s m s d e s i g n i n go f c o n f i g u r a t i o no ft h em e c h a n i s m c o m b i n e d 析t l le x i s t i n gs l i d e r c r a n km e c h a n i s m i t s y n t h e s i z e dan e wt y p eo fm e c h a n i s m t a k i n gi n v e r t e da n dv a r i a n tm e c h a n i s mo fi n l i n e d o u b l es l i d e r c r a n km e c h a n i s ma sab a s i cm e c h a n i s m c o m b i n i n g 析mu n i l a t e r a l m e c h a n i s m 谢mw h e e l s w h i c hw a sd e s i g n e d i te v e n t u a l l yf o r m e dam a i nm e c h a n i s mo f d e i c i n gr o b o to np o w e rt r a n s m i s s i o nc a b l e a tt h es a m et i m et h ep a p e rd e v e l o p e da p r o g r a mo fc r a w l i n ga n dc r o s s i n go b s t a c l eo fm a i nm e c h a n i s m b a s i n gw h i c h i tc a r r i e d o u tt h er e s e a r c ho nd i m e n s i o n a ls y n t h e s i so ft h em a i nm e c h a n i s m c o n f i r m e dt h em a i n k i n e m a t i cp a r a m e t e r s t h en e c e s s a r ys t r u c t u r a ls i z e t h em o m e n to fi n e r t i ao fc r a n ka n dt h e o v e r a l lm a s so ft h i sm a i nm e c h a n i s m f i n a l l y c o m b i n i n g r i mc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h e p a p e rv a l i d a t e d t h et h e o r e t i c a lf e a s i b i l i t yo ft h em a i nm e c h a n i s ma n di t so p e r a t i o n p r o g r a m t h es y n t h e s i z e dm a i nm e c h a n i s mi n c l u d e s w a l k i n gm e c h a n i s ma n dc r o s s i n g o b s t a c l em e c h a n i s m c o m b i n e d l i md e i c i n gm e c h a n i s m t h i sm a i nm e c h a n i s mc a n a c h i e v et h ef u n c t i o n so fc r a w l i n g c r o s s i n go b s t a c l e s d e i c i n go nc a b l e i t ss t r u c t u r ei s s i m p l e a p p r o a c ho fo v e r o b s t a c l ei sf l e x i b l e a n dt h e r e f o r et h i sm e c h a n i s mh a sv e r yh i g h p r a c t i c a lv a l u e a l s oi tp r o v i d e dap o s s i b l ew a y f o rd e s i g na n di n d e p t hs t u d yo nc r a w l i n g m e c h a n i s mo nc a b l e a n dt h e r ei ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rs y n t h e s i sa n ds e l e c t i o nf o r m e c h a n i s mo f h i g h a l t i t u d ew a l k i n gr o b o to nc a b l e k e yw o r d s m e c h a n i s ms y n t h e s i s c r o s s i n go b s t a c l em e c h a n i s m w a l k i n g m e c h a n i s m c a b l e c r a w l i n gr o b o t 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 目录 1绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 国内外的研究现状 2 1 2 1 国外的研究现状 2 1 2 2 国内的研究现状 4 1 3问题的提出 5 1 4主要研究内容 6 1 4 1 研究内容 6 1 4 2 研究目标 6 1 4 3 拟解决的关键问题 7 2 机构型综合 8 2 1 除冰机器人工作环境简介 8 2 2机构的选型 8 2 2 1t c h e b y c h e f fl a m b a d a 直线导引机构与四足机器人机构 8 2 2 2 双曲柄滑块机构 1 6 2 3 机构的确定 1 8 2 3 1 机构爬行的实现及其运动机理 1 9 2 4机构的运动分析 1 9 2 4 1 位移分析 2 0 2 4 2 速度分析 2 1 2 4 3 加速度分析 2 3 2 5单向轮式机构 2 4 2 5 1 高空爬行机器人轮式机构简介 2 4 2 5 2 单向轮式机构的结构 2 5 2 5 3 单向轮式机构的在线爬行机理 2 7 2 5 4 单向轮式机构的在线越障机理 2 9 2 6积冰清除机构设计 3 0 2 7机构型综合结果 3 1 2 7 1 结果分析 3 2 3 机构尺度综合 3 3 3 1机构本体基本尺寸的确定 3 3 3 2机构本体运动参数的确定 3 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 3 2 1 机构的步长 3 3 3 2 2 机构的速度 3 4 3 2 3 机构的加速度 3 5 3 2 4 机构的爬行速度 3 5 3 2 5 曲柄的角速度 3 6 3 2 6 机构的速度波动 3 6 3 3曲柄转动惯量及机构本体质量的确定 3 8 3 4单向轮式机构基本尺寸的确定 3 9 3 4 1 行走轮的基本尺寸 4 0 3 4 2 超越离合器的基本尺寸 4 2 3 5机构整体尺寸的确定 4 3 3 6机构尺度综合结果 4 4 4 机械设计及实验方案 4 6 4 1机械设计 4 6 4 1 1 机构本体机械装置 4 6 4 1 2 传动装置 4 6 4 1 3 控制装置 4 6 4 1 4 电动机的选用 4 7 4 2实验方案 4 8 4 3结果分析 4 8 5 计算机仿真 4 9 5 1a d a m s 软件简介 4 9 5 2 建模 5 0 5 3机构运动学仿真 5 0 5 3 1 位移仿真 5 0 5 3 2 速度仿真 5 2 5 3 3 加速度仿真 5 2 5 4机构整体仿真 5 2 5 5仿真结果分析 5 4 结论 5 5 致谢 5 7 参考文献 5 8 附 录 6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果 6 6 1 1研究背景及意义 近几年来 灾害性天气状况的不断出现 对我国的经济发展和同常生活 产生了严重的影响 特别是2 0 0 8 年在我国发生的极为严重的低温雨雪冰冻灾 害性天气 对社会发展产生了更为严重的影响 截止至2 0 0 8 年2 月1 2 同 该灾害波及2 1 个省 市 区 兵团 直接经济损失高达l l1 1 亿元 受这 次雪灾的影响 我国大部高压供电线路遭到严重破坏 致使大量输电线路间 的杆塔倒塌 据有关技术人员介绍 我国南方地区是按照轻寒地区的标准设 计的输电线路 其跨度较大 一般能承受的覆冰厚度在10 毫米以内 而这次 灾害形成的覆冰厚度显然在10 毫米以上 最厚达5 0 6 0 毫米 并且持续时 问长达半月以上 而输电线路无法承受 从而导致我国大面积地区高压供电 线路遭到破坏 要想防止杆塔的倒塌 以避免造成更大的经济损失 就必须及时有效地 清除输电电缆上的积冰 大雪天气为杆塔造成许多额外的压力 而不科学的 除冰措施不但不能有效清除缆线上的积冰雪 反而会事与愿违 在此条件下 工作人员的工作条件十分恶劣 并且存在着许多安全隐患 这给工作人员带 来了很大的不安全因素 为了改善工作人员的工作条件 保护他们的人身安 全 若能设计出一种能在电缆上爬行的装置 按照人们预设的动作 代替工 作人员完成高空输电线路上的除冰工作 便能够大大提高人们减灾救灾的效 率 避免不必要的人员伤亡 确保工作人员的生命安全 由此 输电线路除 冰机器人的研究为满足该需要而提出 众所周知 管道机器人是指可以沿管道内部或外部自动行走 具有一种 或多种传感器及操作机械 如机械手 喷枪 焊枪 刷子 在操作人员的遥 控操作或自动控制下 能够进行一系列管道作业的机一电一仪一体化系统的设 备 它常用于石油 化工 核工业 城建等许多工程管道的管道质量检测 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 探伤 故障诊断 清洁 喷涂 焊接 管道维修等领域 而本研究课题提出 的输电电缆除冰机器人实质上是另一种形式的管道机器人 即在管道 输电 电缆 外部行走 爬行 实现高空缆线上的在线除冰功能 由于该类机器人要悬挂或站在在高压输电线路上进行工作 而在高压输 电线路上又有防振锤 跳线 耐张线夹等多种障碍物 这种复杂的线路结构决 定了除冰机器人的机械本体主要有行走机构和越障机构组成 行走机构用于 实现机器人的在线行走 而越障机构则能够实现机器人的在线越障 为机器人 在线持续工作提供保证 目前 高压输电线路巡检机器人机构的研究成果是 值得本研究课题借鉴的主要内容 1 2 国内外的研究现状 从国内外研究的现状来看 行走于直线段线路的巡检机器人技术研究取 得了很大的成果 并逐步成熟 而且已有成功应用于实践的报道和实例 但 对于能够用于实践的自主 灵活越障的巡检机器人尚处于研究试验阶段 更 没有关于对电缆积冰进行清除这一类型的机器人的相关报道 除冰机器人要 求在复杂的输电线路环境下完成除冰任务 其机构本体不仅需要具有在线行 走的功能 还要具备能完成自主跨越线路中各种障碍的能力 纠 为此 除冰机器人机构综合的结果将直接影响除冰机器人的实用性 同时 它也是 本论文的主要研究内容 1 2 1国外的研究现状 国外对高压输电线路巡检机器人的研究始于2 0 世纪8 0 年代术 同本 美国 加拿大等发达国家先后展丌了这项研究工作 并取得了阶段性成果 在两个杆塔之间巡检的机器人技术相对成熟 有些已达到产品化的程度 如 1 9 8 8 年s a w a d a 等人首先研制了具有初步自主越障能力的光纤复合架空地线 巡检移动机器人 如图1 1 所示 当遇到杆塔时 该机器人利用自身携带的 导轨从杆塔侧面滑过 待机器人央持轮央紧杆塔另一侧的电缆后 将弧形手 臂折叠收起 以备下次使用 此机器人携带的导轨约1o o k g 由于自身质量 过大 它对能源的要求较高n 由同本s a t o 公司生产的电力线损伤探测器采用了单体小车结构 如图 卜2 所示 在地面操作人员的遥控操作下 它能沿电力线行走 并利用车载 探测仪器探测线路损伤程度及损伤的准确位置 将获取的数据和图片资料存 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 储在数据记录器中 但该探测器不具备越障功能 遇到线路附件等障碍物时 它便自动停止前进n 图1 1 弧形手臂巡检机器人 美国t r c 公司在1 9 8 9 年研制了一台悬臂自治巡检机器人原型样机 如图 卜3 所示 1 它能沿架空输电线路长距离爬行 执行电晕损耗 绝缘子 结 合点 压接头等视觉检查任务 对探测到的线路故障数据预处理后 传送给 地面工作人员 当机器人遇到杆塔时 利用自身手臂采用模仿人类攀缘的方 法从侧面越过杆塔 图卜2损伤探测机器人 图1 3t r c 悬臂巡检机器人 f ig 1 2fig 1 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 加拿大魁北克水电研究院 i r e q q u e b e cr e s e a r c hi n s t i t u t eo ne l e c t r i c i t y 的s e r g em o n t a m b a u l t 等人在2 0 0 0 年丌始了对h ql i n e r o v e r 遥控小车的研 制工作 该遥控小车如图1 4 所示 起初它用于清除输电线路中地线上的积 冰 后来逐渐发展为用于线路巡检 维护等多用途移动平台 其第三代原型 机结构紧凑 2 3 l7 l2 c m 仅重2 5 千克 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1k 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h ql i n e r o v e r 无越障能力 只能在两杆塔间的输电 电缆上工作 图卜4 h 0lin er o v e r 遥控小车 f i g 1 4 h ol i n or o v e rin s p e c t i o nv e h i c i e 1 2 2 国内的研究现状 9 0 年代术 国内的一些研究机构和高等院校也丌始了对巡检机器人的研 究工作 并已经研制出多种机构的巡检机器人样机 武汉大学和山东大学在 这方面的研究起步较早 在 十五 国家高新技术发展计划 8 6 3 计划 的 支持下 中科院沈阳自动化所 武汉大学与汉阳供电公司 中科院自动化所 与山东大学等同时丌展了对架空输电线巡检机器人的研制工作 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 在8 6 3 计划以及国电东北电网有限公司的支持下 中国科学院沈阳自动 化研究所开展了 沿5 0 0 k v 地线巡检机器人 的研制工作 该机器人能够沿 5 0 0 k v 地线行走 跨越障碍 利用携带的摄像机或红外热像仪等检测装置 能够对输电线路 防震锤 绝缘子和杆塔等输电设备的损伤情况进行检测 同样在8 6 3 计划的支持下 武汉大学与汉阳供电公司合作 针对2 2 0 k v 单分裂相线进行了巡检机器人关键技术的研究 并在机器人越障机构 智能 控制 移动导航 机器视觉技术 电能在线补给等方面取得了一定的突破 他们研制的巡检机器人采用二臂回转式悬挂机构 能够避让和跨越两杆塔线 路问的防震锤 悬垂 耐张绝缘子串和跳线等各种障碍物 同时 中科院自动化所 山东大学和遵义供电局联合开展了 1 10 k v 输 电线路自动巡检机器人 的研究 其研究成果主要表现在 一是设计了三臂 悬挂式移动机器人机构 二是采用 基于知识库的自动控制 和 基于视觉 的远程遥控主从控制 的混合控制系统 实现了典型障碍的越障 从国内外已取得的研究成果可以看出 国外无越障功能的架空电力线路 巡检机器人技术较为成熟 已进入实用阶段 如同本s a t o f u j i k u r a 美国 m a c h t e c h c h a r l o t t e n c 等公司丌发的巡检机器人 这类机器人一般需人工 参与 只能完成两杆塔之i 日j 电力线路的检查 作业范围小 自治程度低 拥 有自主越障功能的巡检 爬行机器人机构却少有应用于实践的报道 因自主 巡检机器人能跨越线路附件 杆塔等障碍物 可实施大范围 长时间的线路 巡检作业 近年来国内对具有自主越障功能的机器人研究加大了投入力度 并取得多项研究成果 心 川 1 3 问题的提出 从国内外相关领域的研究现状来看 用于能够自主越障的高压输电电缆 积冰清除机器人的研制工作尚处于起步阶段 而目前常用的缆线巡检机器人 大多采用在电缆下方爬行 越障的方式运行 其越障方式较为复杂 并且越 障方法不够自主 有效 同时巡检机器人只能在一根缆线上工作 其工作效 率不高 为此 本论文提出一个新的设计思路 采用在电缆线上方 两根电 缆上同步爬行 越障的方式运行机构本体 从而使机构本体在越障时更为简 便易行 同时越障方式也更为自主 有效 这种新的设计理念打破了现有的 处理巡检机器人问题的方法 并在一定程度上拓展了高空缆线爬行机器人的 设计思路 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 主要研究内容 1 4 1 研究内容 本论文主要研究内容是机构综合 即综合出一套在低温雨雪冰冻天气条 件下用于清除电缆上存留积冰的机器人机构本体 包括行走机构和越障机构 具体内容主要包括以下几个方面 1 缆线上除冰机械装置机构本体以及机构本体运行方案的设计研究 2 依据预期需要的运动规律开展机构本体型综合的研究 型综合即是机 构的构型设计 为实现所需要的运动 要研究用多少构件 多少运动副以及 它们之间的连接方式 同时 还要研究一定数量的构件能够组成多少种确定 自由度的运动链 本论文要求所综合出的机构具有较少的自由度 以便于控 制 3 根据运动轨迹 速度 加速度的要求 对机构本体进行尺度综合的研 究 即确保该机构能够精确地实现预期的运动规律或满足某种动力要求 并 确定机构各个构件的运动学尺寸及相关的主要运动参数 以上 2 3 两项研究内容包括行走机构和越障机构的综合研究 行走 机构用于实现机器人的在线行走 而越障机构则能够实现机器人的在线越障 为机器人在线持续工作提供保证他 4 机构本体在线爬行 越障方案的研究 综合出的机构是在制定的方 案下运行的 根据机构的构型特点 研究并制定相应的爬行 越障方案 使 机器人在工作时稳定 可靠他 1 4 2 研究目标 由于本课题研究的机器人要在高空缆线上工作 其特定的工作环境决定 了该机器人的机构本体须具有一些特殊的要求 具体内容是 1 轻量化 影响机器人重量的主要因素有机械结构 电源及材料等几个 方面 众所周知 由于积冰所引起的电缆上重量的增加会引起电缆拉力的增 加和杆塔力不平衡的加剧 除冰机器人的重量过大反而会引起断线和杆塔倒 塌 因此研究 综合出的机器人机构应尽量轻量化 2 操作简单 越障高效 操作简单不但可以减少控制的复杂性 而且还 可以提高机器人的工作效率 因此 在满足行走和越障要求的前提下 应致 力于综合出结构简单 少自由度和少构件数的机构 以达到控制系统简单的 目的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 3 运行时稳定性高 可靠性强 由于输电电缆除冰机器人工作场合的特 殊性 可能长时间处于荒山野岭之中 必须保证其工作时的稳定性及可靠性 这样才能保证该机器人的实用性 1 4 3 拟解决的关键问题 就目前的研究现状来看 高空缆线上行走及越障方式的选择和设计一直 阻碍着高空缆线机器人研究技术的快速发展 同时它也是本课题拟解决的关 键问题 依据本论文提出的设计理念 在机构的型综合 尺度综合研究中 可使用灵活多变的连杆机构来实现机构的多样性 从而达到缆线机器人行走 的稳定性 越障的高效性以及应用场合的广泛性之目的 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 机构型综合 机构的型综合又称为机构的选型设计 为了获得某种既定运动的变换 需要研究所使用的机构应由多少构件 多少运动副 运动副的类型以及构件 与运动副之间的组成方式等问题 圳 这是研究电缆积冰清除机器人机构本体 的基础核心工作 它直接决定该机器人机构本体的行走机构和越障机构的构 型以及机构的整体方案设计 3 2 1除冰机器人工作环境简介 输电电缆积冰清除机器人的工作环境直接决定其机构本体的整体方案 结构尺寸以及其机构的选型设计 除冰方法等方面的研究内容 输电电缆积冰清除机器人是在高压输电线路这样一种非常复杂的结构环 境下工作的 我国现有的1 1 0 k v 2 2 0 k v 3 3 0 k v 和5 0 0 k v 高压输电线路都是 通过杆塔 由一个地方传输到另外一个地方的方式输送电能的 杆塔的高度 大都是在3 0 5 0 m 之间 而两个杆塔间的距离在2 0 0 1 0 0 0 m 在杆塔的最上 方两侧分别安装一根架空地线 下面则是高压输电线路 为连接固定和保护 架空地线 主要安装单悬垂金具 双悬垂金具 防振锤 耐张线夹 绝缘子 压接管等线路元件 常见线路元件的安装简图如图2 1 2 2 所示 这些电 力设施和线路元件对于架空地线的连接安装和保护是必要的 但对于沿线行 走除冰的机器人机构本体来说 却成为了在线行走过程中的障碍物 机器人 要想在输电电缆上持续运行 就必须有效地跨越这些障碍物 机构本体越障机构的设计 首先需要对高压输电电缆上的线路元件进行 大致的分析 确定其基本的形状尺寸和在高压输电线上的姿态位置 从而才 能确定除冰机器人机构本体的整体方案布置 越障方式的选择和机器人机构 本体的结构形式 2 2 机构的选型 2 2 1t c h e b y c h e f fl a m b a d a 直线导引机构与四足机器人机构 众所周知 t c h e b y c h e f f l a m b a d a 近似直线导引机构能在一定范围内产生 精度很高的近似直线轨迹 并且其连杆轨迹曲线还存在其他一些优良特性 它虽深受众多设计者的喜爱 却少有人对其固有的优良性质进行深入研究 西南科技大学硕士研究生学位论文 第9 页 图2 i高压输电线路上主要原件简图 卜输电电缆 2 绝缘子串 3 一连接件 4 悬垂线夹 5 防振锤 6 一耐张线夹 7 7 l 流跳线 f ig 2 一it h edia g r a mo fm ainc o m p o n e n t so nhig h t e n sio nt r a n s m is sio nc a bie l p o e r t r a n s m i s s i o nc a b l e 2 一i n s u l a t o r s 3 一c o n n e c t o r s 4 s u s p e n s i o nc l a m p 5 d a m p e r 6 t e n s i o nr e s i s t a n tc 1 a m p 7 一d r a i n a g ej u m p e r a 高压输电线路b 绝缘子 图2 2 高压输电线路及绝缘子 f i g 2 2h i g h t e n s i o nt r a n s m is s i o nc a b i ea n di n s u ia t o r s 从而有碍于它的广泛应用 t c h e b y c h e f f l a m b a d a 四足机器人机构就是应用其 直线导引机构连杆曲线轨迹优良特性的一个实例 下面具体分析其应用 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 在缆线爬行机器人机构中的理论价值 2 2 1 1 t c h e b y c h e f f ia m b a d a 近似直线导引机构 图2 3 所示的铰链四杆机构就是t c h e b y c h e f f l a m b a d a 近似直线导引机构 该机构各构件的相对长度如下 曲柄a b i 机架a d 2 连杆b c 及其 上一点e 和连架杆c d 应满足b c c d c e 2 5 其连杆b c 上e 点产生的连 杆轨迹曲线在一定范围内近似地为直线 且其整个轨迹曲线还存在一些其他 的优良特性 2 2 1 2 t c h e b y c h e f fia m b a d a 机构近似直线导引点曲线轨迹特性 该机构连杆曲线的特性为 在图2 3 所示的机构中 其连杆上e 点产生的运动轨迹对称于y 轴 即 该点发生对y 轴对称的连杆轨迹 且曲柄a b 与x 轴的夹角p 为士a 时 其相 应的y 坐标值相等 工坐标绝对值相等 符号相反 曲线轨迹对称性的证明 如下 b tad 图2 3具有特殊对称轨迹的铰链四杆机构 f i g 2 3 t h eh i n g ef o u r b a ri n k a g ew i t hs p e c i a is y m m e t r i ct r a c k 对于图2 3 所示的铰链四杆机构 为了方便分析问题 建立直角坐标系 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 如图2 3 中所示 令a b 的长度为c a d 的长度为b b c c d c e a 即满 足条件 a b c 2 5 2 1 在三角形b d e 中 由于 曰c c d c e 口 所以 三角形b d e 为直角三角形 当a b 与x 轴夹角为日时 d e 的长度为 舾 2 口 2 一c 2 一b2 2 b cc o s 秒 其点e 的坐标为 l 4 2 a 2 一c 2 一b 2 2 b c c o s 8 c o s q 口 y e 2 口 2 一c 2 一b 2 2 b c c o s 8 s i n 伊 其中 9 为p e 与z 轴正向所成的夹角 由于三角形b d e 为直角三角形 故 兀cs i n8 2b cc o s 秒 一 由公式 2 2 可知 c o s s i n cs i n 秒 b cc o s 秒 cs i n 秒 b cc o s 乡 2 1 2 2 即当曲柄与机架的转角口为士a 时 e 点的y 坐标相等 x 坐标绝对值相 等 但正负号相反 所以e 点的坐标在曲柄a b 的一个运动循环中封闭且关 于y 轴对称 2 2 1 3 t c h e b y c h e f f ia m b a d a 机构近似直线导引点曲线运动特性分析 若该机构的尺寸按照 b c c d c e 2 5 机架a d 2 曲柄a b i 的相对 尺寸关系选用 则将口为9 0 0 18 0 0 2 7 0 0 分别代入公式 2 1 2 2 两 式 得到 y 彳 y e 曩 y 3 万 4 2 3 f 一 f 一 22 可以得出 在曲柄转角目为9 0 1 8 0 2 7 0 时 连杆上点e 的运 缈 缈 n 醛 血 啷 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 动轨迹与水平直线y 4 达到一阶密切 帅引 由于该机构属于特殊的轨迹对称 机构 其连杆曲线与水平直线不仅在连杆曲线中点一阶密切 而且在关于中 点对称的另外两点一阶密切 即该连杆轨迹曲线与直线在三个不同的点一阶 密切 相当于 与直线有6 个交点 所以在这种情况下该机构连杆曲线的 宽度和近似直线部分的直线度应该都较好c 引 引 另外 该机构曲柄转角口在 9 0 0 9 0 0 之间 其连杆上点e 的运动轨迹曲 线为一段弧线 而在9 0 0 一2 7 0 0 之间 其运动轨迹曲线为近似直线段 即在该 机构的一个运动循环中 e 点的轨迹曲线封闭且整个轨迹曲线关于y 轴对称 由于该机构连杆轨迹曲线具有上述优良特性 在工程中可以应用它作为四足 机器人步行机构 并可以证明该机构曲线轨迹和机构尺度之间有一定的数量 关系 且其轨迹曲线为近似直线段时该直线的精度很高 1 连杆轨迹曲线的高度 经以上的分析可知 该机构曲柄转角p 在 9 0 0 9 0 0 之间 其连杆上e 点 轨迹曲线为弧线 且关于y 轴对称 则该机构连杆轨迹曲线到理想直线y 4 的距离即轨迹曲线的高度h h y 一4 4 2a 2 c2 b 2 2bccoso siil9 4 5 c 2 一c 2 一 2 c 2 4 c 2e o s o s i n q 一4 2 c 4 5 c o s 0 s i n 缈 4 2 4 其中 9 由公式 2 2 确定 从公式 2 4 中可以得出 在曲柄的一个运动循环中 轨迹曲线的高度 日和机构的曲柄长度c 有关 若该机构的结构尺寸一定 转角秒在0 一9 0 范围内 驴在9 0 0 0 0 之间变化 因函数e o s o 单调递减 此时函数s i n 伊也单调 递减 故日应随着转角p 的增大而减小 h 的最大值即轨迹曲线的最大高度 出现在转角0 0 0 时 当曲柄长度增加时 也随之增大 该轨迹曲线的这一 特性很重要 它直接决定该机构在一个运动循环中能上升的最大高度 2 连杆轨迹曲线的宽度及近似直线段的精度 当曲柄转角0 9 0 0 时 连杆上e 点轨迹曲线开始进入近似直线段 由于 该机构轨迹曲线对称分布 故其轨迹曲线的宽度工 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 2 x 2 4 2 a 2 c 2 b 2 2 b cc o so c o s o 4 c 4 5 c o s 0 c o s p 从公式 2 3 可知 该直线三个密切点的y 坐标均为4 段各位置轨迹曲线与理想直线y 4 的误差 忱 2 5 故在近似直线 a y e y e y 2 口 2 一c 2 一b 2 2 b c c o s 8 s i l l 驴一4 2 c 4 5 c o s o s i n 呼a 一4 2 6 从公式 2 5 2 6 可以得出 在曲柄的一个运动循环中 该机构 轨迹曲线的宽度 各位置轨迹曲线与理想直线间的误差缈 均与曲柄的尺 寸有关 随着曲柄尺寸的增加 其宽度和误差都会相应的增大 该机构连杆 轨迹曲线的这些特性也很重要 曲线宽度 的大小能决定该机构在一个运动 循环中 其连杆上e 点在水平方向能够移动的最大距离 即e 点的步长 其 误差砂 的大小则直接决定轨迹曲线在近似直线段其直线的直线度 3 连杆轨迹曲线在近似直线段的速度 由公式 2 3 可知 当曲柄转角p 为9 0 0 2 7 0 0 时 连杆上e 点轨迹曲 线开始进入近似直线段 且在口为9 0 2 7 0 时 连杆b c 的运动状态为平 动 此时连杆上任一点的速度大小和方向均相同 b 点的速度为水平方向 故e 点的速度也为水平方向 在整个近似值线段对e 点的速度分析可以近似 的认为其速度只有水平方向 即忽略y 向的速度分量 此时e 点速度 对公式 2 1 中e 点x 坐标对时间t 求导 得 d x f 蓄 旦垡 竺坠竺竺一2 c 国 s i n 矽 x 5 c o s0 一一c 国 s n 仍 4 5 c o s 秒 其中 l 一一曲柄a b 转动的角速度 2 一一d e 转动的角速度 对公式 2 2 中d e 转动的角度9 对时间t 求导 得 d 缈c o l 0 2c o sp 出5 4c o s0 2 7 将公式 2 7 代入上式并整理 得 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 肾嘲 丽s i nt c o s 一堕 磐 8 从公式 2 8 中可以得出 在该机构的一个运动循环中 其曲线轨迹在 近似直线段e 点的速度和曲柄的长度c 角速度 l 的大小有关 2 2 1 4 t c h e b y c h e f fi a m b a d a 四足机器人机构 图2 4 所示就是t c h e b y c h 皇矿四足机器人 该机器人机构有四个基本的 t c h e b y c h e f f l a m b a d a直线机构组成 其尺寸满足条件 b c b c c d c e a d a b 2 5 2 1 它就是利用连杆上点e 的轨迹曲线特性 来实现运动的 处在对角线上的一对足处于同一高度位置 当一对足的运动 位置处在轨迹曲线的近似直线段时 该对足处于静止状态 而同时另一对足 则处在轨迹曲线的弧线段 由于其轨迹曲线有一定的高度和宽度 能提供相 对足够的空间和时间供该对足向上抬高进而向前做迈足运动 图2 4契贝谢夫四足机器人 fig 2 4 t c h e b y c h e f fq u a d r u p e dr o b o t 作为四足机器人步行机构的导引机构 t c h e b y c h e f fl a m b a d a 近似直线机 构连杆轨迹曲线存在一些优良特性 并且这些特性和机构的尺度之间存在一 定的数量关系 而该四足机器人步行机构也应该具备这些特征 下面具体分 析该四足机器人机构的运动特性 t 1 四足机器人的抬足高度 相应的曲线高度与p 在0 0 9 0 0 之间完全相同 从结果中可以看出其最大高度 为0 8 9 9 0 接近等于一个曲柄的长度 且各点相应的曲线高度为单峰值且变 化均匀 波动很小 2 四足机器人的迈足步长及其轨迹曲线在近似直线段的精度 由公式 2 5 2 6 可知 该机器人机构在一个运动循环中其步长 和其轨迹曲线宽度 有关 而在近似直线段的直线度则和误差彳船有关 这 两个参数均由该机构曲柄长度c 决定 在其一个运动循环中 近似值线段各 点对应的曲线宽度及其与理想直线间的误差计算见附录2 中的表2 1 曲柄转角目在l8 0 0 2 7 0 0 范围内其轨迹曲线的宽度和相应的误差与p 在 9 0 0 1 8 0 0 范围内完全相同 从结果中可以看出其轨迹曲线的宽度为4 误差 最大值为0 0 0 9 7 最小值为0 故该机构轨迹曲线在近似直线段的直线度为 0 0 0 9 7 可见其精度是相当高的 3 四足机器人连杆轨迹曲线在近似直线段其直线导引点的速度 由公式 2 8 可知 在该四足机器人步行机构的一个运动循环中 e 点 在近似直线段的速度由曲柄的长度c 角速度c o l 的大小决定 取c o l 3 0 r a d s 逆时针方向转动 其运动历程中在近似值线段各点对应的速度计算见附录3 中的表3 1 曲柄转角口在l8 0 0 2 7 0 0 范围内对应的各点速度大小与方向与口在 9 0 0 l8 0 0 范围内完全相同 从结果中可以看出其速度变化均匀 波动很小 从而能保证四足机器人较均匀地迈足步行 其最大速度出现在转角p 为1 8 0 时 作为四足机器人步行机构的导引机构 t c h e b y c h e f f 近似直线机构连杆轨 迹曲线存在上述一些优良特性 经过分析可知 它能够为四足机器人步行机 构的应用提供理论支持 并且它能够应用在当前亟待解决的机器人直线机构 型综合的问题当中 对机器人直线机构的选型问题有一定的参考价值 但它 并不适用于本论文所提出的输电电缆积冰清除机器人机构综合这一研究课 题 只是对其机构的选型有一定的参考价值 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 2双曲柄滑块机构 曲柄滑块机构往往用作实现往复移动 若对该机构进行倒置和变异 它 还能衍生出许多能够满足不同性能要求的其他机构结构型式 对曲柄滑 块机构的倒置机构进行适当的分析和研究 可能会得到一种能够适用于缆线 爬行机器人机构的本体机构 在曲柄滑块机构的具体应用中 双曲柄滑块机 构具有更为优越的特性 故应用较为广泛 曲柄滑块机构又有对心式曲柄滑 块机构和偏置式曲柄滑块机构之分 它们在应用中各有其特点 下面分别对 几种常见的双曲柄滑块机构的特性进行分析 2 2 2 1对心式双曲柄滑块机构 图2 5 所示的机构就是两种常见的对心式双曲柄滑块机构 a 图是结构 对称的对心式双曲柄滑块机构 b 图是结构非对称的对心式双曲柄滑块机构 该机构具有如下的特征 a 对称式结构 b 非对称式结构 图2 5对心式双曲柄滑块机构 f i g 2 5 1 1 1 一iin ed o u b ios ii d e r c r a n km e c h a n is m 1 结构特征 该机构有两套共用一个曲柄的对心式曲柄滑块组成 即 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 两曲柄 连杆的尺寸分别相等 a 图中 两套对心式曲柄滑块机构以机架彳 为中心呈中心对称分布 b 图中 两套机构布置在曲柄的同侧 2 运动特征 该机构两滑块的移动方向始终相对 即此双曲柄滑块机 构的两滑块的位移始终是反方向的 a 图中 两滑块的运动状态始终相同 只是运动方向相反 b 图中 两滑块的运动状态不完全相同 2 2 2 2 偏置式双曲柄滑块机构 和对一1 5 式双曲柄滑块机构类似 常用的偏置式双曲柄滑块机构也有两种 结构形式 即对称式结构和非对称式结构 只是两种结构形式下的曲柄滑块 机构均为偏置式 如图2 6 所示 y a 对称式结构 图2 6偏置式双曲柄滑块机构 f i g 2 6 o f f s e td o u b i es i i d e r c r a n km e c h a n is i n 西南科技大学硕士研究生学位论文 第18 页 该机构具有和对心式双曲柄滑块机构相类似的结构特性和运动特性 在 图2 6 b 图中 该结构形式的偏置式双曲柄滑块机构的运动形式不好确定 另 外 由于其结构为偏置式 和对心式机构相比 其机构不均匀 在高空缆线 上不容易保持平衡 故对心式双曲柄滑块机构更适合本研究课题的需要 结合以上几种常用机构的分析 以及他们的优缺点比较 初步决定以对 心式双曲柄滑块机构为基础机构 在此机构的基础上进行适当的组合 变异 倒置 综合等 以使其能够满足本论文研究课题的需要 2 3 机构的确定 由于对心式双曲柄滑块机构具有以上分析的特征 若将该机构进行适当 的倒置 变异 得到的机构能实现在缆线上的爬行运动 即对心式双曲柄滑 块机构能够作为输电电缆爬行机器人机构本体的基础机构 将图2 5 机构中的任一滑块作为机架 同时解除曲柄中心的铰链固定 得到其倒置机构 进一步对倒置机构进行变异 用两个单向行走轮代替原机 构中的两滑块 曲柄中心位置铰接一个行走轮 得到一种新的机构 如图2 7 所示 该机构具有在曲柄转角的各周期内 机构整体能实现爬行的运动特征 a 对称式爬行机构本体简图 b 非对称式爬行机构本体简图 图2 7爬行机器人机构本体简图 卜行走轮2 2 一曲柄 3 一连杆 4 一行走轮3 5 一高压输电电缆 6 一行走轮1 f i g 2 7 m a i ns t r u c t u r ed ia g r a mo fc r a w ii n gr o b o t l w a l k i n gw h e e l2 2 c r a n k 3 c o u p l e r 4 w a l k i n gw h e e l3 5 h i g h t e n s i o nt r a n s m i s s i o nc a b l e 6 w a l k i n gw h e e l1 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 2 3 1 机构爬行的实现及其运动机理 根据运动的相对性可知 双曲柄滑块机构的倒置机构仍为单自由度机构 参照文献 3 3 中 爬杆机器人 的设计思想 应用此双曲柄滑块机构的倒置 变异机构作为机构本体 综合出了一个在缆线上能够