电力铁塔攀爬机器人直线推杆机构设计与分析.pdf

52 机 械 设计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 第 3 期 2 0 1 2年 3月 文章编号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 5 2 0 3 电力铁塔攀爬机器人直线推杆机构设计与分析 术 【 A b s t r a c t 】 F o r t h e a u t o m a t i o n o f p o w e r t r a n s m is s io n i n s p e c t i o n a n d m a i n t e n a n c e ， 血 d u al a r m a r t i c u 一 ；lat e d r o b o t w h ic h C an c l i m b e l e c t r ic it y p y l o n s fl e x i b ly is p r o p o s e d t o p e 咖珊d ang e r o u s a e r ial c l i m b i n g d e i te c t i o n w o r k T h e s y m m e t r ic a l a n d c o m p a c t mec h anis m s t r u c t u r e o f t h e r o b o t is d e v e l o p e d w i t h 2 g r ip p e r s ； a n d 5 - D O F ， w h ic h au d ac io u s ly a d op ts th e lin e a r r o d u n its ，w h ic h m a y s u p p th e d u al a r m s w e ll ， o r e a liz e ； gr ip i n g and l o o s i n g m o t i o n , t h us t h e t o r q u e r e q u i r e men t f o r d r i v in g m o t o r is s u b s t ant i a l l y l e s s e n e d c o m p a r - ； n g to t h e t r a d i t io n al j o i n ts d e s ig n w h ic h is d r i v e d b y mot o r w it h l ar g e t o r q u e d i r e c t l y T h e n 0 C A D mod e l of l th e l i near r o d u n i t s is p r o p o s e d A n d s t at i c s anal y s i s an d s im u l at i o n us i n g A d a m s $ o fl w a r e ar e p u t f o r w o r d 2 C o m p ar i n g t o t h e t r adit i o n a l met h o d d r iv e d b y mot o r d i r e c t l y ， a n a l y s is and s i m u l at io n r e s u l t s c o a ti ； th at t h e d e s ign c a n r e d u c e t h e t o r q u e o f t h e mot o r P r o t o ty p e E x p e r i men t s de mon s t r at e t h at t he d e s ign p F in - i 来稿日 期： 2 0 1 1 - 0 5 0 8 基金项 目： 四川省科技厅资助项目( 2 0 0 8 G Z 0 1 5 6 ) 第3 期 王 蕾等： 电力铁塔攀爬机器人直线推杆机构设计与分析 5 3 服自身重力 ， 而且其攀爬环境相对复杂， 所以机器人具备以下特 点： 体积小、 重量轻、 刚度高、 有越障和灵活的转向能力。 机器人采 用对称设计原则， 由手臂、 手爪和用于调整两手臂角度变化的直 线推杆机构三部分组成， 如图 1 所示。 其关节分配情况如下： 两个 实现手臂抬起落下的旋转关节，两个实现手爪转动的旋转关节， 一 个实现两手臂张合的移动关节。 图 1电力铁塔攀爬机器人及机构简图 机器人两臂上端通过安装轴连接 ，直线推杆机构一端与前 臂铰接， 另一端和后臂铰接。 手臂下端与手臂旋转关节相连， 可使 手臂绕旋转轴旋转。 手臂旋转关节下端和位于手爪上部的手爪旋 转关节相连 。 电力铁塔攀爬机器人的运动包括直线攀爬运动和转向运 动。两手爪交替吸附于铁塔角钢上， 通过手臂旋转关节绕旋转轴 旋转和直线推杆移动关节伸缩的联动实现机器人的攀爬前进运 动； 如遇到铁塔连接处连接板、 螺栓螺母等构成的较大障碍时， 手 爪旋转关节和直线推杆移动关节联动，使机器人进行转向运动， 由原本攀爬铁塔的主材转到水平材或斜材上， 绕过障碍继续进行 直线攀爬运动。 3直线推杆机构分析 3 1直线推杆机构 CA D模型 机器人方采用直线推杆机构，避免了在两臂旋转关节使用 大转矩驱动电机。 同时直线推杆机构和两手臂形成了一个封闭的 三角形， 两臂构成三角形定长边 ， 边长比例为 3 ： 1 ， 直线推杆构成 三角形的一条长度变化的边。 两臂夹角随着直线推杆的伸缩而变 化， 范围 3 0 。 ， 1 2 0 。 。直线推杆机构， 如图2 所示。包括电机输出 轴相连的丝杆、与直线推杆相连接的螺母和带有导轨的固定件。 电机支架和机器人前手臂铰链连接，直线推杆一端和螺母固连， 另一端和后手臂铰链连接。 通过丝杠螺母副带动直线推杆在固定 件的导轨中作直线伸缩运动， 从而实现双臂角度调整。 1 2 2 6 7 图2直线推杆机构C A D模型 1 电机 2 导轨固定件 3 电机支架 4 螺母 5 丝杠 6 推杆 7 推杆卡板 3 _ 2 电机直驱关节与直线推杆关节比较分析 限于篇幅所限， 此处仅对机器人后爪吸附前爪松开且前臂 匀速旋起这一种运动情况进行分析， 比较采用电机直驱关节和采 用直线推杆关节两种方案。 当机器人处于此运动状态时， 后手臂保持静止不动， 因此只 考虑前手臂的受力情况。机器人处于初始位姿时， 两臂所成夹角 最d x ( 3 0 。 ) ， 此时前臂与水平方向所成角度 的最小值 a m = 1 5 。 ； 机器人最终位姿，两臂所成夹角最大 ( 1 2 0 。 ) ，此时 O t 的最大值 1 0 5。 。 3 2 1电机直驱关节方案分析 大多数的两足机器人 ， 手臂旋起落下动作的完成是通过在 两臂连接处设置旋转关节， 并采用大转矩电机驱动， 静力学受力 情况， 如图3 所示。 ( 图 3电机直驱关节机器人受力分析 取两臂连接处电机直驱关节为矩心， 建立力矩平衡方程： 肘( F ) 0 一G L c o s a G2 L c 。 = o 解得关节处电机转矩： r l= TG lL e o s + G L co s = L e o 锨 ( 争 + G ) ( 1 ) 3 2 2直线推杆关节分析 两臂之间添加直线推杆机构，机器人受力分析，如图4所 示 。 前 爪 旋 起 后 爪 吸 附 图4直线推杆关节机器人受力分析 取两臂连接处电机直驱关节为矩心， 建立力矩平衡方程： M( F ) = O 丁 GI L e o s u + G 2 c 。 s a - s i - o 由几何关系可得： 3 l V( 3 f ) + ( f ) 一 2 3 l l e o s ( a + 1 5 ) 一 广一 ( 2 ) ( 3 ) 机 械 设 计 与 制 造 No 3 Ma r 2 01 2 联立式( 2 ) ( 3 ) 得到直线推杆的轴向载荷 表达式。 ： Lc o s a ( C 2 + G2) X 1 0 - 6 c o s ( a + l 5 ) ( 4 ) 3 s i n ( a +l 5) 根据丝杠螺母机构螺纹传动的计算公式17 ： 一 ( 5 ) z q r 叼 r = t a ( pn T ( 6 ) t a n y = ( 7 ) p = a r c t a n f ( 8 ) 式中： 一导程角； p 一诱导摩擦角 一螺纹表面滑动摩擦系数； d 一 螺纹中径， 将f = o 0 6 ， a o = 3 0 , P h = l m m， d = 8 m m代入式中联 立式( 4 ) 一 ( 8 ) 可得直线推杆机构驱动电机力矩为： - o 4 3 6 F= 0 4 3 6 L c o s a ( C , 丽 2 + G 2 ) X 1 0 - 6 c o s ( a + l 5 )( 9 ) 电机直驱关节和直线推杆机构驱动电机的力矩关系为： ： 一一 ( 1 0 ) O 4 3 6 、 而 l 5 ) 前臂与水平方 向所成角度 变化范围 1 5 。 ， 1 0 5 。 ， l = 6 0 mm， 当直线推杆伸长两臂角度张开到最大 一=1 0 5 。 时， = 9 9 ； 当 直线推杆收缩两臂角度张开到最小 = 1 5 。 时， ， z 9 4 。通过采 用直线推杆机构，鉴于电直线推杆机构中丝杠螺母副的增力作 用， 可以大大减小对驱动电机的转矩要求。 3 3 A d a ms 仿真及结果分析 分别构建两臂间采用电机直驱关节和直线推杆关节的机器 人虚拟样机， 利用 A d a m s 软件进行前臂旋起运动过程仿真实验， 仿真结果， 如图5所示。 可见在前臂旋起至竖直位置时， 两种驱动 方式的转矩均为 0 。 3 5 O 3 0 0 25 0 i 2 0 0 暑1 5 0 1 O 0 5 0 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 d s ( a ) 电机直驱关节 电机转矩 0 0 1 0 2 0 3 O 4 O 5 0 6 O 7 0 8O 9 0 1 0 0 s ( b ) 直线推杆关节 电机转矩 图5机器人前臂旋起仿真电机转矩曲线图 两机器人虚拟样机在相同时间内完成前臂旋起运动动作 ， 直线推杆关节驱动电机转矩远小于电机直驱关节电机转矩， 仿真 数据和理论计算一致。 4试验及结果分析 电力铁塔攀爬机器人样机 ， 如网6 所示。 根据前面所述的运 动规划， 在 自制试验塔架上对机器人进行了直线攀爬和转向运动 试验， 验证其攀爬原理的正确和合理陛。试验结果表明机器人直 线攀爬和小角度转向运动动作稳定， 但当机器人进行从铁塔主材 到水平材的大角度( 约 9 0 。 ) 转向运动时， 会出现手爪吸附力不足 的问题。针对以上结果， 机器人在攀爬过程中应当优先选择铁塔 主材进行攀 。 图6电力铁塔攀爬机器人实验样机 5结论 ( 1 ) 提出了一种用 于电力铁塔检测的 5自由度攀爬机器人 ， 机构紧凑， 可携带仪器实现在铁塔上攀爬、 从事检测维护作业。 ( 2 ) 对采用直线推杆机构与传统电机直驱两种方式实现两 臂张合运动进行了分析，在 A d a m s 软件中对机器人后爪吸附前 臂旋起运动过程进行了仿真分析， 分析结果验证了采用直线推杆 机构的优越性。 ( 3 ) 原理样机试验验证了机器人机械结构设计组成合理， 系 统成功可靠。 ( 4 ) 后期将致力于提高电磁式吸附手爪吸附力及稳定性的 研究。 参考文献 1 T u m ma l a ， R L ， R a n j a n M， N i n g X， e t a 1 C l i mb i n g t h e Wa l l s l J j I E E E R o b o t i c s &A u t o m a t i o n Ma g a z i n e ， 2 0 0 2 ， 9 ( 4 ) ： 1 0 - 1 9 2 Mi n o r M， H a n s D， G i fi s h D， e t a 1 D e s i g n ， I mp l e me n t a t i o n ， a n d E v a l u a t i o n o f a n U n d e r A c t u a t e d Mi n i a t u r e B i p e d C l i m b i n g R o b o t C U S A ： I E E E RS J I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t Ro b o t s a n d S y s t e ms ， 2 0 0 0： 1 9 9 9 - 2 0 0 5 1 3 J R o b e r t T P， J o e L C J ， K a z u h i k o K A R u b b e r t u a t o r - B a s e d S t r u c t u r e C l i m b i n g I n s p e c t i o n R o b o t C A l b u q u e r q u e ， N e w M e x i c o ： I E E E I n t e m a - t i o na l C o n f e r e n e e o n Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n ， 1 9 9 7： 1 8 6 9 -1 8 7 4 4 吴伟国， 徐峰琳双臂手移动机器人空间桁架内避障移动研究与仿真 J 机械设计与制造 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 1 1 0 1 1 2 5 Q i n g f e n g H o n g ， R o n g L i u， H a o Y a n g Wa l l C l i mb i n g R o b o t E n a b l e d b y a N o v e l a n d R o b u s t V i b r a t i o n S u c t i o n T e c h n o l o g y l C J S h e n y a n g ， C h i n a ： I EEE I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Au t o ma t i o n a n d L o g i s t i c s ， 2 0 0 9： 3 3 1 3 3 6 6 江励， 管贻生， 蔡传武， 等仿生攀爬机器人的步态分析 J 机械工程学 报 ， 2 0 1 0 ， 4 6 ( 1 5 ) ： 1 7 2 2 7 庞振基， 黄其圣 精密机械设计 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 0 ： 2 3 6 2 3 8 加 =合