巡检机器人行走夹持机构改进设计

巡检机器人行走夹持机构改进设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生：张颖 指导教师：朱兴龙 完成日期：2007.6 扬州大学机械工程学院 行走夹持机构是巡检机器人沿架空地线行走的重要装置。本课题对现有行走 夹持机构的不足提出改进措施，旨在实现行走夹持机构能够更方便快捷地跨越架 空地线上的障碍，同时提高巡检机器人行走时的安全性。主要研究内容如下： 1、通过对超高压输电线路架空地线上电力设施的分析，确定防振锤作为架 空地线上的主要障碍物。基于巡检机器人沿架空地线行走与越障要求，分析巡检 机器人跨越各种障碍的过程和模式。 2、根据超高压输电线路架空地线环境和巡检机器人的最佳构型，确定巡检 机器人的总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，在原有行走夹持机构基础上对其进行改进，完成具体的结构 设计，并对巡检机器人顺利越障和改善夹持机构受力状态进行分析。 3、对零件进行分析计算。 ：行走夹持机构，巡检机器人，越障，结构设计 I Abstract The running and gripping mechanism is an very important device on inspection robot running on the overhead ground wires（OGW）.The aim is to make the running and gripping mechanism navigate obstacles on OGW more convenient and fastly,and cruise the safety when inspection robot is running as the improvement is put out for some shortages about the running and gripping mechanism now.The main contributions and works are as follows: 1)The obstacles are detemined by analyzing of electric power devices on OGW and the counterweights are the main obstacles.Every kind of process and mode of navigating obstacles of inspection robot analyzed based on the demands of navigating obstacles and running on OGW. 2)The project of inspection robot is detemined according to the optimization configuration and the environment of OWG. We need to ameliorate on the basis of the quondam running and gripping mechanism and complete the concrete contruction design.Moreelse,some analysis will be used on how to ameliorate the strained condition of running and ripping mechanism and navigate obstacles successfully. 3) The parts are checked up and calculated. Key words:The running and gripping mechanism，Inspection robot，Navigating obstacles，Mechanical design concrete construction design II III IV V 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 第一章 绪 论 1.1 巡检机器人的发展现状 超高压输电线路的巡检是为了经常掌握输电线路的运行状况，及时发现电力设 备缺陷和沿线情况，并为线路维修提供资料。根据“架空输送线线路运行规程”的 要求，超高压输电线路的主要巡检内容包括：1）导线、地线断股及异物检查；2） 交叉跨越（树木、石场、建筑物等）；3）检查杆塔、拉线和基础；4）绝缘子和金具。超高压输电线路的巡检有人工沿线巡检和直升机巡检两种作业方式，采用机器 人巡线目前还处于研制阶段。 人工沿线巡检的方法即由巡线工人采用目测的方法沿线路逐塔巡检，地面巡视 与登塔检查相结合。目前国内绝大部分输电线路的巡视采用这种方法，国外有部分 线路采用人工沿线巡检的方法。这种巡检作业方式，劳动强度大、费用多且危险性 高。对于跨越山区、草地及原始森林等环境恶劣路段的巡检而言，由于环境恶劣， 难于保证巡检到位率而且巡检周期长。 直升机巡检的方法又称航测法，是指由直升机携带红外热像仪及可见摄像机等 设备进行巡检。采用直升机巡检的优点是巡线效率高，可应用于高海拔、高寒地区 及原始森林等环境恶劣、人迹罕至的路段巡检。其缺点是巡线费用昂贵，巡检质量 受到气候、地理环境及检测设备等因素的影响。 国外采用直升机巡检始于50年代初期，到80年代一些先进国家的电力公司已将直升机巡检作为一项常规作业项目，其中较有代表性的电力公司有：美国太平洋 煤气和电力公司（Pacific Gas &Electricity）、法国电力公司（EDF）、加拿大安大略水电公司（Ontario Hydro）、日本东京电力公司（Tokyo Electric Power Co.,Inc.）等。 美国加利福尼亚州Palo Alto电力研究院于2001年研制出了一种空中巡检系统（Airborne Inspection System）,该系统可以在输电线上高速飞行，拍摄并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 输电 线及相关设施（绝缘子、金具、杆塔等）的状况，利用GPS定位系统标识出杆塔、建筑物等目标体的坐标。与其他的直升机巡检相比较，该系统的优点是提高了可靠 1 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 性，降低了费用。 我国从80年代初开始使用直升机对高压、超高压架空输电线路进行巡检和施 工作业的尝试。1982~1988这七年的时间里，共进行了巡检检测8次，涉及线路的 电压等级有220KV、330KV以及550KV交直流线路，积累了有益的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 。然而， 就我国目前的经济发展水平和技术实力而言，直升机巡检作为一项常规作业项目应 用于超高压架空输电线路巡检还有较大难度。 国际上对于输电线路巡检机器人技术的研究始于80年代，美、日、加、英等国家研究工作居领先地位。有代表性的研究成果包括日本东京电力公司及日本三菱 电机株式会社研制的高压巡检机器人样机。 [1-2]日本东京电力公司于1988年开始研制高压线巡检机器人，并于1989年开发 出一台样机，主要用于光纤架空地线外包钢线及内部光线铝膜的检查，具有沿 OPGW行走、跨越障碍（防震锤、杆塔）、巡检等功能。其机械系统由推进装置、 导轨操纵装置、导轨弧形臂以及平衡装置组成，当遇到障碍时，机器人能在障碍物 的前后系挂导轨弧形臂以便越过障碍。采用了汽油动力发动机作为电源，功率为 300W。机器人系统工作于两种控制指令方式，其一为基于离线编程的运动控制； 其二为基于传感器反馈信息的精确定位控制。控制系统由控制器、离线编程装置和 监视器组成。采用双CPU工作，主CPU用于机器人整体控制（自主控制模式）、 运动控制（行走）及巡检单元控制，辅助CPU用于运动控制（倾斜、上下、转动、夹持轮等）及各类传感器信息处理。利用涡流分析和光学检测法对OPGW的外包 钢线及内部光线铝膜进行检测。 同年，美国TRC公司研制了一台悬臂越障巡检机器人样机。主要是利用仿人 手臂攀援的方法，从侧面越过杆塔，可在架空电线上长距离巡检，预处理数据之后 发回地面。 [3]1997年，日本Takeshi Tsujinmura等人提出了一种在输电线上行走的机器人跨越输电线上障碍物的方法，机器人的机械设计中采用了一个slider-crank机构原 理，见图1-1。这个样机的机械系统比较简单，同时控制系统也比较简单，但是由 于运动模式的限制，这个样机只能跨越特定类型的障碍物。 2 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 图1-1 Slider-crank 机构原理 泰国及日本在2001年开发了自给电巡线机器人原型，采用电流互感器从电力 线上获取感应电流，解决了机器人长期驱动供电问题，在当时初步实现摄像机视觉 导航，试验验证可行，不过其机械机构和控制系统较为复杂且需要解决磁芯分离机 构控制和备用电源切换技术，也没有越障能力。 我国对电力系统机器人也开展了研究，主要的研究工作为超高压带电清扫机器 人及带电维护作业机器人。1988年，武汉高压研究所与华中理工大学合作研制了“气 动绝缘瓷瓶带电清扫及检测工具”。1994年，西北电力试验研究所研制了“超高压带电自动清扫机”。 近年来，武汉水利电力大学在其完成的输电导线破损故障诊断仪基础上，开展 [4]了巡检机器人中部分关键技术的研究。1999年，武汉大学吴功平等开发巡检小车 及其控制系统经过实验室模拟和现场带电试验，越障机构同样存在跨越间距小的问 题。另一种方案是将巡线机器人设计成双机械臂结构，通过双臂悬挂在导线上，两 个机械臂的端部带有滚轮，可使巡线机器人整机沿直线输电线路移动，双臂间有1 个移动自由度，可调整两臂间距；每个臂有2个转动自由度，可以通过运动规划实现结构化线路的越障。 [5]2002年北京航空航天大学的耿新等人用轮式结合步进式的爬行机构设计出巡线机器人饿爬行方案，如图1-2所示，这两台样机都是采用轮式机构作为行走机 构，遇到障碍时依次控制电机，使得行走轮顺次脱离高压线路，从而使机器人达到 越障的功能。 3 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 图1-2 巡线机器人爬行方案 图1-3 500KV超高压输电线路巡检机器人 如图1-3所示，沈阳自动化研究所成功研制出500KV超高压输电线路巡检机器人一档内功能样机，它由巡检机器人及地面移动监控设备两部分组成。巡检机器人 部分包括机器人主车体、行走及夹线脱线机构、巡检高速球、微波发射机、无线数 传电台、障碍传感器、行走驱动电机及夹线电机、电机驱动控制器、电池及机器人 控制计算机等。地面监控设备部分包括微波接收机、无线数传电台、地面监控计算 机、柴油发电机、高速球操作键以及机器人地面操作控制台等。研制的第三代样机 成功地在550KV实际线路上试验成功。 在功能样机的基础上，研制了一台越障样机。在越障样机中增加了跨越直线杆 塔功能，包括前后臂、轮手复合机构、外部传感器等。针对跨越杆塔的操作和控制 对软件进行了功能扩展，可跨越的杆塔障碍包括单挂点和双挂点悬垂金具、绝缘子、 线夹及防振锤。跨越过程中遥控与机器人自主运动相结合。2006年，沈阳自动化研究所研制的第三代样机成功在500KV实际线路上试验成功。 国内还有一些单位从事这方面的研究，如北京自动化研究所、华中科技大学、 山东大学等，他们的工作更多的在控制方面。 总之，国内外对于超高压输电线路巡检机器人的研究还处于起步阶段，还有多 项关键技术需要解决。 1.2 本课题设计内容 本课题主要对现有行走夹持机构的不足提出改进措施，目的是实现行走夹持机 4 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 构能够更方便快捷地跨越架空地线上的障碍，同时提高巡检机器人行走时的安全 性。设计内容如下： 1、通过对超高压输电线路架空地线上电力设施的分析，确定防振锤作为架空 地线上的主要障碍物。基于巡检机器人沿架空地线行走与越障要求，分析巡检机器 人跨越各种障碍的过程和模式； 2、根据超高压输电线路架空地线环境和巡检机器人的最佳构型，确定巡检机 器人的总体方案，在原有行走夹持机构基础上对其进行改进，完成具体的结构设计， 并对巡检机器人顺利越障和改善夹持机构受力状态进行分析； 3、对零件的刚度和强度进行分析； 4、毕业设计说明书一份； 5、生成图纸：行走夹持机构总装配一张，零件图若干张。 本章小结 通过对国内外巡检机器人发展状况的了解，我认识到巡检机器人的许多关键技 术还没有被攻破，所以对本课题的重要性有了一定的了解。 5 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 第二章 巡检机器人行走夹持机构总体方案设计 2.1 引言 行走夹持机构是巡检机器人沿架空地线行走的重要装置，它能保证巡检机器人安 全可靠地在架空地线上行走、保持静止不动，行走机构由独立电机驱动，采用行走 轮沿架空地线行走，夹持机构也由电机独立拖动，能实现张开脱线，上线合拢自锁， 在机器人停止时实现夹紧，使机器人可靠工作。 [6-15]本章通过对架空地线障碍物类型及巡检机器人越障过程的分析，在原有的 [16-19]行走夹持机构基础上对其进行改进，确定其整体结构。 2.2 障碍物类型 2.2.1 防振锤 防振锤，其英文名为Stockbridge Damper，Damper意为阻尼，顾名思义就是防振，即为了减轻超高压线路由于外界环境所引起的振动。其结构型式和在超高压 线路上的安装尺寸如下图2-1。 架空地线004 9050 防振锤 φ60 图2-1 防振锤 这种防振锤安装在超高压线路上的杆塔附近对于整个输电线路来说是非常有 用的，它极大的减轻了超压线路的振动。但是，它对于实现超高压线路的自动化巡 检则成为一种障碍，它限制了超高压巡检机器人在超高压线上的顺利移动。 6 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 2.2.2 单悬垂金具 单悬垂金具是超高压线路用来悬垂超高压输送线的，它也是超高压巡检机器人 自动作业过程中一种障碍，它的结构型式如图2-2（a）所示。 2.2.3 双悬垂金具 双悬垂金具在超高压线路上的作用与单悬垂金具相同，结构型式相似。双悬垂 金具的结构型式如图2-2（b）所示。 2.2.4 压接管 架空地线是钢丝铝绞线，由专门厂家按 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 生产，因此它有一定的长度。压接 管实际上是将两根钢丝铝绞线连成一起的接头，一般采用爆炸方法或高压挤压而 成，其结构型式如图2-2（c）所示。 输电线 a）单悬垂金具 b）双悬垂金具 c）压管 图2-2 障碍物类型 2.3 越障过程分析 超高压巡检机器人要在架空地线上行走大多采用行走轮，这是因为行走轮能够 实现连续运动，并且行走轮与架空地线之间是滚动摩擦，对架空地线的损伤程度较 小。机器人除了正常行走外，有时需要在架空地线上停止，如越障、出现大风情况， 对输电线进行检查。为了保证机器人能够停留在架空地线上，需要增加夹紧机构。 考虑到行走的稳定性，采用双轮行走。自主越障机器人构型如图2-3。 7 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 2.3.1 跨越防振锤 当巡检机器人的前行走轮遇到防振锤时，巡检机器人停下，其状态如图2-4。 2-3 巡检机器人构型 首先，机器人的前爪脱线，向上抬升一个距离，然后驱动后行走轮带动机器人 本体向前移动，越过障碍。当后行走轮遇到防振锤时，前爪上线，后爪脱线，向上 抬升一个距离，由前行走轮带动机器人先前行走，越过障碍。 图2-4 机器人遇到防振锤 2.3.2 跨越单悬垂金具 当遇到单悬垂金具时，机器人停下来，前爪脱线，向上抬升一段距离，并向一 侧移开一段距离，此时驱动后轮带动机器人本体向前移动，从障碍物的侧面跨越障 碍；后轮遇到单悬垂金具时，前爪上线，后爪脱线，向上抬升一段距离，并向侧面 8 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 移动一段距离，驱动前轮带动机器人向前移动，直到跨越障碍。 2.3.3 跨越双悬垂金具 机器人遇到双悬垂金具时停下，前爪跨越过程和单悬垂金具差不多，当机器人 后爪遇到障碍时，前爪上线，由于双悬垂金具之间的有效距离只有200mm，所以无 法容纳两个行走轮，因此机器人就无法象跨越单悬垂金具那样直接跨越双悬垂金具 了。此时，后爪脱线，向上抬升一段距离，这时启动后手臂的旋转电机，使机器人 主体绕前爪旋转180?，后爪上线，就可以完成跨越。 2.4 行走夹持机构改进设计 2.4.1 新型行走夹持机构 巡检机器人原来的行走夹持机构如图2-6所示，它由主动齿轮、行走轮、止推轴承、滚针轴承、圆螺母、壳体、夹紧丝杠、左右夹爪、导杆、夹持电机和行走电 机组成。夹持电机、行走电机、夹紧丝杠和导杆均安装在壳体上，行走轮安装在夹 紧丝杠上，并通过轴肩、止推轴承、圆螺母将行走轮轴向定位在夹紧丝杠上，行走 图2-6 行走夹持机构简图 轮与丝杠之间为滚动摩擦，主动齿轮一方面与行走电机相连，另一方面与行走轮啮 合。左、右夹爪安装在夹紧丝杠上，并由导杆导向，通过其左、右螺纹与夹紧丝杠 上的左、右螺纹实现螺纹连接；夹持丝杠的一端与夹紧电机相连，另一端安装在壳 体上。行走电机转动，带动主动齿轮转动，实现行走轮在架空地线上行走。夹紧电 9 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 机转动，带动夹持丝杠旋转，在导杆的作用下，使得左、右夹爪相互靠近和分开， 从而实现左、右夹爪对架空地线夹紧和松开功能。 这种行走夹持机构的优点是： （1） 行走和夹持采用复合结构，所以整个机构就比较简单； （2） 整个机构较为紧凑； （3） 保证了机器人在架空地线上的安全性。 另一方面，其也有不足的地方： （1） 因为行走夹持机构采用复合机构，所以在纵向方向的尺寸就比较大； （2） 越障过程比较复杂，特别是在跨越双悬垂金具时； （3） 夹持机构处于夹持状态时，若夹持电机没电，夹持机构不易松开。 而且，最重要的是现在超高压输电线路上双悬垂金具线夹与绝缘子之间的距离 变小了，由原来的150mm变为了90mm，由于原来行走夹持机构的纵向尺寸比较大， 所以机器人在跨越双悬垂金具障碍时手爪不能伸进线夹与绝缘子之间，也就无法完 成跨越。 为解决上面的问题，我们提出了一种新型的行走夹持机构，如图2-7所示。 行走电机 导杆夹持电机 支架 （a）闭合状态 （b）夹持状态 （c）打开状态 图2-7 行走夹持机构简图 这种行走夹持机构的特点是 （1） 行走和夹持机构分开，减小了空间占用尺寸； （2） 行走轮采用剖分式的，在跨越障碍时，夹持电机驱动丝杠使左右行走轮分开 （见图2-7（c）），可以避让障碍，实现从障碍物侧面或下方通过，使越障过程 方便快捷，同时也不会受到双悬垂金具上线夹与绝缘子之间距离的限制； 10 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 （3） 夹持机构处于夹持状态时（见图2-7（b）），架空地线处于行走夹持机构的封 闭空间里，这样能够有效的防止机器人脱离架空地线，从而大大减小了机器 人坠落的可能性； （4） 两剖分轮合上时，可以实现与行走轮同样的功能； （5） 剖分式的行走轮可以适应各种线径的架空地线。 2.4.2 总方案确定 上面所讲的行走夹持机构的左右手臂是平行结构的，平行的结构较为简单，还 有一种方案就是将其做成V字形结构的，通过V字的张开与闭合来实现剖分轮的开合。这种方案具体是将左右手臂安装在两根轴上，在每个轴上各装一个电机，然 后其中一个电机转动，驱动齿轮机构，使左、右手臂各自绕着轴转动，从而实现剖 分轮的开或合；另一个电机转动，驱动齿轮机构，实现剖分轮的合或开。 这种方案的优点是： （1） 可以有效的减小行走夹持机构的空间占用尺寸； （2） 实现剖分轮的开合比较快捷。 不过其也有一些不足： （1） 相比平行结构，V字形结构分析较为复杂，必须得把V字形角度确定； （2） 需要两个电机驱动实现行走轮的开合，增加了电机数； （3） 在电机和齿轮之间需要装减速装置，再加上齿轮传动，结构就变得较为复杂。 平行结构的优点是： （1） 结构较为简单，运行较为稳定； （2） 实现剖分轮的开合比较容易。 不足之处在于： （1） 由于采用丝杠传动，整个结构占用的空间尺寸就比较大，而且丝杠传动效率 较低，同时必须要用导杆； （2） 夹持机构处于夹持状态时，若夹持电机没电了，夹持机构不容易拿下来。 最后根据两种方案的优缺点，综合考虑，决定选用平行结构。 同时考虑到采用聚胺脂的弹性来夹持架空地线可能效果不太好，所以就另外加 11 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 上了专门的夹持机构，具体在第三章中会写到；而且，考虑到新型的行走夹持机构 在跨越障碍时，若夹持电机没电了，机器人会从架空地线上坠落，所以在行走夹持 机构上装上了防止机器人坠落的二道保护装置。 2.4.3 剖分式行走夹持机构工作原理 如图2-7，剖分式行走夹持机构由左右剖分轮、左右手臂、丝杠、螺母、导杆、 支架、夹持电机、行走电机等组成，其工作原理具体如下：夹持电机、夹紧丝杠安 装在支架上，行走电机与行走轮连接，并通过左右手臂与夹紧丝杠相连，手臂与丝 杠之间为滚动摩擦，并由导杆导向。夹紧丝杠一端与夹紧电机相连，另一端安装在 支架上。夹持电机带动具有左右螺纹的丝杆，通过螺母使两剖分轮向两边分开，从 障碍物侧面直接越过；另一方面，夹持电机驱动丝杠使两剖分轮向中间移动，直到 两剖分轮合上，此时行走电机带动左剖分轮旋转，并通过花键传动带动右剖分轮旋 转，从而使行走轮在架空地线上行走，同时利用夹持机构和聚胺脂的弹性实现对架 空地线的夹持。此时，架空地线处于一个封闭的空间内，从而大大减小了机器人坠 落的可能性。 2.4.4 剖分式行走夹持机构越障分析 这种行走夹持机构的设计主要用于跨越架空地线上的防振锤，故只分析机器人 跨越防振锤的过程。 剖分式行走夹持机构对跨越防振锤非常简单，当遇到防振锤时，机器人停下， 前剖分轮分开，从防振锤侧面直接越过，后轮带动机器人本体向前移动；后轮遇到 障碍时，前剖分轮合上，后剖分轮分开，由前轮带动机器人向前移动，跨越障碍， 然后后剖分轮合上。 本章小结 1、根据超高压输电线路架空地线上的实际情况，确定了新型行走夹持机构的总 体方案； 2、对新型行走夹持机构的越障过程进行了分析。 12 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 第三章 行走夹持机构结构设计 3.1 引言 巡检机器人行走夹持机构总体结构已经确定，其机械结构由行走驱动机构、夹 持机构与二道保护装置组成，行走驱动机构与夹持机构通过左右手臂相连，二道保 护装置安装在手臂上。 行走夹持机构的一些关键尺寸是与障碍物的尺寸有关的，这里主要是根据防振 锤的尺寸来定的。 本章主要介绍巡检机器人行走夹持机构的结构设计。 3.2 行走驱动机构设计 行走驱动机构主要功用是通过行走电机驱动使行走轮在架空地线上行走，从而 带动机器人主体在架空地线上行走。 行走驱动机构主要是由左、右剖分轮、行走电机以及左、右手臂组成的。 3.2.1 剖分式行走轮 由于机器人在架空地线上的行走速度是一定的，所以行走轮尺寸的选择和以前 的行走轮尺寸一样。左、右剖分轮在行走过程中是处于啮合状态的，所以要考虑如 何将两者啮合起来，本打算在剖分轮上做出长方形块进行啮合，不过这种方案不好 的地方是不容易对心，所以就用花键进行连接，两个剖分轮上分别做有花键轴和花 键孔。 行走轮还需要与手臂和行走电机相连，原打算用轴连接行走轮和行走电机，不 过两剖分轮本身需要啮合，所以就将行走轮做成如图3-1所示的情况。右剖分轮轴端的D形孔和行走电机的轴进行啮合。 13 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 （a）左剖分轮 （b）右剖分轮 图3-1 剖分轮 3.2.2 左、右手臂 手臂是用来连接行走轮和夹紧丝杠的，它的尺寸是根据防振锤的尺寸、行走轮 的尺寸确定的，同时最主要的依据就是使行走夹持机构能够质量轻、体积小，所以 设计左、右手臂时目的就是要尽量把手臂做的轻便，手臂上除了要安装行走轮外， 在行走轮前后还要各安装两个夹紧轮，同时还要安装夹紧丝杠和两个导杆，故手臂 结构做成如图3-2所示，通过加强肋来提高手臂的弯曲刚度和减小手臂的重量，左 侧突出用来安装二道保护装置，目的是使二道保护装置中的支撑杆和架空地线之间 的距离小些，这在二道保护装置设计中会具体讲到。 14 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 （a）右手臂 （b）左手臂 图3-2 左、右手臂 左、右手臂的结构所不同的是两侧突出所在位置不同，手臂上方的孔是用来与 行走轮轴配合的，为提高承载能力，滚动轴承选择的是成对的角接触球轴承，并采 用面对面安装。在轴上通过轴肩、套筒、轴用弹性挡圈对角接触球轴承内圈进行轴 向定位，并用轴承端盖和手臂对轴承外圈进行轴向定位，轴承端盖通过内六角螺钉 安装在手臂上，具体见图3-3（左行走轮）。 15 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 图3-3 行走驱动机构左部分简图 行走驱动机构的右半部分和左部分相似，不同在于右行走轮轴端通过D形孔和 行走电机相连，行走电机通过螺钉安装在端盖上，轴承的轴向定位和左部分轴承的 轴向定位一样。 图3-4是行走驱动机构的立体图。 （a） 16 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 (b) 图3-4行走驱动机构立体图 3.3 夹持机构设计 夹持机构功能主要是当机器人在架空地线上行走或机器人停下时，夹紧架空地 线，使机器人在架空地线上稳定地行走或保持静止。 夹持机构主要是由夹紧轮、夹紧丝杠、导杆和支架组成的，并由夹持电机独立 驱动。 3.3.1 夹紧轮 夹紧轮功能是实现对架空地线的夹持，从而使机器人更稳定地在架空地线上行 走或停留。为了达到更好的夹持效果，在行走轮的前后都各安装了两个夹紧轮，同 时也依靠行走轮上的聚胺脂的弹性进行夹持，夹紧轮的具体结构见图3-5。 17 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 图3-5 夹紧轮 夹紧轮是安装在手臂上的，左、右手臂上的夹紧轮是对称的。滚动轴承采用成 对的角接触球轴承，并面对面安装。轴承内圈通过轴肩、套筒和轴用弹性挡圈进行 轴向定位，轴承外圈用轴承端盖和手臂进行轴向定位，轴承端盖通过螺钉安装在手 臂上。夹紧轮中间做成空心的，以减小其重量。 3.3.2 夹紧丝杠 夹紧丝杠在夹持机构中是非常重要的，它在夹持电机的驱动下实现夹紧轮对架 空地线的夹紧和松开。夹紧丝杠一端和夹紧电机相连，另一端安装在支架上，另外 左、右手臂安装在丝杠上。夹紧丝杠的尺寸是由障碍物的尺寸和行走轮的尺寸共同 确定的，具体结构见图3-6。 夹紧丝杠通过轴端D形孔和夹持电机的轴连接，夹紧电机通过螺钉固定在支架 上。夹紧丝杠上装有一对角接触球轴承，并且是面对面配合，一端轴承通过轴肩、 支架进行轴向定位，另一端轴承通过轴肩、支架、轴承端盖和轴用弹性挡圈进行轴 向定位。 图3-6 夹紧丝杠 3.3.3 导杆 导杆在这里起导向作用，以防手臂在丝杠上移动时发生倾斜。导杆的设计比较 18 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 简单，为了平衡，采用双导杆，同时为提高导向作用，将导杆安装在丝杠的两侧。 导杆的一端通过头肩固定在支架上，导杆的头部埋在支架内，另一端通过螺纹与支 架相连,导杆还要安装在手臂上，具体结构见图3-7。本打算用螺母将导杆的一端紧紧地固定住，不过螺母的尺寸较大，而且装螺母还需要留扳手空间，故放弃了这种 方案。 图3-7 导杆 3.3.4 支架 支架用来承载夹持机构和行走驱动机构，其上要安装夹持电机、夹紧丝杠、导 杆和轴承端盖，故结构做成如图3-8所示，支架上的螺纹孔用于连接机器人的其它结构。支架的尺寸主要是由夹紧丝杠确定的。 图3-8 支架 图3-9所示为夹持机构的立体图。 19 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 （a） (b) 图3-9 夹持机构立体图 3.4 二道保护装置设计 二道保护装置功用是：当机器人在跨越障碍时，若电机没电了，防止机器人从 架空地线上坠落。原来的方案是将二道保护装置安装在手臂的上方，手臂上方做成 方形而不是现在的圆形，这种方案的缺点是使支撑杆距离架空地线太远，若机器人 20 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 坠落，由于支撑杆到架空地线的距离大，则引起的冲击也比较大，这不是我们希望 看到的，所以选择了现在的方案，将二道保护装置安装在手臂一侧的突出上，这样 支撑杆和架空地线之间的距离就比较小了，引起的冲击自然就不太大。 二道保护装置主要由支撑杆、支撑座、转套、绳杆和转杆组成。 3.4.1 支撑杆 支撑杆一端通过内六角螺钉和转杆相连，转杆安装在转套内，支撑杆另一端装 在支撑座的孔内，可以自由移动。支撑杆的轴向尺寸比较长，依据是当行走轮分开 时，支撑杆要比左、右手臂之间的距离要长，否则会坠落，另一方面，支撑杆还要 和绳杆通过螺纹相连，具体结构见图3-10。 图3-10 支撑杆 3.4.2 支撑座 支撑座主要用于支撑住支撑杆，使其可以随着行走轮的分合而自由移动，它通 过螺钉安装在手臂左侧突出上。具体结构见图3-11。 3.4.3 转套 转套主要用于安装转杆，使转杆可以在转套内自由转动，转杆的转动还需扭簧 的作用，扭簧的下端安装在转套上，转套通过螺钉安装在另一手臂的一侧突出上， 转套的结构见图3-12。 21 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 图3-11 支撑座 图3-12 转套 3.4.4 绳杆 绳杆主要是用于转动支撑杆将其从支撑座中拉出来，绳杆上装着一条绳子，操 作者通过拉动绳子使支撑杆转动，绳杆通过螺纹与支撑杆相连。 原来的方案是将支撑杆做的长些，直接在上面装绳子，拉动绳子就可以转动支 撑杆，这种方案比较简单，不过由于安装转套的手臂一侧突出的尺寸比较小，这样 在支撑杆转动时，由于支撑杆较长，转很小的角度就可能碰到手臂，无法再转动， 所以就选择在支撑杆上单独安装一个装绳子的杆，使支撑杆可以转很大的角度，绳 子通过紧定螺钉安装在绳杆上。具体结构见图3-13。 3.4.5 转杆 如图3-14，转杆主要功用是固定支撑杆，并在支撑杆转动时和其一起转动。转 杆和支撑杆之间用螺钉进行连接，转杆安装在转套内，下面通过扭簧支撑住，并通 过头部固定在转套内。扭簧一端安装在转杆上，另一端安装在转套上。 图3-15为二道保护装置立体图。 22 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 图3-13 绳杆 图3-14 转杆 图3-15 二道保护装置立体图 3.5 其它 3.5.1 材料的选择 对于材料的选择，遵循的原则就是选择的材料应使整个机构尽可能的轻便。 对于行走轮、夹紧丝杠、导杆、支撑杆等比较重要的、要求比较高的零件选用 23 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 45钢；为减小质量，其它一些零件如左、右手臂、支架、支撑座、转套和夹紧轮等 大都采用2A12铝合金，轴承端盖用到的调整垫片选择的材料是08钢。 3.5.2 轴承的选择 在这里选择的都是滚动轴承，考虑到轴承承受轴向以及径向力，选择了角接触 球轴承，同时为提高承载能力，角接触球轴承都是成对使用的，并采用面对面安装， 一共用到了五组轴承。 本章小结 1、在总体方案基础上，对行走夹持机构三个组成部分行走驱动机构、夹持机构 以及二道保护装置进行了详细的设计； 2、对各个零件进行了分析。 24 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 第四章 行走夹持机构的结构计算 4.1 引言 行走夹持机构的总体方案和结构设计都已完成，下面是对具体的结构进行计 算，选用电机或进行刚度校核。 本章主要介绍行走夹持机构的结构计算。 4.2 电机的选择 4.2.1 行走电机的选择 图4-1 行走轮受力分析 ,,,15设机器人主体质量为m，架空地线与水平线之间的角度是，则重力 FFG,mg，将重力沿着平行和垂直与架空地线的方向进行分解，可得到和两个21 分力 F,mgsin, （4-1） 1 25 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 F,mgcos, （4-2） 2 N,F则我们还可以知道行走轮的正压力，当行走轮在架空地线上行走时出现2 F打滑现象，则行走轮受到的摩擦力和分力F方向相反，且数值上小于F，若要f11 F,F防止行走轮打滑，就需要，即 f1 N，f,F 1 式中为行走轮和架空地线之间的摩擦系数，将式（4-1）和（4-2）代入上式f 中，可得到 f,tan, （4-3） 行走轮边缘上安装了聚胺脂，查相关资料可知其和架空地线之间的摩擦系数为 ,tan150.3，而大概为0.27，所以在本设计中行走轮在架空地线上不会打滑。 假设行走轮在架空地线上处于静止状态，此时不存在摩擦力，通过对点A进行分析，可以得到一个平衡式为 F,r,M 1 ,mr这里的转矩就是由行走电机提供的，假设=25kg，=25mm，,,15，并加上一个系数，就可得到 T,1.3mgrsin, （4-4） ,1.3，25，9.8，25，sin15 = =2.06 Nm 根据求出的转矩，选择电动机型号为FAULHABER3257-024CR,其力矩为70mNm，减速器取32/3-s，传动比i=1:66。 4.2.2 夹持电机的选择 r图4-2为夹爪夹住架空地线时的示意图。为夹持线，为行走轮半径，d为CDw 26 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 OA,rr架空地线的直径，则在图4-2中，，，OC=。 AB,d/2wc CD,2rsin, （4-5） c ,,CD/2,1,, （4-6） ,,tan,,r，d/2w,, 图4-2 几何尺寸 设夹持力为F，令CD=l，则单位长度上的夹持力为F/l，令BE=x，行走轮与架空地线的摩擦系数为f，则在夹持力作用下对支撑点A的总力矩计算如下， l/2F22T,2fx，d/4dx F,0l 2Fxd2222l/2T,2f[x，d/4， ln(x，x，d/4)] F0l28 则求得 22,,fFl，l，d222,,T,ll，d，dln （4-7） F,,ld4,, 设机器人整体质量为，控制系统进行质心调整的误差为，则重力产生的M,,偏心力矩为 T,Mg, （4-8） M 因此夹持力为 27 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 4lMg, （4-9） F,22,,222l，l，d,,lnfll，d，d,,d,, r设=25kg，=25mm， =80mm，d=16mm，=1mm，f=0.3， lM,w,,,50.3由式（4-6）可求得， r由式（4-5）可求得=52mm， c 由式（4-9）可求得=36.7N F 由式（4-7）可求得 22,,fFl，l，d222,,T,ll，d，dln F,,ld4,, 22,,0.3，36.780，80，16222,,80，80，16，16ln = ,,4，8016,, =244.9Nmm 则可根据求得的转矩选择夹持电机为FAULHABER2342-024CR,其力矩为16mNm,减速器取26/1-s，传动比i=1:134。 4.3 夹紧丝杠的计算 对于夹紧丝杠，主要计算其刚度，将之简化为简支梁，受力状态如图4-3所示。设夹持丝杠长为，AC=BH=a，CD=EH=b，夹紧丝杠在C、D、E、H四点受到的力均为l F，该力是由夹持力引起的，分别作用在手臂在丝杠上位置的两侧， 图4-3 夹紧丝杠受力图 由于受力较多，故分开进行计算，这里只对丝杠中心的刚度计算。 C点的力单独作用时，跨度中点的挠度和A、B点的转角分别为 28 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 22Fla3l4la，，，，,,,,,,,,， 148EI ，，，，，，，，,,,，Fala2laFalala， ,,,,,A1B16EIl6EIl D点的力单独作用时，跨度中点的挠度和A、B点的转角分别为 22，，，，,,,,,,,Flab3l4lab,,， 248EI ，，，，，，，，，，，，，,,,,，,,，，Fablab2labFaablablab， ,,,,,A2B26EIl6EIlE点的力单独作用时，跨度中点的挠度和A、B点的转角分别为 22Fab3l4ab，，，，,,，,，,,， 348EI ，，，，，，，，，，，，，,,，，，,,,,FablablabFablab2lab,，, ,,,A3B36EIl6EIlH点的力单独作用时，跨度中点的挠度和A、B点的转角分别为 22Fa3l4a，，,,,,， 448EI ，，，，，，，，,，,,FalalaFala2la,，, ,,,A4B46EIl6EIl 式中，为与材料有关的常数，称为弹性模量，称为梁的抗弯刚度，且对于空EEI 4Dd,4，，I,1,,,,,心的圆截面，。 D64 综合以上计算，可得总的跨度中点的挠度和A、B点的转角为 ,,,，,，,，, 1234 22224Fblalalablabaaabab,,，，，，，，，，，，，，,，,,,，,,,,，,，, （4-10） 48EI ，，Fbl,2a,b,,,，,，,，,, （4-11）AA1A2A3A42EI ，，Fb2a,l，b,,,，,，,，,, （4-12） BB1B2B3B42EI 3206，10查相关资料可得=206Gpa=N/mm，a=66mm，b=25mm，=278mm，lE 29 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 4=36.7N,5119.7mm FI, 将数值代入式（4-10）可求得 22224Fblalalablabaaabab,,，，，，，，，，，，，，,，,,,，,,,,，,，,, 48EI ,3=7.3，10mm 将数值代入式（4-11）可求得 ，，Fbl,2a,b,3rad ,,,0.05，10A2EI 将数值代入式（4-12）可求得 ，，Fb2a,l，b,3,,,,0.05，10rad B2EI 4.4 二道保护装置计算 当机器人正跨越障碍时，夹持电机没电了，则二道保护装置对机器人起到保护 作用，防止机器人坠落。这时支撑杆突然掉落至架空地线上，引起一定的冲击，这 里需要对这种状态下的支撑杆的刚度进行计算。 可以认为支撑杆是作为突加载荷作用在架空地线上的，则可得到冲击载荷系数 F,K,WK=2，说明突加载荷作用是静载荷作用的两倍，冲击载荷，其中为冲Wddd击物的重量。 将二道保护装置简化成简支梁，则在落到架空地线上时受力状态如图4-4所示。 4,dIF,图中为的反作用力，C点为简支梁AB的中点，对于实心圆截面，。 Fd64 图4-4 支撑杆受力图 30 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 查表可知，挠曲线方程 Fxl,,22,，，,3,40,,lxx ,,482EI,, 4,dlI,F,K,W,对于上式，当时，达到最大，并将和代入下式中，x,dd642 可得 334KWlFld,,, （4-13） max448EI3E,d 224KWlFld,,,,,,端截面转角 （4-14） AB416EI,Ed K设=10kg，=98mm，=206Gpa，=20mm，=2，将数值代入式（4-13）和WdlEd（4-14）可得 33KWl44，2，10，98,4d,,,,2.4，10mm max434E,d,33，206，10，，20 22KWl44，2，10，98,6d,,,,,,,7.3，10mm AB434E,d,206，10，，20 本章小结 1、通过计算，选择了行走电机和夹持电机； 3、对夹紧丝杠和二道保护装置进行了刚度计算。 31 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 第五章 工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 与展望 5.1 工作总结 超高压输电线路的巡检是为了经常掌握线路的运行情况，及时发现设备缺陷和 沿线情况，为线路维修提供资料。国内外对于采用机器人巡线目前还处于研制阶段， 还没有在输电线路巡检作业中得到实际应用。 本课题就巡检机器人行走夹持机构进行了改进设计，主要研究内容包括： 1、在分析超高压输电线路上各种输电设施的基础上，确定了各种输电设施形 成的障碍物类型，并分析了巡检机器人跨越障碍的过程。 2、根据超高压输电线路架空地线环境和巡检机器人的最佳构型，对原有行走夹 持机构进行了改进设计，确定了巡检机器人行走夹持机构的总体方案，并手工绘制 了0#装配图。 3、在新型的行走夹持机构的基础上，对其进行了具体的结构设计，并在计算 机上绘制出了零件图，同时对相关零件进行了计算，选择了行走电机和夹持电机。 4、利用Solidworks绘图软件，对行走夹持机构进行了装配。 5.2 工作展望 本次的毕业设计，我基本完成了巡检机器人行走夹持机构的改进设计，对巡检 机器人的行走夹持机构进行了总体设计、结构设计及相关计算，但由于时间关系， 改进的行走夹持机构比较粗糙，很多细节问题都没有体现出来，并且对于一些问题 没有拿出更好的方案进行解决，比如，当夹持机构处于夹持状态时，若夹持电机没 电了，整个机构就不容易拿下来，只能靠慢慢旋转丝杠。希望以后能对一些细节问 题进行更进一步的分析，使行走夹持机构更完整、实用、符合要求。在设计中也遇 到一些问题，反映出自己在实际设计中缺少经验，并且自主解决问题的能力还需进 一步提高，以后要改进的地方还很多，所以自身还需要不断的学习和努力。 32 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 致 谢 在本设计完成之际，我首先要向朱兴龙导师致以由衷的感谢和最诚挚的敬意！ 在本次的设计过程中，虽然导师比较忙，但还是自始至终悉心指导我们。导师在工 作中一丝不苟的治学态度、深厚的知识功底、敏捷的科学思维、求真求知的科研精 神和任劳任怨的品质都将永远指导我今后的工作、学习和生活。 同时，感谢我的同学们给我的支持和帮助，让我充分感受到了团结协作的力量。 再一次对所有支持、帮助我的人表示深深敬意和谢意！ 33 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 参 考 文 献 1 Jun Sawada, Kazuyuki Kusumoto, Tadashi Munakata, Yasuhisa Maikawa, YoshinobuIshikawa, “A Mobile Robot For Inspection Of Power Transmission Lines”, IEEE Trans. Power Delivery, 1991, Vol.6, No.1：pp..309~315 2 Mineo Higuchi, Yoichiro Maeda, Sadahiro Tsutani, Shiro Hagihara, “Development of a Mobile Inspection Robot for Power Transmission Lines”,J. of the Robotics Society of Japan, Japan, Vol. 9, No. 4, pp. 457~463, 1991 3 T. Tsujimura, T. Yabuta, T. Morimitsu, “Design of a wire-suspended mobile robot capable of avoiding path obstacles”, IEE Proc.-Control Theory Appl., Vol. 143, NO. 4, July 1996, pp. 349~357 4 梁唯溪，饶贵安，康宜华. 高压输电线涡流检测机器人的研制. 无损检测，2000，22（10）：442~444 5 耿新，周延泽. 巡线机器人的爬行方案设计. 机器人技术与应用,2002,(4):19~21 6 付双飞，王洪光，房立金，姜勇. 超高压输电线路巡检机器人越障控制问题的研 究. 机器人，2005，27（4）：341 ~ 345 7 李恩，梁自泽，谭民. 基于规则库的巡线机器人自主越障动作规划. 机器人，2005，27（5）：400~405 8 张海洪，龚振邦，谈士力. 全方位越障移动机构研究. 机器人，2001，23（4）：341~345 9 王韬，杨汝清，顿向明，张志伟. 自主越障时关节轮式移动机器人的姿态设定. 上海交通大学学报，2005，35（1）：59~63 10 徐正飞，杨汝清，仲昕. 关节式移动机器人自主越障中基于模糊神经网络的障碍 识别方法. 上海交通大学学报，2002，36（3）：289~292 11 陈丽，王越超，李斌，马书根，罗继曼. 蛇形机器人的翻滚运动及其越障分析. 高技术通讯，2003，（7）：54~57 12 汪新，杨栋，范明聪，吴月华，杜华生，杨杰. 高机动越障机器人攀登机构的关 键问题解析. 中国科技大学学报，2005，35（4）：506~511 13 熊光明,徐正飞,高峻峣,黄志敏. 基于遥操作和局部自主的移动机器人越障. 计 34 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 算机测量与控制,2006,14(2):193~195 14 李恩，梁自泽，谭民. 约束条件下的巡线机器人逆运动学求解. 控制理论与应用， 2006，23（1）：43~48 15 孙翠莲，王洪光，王鲁单，赵明扬. 一种改进的超高压输电线路巡检机器人越 障方法. 机器人，2006，28（4）：379~384 16 朱兴龙，王洪光，房立金，赵明扬，周骥平. 一种自主越障巡检机器人行走夹持 机构. 机械设计，2006，23（8）：11~14 17 朱兴龙，王洪光，房立金，赵明扬，王鲁单. 自主越障巡检机器人质心调节控制. 机器人，2006，28（4）：385~388 18 魏军英，王吉岱，周凤余，陈家义，康杰，谢永. 新型巡检机器人的结构设计与 运动学分析. 煤矿机械，2005，（6）：45~46 19 唐栎，房立金，王洪光，张宏志. 基于分布式专家系统的超高压输电线路巡检机 器人控制系统的研究. 机器人。2006，26（3）：267~271 20 东北大学<<机械零件设计手册>>编写组. 机械零件设计手册:上、下册.第三版. 冶金工业出版社,1994 21 成大先主编. 机械设计手册:单行本. 联接与紧固. 化学工业出版社,2004 22 王世刚,张秀亲,苗淑杰主编. 机械设计实践.修订版. 哈尔滨工业出版社,2003 23 成大先主编. 机械设计手册:单行本. 机械传动. 化学工业出版社,2004 24 周建方主编. 材料力学. 机械工业出版社,2004 35 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 附录 行走夹持机构装配图 36 张颖 巡检机器人行走夹持机构改进设计 37