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1塔架攀爬機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．1塔架攀爬機器人整體設(shè)計方案

攀爬機器人攀爬的重要性能主要體現(xiàn)在與攀爬物體之間的接觸方式，目前多數(shù)攀爬機器人采用吸盤式、負壓式。這兩種方式適用于平面攀爬，不適合塔架攀爬，受尺蠖爬行啟發(fā)設(shè)計并且制作了采用抓卡式攀爬機構(gòu)的攀爬機器人。攀爬機器人結(jié)構(gòu)模塊主要分為頭部抓卡機構(gòu)、前行臂和尾部抓卡機構(gòu)。頭部、尾部抓卡機構(gòu)由抓卡拉桿、壓緊塊、抓卡動力底盤、卡爪、紅外檢測傳感器、頭部抓卡體、高清攝像頭、動力桿等部件組成。前行臂由前行臂轉(zhuǎn)動電機、前行臂1、前行臂2、前行臂3、推桿電機等部件組成。鐵塔攀爬機器人工作過程如下：初始，機器人前后抓卡機構(gòu)同時夾緊高壓塔架，前行臂處于收縮狀態(tài)。當(dāng)機器人接收到來自地面控制臺的執(zhí)行命令后開始動作。首先頭部抓卡機構(gòu)松開，直到壓緊塊接觸到高壓塔架結(jié)構(gòu)型材，機器人前行動作由前行機械臂實現(xiàn)。當(dāng)前行臂伸展到達極限，頭部抓卡機構(gòu)開始卡緊高壓塔架結(jié)構(gòu)型材。接著尾部抓卡機構(gòu)開始松開，前行臂此時動作為收縮，尾部抓卡機構(gòu)會隨著向上移動。當(dāng)伸縮機構(gòu)收縮到極限位置，尾部抓卡機構(gòu)會再次卡緊高壓塔架角鋼，這樣往復(fù)動作實現(xiàn)高壓塔架攀爬機器人攀爬動作。整個過程，攀爬機器人執(zhí)行來自地面控制臺的命令，動作可隨時中斷。步進電機驅(qū)動絲杠副帶動抓卡機構(gòu)將機器人主體緊固在高壓塔架上。利用直線推桿電機帶動連桿機構(gòu)往復(fù)收縮，實現(xiàn)機器人的前行動作，機器人整體在高壓塔架上攀爬過程。A位置為機器人的初始位置，頭部抓卡機構(gòu)和尾部抓卡機構(gòu)都處于卡緊狀態(tài)。B位置，尾部抓卡機構(gòu)松開，為收縮做準備。C位置，當(dāng)收縮機構(gòu)達到極限，尾部抓卡機構(gòu)卡緊。D位置，頭部抓卡機構(gòu)松開，為下一伸縮動作做準備。E位置，伸縮機構(gòu)再次到達極限位置。下一狀態(tài)會重復(fù)進入A狀態(tài)所示位置。

1．2塔架攀爬機器人抓卡機構(gòu)

攀爬機器人抓卡機構(gòu)的動力由步進電機的轉(zhuǎn)動，帶動絲桿副絲桿轉(zhuǎn)動，將動力傳遞至卡緊托，利用卡緊托移動實現(xiàn)抓卡高壓塔型材結(jié)構(gòu)架，從而將機器人整機附著于高壓塔架上。高壓塔架結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，機器人攀爬過程需要躲避障礙物，其抓卡機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，這種特殊結(jié)構(gòu)的抓卡機構(gòu)可以很好地轉(zhuǎn)向，在攀爬高壓塔架的過程中可靈活躲避障礙物，其中鉸接座4固定在頭部、尾部抓卡體機體實現(xiàn)整個抓卡機構(gòu)的固定從塔架型材不同方向抓起示意。塔架攀爬機器人4個抓卡機構(gòu)的動力模塊均采用步進電機，步進電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移信號來控制，步進電機通過信號控制來實現(xiàn)準確定位，并且可通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速而達到調(diào)解轉(zhuǎn)速的目的。

1．3塔架攀爬機器人前行機構(gòu)

早期攀爬機器人在高壓塔架上前行時，其機構(gòu)采用直線前行機構(gòu)如直線導(dǎo)軌、絲杠傳動直線軸承與直線光軸，但這些機構(gòu)都有一個缺點，即長距離的傳動必須配套較長的導(dǎo)軌、絲杠。仿尺蠖前行機構(gòu)和傳統(tǒng)機構(gòu)的相比，行程大，動作更加靈巧，其前行臂結(jié)構(gòu)模型，這樣的抓卡機構(gòu)抓緊與松開的動作頻率就會大大降低，行進速度就會大大提升。

2機器人抓卡機構(gòu)靜力學(xué)分析以及前行機構(gòu)運動分析

2．1基于ANSYSWorkbench13抓卡機構(gòu)的靜力學(xué)分析

ANSYS程序中的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是用來計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外在引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。ANSYSWorkbench13中靜力學(xué)分析是由Me－chanical模塊求解的，Mechanical中有兩種求解器，直接求解器和迭代求解器可供選取。直接求解器對包含薄面和細長體的模型是比較有用的。迭代求解器在處理大體積模型時比較有效。攀爬機器人抓卡機構(gòu)以及前行機構(gòu)使用迭代求解器進行求解。在SolidWorks環(huán)境下給機器人整機各個零件分別附材料，通過質(zhì)量特征可計算出整機質(zhì)量。機器人質(zhì)量特性實際制作的攀爬機器人整體樣機可以控制在20kg以內(nèi)。

2．2SolidWorks環(huán)境下高壓輸電線路塔架攀爬機器人運動仿真

前行機構(gòu)受尺蠖爬行啟發(fā)。這種爬行最大優(yōu)點是與爬行表面的接觸面積小，尺蠖的頭尾長有吸盤和觸腳，通過吸盤和觸腳的抓力，一曲一直運動，將身體與接觸面的滑動摩擦力轉(zhuǎn)化為靜摩擦力，提高了爬行效率。同時，弓背－延伸的爬行方式，也更加適用于復(fù)雜的地形。攀爬機器人仿尺蠖步態(tài)前行機構(gòu)的動作同樣也是一曲一直運動，并且通過特有的抓卡機構(gòu)以及導(dǎo)向輪實現(xiàn)抓卡動作。

3總結(jié)

該攀爬機器人最大攀爬高度可達50m，最大攀爬速度可達5m／min；整機質(zhì)量不超過25kg，最大載重量15kg。本方案設(shè)計的高壓輸電線路塔架攀爬機器人通過使用SolidWorks進行模型結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且在SolidWorks環(huán)境下進行了運動仿真來驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。經(jīng)過ANSYSWorkbench對抓卡機構(gòu)進行靜力學(xué)分析并且對受力薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化改進。制作的樣機進一步驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

作者:張丹丹單位:內(nèi)蒙古民族大學(xué)