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一种新型四臂巡检机器人机构设计与运动分析
资料介绍
为满足大跨度输电线路对巡检机器人结构尺寸、爬坡性能以及越障性能等方面的要求,从人爬树运动研究中得到启示,设计了一种新型四臂式巡检机器人。首先,通过探索人爬树过程中运动姿态特点,介绍了机器人的机构构型和2种典型障碍物的越障方法。其次,给出了机器人机构的主要尺寸,推导了机器人的运动学方程,对机器人爬坡和越障运动性能进行了分析,以验证机构设计的可行性。最后,在虚拟样机平台上进行了运动仿真实验。结果表明该机器人同时具备较强爬坡能力和跨越单挂点等复杂障碍物的能力。
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6
June 2018
Vol．36 No．3
年
月
西 北 工 业 大 学 学 报
Journal of Northwestern Polytechnical University
36
3
期
第
卷第
一种新型四臂巡检机器人机构设计与运动分析
1，2
1
3
， ，
王洪光 刘国伟
肖时雨
1．
，
中国科学院 沈阳自动化研究所 机器人国家重点实验室 辽宁 沈阳
10016; 2．
，
中国科学院大学 北京
100049;
(
)
3．
，
深圳供电局有限公司 广东 深圳
518048
: 、 ，
要 为满足大跨度输电线路对巡检机器人结构尺寸 爬坡性能以及越障性能等方面的要求 从人
摘
， 。 ，
爬树运动研究中得到启示 设计了一种新型四臂式巡检机器人 首先 通过探索人爬树过程中运动姿
， 2 。 ，
态特点 介绍了机器人的机构构型和 种典型障碍物的越障方法 其次 给出了机器人机构的主要尺
， ， ，
寸 推导了机器人的运动学方程 对机器人爬坡和越障运动性能进行了分析 以验证机构设计的可行
。 ， 。
性 最后 在虚拟样机平台上进行了运动仿真实验 结果表明该机器人同时具备较强爬坡能力和跨
。
越单挂点等复杂障碍物的能力
:
;
;
;
关
键
词 输电线路 巡检机器人 机构设计 运动分析
: TP242 : A : 1000-2758( 2018) 03-0432-07
文章编号
中图分类号
文献标志码
， 、
从而完成越障动作 可跨越的障碍物包括防振锤 间
巡检机器人是实现输电线巡检作业自动化的重
，
要途径之一 可代替线路工人完成繁重的巡检任务
，
， ，
隔棒等可通过型障碍 不能跨越悬垂线夹 最大滚动
、 、
具有巡检费用低 安全可靠 易于操作以及可近距离
30°。
［3］
文献 研发了一种输电线路综
爬坡角度为
。 、
精细巡检等优点 对于原始森林 山区等环境恶劣
LineScout，
机器人所携带的作业
合作业机器人平台
， ，
路段 机器人巡检还能保证巡检到位率 缩短巡检周
、 、 、
工具包括压接管 电阻检测器 紧固扳手 压接钳和
。
， 1 370 mm，
观测云台 机器人总长 总重
100 kg，
可跨
期
机器人机构设计是巡检机器人研究的一项关键
，
越悬垂线夹 最大滚动爬坡角度为
30°。
［4］
文献
， ，
技术 其行走越障机构是巡检作业工具的载体 为机
设
。
器人快速可靠地进行巡检作业提供保障 当输电线
3 ，
计了 种不同的除冰机器人机构 其中三臂除冰机
， ，
器人综合性能最佳 可跨越悬垂线夹 最大滚动爬坡
、 、 、 ，
路经过高山 河流 峡谷 森林等地段时 输电线路普
30°。
［5］
文献 针对线路金具结构复杂
、
遍存在档距跨度大 线路坡度陡且金具形式多样的
角度不超过
，
难以越过的问题 提出了一种线路金具改造方案和
，
情况 线路巡检的实际需求要求机器人同时具有较
，
一种自主巡检作业系统 可大幅度降低机器人的越
。
强的越障能力和滚动爬坡能力
， 。 ［6］
障难度 但是经济成本巨大 文献 基于输电线
，
近年来 国内外多家研究机构对输电线巡检机
， ，
断股问题 研制了一种断股补修机器人 通过增加夹
，
器人展开了研究 代表性研究成果是日本
HiBOT
公
［1］
，
持装置使得机器人可在线路上稳定行走 但是该机
Expliner
、
加拿大魁北
司研制的巡检机器人系统
，
器人不具备跨越线夹的能力 最大滚动爬坡角度不
克电 力 研 究 院 研 制 的 多 功 能 巡 检 作 业 平 台
［2-3］
26°。
，
由此可见 上述巡检机器人研究没有考
LineScout
、
湖 南 大 学 开 发 的 输 电 线 除 冰 机 器
超过
［4］
［5］
、
，
虑到大跨度输电线路巡检的实际需求 使得机器人
人
武汉大学研制的高压巡检机器人 以及中国
。
科学院沈阳自动化研究所研制的输电线巡检维护机
不能同时具有较强的越障能力和滚动爬坡能力
［6-8］
。
［1］
文献 提出了一种在双线结构上行走
器人
本文综合考虑直线塔段大跨度输电线路巡检需
Expliner，
该机器人通过改变自身的二自
， ，
求 从人爬树运动研究中得到启示 完成了一种新型
的机器人
，
。
四臂巡检机器人的机构设计 针对该新型四臂巡检
由度操作臂的重心位置来调整在输电线上的姿态
: 2017-05-04
:
基金项目 国家自然科学基金重点项目
( 51535008)
( SZ-KJXM-20150901)
与南方电网重点科技项目 资助
收稿日期
:
作者简介 肖时雨
( 1986—) ， ， 。
中国科学院大学博士研究生 主要从事机器人机构研究
3
， :
肖时雨 等 一种新型四臂巡检机器人机构设计与运动分析
第
期
·433·
，
机器人的特点 采用运动学仿真实验的方法对机构
。
所示
、
设计可行性 机器人爬坡和越障性能进行了分析和
。
验证
1
任务需求与环境描述
，
根据超高压输电线路的巡检任务需求 巡检机
2
图
爬树过程示意图
， ，
器人需要在架空地线上行走 跨越线路障碍 携带
、
操作红外热成像仪和可见光摄像机分别对线路结构
， 、
及其通道进行观测检查 如线路的受损情况 发热情
， ，
当遭遇突出树杈障碍时 根据树杈长短情况 通
、 、 、
况 压接管的工作状况 线路通道情况 线路绝缘情
，
过调整双手和双腿姿态 人体可使四肢依次分别从
，
况等 采用微波通讯方式将观测图像实时传输至地
，
树杈上方或者侧边越过障碍 其典型越障姿态如图
。
面控制基站
2b) 、 2c)
图
。
所示
， ，
从人爬树运动过程 可以发现 人爬树成功实现
: ，
攀爬和越障的特征 ①在攀爬过程中 必然有一对肢
， ;
体夹持树干 为攀爬运动提供支撑基础 ②在越障过
， ，
程中 单个肢体可以灵活调整姿态 跨越树干或者远
; ，
离树干 ③在弯曲的树干上运动时 腰部必然有一定
。 ， ，
的弯曲度 因此 从人爬树运动研究中得到启示 设
，
计一种四臂式巡检机器人机构 来实现巡检机器人
。
在大跨度输电线路上的作业任务
2．2
整体机构设计
1
图
大跨度单挂点线路环境
3a)
，
新型四臂巡检机器人结构简图如图
所示
1 ，
每条驱动手臂设计了 个回转关节 每条伸缩手臂
1
直线塔段大跨度超高压输电线路环境如图
所
1 1 ，4
设计了 个移动关节和 个回转关节 条手臂反
， 、 、 、 、
示 主要由直线塔 架空导线 地线 防振锤 压接管
、
， 2
对称布置在前后箱体上 在 个箱体之间引入了
1
、 。
悬垂线夹 绝缘子串等组成 机器人沿架空地线巡
。 ，
个被动铰接盘 机器人在爬坡过程中 移动关节通
， 、
检作业时 需要跨越的障碍物为压接管 防振锤和悬
， ，
过夹紧轮与线路接触 用于改变机器人受力状态 提
。
垂线夹 输电线档距跨度大导致悬垂线夹处线路倾
。 ，
高机器人的爬坡性能 机器人在越障过程中 移动
，
斜角度大 最大角度可达
40°。
、
由于铁塔 线路等设
，
关节用于调节机器人在线上的姿态 确定行走轮的
，
施在安装过程中产生的偏差 悬垂线夹两侧线路还
。
存在一定转角 为实现直线塔段线路巡检的目标
，
机器人必须同时具备攀爬倾斜线路和跨越直线塔处
。
障碍物的能力
2
机器人机构设计
2．1
设计思路
，
自然界生物经过千百万年的进化 其机体结构
，
特征极具合理性 如能在机器人的设计中充分模仿
: 1．
; 2． ; 3． ; 4． ; 5． ;
行走轮 回转关节 夹紧轮 被动关节 被动行走轮
注
，
和借鉴并加以适当调整改进 将实现高效灵活的运
6．
; 7． ; 8． ; 9．
回转关节 移动关节 被动回转关节 箱体
。
，
动
通常人在爬树时双手双脚分别环抱夹紧树干
3
图
机器人机构及实体模型
， ，
配合腰部的伸缩 便可沿弯曲的树干爬行 如图
2a)
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