基于Pro/E與ADAMS的高空帶電作業(yè)機(jī)器人的聯(lián)合仿真

□ 蔡長(zhǎng)亮 □ 章書成 □ 李玉印

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 呼和浩特 010051

隨著當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，要求電力部門穩(wěn)定、可靠地不間斷發(fā)電，因此，為了適應(yīng)當(dāng)前供電需求，需要進(jìn)行帶電作業(yè)［1］。帶電作業(yè)為提高供電可靠性、減少停電損失等作出了巨大貢獻(xiàn)，得到電力企業(yè)以及社會(huì)的高度重視。但對(duì)于高空帶電作業(yè)，例如，為防止輸、變電站設(shè)備發(fā)生短路及污閃現(xiàn)象的發(fā)生，需對(duì)高空絕緣子進(jìn)行定期的清掃作業(yè)，傳統(tǒng)的人工清掃方法危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，并且人工清掃需要“逢掃必停”，與不間斷供電相違背［2］。因此，設(shè)計(jì)了一種高空帶電作業(yè)機(jī)器人，旨在完全代替人工完成變電站高空帶電絕緣子清掃等工作。

自上世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)外在攀爬機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展迅速，分為環(huán)抱式攀爬機(jī)器人、爪式攀爬機(jī)器人及夾持式攀爬機(jī)器人3種［3］。本文研制的高空帶電作業(yè)機(jī)器人以爪式攀爬機(jī)器人為載體模型，利用Pro/E完成整機(jī)建模后，導(dǎo)入ADAMS軟件中，仿真機(jī)器人在絕緣子上的運(yùn)行情況，獲取機(jī)器人質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度曲線及速度曲線，評(píng)價(jià)高空帶電作業(yè)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性。與此同時(shí)，驗(yàn)證了ADAMS軟件在機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真方面的突出性能表現(xiàn)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶電作業(yè)機(jī)器人整機(jī)主體模型主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)（機(jī)械手爪）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、限位開關(guān)等，整個(gè)機(jī)體長(zhǎng)約280 mm，寬約120 mm，高約 270 mm，總重約為4.5 kg。整機(jī)模型是在Pro/E中進(jìn)行繪制并裝配完成的，裝配模型如圖1所示。

▲圖2 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)

考慮到高空帶電作業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性、可控性、外形尺寸及成本等［4］，最終確定采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)。伺服電機(jī)通過電機(jī)架固定在滑塊上，電機(jī)架底端與連接板相連接，齒條固定在主板上，齒條兩側(cè)各安裝1個(gè)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌兩端裝有4個(gè)限位開關(guān)，用來限制滑塊的移動(dòng)距離，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

該種方案的設(shè)計(jì)，充分利用了齒輪齒條的傳動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上通過主板與連接板的交替循環(huán)移動(dòng)，來帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)每循環(huán)移動(dòng)一次，各主要部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表1所示。

1.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人在高空沿絕緣子移動(dòng)過程中，一方面，需要夾持機(jī)構(gòu)（機(jī)械手爪）具備一定力封閉、形狀不封閉的特點(diǎn)；另一方面，夾持機(jī)構(gòu)要能夠提供足夠大的夾持力，以確保機(jī)器人在移動(dòng)過程中不會(huì)跌落或滑移［2-4］。 機(jī)械手爪主要由電機(jī)、電機(jī)支座、齒輪、上臂、連桿、V字手爪組成，機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

▲圖1 裝配模型

表1 各主要部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2 帶電作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度計(jì)算

該直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，齒輪齒數(shù)為24，模數(shù)為0.8 mm，齒條長(zhǎng)度為150 mm，預(yù)設(shè)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為50 r/min,齒條移動(dòng)的速度v為:

其中：d為齒輪分度圓直徑，mm，d=mz=19.20 mm；n為齒輪轉(zhuǎn)速。

2.2 ADAMS仿真

為了更好地研究高空帶電作業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用Pro/E在原有的機(jī)器人三維模型中構(gòu)建了硅橡膠絕緣子模型,仿真時(shí)，使機(jī)器人在絕緣子上行走。

仿真模型是將Pro/E中的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后，保存為 x_t格式文件，導(dǎo)入 ADAMS中［5］，仿真模型如圖 4所示。在ADAMS中設(shè)置相應(yīng)的仿真環(huán)境 （重力加速度、計(jì)量單位等），對(duì)各個(gè)構(gòu)件添加預(yù)設(shè)的材料屬性，并在構(gòu)件之間添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副［6］，包括鉸副、固定副、移動(dòng)副等。最后，添加motion驅(qū)動(dòng)，利用里面的Step（TIME,t0，y0，t1，y1）函數(shù)定義伺服電機(jī)的角速度、機(jī)械手爪的角速度（本文忽略不提）。

2.2.1 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度仿真分析

▲圖5 主板速度時(shí)間曲線

▲圖3 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)

▲圖4 仿真模型

進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)仿真步數(shù)與步長(zhǎng)成反比，且步長(zhǎng)越大，仿真效果越逼真明顯，但仿真計(jì)算時(shí)間相應(yīng)的也越長(zhǎng)［7］，因此，本次仿真設(shè)置步數(shù)為1 500，時(shí)間為3.0 s。根據(jù)預(yù)設(shè)方案（表1），在伺服電機(jī)上添加具體驅(qū)動(dòng)函數(shù)值為：STEP（time,0.2,0,0.4,60d ）+STEP（time,0.8,0,1.0,-60d ）+STEP（time,1.4,0,1.6,60d ）+STEP（time,2.0,0,2.2,-60d）+STEP（time,2.6,0,2.8,60d），仿真完成后得到主板與連接板的速度時(shí)間曲線如圖5、6所示。

分析上述曲線可以看出：在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，主板的最大速度為3.14 m/min,與理論值3.01 m/min相比較，誤差為4.31%；連接板的最大速度為3.09 m/min，與理論值3.01 m/min相比較，誤差為2.66%，滿足設(shè)計(jì)方案要求。

2.2.2 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加速度仿真分析

為了更好地分析帶電作業(yè)機(jī)器人在絕緣子上行走的平順性，利用ADAMS仿真得到機(jī)器人質(zhì)心在豎直方向的振動(dòng)加速度曲線，為了便于比較分析，將機(jī)器人質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度分解成主板質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度與連接板質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度，加速度隨時(shí)間變化曲線如圖7、8所示。

分析上述曲線可以看出：機(jī)器人在絕緣子上運(yùn)行時(shí)， 0.4～0.8 s、1.0～1.4 s、1.6～1.8 s、2.2～2.4 s 這四個(gè)時(shí)間段，主板與連接板是靜止的，加速度為零，這是由于在此過程中，機(jī)械手爪I與機(jī)械手爪II在交替張開與閉合。機(jī)器人在作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，主板與連接板質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度范圍分別是-6.31～6.47 m/s2與-6.43～6.95 m/s2，通過計(jì)算，機(jī)器人質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度均值為0.53 m/s2。

3 結(jié)論

▲圖6 連接板速度時(shí)間曲線

▲圖7 主板質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度時(shí)間曲線

▲圖8 連接板質(zhì)心在豎直方向上的振動(dòng)加速度時(shí)間曲線

本文運(yùn)用三維繪圖軟件Pro/E建立了高空帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度進(jìn)行了計(jì)算，在機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中建立了仿真模型并進(jìn)行了仿真分析，獲得了機(jī)器人在硅橡膠絕緣子上行走時(shí)主板與連接板的速度時(shí)間曲線、主板與連接板在豎直方向上的振動(dòng)加速度時(shí)間曲線。仿真結(jié)果一方面體現(xiàn)了ADAMS在機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真方面的優(yōu)點(diǎn)，另一方面驗(yàn)證了高空帶電作業(yè)機(jī)器人在硅橡膠絕緣子上行走較平穩(wěn)、可靠。研究結(jié)果一方面可用于高空帶電作業(yè)機(jī)器人的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，另一方面對(duì)提高帶電作業(yè)效率、減小勞動(dòng)強(qiáng)度等具有指導(dǎo)意義［3］。

［1］ 李健,魯守銀,王振利，等.220 kV變電站帶電作業(yè)機(jī)器人的研制［J］.制造業(yè)自動(dòng)化,2013（9）:76-79.

［2］ 陸小龍,趙世平，廖俊必，等.電力鐵塔攀爬機(jī)器人加持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào),2010（11）:239-250.

［3］ 何富君,李浩,張瑞杰，等.儲(chǔ)罐爬壁機(jī)器人的噴漆機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及 ADAMS 仿真［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013（11）:107-110.

［4］ 魯守銀，馬培蓀，戚暉.高壓帶電作業(yè)機(jī)器人的研制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003（10）:56-58.

［5］ 王洪光,姜勇,房立金，等.雙足爬壁機(jī)器人壁面凹過渡步態(tài)規(guī)劃研究［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2007（4）:40-45.

［6］ 張靜,許東來.ADAMS在并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程,2010（9）:57-60.

［7］ 焦曉娟,張湝渭,彭斌彬.RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社,2010.