無(wú)配重欠驅(qū)動(dòng)輸電線路巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

北京聯(lián)合大學(xué) 樂(lè)海豐 張利霞 孫力紅

1.采用力學(xué)方法進(jìn)行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用仿長(zhǎng)臂猿的雙臂結(jié)構(gòu)，每條手臂設(shè)計(jì)了4個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別是肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、和腕關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)以及水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并在腕關(guān)節(jié)與箱體的兩端之間引入了一條柔索7。機(jī)器人越障過(guò)程中，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)用于調(diào)節(jié)手臂的姿態(tài)，并定位行走輪的位置。指關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的快速搭線和脫線；還為機(jī)器人在做翻轉(zhuǎn)、越障運(yùn)動(dòng)時(shí)，在動(dòng)勢(shì)能轉(zhuǎn)化中減少損耗提供保障。水平旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于調(diào)節(jié)行走輪的姿態(tài)，繞開(kāi)障礙物。柔索主要用于承受機(jī)器人的重量，調(diào)整它的長(zhǎng)度可以機(jī)器人的質(zhì)心位置。機(jī)器人通過(guò)兩條手臂上的柔索長(zhǎng)度以及各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障功能。

在傳統(tǒng)機(jī)器人基礎(chǔ)上，減少配重系統(tǒng)，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，由兩個(gè)機(jī)器臂和機(jī)體組成。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中各參數(shù)意義如下：Pi為腱張力；mi為臂部各段重量，li為臂部各段長(zhǎng)度；Ji為臂部各段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；di為各關(guān)節(jié)到該部重心的距離；θi為結(jié)構(gòu)角度，此處i=1,2,3。

無(wú)配重欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖中各參數(shù)意義如下：Pi為腱張力；mi為臂部各段重量，li為臂部各段長(zhǎng)度；Ji為臂部各段轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；di為各關(guān)節(jié)到該部重心的距離；θi為結(jié)構(gòu)角度，此處i=1,2,3。

圖1 機(jī)器人模型圖

圖2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

現(xiàn)有的大多數(shù)電纜巡檢機(jī)器人為了保證機(jī)體平衡，是通過(guò)在機(jī)體處添加可改變質(zhì)心位置的配重實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)現(xiàn)搭線和脫線運(yùn)動(dòng)中，類(lèi)似于被提起一個(gè)螯的螃蟹，這種設(shè)計(jì)使機(jī)器臂的仿生性降低。而本設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器臂，兩臂之間相互配合，一個(gè)機(jī)器臂承擔(dān)全身重量時(shí)，另一個(gè)機(jī)器臂不只完成搭線等任務(wù)，還承擔(dān)機(jī)體平衡的校正任務(wù)，由此可以減少機(jī)器人的配重機(jī)構(gòu)，也提高了機(jī)器人的仿生性。

2.欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的越障構(gòu)態(tài)

無(wú)配重欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，依靠關(guān)節(jié)彈簧和機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，形成它專(zhuān)門(mén)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（簡(jiǎn)稱(chēng)構(gòu)態(tài)），完成機(jī)器人的特有運(yùn)動(dòng)。下面通過(guò)機(jī)器人的自然構(gòu)態(tài)、行走構(gòu)態(tài)、轉(zhuǎn)身構(gòu)態(tài)、脫線構(gòu)態(tài)和搭線構(gòu)態(tài)分別說(shuō)明：

機(jī)器人的自然構(gòu)態(tài)，是指機(jī)器人在沒(méi)有外界約束的情況下依靠自身彈性元件復(fù)位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如圖3（A）所示。在彈簧和限位裝置的共同作用下，兩個(gè)機(jī)器臂的大臂與水平面成γ角，腕部與水平面成δ角。目的是在滾筒電機(jī)回收腱時(shí)，防止大臂與機(jī)體平行而出現(xiàn)肩關(guān)節(jié)卡死現(xiàn)象；腕部在搭線脫線時(shí)疊加肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)的彎曲角度，可以接近豎直，方便行走機(jī)構(gòu)搭線脫線。

機(jī)器人的行走構(gòu)態(tài)，如圖3（B）所示，機(jī)器人雙臂在重力的作用下，肩、肘、腕各個(gè)關(guān)節(jié)的彈簧受到壓縮（拉伸），雙臂成豎直狀態(tài)。

圖3 機(jī)器人的越障機(jī)理構(gòu)態(tài)組圖

脫線構(gòu)態(tài)；開(kāi)始越障時(shí)，如圖3（C）所示，后臂滾筒電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使腱p1收回，腱帶動(dòng)大臂l1回轉(zhuǎn)，大臂壓縮肩關(guān)節(jié)向內(nèi)彎轉(zhuǎn)。此時(shí)與之相連接的小臂l2受機(jī)體等物的重力約束，向下垂直，使得肘關(guān)節(jié)向外彎轉(zhuǎn)。機(jī)體逐漸水平移至小臂的正下方，機(jī)體位移也逐漸上升。由于機(jī)體的上升，前臂逐漸失去承擔(dān)機(jī)體重量的功能，同時(shí)也失去了重力的約束，但在腱F2的約束下，依舊呈豎直狀態(tài)，當(dāng)其行走機(jī)構(gòu)高于電纜時(shí)，前臂的行走機(jī)構(gòu)不受下面的電纜約束，就輕松地實(shí)現(xiàn)脫線工作了。

轉(zhuǎn)身與回身構(gòu)態(tài)，如圖3（D）所示，轉(zhuǎn)身構(gòu)態(tài)是前臂完成脫線工序后，后臂水平關(guān)節(jié)向外旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)身體轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)身角度可根據(jù)障礙物的形狀和大小而定，最大為90度。當(dāng)前面的障礙物較大時(shí)機(jī)器臂后面的行走機(jī)構(gòu)繼續(xù)前進(jìn)，行至后臂靠近障礙物時(shí)，調(diào)整機(jī)器人的自平衡構(gòu)態(tài)。回身構(gòu)態(tài)是轉(zhuǎn)身構(gòu)態(tài)的復(fù)位工作，區(qū)別是后臂水平關(guān)節(jié)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，后面的行走機(jī)構(gòu)到達(dá)電纜的正上方，繼續(xù)后續(xù)的搭線過(guò)程。

自平衡構(gòu)態(tài)，搭線構(gòu)態(tài)，如圖3（E）所示，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)處于電纜的正上方時(shí)，該滾筒電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得腱逐漸收緊，行走機(jī)構(gòu)和機(jī)體受腱牽引，之間的距離變小，最終行走機(jī)構(gòu)完全落在電纜之上，逐漸承擔(dān)機(jī)體的重量，完成前臂的搭線過(guò)程。

上述構(gòu)態(tài)僅完成了一個(gè)臂的越障，后臂和前臂進(jìn)行動(dòng)作互換，就可以完成整個(gè)越障過(guò)程了。越障時(shí)的構(gòu)態(tài)如圖3（F）、（G）、（H）和（I）所示。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人，不需要配重的情況下平穩(wěn)的調(diào)整機(jī)器人身姿。機(jī)器人的一個(gè)機(jī)器臂調(diào)整身姿，另一個(gè)機(jī)器臂做搭線或脫線的預(yù)備動(dòng)作，達(dá)到快捷性。通過(guò)機(jī)器人的越障機(jī)理構(gòu)態(tài)組圖，表明該機(jī)器人能在無(wú)配重系統(tǒng)的情況下，保持了機(jī)體基本平衡；利用欠驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的平穩(wěn)越障；達(dá)到了減輕機(jī)器人自重的目的。