基于有限元法的電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

文廣，蘇睿，姚錕，吳學(xué)峰，惠重粒

基于有限元法的電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

文廣1，蘇睿1，姚錕1，吳學(xué)峰2，惠重粒2

（1.成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 成都 611730；2.成都天可精創(chuàng)科技有限公司，四川 成都 610041）

電力巡線(xiàn)機(jī)器人往往工作在距地?cái)?shù)十米的高空，經(jīng)常承受隨機(jī)性的風(fēng)載荷，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大。以某輪飛式電力巡線(xiàn)機(jī)器人為研究對(duì)象，利用有限元軟件，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，通過(guò)分析獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。分析結(jié)果表明：該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下的前6階固有頻率分別為：4961.1 Hz、19722 Hz、29702 Hz、94488 Hz、121190 Hz、161450 Hz，各階模態(tài)振型表現(xiàn)為：第1、5、6階為結(jié)構(gòu)繞軸的擺動(dòng)振型，第2階為結(jié)構(gòu)繞軸的擺動(dòng)振型，第3、4階為結(jié)構(gòu)繞軸的擺動(dòng)振型，其中第4、6階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響最大。分析結(jié)果為該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

電力巡線(xiàn)機(jī)器人；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；固有頻率；振型

高壓輸電線(xiàn)路一般架設(shè)在戶(hù)外距地?cái)?shù)十米的高空中，所處環(huán)境比較惡劣，易出現(xiàn)散股、線(xiàn)路老化、破損、金具脫落等問(wèn)題，因此，需要定期巡檢[1]。高壓輸電線(xiàn)路的巡檢工作一般有三種方式：人工巡檢、直升機(jī)或無(wú)人機(jī)巡檢、機(jī)器人巡檢。相對(duì)而言，人工巡檢效率低，且危險(xiǎn)程度高，無(wú)人機(jī)或直升機(jī)巡檢則費(fèi)用高，因此，采用機(jī)器人巡檢是目前比較普遍的線(xiàn)路巡檢方式。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方便實(shí)用的高空輸電線(xiàn)路巡檢機(jī)器人成為了各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。早期的線(xiàn)路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，僅僅能完成兩座線(xiàn)塔之間的巡檢作業(yè)，且工作時(shí)需要人工輔助[2]。國(guó)外研究線(xiàn)路巡檢機(jī)器人的時(shí)間相對(duì)較早，如日本研制出了架空地線(xiàn)上作業(yè)巡檢機(jī)器人（OPGW）[3]、伊朗研制出了高壓線(xiàn)檢測(cè)機(jī)器人[4]等，國(guó)內(nèi)也在20世紀(jì)90年代開(kāi)始了相關(guān)的研究工作，如上海大學(xué)研制出了高壓導(dǎo)線(xiàn)巡檢機(jī)器人[5]、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)研制出了模塊化輪指式高壓線(xiàn)巡檢機(jī)器人[1]等。機(jī)械結(jié)構(gòu)是輸電線(xiàn)路巡檢機(jī)器人的核心部件，其工作可靠性直接影響著機(jī)器人的巡檢工作性能。也有部分研究人員針對(duì)線(xiàn)路巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)展了設(shè)計(jì)工作。周俊等[6]專(zhuān)門(mén)為高壓線(xiàn)路巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種越障機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)和槽輪機(jī)構(gòu)組成。姜生元等[7]則為了解決吊臂巡線(xiàn)機(jī)器人跨越線(xiàn)纜時(shí)出現(xiàn)的姿態(tài)失穩(wěn)問(wèn)題而設(shè)計(jì)了一種自平衡機(jī)構(gòu)。對(duì)輸電線(xiàn)路巡檢機(jī)器人來(lái)說(shuō)，工作時(shí)承受的載荷往往是隨機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷，其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較大，因此，在設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，非常有必要對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。目前，大部分的設(shè)計(jì)人員都將結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)特性[8-10]作為其研究方向，較少關(guān)注結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的研究。本文以某輪飛式電力巡線(xiàn)機(jī)器人為研究對(duì)象，利用有限元軟件，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，通過(guò)分析獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，

并考察對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響較大的模態(tài)。研究結(jié)果為該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意及有限元模型

本文研究的電力巡線(xiàn)機(jī)器人主要通過(guò)最上方的兩個(gè)車(chē)輪與輸電線(xiàn)路接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)沿線(xiàn)路方向的移動(dòng)。整機(jī)結(jié)構(gòu)使用鋁合金制成，表1給出了該材料的性能參數(shù)。分析前，在有限元軟件中建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，由于模型為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，因此，采用solid187單元來(lái)模擬，并使用自由網(wǎng)格劃分方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該有限元模型共有252702個(gè)單元、359752個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖1給出了該電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元模型。

表1 鋁合金材料性能參數(shù)

圖1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元模型

2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模型建立后，采用蘭斯索斯法[11]，對(duì)其進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析[12]，分析后提取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)對(duì)模型進(jìn)行約束，該輸電線(xiàn)路檢測(cè)機(jī)器人在巡線(xiàn)時(shí)主要依靠上方的輪子在電線(xiàn)上行走，因此，本文分析時(shí)選擇約束輪子（如圖1所示）與電線(xiàn)接觸部位的所有平動(dòng)自由度。根據(jù)模態(tài)理論，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響較大的是低階模態(tài)，因此，本文只提取了該輸電線(xiàn)路檢測(cè)機(jī)器人的前6階模態(tài)。該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率如表1所示，圖2給出了結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)振型。

表2 電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)固有頻率

圖2 電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)振型

從圖2可以看出，該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)振型表現(xiàn)如下：第1、5、6階為結(jié)構(gòu)繞軸的擺動(dòng)振型，第2階為結(jié)構(gòu)繞軸的擺動(dòng)振型，第3、4階為結(jié)構(gòu)繞軸的擺動(dòng)振型。

3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析

為了進(jìn)一步分析對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響最大的模態(tài)，對(duì)該電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)諧振動(dòng)響應(yīng)分析。從模態(tài)分析結(jié)果可知，該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率最大值為161450 Hz，因此，在進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)響應(yīng)分析時(shí)，將激勵(lì)頻率范圍設(shè)置為0～165000 Hz，分成33份，載荷大小設(shè)置為階躍載荷，即考慮結(jié)構(gòu)在載荷大小保持不變時(shí)的響應(yīng)。該輸電線(xiàn)路檢測(cè)機(jī)器人在工作時(shí)主要承受自身的重力，因此，本文僅研究結(jié)構(gòu)在重力載荷下的位移響應(yīng)。通過(guò)分析，提取結(jié)構(gòu)上部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移幅值隨激勵(lì)頻率的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移幅值隨激勵(lì)頻率的變化曲線(xiàn)

從圖3（a）可以看出，在不同激勵(lì)頻率的簡(jiǎn)諧載荷作用下，660號(hào)節(jié)點(diǎn)的、、三個(gè)方向的振動(dòng)位移幅值均在激勵(lì)頻率為5000 Hz、20000 Hz、30000 Hz、95000 Hz、120000 Hz、160000 Hz時(shí)出現(xiàn)了峰值，其中，峰值較大值出現(xiàn)在激勵(lì)頻率為20000 Hz和95000 Hz時(shí)。從圖3（b）可以看出，8636號(hào)節(jié)點(diǎn)在不同激勵(lì)頻率的簡(jiǎn)諧載荷作用下，其、、三個(gè)方向的位移幅值變化曲線(xiàn)也出現(xiàn)了明顯的峰值，且峰值出現(xiàn)在激勵(lì)頻率為5000 Hz、20000 Hz、30000 Hz、95000 Hz、120000 Hz、160000 Hz時(shí)，當(dāng)激勵(lì)頻率為95000 Hz和160000 Hz時(shí)，其峰值較大。從圖3（c）可以看出，10286號(hào)節(jié)點(diǎn)的各方向位移幅值變化曲線(xiàn)表現(xiàn)規(guī)律和660、8636號(hào)節(jié)點(diǎn)相似，同樣，其、、三個(gè)方向位移幅值變化曲線(xiàn)均出現(xiàn)了明顯的峰值，峰值出現(xiàn)在激勵(lì)頻率為5000 Hz、20000 Hz、30000 Hz、95000 Hz、120000 Hz、160000 Hz時(shí)，當(dāng)激勵(lì)頻率為30000 Hz和160000 Hz時(shí)，其峰值較大。從圖3（d）可以看出，27305號(hào)節(jié)點(diǎn)的、、三個(gè)方向的振動(dòng)位移幅值均在激勵(lì)頻率為5000 Hz、20000 Hz、30000 Hz、95000 Hz、160000 Hz時(shí)出現(xiàn)了峰值，當(dāng)激勵(lì)頻率為5000 Hz時(shí)，其峰值最大。

綜合來(lái)看，當(dāng)激勵(lì)頻率值為20000 Hz和95000 Hz時(shí)，660號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)幅值變化曲線(xiàn)峰值較大，而8636號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)幅值變化曲線(xiàn)較大峰值出現(xiàn)在了激勵(lì)頻率為95000 Hz和160000 Hz時(shí)，10286號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)幅值變化曲線(xiàn)較大峰值出現(xiàn)在了激勵(lì)頻率為30000 Hz和160000 Hz時(shí)，27305號(hào)節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)幅值變化曲線(xiàn)較大峰值出現(xiàn)在了激勵(lì)頻率為5000 Hz時(shí)。從上述分析結(jié)果來(lái)看，激勵(lì)頻率分別為95000 Hz和160000 Hz的載荷對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)影響相對(duì)更大，從模態(tài)分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的第四階模態(tài)頻率與95000 Hz接近，第六階模態(tài)頻率與160000 Hz接近，因此，可以認(rèn)為，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響最大的的是第四階模態(tài)和第六階模態(tài)。

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件，對(duì)某輪飛式電力巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，通過(guò)分析得出如下主要結(jié)論：

（1）該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)固有頻率分別為：4961.1 Hz、19722 Hz、29702 Hz、94488 Hz、121190 Hz、161450 Hz。

（2）該機(jī)器人的第四階和第六階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)態(tài)特性影響較大，在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮這兩階模態(tài)的影響。

[1]葉長(zhǎng)龍，閆法兵，姜春英，等. 模塊化輪指式高壓線(xiàn)巡檢機(jī)器人[J]. 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，35（2）：28-34.

[2]DEBENEST P，GUAMIERIM，TAKITA K，et al. Ex-pliner-Robot for inspection of transmission lines [C]. International Conference on Robotics and Automation，2008：3978- 3984.

[3]SAWADA J，KUSUMOTO K，MUNAKATA T，et al. A Mobile Robot for Inspection of Power Transmission Lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，1991，11（1）：57.

[4]MOSTASHFI A，F(xiàn)AKHARI A，BADRIM A. A novel design of inspection robot for high-voltage power lines[J]. Industrial Robot，2014，41（2）：166-175.

[5]ZHIBIN R，YI R，YONG Y，et al. Control of inspection robot for the power transmission lines based ondatabase[C]. 27th Chinese Control Conference. IEEE，2008：281-285.

[6]周俊，冷鴻彬，朱洪俊. 高壓線(xiàn)巡檢機(jī)器人越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2012，29（12）：25-27.

[7]姜生元，任立敏，焦宏章，等. 吊臂式巡線(xiàn)機(jī)器人懸吊姿態(tài)自平衡機(jī)構(gòu)的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（1）：49-52.

[8]王吉岱，張彥囡，甄靜. 高壓線(xiàn)路巡檢機(jī)器人機(jī)械臂閉鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 機(jī)床與液壓，2018，46（11）：41-45.

[9]王海峰，李鳳婷，賈言爭(zhēng)，等. 適用于大規(guī)模光伏陣列的無(wú)水清掃機(jī)器人[J]. 可再生能源，2015，33（10）：1439-1444.

[10]封尚，章合滛，薛建彬，等. 線(xiàn)纜巡線(xiàn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械與電子，2013（12）：70-74.

[11]張朝暉. ANSYS 12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M]. 3版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

[12]王德民，別磊，姜俊霞，等. 工業(yè)機(jī)器人RV減速機(jī)擺線(xiàn)輪模態(tài)分析[J]. 機(jī)械，2019，46（6）：60-65.

Dynamic Characteristics Analysis of Mechanical Structure of Electric Patrol Robot Based on Finite Element Method

WEN Guang1，SU Rui1，YAO Kun1，WU Xuefeng2，HUI Chongli2

( 1.School of Intelligent Manufacturing, Chengdu Technological University, Chengdu611730, China; 2.Chengdu Tianke Jingchuang Technology Co., Ltd., Chengdu610041, China)

Electric patrol robot often works tens of meters above the ground and bears random wind loads, and the dynamic characteristics of the mechanical structures have a great impact on their dynamic response. This paper studies a flying electric patrol robot. The dynamic characteristics of the robot are analyzed by using finite element software, and the natural frequencies and vibration modes of the structure are obtained through analysis. The results show that the first six natural frequencies of the mechanical structure are 4961.1, 19722, 29702, 94488, 121190 and 161450 Hz, respectively. In the first, fifth and sixth order, the swing modes of the structure are aroundaxis. In the second order, the swing modes of the structure are aroundaxis, and in the third and fourth order, the swing modes of the structure are aroundaxis. Among them, the fourth and sixth modes have the greater influence on the dynamic characteristics of the structure. The analysis results provide a theoretical basis for the dynamic optimization of the mechanical structure of the robot.

electric patrol robot；modal analysis；harmonic analysis；natural frequencies；vibration type

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.007

1006－0316 (2020) 01－0041－05

2019－09－03

四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目——基于安全保護(hù)功能的高空作業(yè)機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)研究（2018JY0132）；成都工業(yè)學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（2017RC009，2017RC007）

文廣（1988－），男，湖北荊州人，博士，講師，主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、摩擦學(xué)。