高空柔索作业机器人的机械本体设计

刘笑辰　孙汉文　杜燕飞

摘 要：针对目前高空巡检作业工作环境差，危险系数高等问题，介绍了一种高空柔索作业机器人，利用三维设计软件solidworks建立了机器人的虚拟样机，最后通过实验测试，验证了机器人结构设计的合理性和稳定性。

关键词：巡检；机械结构；越障；实验

随着机器人技术的快速发展，其应用领域也越来越广泛。将机器人技术应用到诸如索道以及高压输电线路等的安全检修工作得到了越来越多的关注和研究。

本文设计了一款高空作业机器人，不仅能够代替人工完成各项工作，而且能够长时间、高强度的完成作业。

国外对于巡检机器的研究取得了一定的进展，如加拿大魁北克水电研究院研制的第三代原型样机“LineScout”[ 1-2 ]机器人，目前已应用于实际线路的检修工作。而国内高空作业巡检机器人的研究与国外相比存在一定的差距。目前，中国科学院自动化研究所和山东科技大学共同研制的三掌两臂式机器人[ 3-4 ]，在跨越耐张线夹取得了一定的突破，具有能够跨越跳线和不同弯度线路的优点，但是存在总体质量大、控制比较复杂等问题。

本文提出了一种新型的三臂轮式高空柔索作业机器人。这种机器人不仅结构紧凑、重量轻，而且能够跨越防震锤、间隔棒、悬垂线夹，以及耐张线夹等复杂障碍物。

1 高空柔索作业机器人机械本体设计及越障分析

1.1 高空柔索作业机器人设计要求

高空柔索作业机器人的设计包括机械系统、控制系统、通讯系统、检测系统等的设计，而机械本体的设计是机器人功能实现的基础。

为保证机器人的高空巡检作业的稳定性，设计时，需要满足以下基本要求：

1.1.1设备搭载能力

机器人设计时，需要具有一定的负载能力，以便携带检测设备与维修设备完成对索道电缆、高架线等的检测与维修作业。

1.1.2障碍跨越能力

为了保证高压输电线路的稳定以及一些功能需求，线路中往往存在防震锤、间隔棒、悬垂线夹、耐张线夹等障碍物，机器人在巡检过程中需要具有跨越这些障碍的能力。

1.1.3爬坡能力

高压线路杆塔之间距离的长短使输电线存在一定的坡度，机器人要在线路上持续运行，必须具有一定的爬坡能力，其爬坡角度≤60°。

1.2 高空柔索作业机器人机械本体组成

通过对国内外高空作业机器人的研究现状分析以及高空巡检作业环境和任务的功能定位，设计了一款三臂轮式柔索作业机器人，其本体结构分为前、后臂、中臂以及控制箱体四大部分，如图1所示。其中前后臂结构设计相同，具有行走机构、竖直伸缩机构、摆臂机构以及底座旋转机构组成。中臂为辅助驱动臂，由行走机构、竖直伸缩机构组成。

机器人巡检作业过程中的行走方式主要有攀爬式和轮式[ 5，6 ]。由于攀爬行走方式存在速度慢、效率低、重心不稳等问题，而轮式结构克服了这些缺点，并且在巡检过程中对导线的损害低、行走可靠稳定，因而行走机构的设计采用轮式结构。

行走轮主要由驱动半轮、辅助半轮、丝杠、同步帶轮等组成，如图2所示。行走轮选用的聚氨酯材料，具有性能稳定、绝缘、寿命长的优点。其行走机构采用的不对称开合式结构，开合电机通过丝杠螺母滑块机构实现大、小半轮的开合运动，大小半轮移动距离比为2：1，总行程为80mm。其中大半轮具有和输电线路相仿的凹形沟槽，增大了轮子与导线之间的接触面积。轮式开合式结构具有很多的优点，不仅能够提高机器人的越障效率，而且保证了机器人巡检过程的稳定，避免因外界环境的变化引起机器人脱线的危险。

1.3 引流线越障过程分析

由于引流线路（跳线）比较复杂，而且空间形状、布局差别很大，因而这一跨越过程通过监控视频与手动操作完成。当前臂遇到引流线时，手臂的脱线与抓线方式和直线段相同。首先，前臂行走轮脱线，中臂和后臂驱动机器人行走，当中臂接近引流线时，调整手臂姿态，使前臂行走轮抓住引流线。中臂行走轮脱线，前后臂驱动前进，直至后臂接近悬垂线夹，调整前后机械臂使中臂行走轮抓住跳线。后臂行走轮脱线，机器人继续前行，当后臂通过悬垂线夹后，调整前、中臂使后臂抓住跳线，完成整个跳线段的越障。

2 实验验证

为进一步验证机械机构的可行性，制作机器人物理样机，在模拟线路中进行了机器人爬坡和引流线跨越的实验验证，如图3所示。

3 结论

模拟机器人工作环境，对机器人进行现场实现，验证了机器人能够稳定可靠地跨越线路、电缆索道上的障碍，为机器人在高空中的实际应用提供了依据。

参考文献：

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[2] Montambault S，Pouliot N.Design and validation of a mobile robot for power line inspection and maintenance[Z].2007.

[3] Xiao Xiaohui， Wu Gongping.Dynamic simulation and experimental study of inspection robot for high-voltage transmission-line， Journal of Central South University of Technology，2005（6）：726-731.

[4] 丁鸿昌，王吉岱，杨前明，等.高压输电线路自动巡检机器人的研制与开发[J].现代制造技术与装备，2006（4）：10：12.

[5] 连金玲.气动式输电线路除冰机器人机械本体研究[D].青岛：山东科技大学，2012.

[6] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.

作者简介：

刘笑辰（1990-），男，汉族，山东栖霞人，硕士，山东科技大学机械电子工程学院，动力工程专业先进过程装备技术方向；

孙汉文（1995-），男，汉族，山东栖霞人，本科，山东科技大学机械电子工程学院，过程装备与控制工程专业；

杜燕飞（1994-），男，汉族，山东菏泽人，本科，山东科技大学机械电子工程学院，过程装备与控制工程专业。