质心调节式巡线机器人机械本体的结构设计

卢坤媛 ，王吉岱

（1.青岛黄海学院，青岛 266590；2.山东科技大学，青岛 266590）

0 引言

随着国家电网的高速发展，输电线路的安全稳定运行越来越受到人们的重视。为了代替人工、直升机巡检等传统的巡检方式，减轻人工劳动强度和作业成本，国内外多家研究机构展开了对研究输电巡线机器人技术的研究，并取得了一定的成就。目前，塔内作业的巡检技术比较成熟，但越塔作业的巡线机器人还没有很成熟的技术。巡线机器人沿着电力线路巡检时，完成塔内和塔间的工作，在塔内作业时，沿着直线行走，遇到简单障碍（防震锤、间隔棒、悬垂线夹等）时，可以比较容易越障。但是遇到耐张线塔，需要跨越引流线时，越障难度就比较大。巡线机器人的工作环境如图1所示。

图1 高压线路巡线机器人工作线路图

1 巡线机器人的系统组成

作为机电一体化产品，巡线机器人涉及到机械机构、传感器融合技术、驱动系统、通讯技术以及电源技术等多个领域。巡线机器人一般由机械本体、检测系统、控制系统、反馈系统以及驱动系统等组成的。巡线机器人控制系统包括手动控制装置、遥控器控制装置以及远程监控装置。检测装置可以实时检测巡线机器人的行走状态以及线路故障状态，并将检测信号反馈给控制系统，通过闭环控制，将反馈的信息比较之后，对执行机构发出新的指令，进行位姿调整。

巡线机器人的机械本体技术是目前制约巡线机器人发展的关键技术之一。在设计机械本体时，首先要研究清楚高压输电线路巡线机器人的工作要求以及要达到的技术指标，其主要内容有：在人工辅助下可以实现上、下线；在驱动系统的作用下，沿线稳定行走；遇到障碍，检测系统发出信号，反馈系统将信号反馈到巡线机器人的上位机，从而控制驱动装置驱动行走轮平稳越障；电力线路是有一定弧度的，因此巡线机器人要有一定的爬坡能力；越障功能：可以跨越电力线路上的间隔棒、防震锤、悬垂线夹和跳线等障碍；依据巡线机器人要实现的功能目标和性能要求，其机械本体设计包括：越障手臂设计行走臂设计和整体框架设计等。

2 可调质心巡线机器人的机构简图

一般的机械手臂，具有六个自由度，针对本文的技术要求，可以适当的减少自由度的个数，执行末端既可以达到指定的位姿，又减少了控制的难度。利用人沿线攀援的仿生学原理，本文设计了三臂巡线机器人，左右两侧的手臂均有三个自由度：竖直面的伸缩移动、水平面的转动、竖直面的转动。这三个自由度就可以满足行走轮的位姿即末端执行器的需求。对于中间机械手臂无需实现水平面的跨越，因此可以减少一个竖直面的仰俯的自由度。三臂巡线机器人的机构简图，如图2所示。

图2 质心可调的巡线机器人的机构简图

巡线机器人沿线向右行走时，当右侧的机械臂遇到障碍时，右臂依靠伸长抬起离线，此时只有两个机械臂挂线，整体的机械重心就会偏斜，影响越障的平稳性，故在三个机械手臂的底部基架上安装质心调节机构。越障时，抬起一个手臂时，借助控制箱和机座的相对移动，调整整个巡线机器人的重心在两个挂线的机械臂中间。

在线越障时，考虑到实际线路障碍尺寸的大小以及分布的情况，机械臂伸缩等诸多因素，确定巡线机器人的左右两臂之间的距离为280mm，三个行走轮的直径为100mm，转动关节1、2的转动角度为60°，关节3的伸缩距离为240mm。依左臂为例，可以实现沿线跨度为700mm的距离，如图3所示。

图3 机械臂跨越示意图

3 巡线机器人整体结构设计

巡线机器人沿线巡检线路时，它的所有重量都作用在高压线路上，为了避免因重量问题对线路造成损坏，在设计巡线机器人时，尽可能设计质量轻便、易于操作的机构。结合实际的工况要求，左右两臂要反向对称布置在输电线路上，机构相同，都有行走机构、伸缩机构、组合摆臂机构、刹车机构等。通过丝杠螺母副，来控制控制箱和基座之间的移动，进而调节整机的机构重心。

3.1 伸缩机构的设计

伸缩机构由导向杆、梯形丝杠、丝母、丝母座、伸缩臂护板、底板以及驱动电机等组成。伸缩臂机构和行走机构之间通过丝座连接固定，传动机构采用螺旋机构平稳传动，由电机驱动螺纹丝杠，带动丝母沿导杆上下移动，进而实现行走主机构的升起和降落运动。

3.2 行走机构的设计

行走机构由行走轮和伸缩臂组成，行走轮由电机通过两个锥齿轮机构带动，它是行走机构的主要零件之一。它需要沿线行走，还需要承受整个机器人的重量，所以在设计行走轮时，既要考虑重量问题，还要考虑摩擦力的问题。行走轮自身既要轻便，又要满足足够的强度和刚度。作者选用尼龙70作为行走轮的主体，在其外表面采用高强度、高弹性的聚氨酯耐磨材料。聚氨酯材料具有高弹性和高耐磨性，可以防止爬坡时机器人打滑，同时又减轻了对线路的磨损。

3.3 组合摆臂机构的设计

组合摆臂机构由两个转动副组成，每个转动副是一个蜗轮蜗杆传动，其转角在±60°的范围内转动，蜗轮蜗杆传动由电机驱动，实现组合摆臂在竖直方向或者在水平方向内的转动。在控制系统的作用下，组合摆臂和伸缩臂配合实现在线的行走以及简单的越障功能。因为蜗轮蜗杆机构具有良好的自锁性能，所以组合摆臂在线运行的任何位姿都可以保持比较稳定的状态。

3.4 质心可调机构的设计

质心可调机构是利用丝杠螺母移动副，实现箱体和机械手臂之间的移动，从而调节整个机器的机构重心。丝杠采用梯形螺纹丝杠，传递动力大、自锁性好。电机带动梯形螺纹丝杠，丝杠带螺母沿着机箱的燕尾槽往复的水平移动。

3.5 制动机构的设计

在线检测时，遇到故障，巡线机器人需要制动刹车，本文设计的制动刹车机构由刹车片、减速器、杠杆等组成，减速器采用蜗轮蜗杆传动，自锁性和精密性较好。利用该制动刹车机构，巡线机器人可以在线上平稳停车。

4 巡线机器人驱动系统的选取

依据驱动源的不同，巡线机器人的驱动系统包含液压驱动、气压驱动、电机驱动以及混合驱动等。

1）液压驱动系统以高压油为工作介质，结构紧凑，动作灵敏且传动平稳，这是液压驱动的优点。其缺点是：密封要求的条件高，液压的元件成本高，而且需要配备专门的储油缸、液压阀，体积比较大。在巡线机器人的驱动系统中不适合采用这种驱动方式。

2）气动以压缩空气作为动力，气动装置结构简单，安装维护简单，易于操作。但是因为是压缩空气，其可靠性不高，工作运行的稳定性稍差，不能进行高精度的控制。所以这种驱动方式也不适合。

3）电机驱动没有污染，易于控制，运动精度较高，因此在机械驱动中被广泛应用。驱动电机有步进电机和伺服电机，而伺服电机又分为直流和交流。步进电机价钱便宜，控制系统简单，但是它是开环控制，精度比较低。交流伺服电机在成本和维护上比直流电机有优势，但是对于高输电线路上的巡线机器人如何取电成了难题。在启动性能上，调速范围上，直流伺服电机比其他几种电机都有明显的优点但是价钱较高。因此，本文在选择电机时，选用直流电机附加编码器的方式，既经济又实用，能够较好的驱动巡线机器人，实现在线作业。

5 巡线机器人的三维实体建模及优化

巡线机器人的机械本体结构比较复杂，借助于计算机辅助设计模块方便对巡线机构进行优化。在三维建模的过程中，涉及到了实体建模、特征建模和装配建模三个模块，借助于这三大模块的强大的产品设计功能，为后期的机构运动分析和动力分析奠定了基础。对巡线机器人的组成进行分解，左右两臂机构对称，装配时一定要注意对称性，依据各个零部件的位置和建模关系，对各个零部件进行机构分析。

在UG中虚拟装配分为自底向上的方式和自顶向下的方式，以及混合组装。对于本文设计的三个机械手臂采用了自底向上的装配方式，而装配行走机构和伸缩机构则用了自顶向下的装配方式。在建模和装配的过程中，出现了干涉情况，重新绘制二维图纸，建立三维模型，直到没有干涉发生为止，最终得到巡线机器人的总装配体图，如图4所示。

图4 巡线机器人的三维优化模型

6 结语

本文设计了一种质心可调节的巡线机器人机械本体的结构。该巡线机械人包括机械组成部分和动力控制部分，机械组成部分又分为行走机构和质心调节机构。按照要到达的技术要求，利用CAD设计二维图纸，然后在UG软件中建立零部件的三维模型，在装配过程中对发生干涉的零部件重新设计，反复优化，最终建立了巡线机器人的整体装配模型。