變電站搬運機器人的機械臂結構設計與分析＊

袁鏡江，何滿棠

變電站搬運機器人的機械臂結構設計與分析＊

袁鏡江，何滿棠

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

隨著社會的進步，中國輸電線路網絡技術也在蓬勃發展，因此，與之相關的變電站的數量在不斷增加，相對應的用人數量也在不斷增加，加上相關專業技術人員的匱乏，導致國家現有搬運人員越來越無法滿足變電站的搬運任務。因此，設計分析了一種實用新型的電力作業搬運機器人，主要從結構和組成分析了其能夠自動搬運重物的運動機理。搬運機器人的使用不僅可以提高作業工作效率、節省勞動成本，還不容易發生安全事故。

輸電線；變電站；搬運任務；工作效率

1 引言

隨著經濟和社會的發展，人們對電力供應的要求也在不斷提高，電力線路的鋪設也將日益完善。在當今現代社會發展中，電力作業的應用已經滲透到社會生活中的每一個角落，種類和數量眾多的電力設備已經支撐起了社會生活的正常運行。由于電力設備種類繁多、數量大、應用廣泛等特點，所以，經常會發生電力設備故障或損壞的現象，因此需要電力相關工作人員進行維護或維修。然而，在維護和維修的過程中，時常需要搬運一些重物，比如高壓瓷瓶，而目前主要是采用人工搬運重物的方式，由于一些重物體積比較大，光靠人工無法搬動，這樣不僅容易降低勞動者作業的工作效率，而且還容易發生安全事故，為了解決上述問題，本文設計了一種應用在電力作業的新型搬運機器人，并對其結構進行設計與分析。

2 新型機器人的機械臂結構設計與分析

本文設計的新型機器人主要解決的技術問題是提供一種自動作業的重物搬運機械人，不需要人工操作，這不僅可以提高作業效率，且不容易發生安全事故，新型電力作業重物搬運機械臂的整體結構如圖1所示。

新型搬運機械人的結構為：第一伸縮支腿設置在車架底盤的前端，包括第一旋轉關節、第一支腿液壓缸、第一主腿以及第一伸縮桿腿；第二伸縮支腿設置在車架底盤的前端，包括第二旋轉關節和第二支腿液壓缸、第二主腿以及第二伸縮桿腿；第三伸縮支腿設置在車架底盤的后端，包括第三旋轉關節、第三支腿液壓缸、第三主腿以及第三伸縮桿腿；第四伸縮支腿設置在車架底盤的后端，包括第四旋轉關節、第四支腿液壓缸、第四主腿以及第四伸縮桿腿。

另外，第一伸縮桿腿、第二伸縮桿腿、第三伸縮桿腿和第四伸縮桿腿之間可進行伸縮設置，以抬升車架底盤的高度。第一履帶和第二履帶設置在車架底盤的兩側端，車架底盤的兩側端設有車輪，第一履帶和第二履帶包裹在車輪外，通過在車架底盤的兩側端設置第一履帶和第二履帶，方便機器人行走爬行。旋轉底板可旋轉設置在車架底盤上。伸縮臂設置在旋轉底板的一側端上。斜推油缸設置在旋轉底板的另一側端上，機械臂鉸接設置在伸縮臂遠離旋轉底板的一端上。機械臂包括第一電機、第一轉臂、第二電機、第二轉臂、第三電機，安裝板、第四電機以及固定板。由于機械臂操作靈活獨特，已經在工業裝配、安全防爆以及電力搬運領域得到廣泛的應用，但對于不同的任務，機械臂則需要規劃關節空間的運動軌跡，因此，這就對機械臂的精度要求極為重要。機械臂是一個多輸入、多輸出、高度非線性、強耦合的復雜系統，存在著參數攝動、外界干擾等不確定因素，本文將從3個角度去分析新型機械手臂的結構組成以及特點。搬運機械臂抓手結構正面如圖2所示。

機械手臂的組成部分以及特點分析：機械手臂設置在固定板上，當重物為高壓瓷瓶時，該機械手包括械手安裝底座、第一手爪支撐板、第二手爪支撐板、第一手爪板、第二手爪板、第一推動板和第二推動板。

機械手安裝底座內設有第五電機，并且兩端分別設有第一絲桿和第二絲桿，另外還分別設有第一安裝框和第二安裝框；第一手爪支撐板和第二手爪支撐板對稱設置在機械手安裝底座的一側面上，其中第一手爪支撐板設有用于卡置高壓瓷瓶的第一夾持塊，第二手爪支撐板設有用于卡置高壓瓷瓶的第二夾持塊。第一手爪板鉸接設置在安裝底座的一端上，其中第一手爪板的一端上設有用于卡置高壓瓷瓶的第三夾持塊，第二手爪板鉸接設置在安裝底座的另一端上，其中第二手爪板的一端上設有用于卡置高壓瓷瓶的第四夾持塊。第一推動板和第二推動板分別可移動設置在機械手安裝底座的兩側端，第一推動板和第一手爪板的另一端連接，以通過第一推動板帶動第一手爪板轉動，第二推動板和第二手爪板的另一端連接，以通過第二推動板帶動第二手爪板轉動。

20—車架底盤；21—第一履帶、第二履帶；22—旋轉底板；23—伸縮臂；24—斜推油缸；25—機械臂、機械手；26—第一伸縮支腿；27—第二伸縮支腿；28—第三伸縮支腿；29—第四伸縮支腿。

10—安裝底板；11—第一手抓支撐板；12—第二手抓支撐板；13—第一手抓板；14—第二手抓板；15—第一推動板；16—第二推動板；17—第五電機；101—第一安裝框；102—第一剎車電機；103—第二安裝框；104—第二剎車電機；105—第一滑動導軌；106—第二滑動導軌；154—第一移動部；155—第一滑塊；164—第二移動部；165—第二滑塊；171—第一絲杠；172—第二絲杠。

在實施過程中，第二開孔呈橢圓狀設置，以使得第一手爪板的另一端可在第一推動板的第一開孔內移動，且第二開孔和第四開孔呈橢圓狀設置，以使得第二手爪板的另一端可在第二推動板的第二開孔內移動。第一推動板設有與第一絲桿螺紋連接的第一移動部，第二推動板設有與第二絲桿螺紋連接的第二移動部，以通過第五電機驅動第一絲桿和第二絲桿轉動，以帶動第一移動部在第一絲桿上移動，第二移動部在第二絲桿上移動，從而帶動第一推動板和第二推動板在機械手安裝底座的兩側端移動。同時，安裝底座的兩側端分別設有第一滑動導軌和第二滑動導軌，第一推動板設有用于在第一滑動導軌上移動的第一滑塊，第二推動板設有用于在第二滑動導軌上移動的第二滑塊。當機械手需要夾緊高壓瓷瓶時，第五電機控制第一絲桿和第二絲桿轉動，以帶動第一移動部和第二移動部朝遠離第五電機方向移動，使得第一移動部帶動第一推動板朝遠離第五電機方向移動，第二移動部帶動第二推動板朝遠離第五電機方向移動。此時，第一推動板帶動第一手爪板的另一端一起移動，由于第一手爪板的中部鉸接設置在第二承載板遠離第一承載板的一端上，因此第一手爪板的一端朝向第二手爪支撐板方向靠近，以夾緊高壓瓷瓶；同理，第二推動板帶動第二手爪板的另一端一起移動，由于第二手爪板的中部鉸接設置在第四承載板遠離第三承載板的一端上，因此，第二手爪板的一端朝向第一手爪支撐板方向靠近，以夾緊高壓瓷瓶；反之，當機械手需要松開高壓瓷瓶時，第五電機控制第一絲桿和第二絲桿反方向轉動，以帶動第一移動部和第二移動部朝靠近第五電機方向移動，使得第一移動部帶動第一推動板朝靠近第五電機方向移動，第二移動部帶動第二推動板朝靠近第五電機方向移動。

3 結論

隨著中國自動化技術的不斷發展，服務于電力供應作業部門的自動搬運機械人也開始成為學者研究的熱點問題，機械臂作為一個復雜多變的多輸入多輸出的系統，存在著很多不確定的因素，本文從以解決實際問題的角度出發，設計分析了一種用于變電站搬運的新型機械人的結構，從結構和使用方法的角度進行了總結分析，并且詳細列出了機械人的結構組成，列出了機械人的3個局部示意圖，從張緊和松開兩個角度進行了分析，并且以高壓瓷瓶為載體詳細分析了搬運機械人的工作流程，這將為以后的機械人的設計與研發提供理論參考與依據。

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TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.008

2095－6835（2019）18－0019－02

廣東電網有限責任公司科技項目資助“東莞供電局變電檢修輔助作業機器人應用研究”（編號：031900KK52160035）

〔編輯：張思楠〕