新型電力鐵塔攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)及攀爬步態(tài)分析

劉 帥，莊紅軍，高宏力，魯彩江

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，貴州 畢節(jié)551700；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610031）

1 引言

為確保高壓輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行，需要定期檢測(cè)和維護(hù)電力系統(tǒng)。人工檢測(cè)輸電線路時(shí)需要攀爬電力鐵塔，該方法工作效率低，有高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)［1，2］。因此，電力鐵塔攀爬機(jī)器人的研制迫在眉睫［3，4］。它不僅能提高效率、降低高空墜落風(fēng)險(xiǎn)，而且可在不影響供電的情況下進(jìn)行作業(yè)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，針對(duì)電力鐵塔攀爬機(jī)器人的研究都未能推廣應(yīng)用。四川大學(xué)的陸小龍等人對(duì)電塔攀爬機(jī)器人進(jìn)行了較多研究，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)［5］。后期他們又設(shè)計(jì)了一種直線推桿機(jī)構(gòu)［1］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)模仿昆蟲蠕動(dòng)設(shè)計(jì)了一種電磁吸附攀爬機(jī)器人［6］。總的來(lái)看，運(yùn)動(dòng)方式主要為步進(jìn)式和蠕動(dòng)跨越式，靜態(tài)定位方式主要為機(jī)械夾持式和磁吸附式。機(jī)械夾持式能穩(wěn)定夾持，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾持器通用性差：磁吸附式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但穩(wěn)定性有待提高。此外，如何跨越電力鐵塔上螺栓區(qū)等障礙物也是研究難點(diǎn)之一。現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)中，機(jī)器人夾持對(duì)象都是電力鐵塔的角鋼，尚未將角鋼上的腳釘加以利用，利用腳釘攀爬能避開角鋼上的眾多障礙，具有研究?jī)r(jià)值。

這里參考了尺蠖攀爬步態(tài)，創(chuàng)新性地以角鋼上的腳釘為夾持對(duì)象，采用機(jī)械電磁復(fù)合手爪的夾持方式，設(shè)計(jì)了一種新型電力鐵塔攀爬機(jī)器人并對(duì)攀爬步態(tài)進(jìn)行了分析。機(jī)械電磁復(fù)合手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在不光滑的角鋼表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾持。以腳釘為夾持對(duì)象的機(jī)器人遵循設(shè)計(jì)的攀爬步態(tài)進(jìn)行攀爬時(shí)，可以避開螺栓區(qū)、節(jié)點(diǎn)板等障礙物，解決了避障這一難題。

2 機(jī)器人攀爬對(duì)象的選取

電力鐵塔一般由4根尺寸較大的主材角鋼和一些用于斜拉支撐的輔材角鋼構(gòu)造而成［7］。主材與地基常呈80°傾角布置，布局較為簡(jiǎn)單：而輔材為各種角度的斜拉布置。主材與輔材、輔材之間都采用螺栓直接連接或者通過(guò)節(jié)點(diǎn)板連接而成。

沿著角鋼棱線攀爬時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重心落在角鋼上，運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定，因此，選擇棱線進(jìn)行攀爬。如圖1所示，電力鐵塔的一條主材上設(shè)有腳釘供電力工人攀爬，腳釘在角鋼兩側(cè)交替且均勻分布，腳釘伸出的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于障礙物高度，以腳釘作為夾持對(duì)象，將大大簡(jiǎn)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)，解決越障難題。

圖1 電力鐵塔Fig.1 Electric Power Tower

綜上，這里以主材角鋼為攀爬對(duì)象，以主材角鋼上的腳釘為夾持對(duì)象，沿角鋼棱線攀爬。

3 攀爬機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這里參考尺蠖攀爬步態(tài)設(shè)計(jì)了機(jī)器人主體，創(chuàng)新性地以鐵塔角鋼上的腳釘為夾持對(duì)象，設(shè)計(jì)了機(jī)械電磁復(fù)合手爪。

3.1 主體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攀爬機(jī)器人主體，如圖2所示。包括前腕關(guān)節(jié)、中間關(guān)節(jié)、后腕關(guān)節(jié)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，依照關(guān)節(jié)將其分為前手爪、前臂、后臂、后手爪。前臂裝有攝像頭用來(lái)觀察工作環(huán)境并將其傳輸至地面，后臂上的電池可以為機(jī)器人提供電能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人離地工作。

圖2 攀爬機(jī)器人模型Fig.2 Model of Climbing Robot

如圖3所示，前、后腕關(guān)節(jié)分別由單獨(dú)的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)前、后手爪的俯仰角度。中間關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)由安裝在后臂內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)齒輪帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母沿著絲桿上下移動(dòng)，中間關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿位置的變化可以改變兩臂的夾角，即利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)中間關(guān)節(jié)的角度大小。

圖3 攀爬機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal Structure of Climbing Robot

3.2 機(jī)械電磁復(fù)合手爪的設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段靜態(tài)定位主要分為機(jī)械夾持和磁吸附兩種方式，機(jī)械夾持穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁鐵吸附結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但夾持不穩(wěn)定。綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，這里設(shè)計(jì)了一種機(jī)械電磁復(fù)合手爪。

手爪主要包括糾偏裝置、足架、電磁鐵和機(jī)械爪，結(jié)構(gòu)如圖4所示。足架一端與機(jī)器人的前后臂相連，另一端連接電磁鐵和機(jī)械爪。手爪前端的糾偏裝置呈90°，可與角鋼兩側(cè)面完全貼合起到導(dǎo)向作用，當(dāng)手爪輕微偏離角鋼棱線時(shí)，也可起到糾偏作用。電磁鐵選用條形電磁鐵，兩電磁鐵呈90°且與角鋼兩側(cè)面貼合。手爪兩側(cè)各有一個(gè)機(jī)械爪，左右完全對(duì)稱。因?yàn)橹鞑慕卿撋系哪_釘左右交替分布，對(duì)稱設(shè)計(jì)可保證必有一側(cè)的機(jī)械爪夾持在腳釘上，同電磁鐵與角鋼的兩個(gè)接觸點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)三角形，保證了夾持的可靠性。手爪夾持狀態(tài)，如圖5所示。

圖4 機(jī)械電磁復(fù)合手爪Fig.4 Mechanism-electromagnetism-combined Gripper

圖5 手爪夾持狀態(tài)Fig.5 Clamping State of Gripper

機(jī)械爪由齒條、齒條外殼、夾爪、連桿和定位桿組成，采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，如圖6（a）所示。機(jī)械爪的開合由齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，安裝在足架上的電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)兩個(gè)齒條同時(shí)向外移動(dòng)，夾爪張開松開腳釘，反之則夾爪閉合夾住腳釘：連桿和定位桿的主要作用是對(duì)腳釘進(jìn)行定位，定位桿一端與夾爪鉸接，另一端與連桿通過(guò)銷連接，連桿另一端與齒條外殼鉸接，銷能在定位孔中自由滑動(dòng)。如圖6（b）所示，夾爪閉合過(guò)程中，銷沿定位孔向外滑動(dòng)，帶動(dòng)定位桿向內(nèi)閉合，夾爪夾住腳釘時(shí)，定位桿的圓弧狀末端剛好與腳釘完全貼合并將其定位。

圖6 手爪上的機(jī)械爪Fig.6 The Clamper on the Gripper

3.3 關(guān)鍵受力部件有限元分析

為了保證機(jī)器人安全可靠地工作，對(duì)足架和中間關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿兩個(gè)關(guān)鍵受力部件利用Workbench進(jìn)行有限元分析。兩個(gè)部件均采用6061鋁合金，取安全系數(shù)為2，則許用應(yīng)力為27.6MPa。網(wǎng)格劃分采用四面體法并指定網(wǎng)格大小為1mm。

足架：在足架與機(jī)械爪的接觸面添加固定約束，在足架與臂連接的孔內(nèi)施加重力載荷。如圖7所示，足架最大形變量為0.009mm，最大應(yīng)力4.814MPa＜27.6MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 足架位移云圖及應(yīng)力云圖Fig.7 Deformation and Stress Figure of Gripper Frame

中間關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿：在驅(qū)動(dòng)桿下端孔添加固約束，在上端的孔內(nèi)施加重力載荷。如圖8所示，最大形變量為0.550mm，可以安全工作：最大應(yīng)力19.433MPa＜27.6MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖8 中間關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿位移云圖及應(yīng)力云圖Fig.8 Deformation and Stress Figure of Connecting Rod

根據(jù)有限元分析結(jié)果，可以看出機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，可以安全工作，設(shè)計(jì)合理。

4 機(jī)器人攀爬步態(tài)分析

攀爬機(jī)器人的首要任務(wù)就是攀爬電力鐵塔，以腳釘為攀爬對(duì)象可以避開螺栓區(qū)、節(jié)點(diǎn)板等障礙物，故只需考慮攀爬步態(tài)。機(jī)器人需要調(diào)整前腕關(guān)節(jié)、中間關(guān)節(jié)、后腕關(guān)節(jié)三者協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的攀爬功能，因此有必要對(duì)機(jī)器人的攀爬運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并且進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真。

4.1 攀爬步態(tài)設(shè)計(jì)

攀爬步態(tài)的設(shè)計(jì)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)，機(jī)器人攀爬步態(tài)如圖9所示。

圖9 機(jī)器人攀爬步態(tài)示意圖Fig.9 Climbing Gait of Climbing Robot

Step1：機(jī)器人前后手爪電磁鐵通電，機(jī)械爪閉合，前手爪緊緊夾持在2號(hào)腳釘上，后手爪夾持在1號(hào)腳釘上；

Step2：后手爪夾持狀態(tài)不變，前手爪電磁鐵斷電且機(jī)械爪張開，前、后腕關(guān)節(jié)以及中間關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)，使得前手爪松開2號(hào)腳釘，離開電力鐵塔并向上邁動(dòng)；

Step3：前手爪夾持到3號(hào)腳釘上，前手爪電磁鐵通電且機(jī)械爪閉合，此時(shí)，機(jī)器人前后手爪緊緊夾持在腳釘上；

Step4：前手爪夾持狀態(tài)不變，后手爪電磁鐵斷電且機(jī)械爪張開，前、后腕關(guān)節(jié)以及中間關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)，使得后手爪松開1號(hào)腳釘，離開電力鐵塔并向上邁動(dòng)；

Step5：后手爪夾持到2號(hào)腳釘上，后手爪電磁鐵通電且機(jī)械爪閉合，此時(shí)，機(jī)器人前后手爪緊緊夾持在腳釘上；

至此，機(jī)器人完成了一個(gè)攀爬步驟，以此循環(huán)。

4.2 攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

攀爬過(guò)程中，典型姿態(tài)為后手爪夾持在角鋼上，前手爪騰空，以機(jī)器人后腕關(guān)節(jié)為基坐標(biāo)系進(jìn)行D-H建模［8］。這里采用改進(jìn)D-H參數(shù)法建立連桿坐標(biāo)系［9］，如圖10所示。

圖10 攀爬機(jī)器人D-H模型Fig.10 D-H Model of Climbing Robot

通過(guò)建立連桿坐標(biāo)系得到D-H參數(shù)表，如表1所示。

表1 D-H參數(shù)表Tab.1 D-H Parameter Table

4.3 攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)圖10連桿坐標(biāo)系建立連桿i對(duì)連桿i-1相對(duì)位置的齊次變換矩陣

展開，得

其中，

方程（3）構(gòu)成攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

4.4 攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的驗(yàn)證

采用的驗(yàn)證方法為給定關(guān)節(jié)的變量值，代入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中求解相應(yīng)位姿坐標(biāo)，再代入Robotics Toolbox求解相應(yīng)位姿坐標(biāo)，若結(jié)果相等，則運(yùn)動(dòng)學(xué)模型正確，否則模型錯(cuò)誤。

對(duì)各關(guān)節(jié)變量賦值：θ1=π/3，θ2=-2π/3，θ3=-π/6，代入式（3）得出機(jī)器人前手爪相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿r11=0，r12=1，

在Robotics Toolbox中建立一個(gè)3自由度機(jī)械臂模型，命名為“攀爬機(jī)器人”。定義初始位姿為［π/3，-2π/3，-π/6］，得到如圖11（a）所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。調(diào)用fkine（）函數(shù)進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可得機(jī)器人前手爪相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿矩陣為：

圖11 攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真Fig.11 Kinematics Simulation of Climbing Robot

式（4）與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求得的解一致，故運(yùn)動(dòng)學(xué)模型正確。

4.5 攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

機(jī)器人初始位置的關(guān)節(jié)變量為［π/3，-2π/3，-π/6］，終止位置關(guān)節(jié)變量為［π/6，-π/3，-π/3］。在Robotics Toolbox生成3個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度曲線［10］，如圖11（b）、（c）、（d）所示。

可以看出：攀爬機(jī)器人在攀爬過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行平穩(wěn)，曲線平滑，不存在奇異點(diǎn)。而且，機(jī)器人各關(guān)節(jié)在攀爬過(guò)程中沒有剛性沖擊和柔性沖擊，滿足機(jī)器人的控制要求，設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)論

針對(duì)危險(xiǎn)系數(shù)高的電力鐵塔作業(yè)，這里設(shè)計(jì)了一種新型電力鐵塔攀爬機(jī)器人并且分析了攀爬步態(tài)。創(chuàng)新性地將電力鐵塔角鋼上的腳釘作為夾持對(duì)象，采用機(jī)械電磁復(fù)合手爪，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)Workbench對(duì)關(guān)鍵受力部件進(jìn)行有限元分析，利用MATLAB里的Robotics Toolbox驗(yàn)證了改進(jìn)D-H參數(shù)法所建攀爬運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性并且進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果證明了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)以及攀爬步態(tài)設(shè)計(jì)合理，為軌跡規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。新型電力鐵塔攀爬機(jī)器人提高了夾持穩(wěn)定性，解決了避障難題，在攀爬過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)剛性沖擊和柔性沖擊。攀爬機(jī)器人可以保障電力工人的人身安全，提高電力檢測(cè)的效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。