外文翻譯--電力巡檢機器人設(shè)計【中英文文獻譯文】

外文翻譯--電力巡檢機器人設(shè)計【中英文文獻譯文】,中英文文獻譯文,外文,翻譯,電力,巡檢,機器人,設(shè)計,中英文,文獻,譯文 中文題目：電力巡檢機器人設(shè)計 外文題目 ： Electrical inspection robot design 畢業(yè)設(shè)計（論文）共 62 頁（其中：外文文獻及譯文 17頁） 圖紙共 4張 完成日期 2015年 6月 答辯日期 2015年 6月 I 摘要 高壓輸電線路故障 引發(fā)停電，給人民生活、工業(yè)企業(yè)和國家造成了巨大的經(jīng)濟損失。 需要及時發(fā)現(xiàn)輸電線路的隱患和缺陷，并進行修復(fù)，防患于未然，必須對輸電線進行定期 的巡檢。巡檢機器人是一種近距離巡檢線路和修復(fù)缺陷的工具。 針對巡檢機器人作業(yè)任務(wù)需求和輸電線路障礙環(huán)境特點 ,提出了一種新型雙臂式巡檢 機器人機構(gòu) ,在串聯(lián)關(guān)節(jié)型手臂機構(gòu)中增加了并聯(lián)柔索 。 建立了巡檢機器人的靜力學(xué)模型 和運動學(xué)模型 , 給出了機器人在線路上靜止時力和力矩平衡方程，并仿真分析了典型越障 過程中機器人手臂關(guān)節(jié)的受力狀態(tài) 。 根據(jù)機器人受力狀態(tài)的分析結(jié)果，計算出各個關(guān)節(jié)力矩及轉(zhuǎn)速，選出適合的電機及減 速器。根據(jù)實際需求進行了各個關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)設(shè)計 。 關(guān)鍵詞 :巡檢機器人 ;雙臂 ;柔索 ;越障 II Abstract The huge economy loss is brought to the people, enterprise and nation for the power failure. The defections of power line should be found and repaired. The periodical check must be fulfilled in the power transmission line.The inspection robot is a kind of tool used to check and repair the power transmission line in the close distance. Based on the working task requirements of inspection robot and the characteristics of obstacles on high voltage transmission lines, a novel dual-arm inspection robot is designed by adding the parallel flexible cable into the series-joints arm. Established inspection robot statics model and kinematics model, robot is given on static force and moment balance equations .The joints' stress states of the robotic arm in representative obstacle-crossing are analyzed by simulation. According to the analysis of the robot mechanical condition, calculate the various joint torque and rotational speed, choose the suitable motor and reducer. According to the actual demand for the various joints of the transmission system design. Keywords: inspection robot; dual-arm; flexible cable; obstacle-crossing 目錄 前言 ....................................................................................................................... 1 1 緒論 ................................................................................................................. 2 1.1 研究的目的和意義 ...................................................................................... 2 1.2 國內(nèi)外研究概況 .......................................................................................... 2 1.2.1 國外研究概況 .......................................................................................... 2 1.2.2 國內(nèi)研究概況 .......................................................................................... 3 1.3 畢業(yè)設(shè)計主要工作 ...................................................................................... 4 2 巡檢機器人機構(gòu)設(shè)計 ...................................................................................... 5 2.1 機器人基本結(jié)構(gòu) .......................................................................................... 5 2.2 機器人坐標系及相關(guān)參數(shù) .......................................................................... 6 3 巡檢機器人力學(xué)模型及各關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)矩求解 ....................................................... 8 3.1 夾爪受力分析 .............................................................................................. 8 3.2 行走輪在高壓線上行走時受力分析 ........................................................... 9 3.2.1 機器人處于勻速爬坡狀態(tài)下的受力分析 ............................................... 9 3.2.2 機器人處于越障前調(diào)整質(zhì)心階段 ......................................................... 10 3.2.3 機器人 處于下坡階段的受力分析 ......................................................... 11 3.2.4 機器人處于越障后調(diào)整質(zhì)心階段 ......................................................... 12 3.3 巡檢機器人越障階段受力分析 ................................................................. 13 3.3.1 巡檢機器人越障階段劃分 .................................................................... 13 3.3.2 巡檢機器人越障 各階段力學(xué)模型 ......................................................... 14 3.3.3 機器人越障過程受力仿真分析 ............................................................. 16 4 夾爪和行走輪設(shè)計 ........................................................................................ 19 4.1 夾爪部分設(shè)計 ............................................................................................ 19 4.1.1 夾爪驅(qū)動電機選擇 ................................................................................ 19 4.1.2 夾爪部分齒輪設(shè)計 ................................................................................ 20 4.2 行走輪部分設(shè)計 ........................................................................................ 22 4.2.1 行走輪驅(qū)動電機選取 ............................................................................ 22 4.2.2 行走輪部分齒輪設(shè)計 ............................................................................ 23 5 手臂部分設(shè)計 ................................................................................................ 25 5.1 水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計 .................................................................................... 25 5.1.1 水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機選取 ........................................................................ 25 5.1.2 水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計 ........................................................................ 26 5.2 腕關(guān)節(jié)設(shè)計 ................................................................................................ 27 5.2.1 腕關(guān)節(jié)電機選取 .................................................................................... 27 5.2.2 腕關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計 .................................................................................... 28 5.3 肘關(guān)節(jié)設(shè)計 ................................................................................................ 29 5.3.1 肘關(guān)節(jié)電機選 ........................................................................................ 29 5.3.2 肘關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計 .................................................................................... 31 5.4 肩關(guān)節(jié)設(shè)計 ................................................................................................ 32 5.4.1 肩關(guān)節(jié)電機選取 .................................................................................... 32 5.4.2 肩關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計 .................................................................................... 33 6 箱體部分設(shè)計 ................................................................................................ 34 6.1 滾筒部分設(shè)計 ............................................................................................ 34 6.1.1 滾筒驅(qū)動電機選取 ................................................................................ 34 6.1.2 滾筒部分齒輪設(shè)計 ................................................................................ 35 6.2 移動臺部分設(shè)計 ........................................................................................ 37 6.2.1 移動臺驅(qū)動電機選取 ............................................................................ 37 6.2.2 移動臺部分齒輪設(shè)計 ............................................................................ 38 7 經(jīng)濟性分析 .................................................................................................... 41 8 結(jié)論 ............................................................................................................... 42 致謝 ..................................................................................................................... 43 參考文獻 ............................................................................................................. 44 附錄 A .................................................................................................................. 45 附錄 B ................................................................................................................. 54 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 1 前言 為 保證遠距離高壓電力輸電線路的安全穩(wěn)定，需對線路進行定期的巡檢作業(yè)。目前采 用的巡檢方式主要有人工巡檢和直升機巡檢兩種。機器人作為一種新的巡檢裝備 ,具有運 行費用低 等優(yōu)點，可彌補人工巡檢工作效率低 等 不足，具有較好的市場應(yīng)用前景。 在巡檢機器人研究方面，日本和加拿大較為成熟，近年分別推出了各自的新型巡檢機 器人系統(tǒng)，如加拿大的 Linescout 以及日本的 Expliner。此外， 2010 年 9 月在加拿大召 開了首屆 CARPI (Conference on Applied Robotics for the Power Industry)， 2012年 在瑞士召開了第二屆會議，該會議現(xiàn)已成為電力機器人領(lǐng)域最具代表性的國際會議。 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 2 1 緒論 1.1 研究的目的和意義 我國 長距離輸送電力的主要方式 為 高壓輸電線路輸電 ，輸電線路 在電力系統(tǒng)中起著極 其重要的作用 ， 是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 的“能源 ” ， 起著 不可或缺 的作用。 由于輸電線路 長時間 暴露在野外 ， 經(jīng)受 著 自然 侵害 ， 常常 出現(xiàn)各種故障 ， 所以 需要對 高壓 線路進行定期 的 巡檢作業(yè) ， 然而當(dāng)前主要的巡檢方式依然通過人工巡檢 完成。 由于 人 工巡檢 有其弊端，隨著科技的快速發(fā)展，電力巡 檢機器人逐漸進入人們的視野，各大科研 院所都在對其進行研究 ，電力部門迫切將其運用到實際的巡檢工作中。 1.2 國內(nèi)外研究概況 1.2.1 國外研究概況 巡檢機器人的研究工作在國外開展的較早， 上世紀九十年代， 日本東京電力公司 Sawada等人開展了巡檢機器人的研究工作。該公司研制的機器人可在高壓線的地線上行走， 如圖 1-1所示，其依靠 導(dǎo)軌翻越 輸電線塔 ,如圖 1-2所示。 圖 1-1 在地線上行走 圖 1-2 在翻越鐵塔 Fig.1-1 Walk on the wire Fig.1-2In the crossing tower 加拿大魁北克水電研究院的 Serge Montambault等人 在 21世紀初 就開始了 LineScout 巡檢機器人的研制工作。 該機器人為四臂結(jié)構(gòu) ， 如圖 1-3 (a) 。 跨越障礙物時， 一側(cè)夾爪 夾 住 高壓線，另一側(cè)的夾爪平移過障礙物， 如圖 1-3 (b)所示 。 非輪 兩臂 上 可 安裝 檢修裝 置，如圖 1-3 (c)所示。非輪側(cè) 兩臂的另一端可安裝 檢修裝置，如圖 1-3 (d)所示。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 (a)機器人停在導(dǎo)線上 (b)機器人在翻越懸垂線夾 (a)Robot park on the wire (b)Robot in crossing hanging clip (c)機器人在安裝銅夾子 (d)機器人在緊固防振錘的螺絲 (c)Robots in installing copper clamp (d)The robot tighten screw vibration hammer 圖 1-3 加拿大魁北克水電研究院的 LineScout巡檢機器人 Fig.1-3 Of the inspection robot LineScout hydropower institute in Quebec, Canada 1.2.2 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)關(guān)于 電力 巡檢機器人研究起步較晚， 上世紀末 ， 山東大 學(xué) 、沈陽自動化研究所開 展了 電力 巡檢機器人 的項目研究。 武漢大學(xué)設(shè)計了 具有越障功能的 擺臂式機器人，如圖 1-4(a)所示。在 一側(cè)手臂的行走 輪旁 加裝了破冰裝置，如圖 1-4(b)所示， 采用光伏電池板供電 ， 如圖 1-4 (c)所示。 (a)機器人樣機 (b)機器人在進行破冰 (c)機器人在地線上行走 (a)The robot prototype (b)Robots for cleaning the ice (c)The robot walk on the wire 圖 1-4 武漢大學(xué)巡檢機器人 Fig.1-4 Wuhan University,inspection robot 沈陽 自動化所 開發(fā)了 三臂輪式、兩臂回旋式結(jié)構(gòu)的 巡檢 機器人 ,如圖 1-5 所示。三臂 機器人的特點是運行平穩(wěn)， 可跨越較大的障礙物 。兩臂機器人 結(jié)構(gòu)簡單靈活性較好 。 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 4 (a) 三臂輪式機器人 (b)兩臂回旋式機器人 (a)Three wheeled robot arm (b)Two arms swing type robot 圖 1-5 中國科學(xué)院自動化所的巡檢機器人 Fig.1-5 Institute of Automation of the inspection robot 1.3 畢業(yè)設(shè)計主要工作 首先對電力巡檢機器人機構(gòu)進行設(shè)計，進而確定機器人的基本結(jié)構(gòu)，分階段對各關(guān)節(jié) 受力情況建立數(shù)學(xué)模型進行分析，并結(jié)合 MATLAB 進 行 越障仿真 ， 分析得出各關(guān)節(jié)扭矩大 小，根據(jù)電機樣本進行電機選取工作，最后對機器人各關(guān)節(jié)齒輪進行設(shè)計。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 2 巡檢機器人機構(gòu)設(shè)計 我國 地域遼闊， 地形復(fù)雜 ，高壓輸電線路桿 體 高 度 差 較 大、線路坡度陡， 線路巡檢的 實際需求要求機器人不但具有更強的越障能力 ， 還要具有 大角度線路 爬坡 的能力 。 當(dāng)前 國內(nèi)外 研究的 巡檢 機器人結(jié)構(gòu) 基本分為兩種 [2-7]，一是雙臂機器人 [2-5]，二是 三臂 機器人 [6-8]。雙臂機器人 在 越障 階段要求 以單臂懸掛，兩只手臂 相互交替跨越障礙物， 單臂 懸掛狀態(tài) 的存在導(dǎo)致 機器人 的 手臂需 要承擔(dān)機器人的整體 重量， 這使 機器人手臂設(shè)計 產(chǎn)生 很大難度。三臂機器人 在越障階段要求 兩臂支撐， 從而 具有 良好 的穩(wěn)定性，但 此類 機器人 結(jié)構(gòu) 較為 復(fù)雜、 回轉(zhuǎn) 性能較差。 本文 所研究的 是一種 新型 雙臂式 巡檢 機器人 ，借鑒 人類手臂攀爬越障原理，采用仿人 雙臂結(jié)構(gòu)， 并在手臂的腕關(guān)節(jié)和箱體間加入了一條 柔索。 2.1 機器人基本結(jié)構(gòu) 此種安裝 柔索的新型 雙臂式 巡檢 機器人 ， 由于 采用了仿人雙臂結(jié)構(gòu)，使機器人的越障 能力 得到了很大的提升。在機器人手臂的腕關(guān)節(jié)和箱體之間加 入 柔索 ，構(gòu)成了回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和 柔索并聯(lián)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合結(jié)構(gòu) 能夠顯著地 減小手臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩 ， 此種 巡檢 機器人 的 結(jié)構(gòu) 形式 如 圖 2-1所示 。 機器人每只手臂包括四個 關(guān)節(jié)，分別為水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 、肘關(guān)節(jié)、 腕關(guān)節(jié)和 肩關(guān)節(jié)，以 及一條用于連接腕關(guān)節(jié)和 箱體的柔索。 在 機器人越障過程中， 依靠手臂的肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié) 和肩關(guān)節(jié)來 調(diào)節(jié)行走輪的位置； 依靠水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來調(diào)節(jié)箱體和行走輪的姿態(tài)； 機器人的 整體 重量 主要由腕關(guān)節(jié)和箱體之間的柔索承擔(dān)；驅(qū)動滾筒可以沿箱體移動，達到調(diào)節(jié) 柔索 位置和長度 的作用 。 圖 2-1 帶柔索雙臂式 巡檢 機器人模型 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 6 Fig.2-1 With a flexible arms patrol robot model 2.2 機器人坐標系及相關(guān)參數(shù) 為了實現(xiàn)機器人的越障功能，需要根據(jù)高壓輸電線路障礙物的類型和尺寸，確定機器 人各部分的尺寸參數(shù)；為了 便于進行機器人的受力分析，需要確定各關(guān)節(jié)的坐標系以及各 關(guān)節(jié)的運動參數(shù)。 巡檢 機器人的尺寸參數(shù)、運動參數(shù)如圖 2-2所示。 圖 2-2 機器人參數(shù) Fig.2-2 The robot parameters 圖 2-2中標注的各參數(shù)含義如下： 、 、 、 和 、 、 、 為機器人雙臂各關(guān)節(jié)的位置； 、 、 、 和 、 、 、 為機器人雙臂各部分的質(zhì)心； 為機器人肩關(guān)節(jié)與柔索驅(qū)動滾筒間的最小距離； 、 、 分別為機器人雙臂各段的長度； 為機器人腕關(guān)節(jié)相對于肩關(guān)節(jié)的高度； 為機器人箱體長度的一半； 為機器人肩關(guān)節(jié)的高度； 、 為機器人越障過程中左、右臂驅(qū)動滾筒移動距離； 、 、 、 和 、 、 、 為機器人越障過程中左、右臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。 此外，機器人各部分的質(zhì)量為： — 機器人箱體質(zhì)量； — 機器人 左臂 質(zhì)量； — 機器人 右臂 質(zhì)量： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 — 機器人輪臂質(zhì)量； — 機器人柔索驅(qū)動滾筒質(zhì)量。 機器人各部分的尺寸和重量見表 2-1。 表 2-1 機器人各部分尺寸及重量 Tab.2-1 The robot size and weight of each part 尺寸 （ mm） 0l 1l 2l 3l 0H 1H 0D 300 300 300 240 250 300 50 重量 （ kg） 0M 1M 2M 3M 4M 15 1 1 2 1 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 8 3 巡檢 機器人 力學(xué)模型及各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn) 矩求解 3.1 夾爪受力分析 輸電線路與水平方向夾角呈 50 度時 ， 新型雙臂 巡檢 機器人在 巡檢過程中遇到障礙物 時，依靠質(zhì)心調(diào)節(jié)裝置，使機器的質(zhì)量集中在一只手臂上，另一只手臂伸出進行 障礙物 跨 越，此時會出現(xiàn)機器人單臂掛線的情況。由于驅(qū)動輪的滾動摩阻非常小 ，機器人主要 依靠 夾抓提供的夾緊力，使機器人在高壓線上 穩(wěn)定停住 ，保證越障過程中的安全。 在夾爪上覆 蓋 一層橡膠材料， 從而增大夾爪與高壓線 間的摩擦力。由于機 器人的質(zhì)心始終與高壓線在 豎直平面內(nèi)，計算時可以不計 沿 高壓線軸向的轉(zhuǎn)動以及 其它次要因素。機器人單臂掛線時 的受力分析如圖 3-1所示。 圖 3-1 單臂掛線時的受力分析 Fig.3-1 Single arm hanging line of force analysis 圖 3-1中， 為手爪 承受的機器人 的整體 重力， 為驅(qū)動輪與高壓線之間的正壓力， 為夾爪的夾緊力， 為夾爪與高壓線之間的摩擦力。由靜平衡方程， 得 取機器人質(zhì)量 ，爬坡角度 ， 夾爪與高壓線接觸的摩擦系數(shù) ， 代入數(shù)據(jù) 單臂的加緊裝置由 兩 個夾抓組成，即每只夾抓至少要提供 的夾緊力。夾抓的 受力分析如圖 3-2所示 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 圖 3-2 夾爪受力分析 Fig.3-2 Grip force analysis 取 ， ，則單個夾抓需要輸出的扭矩為 3.2 行走輪在 高壓線 上行走 時 受力分析 機器人在高壓線上行走時，依靠安裝在夾爪部分上的行走驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)來驅(qū)使行 走輪的前進和 后退， 根據(jù)巡檢機器人在高壓線上 的巡檢及越障過程，選 取幾個主要環(huán)節(jié)， 來求解機器人工作時 驅(qū)動輪所需要的扭矩 。 3.2.1 機器人 處于 勻速爬坡 狀態(tài)下 的受力分析 圖 3-3機器人上坡路段勻速行走 Fig.3-3 The robot walking uphill road at a constant speed 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 10 圖 3-4 機器人爬坡時的受力分析 Fig.3-4 Force analysis when robot climbing 圖 3-4中， 、 分別 為前后行走輪所承受的 機器人的 重力， 、 為 高壓線 對前后 輪的正壓力， 、 為高壓線 對前后驅(qū)動輪的摩擦力， 、 為 高壓線 對 前后 臂 驅(qū)動 輪的滾動摩阻力偶， 、 為 前后 臂 驅(qū)動 電機的驅(qū)動扭矩。機器人在進行巡檢作業(yè)時， 由于速度不大，而且行走輪質(zhì)量相比 于機器人質(zhì)量 比較小 ，因此可以忽略由于速度引起的 阻尼力 以及 行走輪的慣性力。機器人該狀態(tài)的運動模型如下： （ 3-1） 求解 上式，得到前后輪的驅(qū)動力矩為： （ 3-2） 此處，取機器人的質(zhì)量為 ，令 ，高壓線與水平面的夾角取 ， 滾動摩阻系數(shù) 取 ， 驅(qū)動輪與高壓線的接觸半徑 取 ，帶入上式，計算得到 3.2.2 機器人 處于 越障前調(diào)整質(zhì)心 階段 機器人 在 越障 之前，需要左 臂調(diào)整質(zhì)心，使 機器人的質(zhì)心移動到 左手臂 下，隨著行走 輪和滾筒的右移， 左臂 逐漸承擔(dān)了機器人除 右臂 輪爪關(guān)節(jié)外的全部重量。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 圖 3-5 機器人調(diào)節(jié)質(zhì)心 Fig.3-5 The robot adjust the center of mass 此時機器人 運動學(xué)模型同公式 3-1 和 3-2， 左手臂 的受力狀態(tài)同圖 3-4，隨著 質(zhì)心的 調(diào)節(jié)， 左手臂 逐漸承受 了機器人的全部重量，因此，計算時取 ， ，其他 同 上一階段 ，求解得 ， 3.2.3 機器人 處于 下坡 階段 的受力分析 圖 3-6 機器人下坡路段勻速行走 Fig.3-6 The robot walking downhill at a constant speed 機器人 處于下坡路階段勻速行走時，依靠夾爪 驅(qū)動輪提供制動轉(zhuǎn)矩，受力分析如 下圖 圖 3-7 機器人下坡時的受力分析 Fig.3-7 Force analysis when robot go downhill 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 12 圖中的參數(shù)同 第一階段 ，由圖 3-7，建立機器人下坡時的運動模型， （ 3-3） 由上式得到， （ 3-4） 代入第一階段 中的變量取值，求得， 3.2.4 機器人 處于 越障后調(diào)整質(zhì)心 階段 圖 3-8 機器人越障后調(diào)整質(zhì)心 Fig.3-8 The robot adjust the center of mass after obstacle-navigation 機器人雙臂都越過障礙后，質(zhì)心仍 在 右臂 下，需要 使 右臂 的行走輪和滾筒向 右移 動 ， 逐漸將質(zhì)心調(diào)整到雙臂之間，機器人的姿態(tài)也調(diào)整到越障前。 這一階段機器人手臂的受力狀態(tài)同圖 3-7，運動學(xué)模型同公式 3-3 和 公式 3-4，質(zhì)心 調(diào)節(jié)的前期， 右臂 承擔(dān)了機器人的全部重量，因此，計算時取 ， ，其它 參數(shù)變量 同 第三階段 ，代入公式求解得 ， 通過對 機器人 四個過程的靜力學(xué)分析，并相互比較得出，機器人在高壓線上 行走時驅(qū) 動電機所需提供的轉(zhuǎn)矩至少為 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 3.3 巡檢 機器人越障階段受力分析 3.3.1 巡檢機器人越障階段劃分 巡檢 機器人 采用 的是 仿人雙臂結(jié)構(gòu)，越障過程較為靈活， 當(dāng)其 跨越 不同尺寸的障礙物 時，越障過程 雖 有不同，但雙臂 各 關(guān)節(jié)和柔索的受力狀態(tài)基本相同， 現(xiàn) 以 巡檢 機器人跨越 較小的 障礙物 為例，其越障 程如圖 3-9所示。 根據(jù)圖 3-9所示的 巡檢 機器人越障過程，可 將其 越障過程 劃分為以下幾個主要階段： 第 一 階段：機器人正常行走姿態(tài)如圖 3-9（ a）所示， 當(dāng)機器人 遇到障礙物 時 ，其 右臂 行走輪鎖緊，左臂行走輪與左臂柔索 的 驅(qū)動滾筒一起 向 右移 動，使 機器人質(zhì)心逐漸調(diào)整 到 左臂行走輪下方，如圖 3-9（ b）。 第 二 階段： 當(dāng) 機器人將質(zhì)心調(diào)整到左臂行走輪下方后， 其 右臂抬起、 進行 伸出跨越障 礙物 動作，并依靠 調(diào)整左臂柔索 的驅(qū)動滾筒位置，盡可能 使機器人 的 質(zhì)心位于 其 左臂行走 輪 的 下方，如圖 3-9（ c）所示。 第 三 階段： 當(dāng)其 右臂越過障礙物并掛線后，右臂行走輪鎖緊，使左臂柔索驅(qū)動滾筒左 移，將機器人質(zhì)心調(diào)整 到 雙臂對稱線位置，如圖 3-9（ d）所示。 第 四 階段： 其 右臂柔索驅(qū)動滾筒左移，將機器人 的質(zhì)心調(diào)整到 右臂行走輪 的 下方，如 圖 3-9（ e）所示。 第 五 階段：機器人左臂行走輪松開， 其 左臂抬起、 進行 收回跨越障礙物 動作 ，并調(diào)整 右臂柔索驅(qū)動滾筒位置，使機器人 的 質(zhì)心始終位于右臂行走輪 的 下方，如圖 3-9（ f）所示。 第 六 階段：左臂行走輪越障后鎖緊，右臂行走輪及右臂柔索驅(qū)動滾筒右移，將調(diào)整機 器人質(zhì)心至雙臂對稱線位置，如圖 3-9（ a）所示， 完成 整個 越障過程 。 圖 3-9 機器人越障過程 Fig.3-9 Robot obstacle-navigation process 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 14 3.3.2 巡檢 機器人 越障各階段力學(xué)模型 由 圖 3-9所示的 巡檢 機器人 越障過程可 得出 ， 因為 在機器人手臂的腕關(guān)節(jié)與箱體之間 安裝了柔索， 機器人 在調(diào)整 質(zhì)心 的 過程中，機器人的重量 主要由柔索承受，各關(guān)節(jié)所承受 的轉(zhuǎn)矩可大幅 減小。此外， 巡檢 機器人在正常的行走過程中，機器人的全部重量 由柔索承 擔(dān) ，手臂上 的各關(guān)節(jié)可處于松弛 狀態(tài) 。 下面詳細分析在機器人越障的各個階段，雙臂各關(guān) 節(jié)以及 柔索的受力情況。 (1)第 一 階段 力 學(xué)模型 機器人從圖 3-9（ a） 的 狀態(tài)移動 至圖 3-9（ b） 的 狀態(tài) 過程中，機器人 的質(zhì)心始終位 于左、右 兩臂柔索之間，機器人的重量由 左、右 兩臂柔索拉力共同承擔(dān)， 機器人左、右 兩 臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩均為零，因此手臂 各關(guān)節(jié)及柔索 的受力方程為： （ 3-5） 式中： 為機器人的質(zhì)心位置 為機器人的重量 、 分別為左、右 臂的柔索拉力 、 、 分別為左 臂 肩 關(guān)節(jié) 、 肘 關(guān)節(jié) 和 腕 關(guān)節(jié) 的轉(zhuǎn)矩 、 、 分別為 右 臂 肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié) 的轉(zhuǎn)矩 (2)第 二 階段 力 學(xué)模型 機器人從圖 3-9（ b）的 狀態(tài)移動 到圖 3-9（ c） 的 狀態(tài) 過程中，機器人 為保持 平衡， 機器人的質(zhì)心位于左 臂行走輪下方， 左 臂腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩配合 左 臂柔索拉力共同平衡機器人的 重量，而 右 臂柔索處于松馳狀態(tài) ， 拉力為零， 左臂肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩都 為零。 右臂在越 障的過程中，右 臂 的 各關(guān)節(jié) 處都產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩達到 最大 時是在 右臂越過障礙后行 走輪 將要 掛線的時候 。根據(jù)機器人的 整體 結(jié)構(gòu)參數(shù)和越障 狀態(tài) ，列出手臂 各關(guān)節(jié)及柔索 的 受力方程為： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 （ 3-6） (3)第 三 階段 力 學(xué)模型 機器人從圖 3-9（ c）的 狀態(tài)移動 到圖 3-9（ d）的 狀態(tài) 的過程中， 機器人的質(zhì)心處 于 左、右兩臂柔索之間，機器人的重量 全部由 左、右兩臂柔索拉力承擔(dān)，因此機器人左、右 兩臂各關(guān)節(jié) 處于松弛狀態(tài)， 與第 一 階段 所不 ;一樣的是左、右兩臂柔索都 為傾斜方向，水 平方向受力 處于 平衡 狀態(tài) ，手臂 各關(guān)節(jié)及柔索 的受力方程為： （ 3-7） (4)第 四 階段 力 學(xué)模型 機器人從圖 3-9（ d）的 狀態(tài)移動 到圖 3-9（ e）的 狀態(tài) 的過程，與第 三 階段 狀態(tài)運動 對稱， 所以 手臂受力情況 與第三階段 對稱。機器人的 整體 重量 由左、右兩臂柔索拉力共同 承擔(dān) ，左、右兩臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩均為零，在第 三 階段機器人重量 主要由左臂柔索承擔(dān)， 而 在 第 四 階段機器人重量 主要由右臂柔索承擔(dān) ，手臂 各關(guān)節(jié) 及 柔索 的受力方程 為： （ 3-8） (5)第 五 階段 力 學(xué)模型 機器人從圖 3-9（ e）的狀態(tài)移動 到圖 3-9（ f） 的狀態(tài) 的過程，與第 2階段運動對稱， 機器人的質(zhì)心 盡可能處 于右臂行走輪下方，為 使 機器人 保持 平衡，右臂腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩配合右 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 16 臂柔索拉力共同平衡機器人的重量，而左臂柔索處于松馳狀態(tài) ，其 拉力為零，右 臂肘關(guān)節(jié) 和肩 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 都 為零。左臂 在進行 收回越障 的 過程中，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 在左臂行走輪剛離線時 達到最大。根據(jù)機器人的 整體 結(jié)構(gòu)參數(shù)和越障 狀態(tài) ，列出手臂 各關(guān)節(jié)及柔索 的受力方程為： （ 3-9） (6)第 六 階段 力 學(xué)模型 機器人從圖 3-9（ f）所示 狀態(tài)移動到 圖 3-9（ a）所示 狀態(tài) 過程，與第 一 階段運動對 稱，機器人的質(zhì)心位于左、右兩臂柔索之間，機器人的重量 由左、右兩臂柔索拉力共同承 擔(dān)，左、右兩臂的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩都 為零，手臂 各關(guān)節(jié)及柔索 的受力方程為： （ 3-10） 3.3.3 機器人 越障過程受力仿真分析 設(shè)定 機器人的一次越障循環(huán)時間 是 ，其中第 一 階段 時間為 、第 二 階段 時間為 、第 三 階段 時間為 、第 四 階段 時間為 、第 五 階段 時間為 、第 六 階段 時間為 。 依據(jù)式 3-5至式 3-10 的 受力 方程和表 2-1機器人的尺寸 參數(shù)及 質(zhì)量，以時間 為變量， 運 用 Matlab 進行 機器人的 仿真越障 ， 可知左右臂柔索拉力曲線和各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn) 矩曲線如圖 3-10 所示。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 圖 3-10 機器人越障仿真曲線 Fig.3-10 Robot obstacle-navigation simulation curve 由 圖 3-10所示的機器人越障過程受力仿真曲線可得 ： （ 1）機器人在線上行走階段，機器人整體重量由左右兩臂柔索共同承擔(dān)，此時左右 兩柔索拉力相等且為 ，在機器人第一階段越障時，隨著左臂柔索驅(qū)動滾筒和行走輪向 右移動， 左 臂柔索所受 拉力 慢慢變大，而右臂柔索所受 拉力 慢慢變小 。當(dāng)機器人的質(zhì) 心移 動至 左臂行走輪下方時，左臂柔索 所受 拉力 變 大 到 ， 從而承受 機器人的 整體重 量 ，而右臂柔索 所受 拉力 逐漸變小到 ， 此時 右臂準備 進行 越障 階段。此階段左、右兩 臂的 肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié) 的 轉(zhuǎn)矩 、 、 和 、 、 都 為 。 （ 2）在機器人越障的第二個階段，機器人伸出右臂進行跨障，此時 肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié) 和腕關(guān)節(jié) 的轉(zhuǎn)矩 、 、 從 慢慢變至最大，隨著機器人右臂行走輪越障掛線后， 、 、 慢 慢 變至 ，此時肩關(guān)節(jié)扭矩 ，肘關(guān)節(jié)扭矩 ，肩關(guān)節(jié)扭矩 變化范 圍分別為 ， ， 。當(dāng)機器人伸出右臂時，機器人的整體重量 由其左臂柔索承擔(dān)，柔索拉力 為 ，此時右臂處于松弛狀態(tài)，右臂柔索拉力 為 。 由于機器人在運動過程中質(zhì)心在不斷變化，為保持機器人的平衡，在不斷調(diào)節(jié)左臂柔索位 置的同時，左臂腕關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩 來配合左臂柔索拉力 。這一過程，左臂柔索拉力 和 左臂腕關(guān)節(jié) 出現(xiàn)波動，變化范圍分別是 ， 。此階段左臂肩關(guān)節(jié)和 肘關(guān)節(jié)都為放松狀態(tài)，其轉(zhuǎn)矩 和 都為 。 （ 3）在機器人越障的第三個階段，機器人的整體重量由左臂柔索單獨承擔(dān)逐漸變化 為左右兩臂柔索共同承擔(dān)，左臂柔索驅(qū)動滾筒向左移動，機器人的質(zhì)心也隨之左移，左臂 左臂柔索拉力曲線 右 臂柔索拉力曲線 左臂 肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 曲 線 左臂 腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 曲 線 左臂 肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 曲 線 右 臂 肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 曲 線 右 臂 肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 曲 線 右 臂 腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 曲 線 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 18 柔索受力 慢慢變小，右臂柔索受力 慢慢變大。 隨著左臂柔索驅(qū)動滾筒回到原來位置， 機器人的質(zhì)心也逐漸移動到兩臂的對稱位置，此時兩臂柔索拉力相等， 。 此階段兩臂柔索處于傾斜狀態(tài)，使得兩臂柔索拉力之和稍微大于機器人整體重量。此時， 機器人的重量由左右臂柔索承擔(dān)，使得左右臂的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 、 、 和 、 、 都為 。 （ 4）在機器人越障的第四階段，隨著右臂柔索滾筒向左移動，機器人的整體重量逐 漸由左右臂的柔索承受，機器人的質(zhì)心向右移動，左臂柔索受力從 變小為 ，右臂 受力由 變 大 為 。左右臂的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)矩 都 為 。 （ 5）在機器人越障的第五階段，其左臂收回跨障， 其肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩 、 、 從 慢慢變到 最大 ， 行走輪脫線 ；左臂行走輪越障 掛線后， 、 、 慢慢變小到 ， 肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的 變化范圍分別 是 、 、 。 此時 左 臂柔索處于松馳狀態(tài)， 左臂柔索 拉力 為 ， 機器人的 整體重量由其右臂柔索承擔(dān)， 為 。 由于機器人在運動過程中質(zhì)心在不斷變化，為保持機器人的平衡，在不斷調(diào)節(jié)右臂 柔索位置的同時，右臂腕關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩 來配合右 臂柔索拉力 。這一過程，右臂柔索拉 力 和右臂腕關(guān)節(jié) 出現(xiàn)波動，變化范圍分別是 ， 。此階段右臂肩 關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)都為放松狀態(tài)，其轉(zhuǎn)矩 和 都為 。 （ 6）在機器人越障的第六階段，機器人的整體重量由右臂柔索承受， 機器人的質(zhì)心 位于右臂行走輪下方，右臂柔索驅(qū)動滾筒 向右移動，機器人慢慢恢復(fù)到最初始正常行走狀 態(tài)， 右臂柔索承受的拉力 從 慢慢變小到 ，左臂柔索承受 拉力 從 慢慢變大 到 。機器人的 整體 重量 由左右臂柔索承受，所以左右 臂 肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)矩 、 、 和 、 、 都為 。 從 六個階段的仿真結(jié)果可 知，機器人越障過程中， 行走輪脫線， 掛線 都有發(fā)生，致使 機器人的重量發(fā)生 變化。在越障過程中，機器人的 整體重量主要由左右臂的柔索承受 ， 柔 索拉力 變化較為平穩(wěn)，柔索最大拉力約為 ，左右臂的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)主要承 受 手臂伸展時自身的重量， 轉(zhuǎn)矩都 較小，肩關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩約為 、肘關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩約 為 、腕關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩約為 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 19 4 夾爪和行走輪設(shè)計 4.1 夾爪部分設(shè)計 4.1.1 夾爪驅(qū)動 電機選擇 設(shè)定設(shè)夾抓的開閉速度為 則計算得夾抓的轉(zhuǎn)速 則夾爪所需有效功率為 [9-10] 傳動裝置總效率 其中 齒輪傳動效率 電機 效率 滑動軸承效率 蝸輪蝸桿效率 電機減速器效率 則傳動總效率 所需電機功率 查詢 電機產(chǎn)品樣本 可選取 的 直流微電機，滿載轉(zhuǎn)速 ，額定功率 ，最大功效 ，額定轉(zhuǎn)矩 總傳動比 式中 —— 齒輪傳動比 —— 蝸輪蝸桿傳動比 —— 電機減速箱傳動比 選取行星減速箱 系列，減速比選取 ， 減速器 效率 ， 含電機長度 ，電機直徑 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 20 蝸輪頭數(shù)為 ，即 擬定 取 校核 電機 電機所需提供扭矩 代入數(shù)據(jù)得 4.1.2 夾爪部分齒輪設(shè)計 (1)圓柱齒輪設(shè)計 已設(shè)定 求齒輪模數(shù) [9-12] 取 則齒數(shù) 齒輪分度圓直徑 齒輪齒頂圓直徑 齒輪齒根圓直徑 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 21 齒寬取 (2)夾爪部分蝸輪蝸桿設(shè)計 已設(shè)定蝸桿分度圓 傳動比 取 則 蝸桿齒頂圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 蝸桿頂隙 蝸輪分度圓直徑 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根圓直徑 蝸輪齒頂高 蝸輪齒根高 蝸輪齒寬 取 齒頂圓弧面半徑 陳銘博 :電力巡檢機器人設(shè)計 22 齒頂圓弧面半徑 蝸輪外徑 時 取 蝸桿螺紋部分長度