论文部分内容阅读
摘 要：随着全国用电量的日益增长，保障线路正常运行显得十分必要。目前国内外都针对线路巡视机器人设计了各种样机，但是大多存在着诸多的缺陷而无法投入生产进行试用。在对现有样机结构研究的基础上，设计越障机构，并制作三维实体进行仿真，仿真结果表明改进后的结构越障能力有较大提高。
关键词：爬坡能力 自动转向性 柔性夹持系统
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-049-02
1 高压输电线上的障碍
高压输电线上的障碍总结起来有三种，单悬垂金具、双悬垂金具、防振捶。因此机器人就必须能跨越这几种障碍，如图1所示。
2 国内外研究成果
2.1 双臂回转机器人
此种结构的机器人，正常行走巡线时，以双臂悬挂于线路之上。跨越障碍时以单臂悬挂作为支撑，两个手臂交替越障。其特点是重量轻结构简单，但越障时重心不稳。若添加重心调整装置，势必结构复杂，成本增加。
2.2 三臂及多臂结构机器人
此种结构的机器人，正常行走巡线时，所有手臂悬挂在线路之上。跨越障碍时，仅当前机械臂越障，其它臂悬挂以稳定重心。其特点是越障时重心稳定，但结构复杂，转向性极差。
2.3 多节链式机器人
此种结构的机器人，稳定性高，但总体结构复杂，设计难度大。目前比较少见。
3 机构的设计
3.1 稳定性设计
本文设计采用三悬臂式机器人，首先可以提高稳定性，其次又不至于因为悬臂过多而使得机械结构过于复杂。夹紧后有上闩装置，保证在线路行进过程中不会出现因偏离产生的脱线问题。
3.2 自动转向性设计
为提高机器人的转向性，本文设计吸取了链式结构的转向灵活的优点，将三个悬臂分开，各个悬臂都有自己的机身，各个机身用上下对称铰链连接。
为简化转向结构，本文机械臂采用抓持结构，在抓紧部分有导向轮，在加紧过程中实现自动转向。其次驱动轮采用锥形结构，保证在行走过程中实现自动转向功能。
3.3 爬坡能力设计
目前的机器人多采用单纯悬挂设计，而且样机试验都在标准倒“T”型线路上行走，其爬坡能力差，无法应用于实际的倒“丫”型线路。其一是电线光滑，机器人较重。单纯悬挂没有加紧装置。其二是在倾斜的线路行走时，重心偏移，造成三个手臂无法同时悬挂在电线上而发生掉线。
为提高其爬坡能力，设计时采用夹紧装置。然而如果采用刚性加紧结构，在过倒“丫”障碍时必然存在三手臂不共线的结果。设计时夹紧装置采用弹簧加紧方式既可增强爬坡能力，又可克服机械臂共线问题。同时夹紧轮设计成可转动结构，既可减小行进阻力，又可消除电线对机械臂的扭力。
3.4 越障能力设计
正常行走巡线时，所有手臂悬挂在线路之上。跨越障碍时，仅当前机械臂越障，其它臂悬挂以稳定重心。其柔性夹持装置可使得在越过有坡度单悬垂金具时重心稳定，夹持可靠。其节式设计、导向轮、以及锥形轮可以使其具有越过弯曲障碍。其越障能力针对实际输电线状态设计。越障能力较强，越障可靠。
3.5 夹持装置的仿生设计
由于季节温度变化，线路的弯曲程度也会发生变化，对夹持装置的可靠性要求更加苛刻，本文基于仿生学的基本理论，通过对人体手臂骨架的研究，抽象出机械结构（如图3），并运用于抓线过程。抽象出的夹持装置不仅具有“抓取、放手”动作，而且可以“举手、放下”。这样配合传感器，就可以实现对各种松弛或弯曲线路的夹持。并且夹持过程非常可靠。
图3 仿生机械臂
4 控制系统设计
自动控制原理在机械控制中使用十分广泛，也比较容易实现。电气自动控制主要分为三个部分，分别为电机模块、传感器模块、摄像模块。
综合考虑越障时机器人需要急停和快速稳定启动等问题，本方案选择二相步进电机BS42HB38-01作为动力装置。BS42HB38-01为二相混合步进电机，步距角1.8€埃捎酶吡亟酉叻绞剑籑SP430定时器产生脉冲，经细分器细分和衰减后，稳定的信号再由放大器放大驱动步进电机正传和反转。
红外对管传感器能够短距离测距，vs1318型红外对管只要5V电压供电，测量距离最大可达20M，为满足精度和测量距离的要求，采用电位器将三个不同的红外对管分别调节到不同的阀值。
摄像模块电路比较简单，现代许多摄像头内部集成驱动电路，无需外加，因此只需把接口引线接至CPU的I/O口，实现相互间的通信。
5 性能分析
机器人在整体结构上吸取了链式结构和三臂结构的优点，克服了它们的不足。使得机器人的重心更加稳定，且具备了转向的能力，越障能力得到提高。在针对爬坡的问题上，采用柔性夹持装置，不仅提高了爬坡的能力增强了稳定性，而且克服了在爬坡过程中上下坡面无法同时夹持的难题，进一步提高越障能力。
爪臂的可上下移动，设计使得在夹持线的可靠性上大幅提高。加之传感检测单元对夹持过程的检测保护，使得机器人的越障更加可靠。
6 创新点及应用
（1）适用线路上出现的各种障碍能可靠越障。
（2）柔性夹持系统增强爬坡能力强及对线路季节变化适应性强。
（3）链式结构加导向轮、锥形轮能实现自动转向并调整。
（4）悬臂结构及动作模仿人的手臂，使得抓线动作更加可靠。
（5）机身结构吸取链式结构和三悬臂的优点，弥补其各自不足。
（6）内部检测自我保护。
（7）沿线拍摄记录拍摄地点，节省人力物力，应用于极端环境。
随着国内经济的发展人们生活水平和科技水平的提高，用电量急剧增加，对高压线路的扩建和维护工作显得更加的紧迫和重要，高压线路巡视机器人的应用不仅能对线路的维护工作起到关键的作用，而且还能保障线路工人和高压线路的安全，同时还能对地质灾害进行预警、对野外生态环境进行监控。所以应用前景很广。
参考文献：
[1]吴宗泽，郭可谦.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2011：12-24.
[2]李春茂.电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2008：15-47.
[3]Lee H Y， Reinholtz C F.Inverse kinematics of serial-chain manipulators[J].ASME Journal of Mechanical Design，1996，118（3）：396-404.
关键词：爬坡能力 自动转向性 柔性夹持系统
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）004-049-02
1 高压输电线上的障碍
高压输电线上的障碍总结起来有三种，单悬垂金具、双悬垂金具、防振捶。因此机器人就必须能跨越这几种障碍，如图1所示。
2 国内外研究成果
2.1 双臂回转机器人
此种结构的机器人，正常行走巡线时，以双臂悬挂于线路之上。跨越障碍时以单臂悬挂作为支撑，两个手臂交替越障。其特点是重量轻结构简单，但越障时重心不稳。若添加重心调整装置，势必结构复杂，成本增加。
2.2 三臂及多臂结构机器人
此种结构的机器人，正常行走巡线时，所有手臂悬挂在线路之上。跨越障碍时，仅当前机械臂越障，其它臂悬挂以稳定重心。其特点是越障时重心稳定，但结构复杂，转向性极差。
2.3 多节链式机器人
此种结构的机器人，稳定性高，但总体结构复杂，设计难度大。目前比较少见。
3 机构的设计
3.1 稳定性设计
本文设计采用三悬臂式机器人，首先可以提高稳定性，其次又不至于因为悬臂过多而使得机械结构过于复杂。夹紧后有上闩装置，保证在线路行进过程中不会出现因偏离产生的脱线问题。
3.2 自动转向性设计
为提高机器人的转向性，本文设计吸取了链式结构的转向灵活的优点，将三个悬臂分开，各个悬臂都有自己的机身，各个机身用上下对称铰链连接。
为简化转向结构，本文机械臂采用抓持结构，在抓紧部分有导向轮，在加紧过程中实现自动转向。其次驱动轮采用锥形结构，保证在行走过程中实现自动转向功能。
3.3 爬坡能力设计
目前的机器人多采用单纯悬挂设计，而且样机试验都在标准倒“T”型线路上行走，其爬坡能力差，无法应用于实际的倒“丫”型线路。其一是电线光滑，机器人较重。单纯悬挂没有加紧装置。其二是在倾斜的线路行走时，重心偏移，造成三个手臂无法同时悬挂在电线上而发生掉线。
为提高其爬坡能力，设计时采用夹紧装置。然而如果采用刚性加紧结构，在过倒“丫”障碍时必然存在三手臂不共线的结果。设计时夹紧装置采用弹簧加紧方式既可增强爬坡能力，又可克服机械臂共线问题。同时夹紧轮设计成可转动结构，既可减小行进阻力，又可消除电线对机械臂的扭力。
3.4 越障能力设计
正常行走巡线时，所有手臂悬挂在线路之上。跨越障碍时，仅当前机械臂越障，其它臂悬挂以稳定重心。其柔性夹持装置可使得在越过有坡度单悬垂金具时重心稳定，夹持可靠。其节式设计、导向轮、以及锥形轮可以使其具有越过弯曲障碍。其越障能力针对实际输电线状态设计。越障能力较强，越障可靠。
3.5 夹持装置的仿生设计
由于季节温度变化，线路的弯曲程度也会发生变化，对夹持装置的可靠性要求更加苛刻，本文基于仿生学的基本理论，通过对人体手臂骨架的研究，抽象出机械结构（如图3），并运用于抓线过程。抽象出的夹持装置不仅具有“抓取、放手”动作，而且可以“举手、放下”。这样配合传感器，就可以实现对各种松弛或弯曲线路的夹持。并且夹持过程非常可靠。
图3 仿生机械臂
4 控制系统设计
自动控制原理在机械控制中使用十分广泛，也比较容易实现。电气自动控制主要分为三个部分，分别为电机模块、传感器模块、摄像模块。
综合考虑越障时机器人需要急停和快速稳定启动等问题，本方案选择二相步进电机BS42HB38-01作为动力装置。BS42HB38-01为二相混合步进电机，步距角1.8€埃捎酶吡亟酉叻绞剑籑SP430定时器产生脉冲，经细分器细分和衰减后，稳定的信号再由放大器放大驱动步进电机正传和反转。
红外对管传感器能够短距离测距，vs1318型红外对管只要5V电压供电，测量距离最大可达20M，为满足精度和测量距离的要求，采用电位器将三个不同的红外对管分别调节到不同的阀值。
摄像模块电路比较简单，现代许多摄像头内部集成驱动电路，无需外加，因此只需把接口引线接至CPU的I/O口，实现相互间的通信。
5 性能分析
机器人在整体结构上吸取了链式结构和三臂结构的优点，克服了它们的不足。使得机器人的重心更加稳定，且具备了转向的能力，越障能力得到提高。在针对爬坡的问题上，采用柔性夹持装置，不仅提高了爬坡的能力增强了稳定性，而且克服了在爬坡过程中上下坡面无法同时夹持的难题，进一步提高越障能力。
爪臂的可上下移动，设计使得在夹持线的可靠性上大幅提高。加之传感检测单元对夹持过程的检测保护，使得机器人的越障更加可靠。
6 创新点及应用
（1）适用线路上出现的各种障碍能可靠越障。
（2）柔性夹持系统增强爬坡能力强及对线路季节变化适应性强。
（3）链式结构加导向轮、锥形轮能实现自动转向并调整。
（4）悬臂结构及动作模仿人的手臂，使得抓线动作更加可靠。
（5）机身结构吸取链式结构和三悬臂的优点，弥补其各自不足。
（6）内部检测自我保护。
（7）沿线拍摄记录拍摄地点，节省人力物力，应用于极端环境。
随着国内经济的发展人们生活水平和科技水平的提高，用电量急剧增加，对高压线路的扩建和维护工作显得更加的紧迫和重要，高压线路巡视机器人的应用不仅能对线路的维护工作起到关键的作用，而且还能保障线路工人和高压线路的安全，同时还能对地质灾害进行预警、对野外生态环境进行监控。所以应用前景很广。
参考文献：
[1]吴宗泽，郭可谦.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2011：12-24.
[2]李春茂.电子技术基础[M].北京：机械工业出版社，2008：15-47.
[3]Lee H Y， Reinholtz C F.Inverse kinematics of serial-chain manipulators[J].ASME Journal of Mechanical Design，1996，118（3）：396-404.