外文翻譯--電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)WORD+PDF【中英文文獻(xiàn)譯文】,中英文文獻(xiàn)譯文,外文,翻譯,電力,巡檢,機(jī)器人,設(shè)計(jì),word,pdf,中英文,文獻(xiàn),譯文
中文題目：電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)
外文題目：Electrical inspection robot design
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 62 頁(yè)（其中：外文文獻(xiàn)及譯文17頁(yè)） 圖紙共4張
完成日期 2015年6月 答辯日期 2015年6月
II
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(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸電線路的隱患和缺陷，并進(jìn)行修復(fù)，防患于未然，必須對(duì)輸電線進(jìn)行定期的巡檢。巡檢機(jī)器人是一種近距離巡檢線路和修復(fù)缺陷的工具。
針對(duì)巡檢機(jī)器人作業(yè)任務(wù)需求和輸電線路障礙環(huán)境特點(diǎn),提出了一種新型雙臂式巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu),在串聯(lián)關(guān)節(jié)型手臂機(jī)構(gòu)中增加了并聯(lián)柔索。建立了巡檢機(jī)器人的靜力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 給出了機(jī)器人在線路上靜止時(shí)力和力矩平衡方程，并仿真分析了典型越障過(guò)程中機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的受力狀態(tài)。
根據(jù)機(jī)器人受力狀態(tài)的分析結(jié)果，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)力矩及轉(zhuǎn)速，選出適合的電機(jī)及減速器。根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行了各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:巡檢機(jī)器人;雙臂;柔索;越障
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
I
目錄
前言 1
1 緒論 2
1.1 研究的目的和意義 2
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況 2
1.2.1 國(guó)外研究概況 2
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究概況 3
1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作 4
2 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 機(jī)器人基本結(jié)構(gòu) 5
2.2 機(jī)器人坐標(biāo)系及相關(guān)參數(shù) 6
3 巡檢機(jī)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(shí)受力分析 9
3.2.1 機(jī)器人處于勻速爬坡狀態(tài)下的受力分析 9
3.2.2 機(jī)器人處于越障前調(diào)整質(zhì)心階段 10
3.2.3 機(jī)器人處于下坡階段的受力分析 11
3.2.4 機(jī)器人處于越障后調(diào)整質(zhì)心階段 12
3.3 巡檢機(jī)器人越障階段受力分析 13
3.3.1 巡檢機(jī)器人越障階段劃分 13
3.3.2 巡檢機(jī)器人越障各階段力學(xué)模型 14
3.3.3 機(jī)器人越障過(guò)程受力仿真分析 16
4 夾爪和行走輪設(shè)計(jì) 19
4.1 夾爪部分設(shè)計(jì) 19
4.1.1 夾爪驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 19
4.1.2 夾爪部分齒輪設(shè)計(jì) 20
4.2 行走輪部分設(shè)計(jì) 22
4.2.1 行走輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取 22
4.2.2 行走輪部分齒輪設(shè)計(jì) 23
5 手臂部分設(shè)計(jì) 25
5.1 水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 25
5.1.1 水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)選取 25
5.1.2 水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計(jì) 26
5.2 腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 27
5.2.1 腕關(guān)節(jié)電機(jī)選取 27
5.2.2 腕關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計(jì) 28
5.3 肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 29
5.3.1 肘關(guān)節(jié)電機(jī)選 29
5.3.2 肘關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計(jì) 31
5.4 肩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 32
5.4.1 肩關(guān)節(jié)電機(jī)選取 32
5.4.2 肩關(guān)節(jié)齒輪設(shè)計(jì) 33
6 箱體部分設(shè)計(jì) 34
6.1 滾筒部分設(shè)計(jì) 34
6.1.1 滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取 34
6.1.2 滾筒部分齒輪設(shè)計(jì) 35
6.2 移動(dòng)臺(tái)部分設(shè)計(jì) 37
6.2.1 移動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取 37
6.2.2 移動(dòng)臺(tái)部分齒輪設(shè)計(jì) 38
7 經(jīng)濟(jì)性分析 41
8 結(jié)論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 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(jì)(論文)
前言
為保證遠(yuǎn)距離高壓電力輸電線路的安全穩(wěn)定，需對(duì)線路進(jìn)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(jī)巡檢兩種。機(jī)器人作為一種新的巡檢裝備,具有運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)人工巡檢工作效率低等不足，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
在巡檢機(jī)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(jī)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(huì)議，該會(huì)議現(xiàn)已成為電力機(jī)器人領(lǐng)域最具代表性的國(guó)際會(huì)議。
1 緒論
1.1 研究的目的和意義
我國(guó)長(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)時(shí)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(duì)高壓線路進(jìn)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(guò)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(jī)器人逐漸進(jìn)入人們的視野，各大科研院所都在對(duì)其進(jìn)行研究，電力部門迫切將其運(yùn)用到實(shí)際的巡檢工作中。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況
1.2.1 國(guó)外研究概況
巡檢機(jī)器人的研究工作在國(guó)外開展的較早，上世紀(jì)九十年代，日本東京電力公司Sawada等人開展了巡檢機(jī)器人的研究工作。該公司研制的機(jī)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(jì)初就開始了LineScout巡檢機(jī)器人的研制工作。該機(jī)器人為四臂結(jié)構(gòu)，如圖1-3 (a) 。跨越障礙物時(shí)，一側(cè)夾爪夾住高壓線，另一側(cè)的夾爪平移過(guò)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。
(a)機(jī)器人停在導(dǎo)線上 (b)機(jī)器人在翻越懸垂線夾
(a)Robot park on the wire (b)Robot in crossing hanging clip
(c)機(jī)器人在安裝銅夾子 (d)機(jī)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(jī)器人
Fig.1-3 Of the inspection robot LineScout hydropower institute in Quebec, Canada
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究概況
國(guó)內(nèi)關(guān)于電力巡檢機(jī)器人研究起步較晚，上世紀(jì)末，山東大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開展了電力巡檢機(jī)器人的項(xiàng)目研究。
武漢大學(xué)設(shè)計(jì)了具有越障功能的擺臂式機(jī)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(jī)器人樣機(jī) (b)機(jī)器人在進(jìn)行破冰 (c)機(jī)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(jī)器人
Fig.1-4 Wuhan University,inspection robot
沈陽(yáng)自動(dòng)化所開發(fā)了三臂輪式、兩臂回旋式結(jié)構(gòu)的巡檢機(jī)器人,如圖1-5所示。三臂機(jī)器人的特點(diǎn)是運(yùn)行平穩(wěn)，可跨越較大的障礙物。兩臂機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活性較好。
(a) 三臂輪式機(jī)器人 (b)兩臂回旋式機(jī)器人
(a)Three wheeled robot arm (b)Two arms swing type robot
圖1-5 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所的巡檢機(jī)器人
Fig.1-5 Institute of Automation of the inspection robot
1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作
首先對(duì)電力巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而確定機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，分階段對(duì)各關(guān)節(jié)受力情況建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，并結(jié)合MATLAB進(jìn)行越障仿真，分析得出各關(guān)節(jié)扭矩大小，根據(jù)電機(jī)樣本進(jìn)行電機(jī)選取工作，最后對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
我國(guó)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(shí)際需求要求機(jī)器人不但具有更強(qiáng)的越障能力，還要具有大角度線路爬坡的能力。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)基本分為兩種[2-7]，一是雙臂機(jī)器人[2-5]，二是三臂機(jī)器人[6-8]。雙臂機(jī)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(jī)器人的手臂需要承擔(dān)機(jī)器人的整體重量，這使機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)產(chǎn)生很大難度。三臂機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人基本結(jié)構(gòu)
此種安裝柔索的新型雙臂式巡檢機(jī)器人，由于采用了仿人雙臂結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人的越障能力得到了很大的提升。在機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式如圖2-1所示。
機(jī)器人每只手臂包括四個(gè)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(jī)器人越障過(guò)程中，依靠手臂的肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)行走輪的位置；依靠水平回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)箱體和行走輪的姿態(tài)；機(jī)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(dòng)滾筒可以沿箱體移動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)柔索位置和長(zhǎng)度的作用。
圖2-1 帶柔索雙臂式巡檢機(jī)器人模型
Fig.2-1 With a flexible arms patrol robot model
2.2 機(jī)器人坐標(biāo)系及相關(guān)參數(shù)
為了實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人各部分的尺寸參數(shù)；為了便于進(jìn)行機(jī)器人的受力分析，需要確定各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系以及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。巡檢機(jī)器人的尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖2-2所示。
圖2-2 機(jī)器人參數(shù)
Fig.2-2 The robot parameters
圖2-2中標(biāo)注的各參數(shù)含義如下：
O1、O2、O3、O4和O1'、O2'、O3'、O4'為機(jī)器人雙臂各關(guān)節(jié)的位置；
A、B、C、D和A'、B'、C'、D'為機(jī)器人雙臂各部分的質(zhì)心；
D0為機(jī)器人肩關(guān)節(jié)與柔索驅(qū)動(dòng)滾筒間的最小距離；
l1、l2、l3分別為機(jī)器人雙臂各段的長(zhǎng)度；
H1為機(jī)器人腕關(guān)節(jié)相對(duì)于肩關(guān)節(jié)的高度；
l0為機(jī)器人箱體長(zhǎng)度的一半；
H0為機(jī)器人肩關(guān)節(jié)的高度；
d、d'為機(jī)器人越障過(guò)程中左、右臂驅(qū)動(dòng)滾筒移動(dòng)距離；
θ1、θ2、θ3、θ4和θ1'、θ2'、θ3'、θ4'為機(jī)器人越障過(guò)程中左、右臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。
此外，機(jī)器人各部分的質(zhì)量為：
M0—機(jī)器人箱體質(zhì)量；
M1—機(jī)器人左臂質(zhì)量；
M2—機(jī)器人右臂質(zhì)量：
M3—機(jī)器人輪臂質(zhì)量；
M4—機(jī)器人柔索驅(qū)動(dòng)滾筒質(zhì)量。
機(jī)器人各部分的尺寸和重量見表2-1。
表2-1 機(jī)器人各部分尺寸及重量
Tab.2-1 The robot size and weight of each part
尺寸
（mm）
300
300
300
240
250
300
50
重量
（kg）
15
1
1
2
1
3 巡檢機(jī)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(shí)，新型雙臂巡檢機(jī)器人在巡檢過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，依靠質(zhì)心調(diào)節(jié)裝置，使機(jī)器的質(zhì)量集中在一只手臂上，另一只手臂伸出進(jìn)行障礙物跨越，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人單臂掛線的情況。由于驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)摩阻非常小，機(jī)器人主要依靠夾抓提供的夾緊力，使機(jī)器人在高壓線上穩(wěn)定停住，保證越障過(guò)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(jī)器人的質(zhì)心始終與高壓線在豎直平面內(nèi)，計(jì)算時(shí)可以不計(jì)沿高壓線軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)以及其它次要因素。機(jī)器人單臂掛線時(shí)的受力分析如圖3-1所示。
圖3-1 單臂掛線時(shí)的受力分析
Fig.3-1 Single arm hanging line of force analysis
圖3-1中， FF為手爪承受的機(jī)器人的整體重力， NB為驅(qū)動(dòng)輪與高壓線之間的正壓力， FB為夾爪的夾緊力， fB為夾爪與高壓線之間的摩擦力。由靜平衡方程，得
&fB=μFB&2fB≥mgsinα
取機(jī)器人質(zhì)量m=50kg，爬坡角度α=50°，夾爪與高壓線接觸的摩擦系數(shù)μ=0.6，代入數(shù)據(jù)
FB≥mgsinα2μ=319.3N
單臂的加緊裝置由兩個(gè)夾抓組成，即每只夾抓至少要提供159.67N的夾緊力。夾抓的受力分析如圖3-2所示
圖3-2 夾爪受力分析
Fig.3-2 Grip force analysis
取L=30mm，β=60°，則單個(gè)夾抓需要輸出的扭矩為
T=FB·L2sinβ=319.3×302×sin60°=5530.4mN·m
3.2 行走輪在高壓線上行走時(shí)受力分析
機(jī)器人在高壓線上行走時(shí)，依靠安裝在夾爪部分上的行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)使行走輪的前進(jìn)和后退，根據(jù)巡檢機(jī)器人在高壓線上的巡檢及越障過(guò)程，選取幾個(gè)主要環(huán)節(jié)，來(lái)求解機(jī)器人工作時(shí)驅(qū)動(dòng)輪所需要的扭矩。
3.2.1 機(jī)器人處于勻速爬坡狀態(tài)下的受力分析
圖3-3機(jī)器人上坡路段勻速行走
Fig.3-3 The robot walking uphill road at a constant speed
圖3-4 機(jī)器人爬坡時(shí)的受力分析
Fig.3-4 Force analysis when robot climbing
圖3-4中，F(xiàn)F、FB分別為前后行走輪所承受的機(jī)器人的重力，NF、NB為高壓線對(duì)前后輪的正壓力，fFs、fBs為高壓線對(duì)前后驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力，MFs、MBs為高壓線對(duì)前后臂驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)摩阻力偶，MF、MB為前后臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩。機(jī)器人在進(jìn)行巡檢作業(yè)時(shí)，由于速度不大，而且行走輪質(zhì)量相比于機(jī)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(jī)器人該狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)模型如下：
&NF=FFcosα&NB=FBcosα&MFs=NFδ&MBs=NBδ&fFs=FFsinα&fBs=FBsinα&MF-MFs-fFsr=0&MB-MBs-fBsr=0
（3-1）
求解上式，得到前后輪的驅(qū)動(dòng)力矩為：
MF=FFrsinα+δcosαMB=FBrsinα+δcosα
（3-2）
此處，取機(jī)器人的質(zhì)量為50kg，令FF=FB=250N，高壓線與水平面的夾角取α=50°，滾動(dòng)摩阻系數(shù)取δ=0.8，驅(qū)動(dòng)輪與高壓線的接觸半徑取r=25mm，帶入上式，計(jì)算得到
MF=MB=4916mNm
3.2.2 機(jī)器人處于越障前調(diào)整質(zhì)心階段
機(jī)器人在越障之前，需要左臂調(diào)整質(zhì)心，使機(jī)器人的質(zhì)心移動(dòng)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(jī)器人除右臂輪爪關(guān)節(jié)外的全部重量。
圖3-5 機(jī)器人調(diào)節(jié)質(zhì)心
Fig.3-5 The robot adjust the center of mass
此時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的全部重量，因此，計(jì)算時(shí)取FF=0N，F(xiàn)B=500N，其他同上一階段，求解得
MF=0mNm，MB=9832mNm
3.2.3 機(jī)器人處于下坡階段的受力分析
圖3-6 機(jī)器人下坡路段勻速行走
Fig.3-6 The robot walking downhill at a constant speed
機(jī)器人處于下坡路階段勻速行走時(shí)，依靠夾爪驅(qū)動(dòng)輪提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，受力分析如下圖
圖3-7 機(jī)器人下坡時(shí)的受力分析
Fig.3-7 Force analysis when robot go downhill
圖中的參數(shù)同第一階段，由圖3-7，建立機(jī)器人下坡時(shí)的運(yùn)動(dòng)模型，
&NF=FFcosα&NB=FBcosα&MFs=NFδ&MBs=NBδ&fFs=FFsinα&fBs=FBsinα&MF+MFs-fFsr=0&MB+MBs-fBsr=0
（3-3）
由上式得到，
MF=FFrsinα-δcosαMB=FBrsinα-δcosα
（3-4）
代入第一階段中的變量取值，求得，
MF=MB=4916mNm
3.2.4 機(jī)器人處于越障后調(diào)整質(zhì)心階段
圖3-8 機(jī)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(jī)器人雙臂都越過(guò)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(dòng)，逐漸將質(zhì)心調(diào)整到雙臂之間，機(jī)器人的姿態(tài)也調(diào)整到越障前。
這一階段機(jī)器人手臂的受力狀態(tài)同圖3-7，運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的全部重量，因此，計(jì)算時(shí)取FF=500N，F(xiàn)B=0N，其它參數(shù)變量同第三階段，代入公式求解得
MF=9318mNm，MB=0mNm
通過(guò)對(duì)機(jī)器人四個(gè)過(guò)程的靜力學(xué)分析，并相互比較得出，機(jī)器人在高壓線上行走時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需提供的轉(zhuǎn)矩至少為9832mNm。
3.3 巡檢機(jī)器人越障階段受力分析
3.3.1 巡檢機(jī)器人越障階段劃分
巡檢機(jī)器人采用的是仿人雙臂結(jié)構(gòu)，越障過(guò)程較為靈活，當(dāng)其跨越不同尺寸的障礙物時(shí)，越障過(guò)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(jī)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(jī)器人越障過(guò)程，可將其越障過(guò)程劃分為以下幾個(gè)主要階段：
第一階段：機(jī)器人正常行走姿態(tài)如圖3-9（a）所示，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)，其右臂行走輪鎖緊，左臂行走輪與左臂柔索的驅(qū)動(dòng)滾筒一起向右移動(dòng)，使機(jī)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(jī)器人將質(zhì)心調(diào)整到左臂行走輪下方后，其右臂抬起、進(jìn)行伸出跨越障礙物動(dòng)作，并依靠調(diào)整左臂柔索的驅(qū)動(dòng)滾筒位置，盡可能使機(jī)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(guò)障礙物并掛線后，右臂行走輪鎖緊，使左臂柔索驅(qū)動(dòng)滾筒左移，將機(jī)器人質(zhì)心調(diào)整到雙臂對(duì)稱線位置，如圖3-9（d）所示。
第四階段：其右臂柔索驅(qū)動(dòng)滾筒左移，將機(jī)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(jī)器人左臂行走輪松開，其左臂抬起、進(jìn)行收回跨越障礙物動(dòng)作，并調(diào)整右臂柔索驅(qū)動(dòng)滾筒位置，使機(jī)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(dòng)滾筒右移，將調(diào)整機(jī)器人質(zhì)心至雙臂對(duì)稱線位置，如圖3-9（a）所示，完成整個(gè)越障過(guò)程。
圖3-9 機(jī)器人越障過(guò)程
Fig.3-9 Robot obstacle-navigation process
3.3.2 巡檢機(jī)器人越障各階段力學(xué)模型
由圖3-9所示的巡檢機(jī)器人越障過(guò)程可得出，因?yàn)樵跈C(jī)器人手臂的腕關(guān)節(jié)與箱體之間安裝了柔索，機(jī)器人在調(diào)整質(zhì)心的過(guò)程中，機(jī)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(jī)器人在正常的行走過(guò)程中，機(jī)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(xì)分析在機(jī)器人越障的各個(gè)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(jī)器人從圖3-9（a）的狀態(tài)移動(dòng)至圖3-9（b）的狀態(tài)過(guò)程中，機(jī)器人的質(zhì)心始終位于左、右兩臂柔索之間，機(jī)器人的重量由左、右兩臂柔索拉力共同承擔(dān)，機(jī)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：
&Fs+Fs'=G&Fs'2l0-2D0-d=Gl0+xm-D0+d&T1=T2=T3=0&T1'=T2'=T3'=0
（3-5）
式中：
xm為機(jī)器人的質(zhì)心位置
G為機(jī)器人的重量
Fs、Fs'分別為左、右臂的柔索拉力
T1、T2、T3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
T1'、T2'、T3'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(jī)器人從圖3-9（b）的狀態(tài)移動(dòng)到圖3-9（c）的狀態(tài)過(guò)程中，機(jī)器人為保持平衡，機(jī)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(jī)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(guò)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(dá)到最大時(shí)是在右臂越過(guò)障礙后行走輪將要掛線的時(shí)候。根據(jù)機(jī)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：
&Fs=G+T3D0+d&Fs'=0&T1=0&T2=0&T3=Gl0+xm-D0+d&T1'=M3gl1cosθ1'+l2cosθ1'+θ2'+l32cosθ1'+θ2'-θ3'+& M2gl1cosθ1'+l22cosθ1'+θ2'+M1gl12cosθ1'&T2'=M3gl2cosθ1'+θ2'+l32cosθ1'+θ2'-θ3'+& M2gl22cosθ1'+θ2'&T3'=M3gl32cosθ1'+θ2'-θ3'&&
（3-6）
(3)第三階段力學(xué)模型
機(jī)器人從圖3-9（c）的狀態(tài)移動(dòng)到圖3-9（d）的狀態(tài)的過(guò)程中，機(jī)器人的質(zhì)心處于左、右兩臂柔索之間，機(jī)器人的重量全部由左、右兩臂柔索拉力承擔(dān)，因此機(jī)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：
&Fscosθ4=Fs'cosθ4'&Fssinθ4+Fs'sinθ4'=G&T1=T2=T3=0&T1'=T2'=T3'=0
（3-7）
(4)第四階段力學(xué)模型
機(jī)器人從圖3-9（d）的狀態(tài)移動(dòng)到圖3-9（e）的狀態(tài)的過(guò)程，與第三階段狀態(tài)運(yùn)動(dòng)對(duì)稱，所以手臂受力情況與第三階段對(duì)稱。機(jī)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(jī)器人重量主要由左臂柔索承擔(dān)，而在第四階段機(jī)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：
&Fscosθ4=Fs'cosθ4'&Fssinθ4+Fs'sinθ4'=G&T1=T2=T3=0&T1'=T2'=T3'=0
（3-8）
(5)第五階段力學(xué)模型
機(jī)器人從圖3-9（e）的狀態(tài)移動(dòng)到圖3-9（f）的狀態(tài)的過(guò)程，與第2階段運(yùn)動(dòng)對(duì)稱，機(jī)器人的質(zhì)心盡可能處于右臂行走輪下方，為使機(jī)器人保持平衡，右臂腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩配合右臂柔索拉力共同平衡機(jī)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(jìn)行收回越障的過(guò)程中，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩在左臂行走輪剛離線時(shí)達(dá)到最大。根據(jù)機(jī)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：
&Fs=0&Fs'=G+T3'D0+d'&T1=M3gl1cosθ1+l2cosθ1-θ2+l32cosθ1-θ2+θ3+M2gl1cosθ1+l22cosθ1-θ2+M1gl12cosθ1&T2=M3gl2cosθ1-θ2+l32cosθ1-θ2+θ3M2gl22cosθ1-θ2&T3=M3gl32cosθ1-θ2+θ3&T1'=0&T2'=0&T3'=Gl0-D0-xm-d'&&
（3-9）
(6)第六階段力學(xué)模型
機(jī)器人從圖3-9（f）所示狀態(tài)移動(dòng)到圖3-9（a）所示狀態(tài)過(guò)程，與第一階段運(yùn)動(dòng)對(duì)稱，機(jī)器人的質(zhì)心位于左、右兩臂柔索之間，機(jī)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：
&Fs+Fs'=G&Fs2l0-2D0-d'=Gl0-D0-xm-d'&T1=T2=T3=0&T1'=T2'=T3'=0
（3-10）
3.3.3 機(jī)器人越障過(guò)程受力仿真分析
設(shè)定機(jī)器人的一次越障循環(huán)時(shí)間是320s，其中第一階段時(shí)間為60s、第二階段時(shí)間為40s、第三階段時(shí)間為60s、第四階段時(shí)間為60s、第五階段時(shí)間為40s、第六階段時(shí)間為60s。依據(jù)式3-5至式3-10的受力方程和表2-1機(jī)器人的尺寸參數(shù)及質(zhì)量，以時(shí)間t為變量，運(yùn)用Matlab進(jìn)行機(jī)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。
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
圖3-10 機(jī)器人越障仿真曲線
Fig.3-10 Robot obstacle-navigation simulation curve
由圖3-10所示的機(jī)器人越障過(guò)程受力仿真曲線可得：Fs+Fs'=G
（1）機(jī)器人在線上行走階段，機(jī)器人整體重量由左右兩臂柔索共同承擔(dān)，此時(shí)左右兩柔索拉力相等且為100N，在機(jī)器人第一階段越障時(shí)，隨著左臂柔索驅(qū)動(dòng)滾筒和行走輪向右移動(dòng)，左臂柔索所受拉力Fs慢慢變大，而右臂柔索所受拉力Fs'慢慢變小。當(dāng)機(jī)器人的質(zhì)心移動(dòng)至左臂行走輪下方時(shí)，左臂柔索所受拉力Fs變大到200N，從而承受機(jī)器人的整體重量，而右臂柔索所受拉力Fs'逐漸變小到0N，此時(shí)右臂準(zhǔn)備進(jìn)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T1、T2、T3和T1'、T2'、T3'都為0N·m。
（2）在機(jī)器人越障的第二個(gè)階段，機(jī)器人伸出右臂進(jìn)行跨障，此時(shí)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩T1'、T2'、T3'從0N·m慢慢變至最大，隨著機(jī)器人右臂行走輪越障掛線后，T1'、T2'、T3'慢慢變至0N·m，此時(shí)肩關(guān)節(jié)扭矩T1'，肘關(guān)節(jié)扭矩T2'，肩關(guān)節(jié)扭矩T3'變化范圍分別為0~16N·m，-7~7N·m，0~2N·m。當(dāng)機(jī)器人伸出右臂時(shí)，機(jī)器人的整體重量由其左臂柔索承擔(dān)，柔索拉力Fs為225N，此時(shí)右臂處于松弛狀態(tài)，右臂柔索拉力Fs'為0N。由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)心在不斷變化，為保持機(jī)器人的平衡，在不斷調(diào)節(jié)左臂柔索位置的同時(shí)，左臂腕關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩T3來(lái)配合左臂柔索拉力Fs。這一過(guò)程，左臂柔索拉力Fs和左臂腕關(guān)節(jié)T3出現(xiàn)波動(dòng)，變化范圍分別是222.5~225N，0~1N·m。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T1和T2都為0N·m。
（3）在機(jī)器人越障的第三個(gè)階段，機(jī)器人的整體重量由左臂柔索單獨(dú)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(dòng)滾筒向左移動(dòng)，機(jī)器人的質(zhì)心也隨之左移，左臂柔索受力Fs慢慢變小，右臂柔索受力Fs'慢慢變大。隨著左臂柔索驅(qū)動(dòng)滾筒回到原來(lái)位置，機(jī)器人的質(zhì)心也逐漸移動(dòng)到兩臂的對(duì)稱位置，此時(shí)兩臂柔索拉力相等，F(xiàn)s=Fs'=105N。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(jī)器人整體重量。此時(shí)，機(jī)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T1、T2、T3和T1'、T2'、T3'都為0N·m。
（4）在機(jī)器人越障的第四階段，隨著右臂柔索滾筒向左移動(dòng)，機(jī)器人的整體重量逐漸由左右臂的柔索承受，機(jī)器人的質(zhì)心向右移動(dòng)，左臂柔索受力從105N變小為0N，右臂受力由105N變大為200N。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0N·m。
（5）在機(jī)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T1、T2、T3從0N·m慢慢變到最大，行走輪脫線；左臂行走輪越障掛線后，T1、T2、T3慢慢變小到0N·m，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的變化范圍分別是0~16N·m、-7~7N·m、0~2N·m。此時(shí)左臂柔索處于松馳狀態(tài)，左臂柔索拉力Fs為0N，機(jī)器人的整體重量由其右臂柔索承擔(dān)，F(xiàn)s'為225N。由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)心在不斷變化，為保持機(jī)器人的平衡，在不斷調(diào)節(jié)右臂柔索位置的同時(shí)，右臂腕關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩T3'來(lái)配合右臂柔索拉力Fs'。這一過(guò)程，右臂柔索拉力Fs'和右臂腕關(guān)節(jié)T3'出現(xiàn)波動(dòng)，變化范圍分別是222.5~225N，0~1N·m。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T1'和T2'都為0N·m。
（6）在機(jī)器人越障的第六階段，機(jī)器人的整體重量由右臂柔索承受，機(jī)器人的質(zhì)心位于右臂行走輪下方，右臂柔索驅(qū)動(dòng)滾筒向右移動(dòng)，機(jī)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Fs'從200N慢慢變小到100N，左臂柔索承受拉力Fs從0N慢慢變大到100N。機(jī)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T1、T2、T3和T1'、T2'、T3'都為0N·m。
從六個(gè)階段的仿真結(jié)果可知，機(jī)器人越障過(guò)程中，行走輪脫線，掛線都有發(fā)生，致使機(jī)器人的重量發(fā)生變化。在越障過(guò)程中，機(jī)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225N，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(shí)自身的重量，轉(zhuǎn)矩都較小，肩關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩約為16N·m、肘關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩約為7N·m、腕關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩約為2N·m。
4 夾爪和行走輪設(shè)計(jì)
4.1 夾爪部分設(shè)計(jì)
4.1.1 夾爪驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇
設(shè)定設(shè)夾抓的開閉速度為15°/s
則計(jì)算得夾抓的轉(zhuǎn)速
n1=ω2π=15°×60360°=2.5r/min
則夾爪所需有效功率為[9-10]
pw=n1M9.55=2.5×5530.4×10-39.55=1.45W
傳動(dòng)裝置總效率η=η1·η2·η34·η4·η5
其中 齒輪傳動(dòng)效率η1=0.96
電機(jī)效率η2=0.8
滑動(dòng)軸承效率η3=0.97
蝸輪蝸桿效率η4=0.75
電機(jī)減速器效率η5=0.7
則傳動(dòng)總效率η=0.96×0.8×0.974×0.75×0.7=0.357
所需電機(jī)功率
pr=pwη=4×1.450.357=16.24W
查詢faulhaber電機(jī)產(chǎn)品樣本
可選取faulhaber的2642-012CXR直流微電機(jī)，滿載轉(zhuǎn)速n=6000r/min，額定功率22.1W，最大功效η2'=0.76，額定轉(zhuǎn)矩M2=28mNm
總傳動(dòng)比
i=i1·i2·i3=nn1=60002.5=2400
式中i1——齒輪傳動(dòng)比
i2——蝸輪蝸桿傳動(dòng)比
i3——電機(jī)減速箱傳動(dòng)比
選取行星減速箱26/1系列，減速比選取i3=66:1，減速器效率η5'=0.7，含電機(jī)長(zhǎng)度86.4mm，電機(jī)直徑24mm
蝸輪頭數(shù)為2，即Z1=2 擬定i2=20
i1=ii2i3=240020×66=1.81
取
i1=i4·i5=1811=187×711
校核電機(jī)
電機(jī)所需提供扭矩M1
M1=Mη1·η2'·η34·η4·η5'·i
代入數(shù)據(jù)得
M1=4×5530.40.96×0.76×0.974×0.75×0.7×2400=27.18mNm
M1
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