外文翻譯--電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)【中英文文獻(xiàn)譯文】

外文翻譯--電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)【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),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（其中：外文文獻(xiàn)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(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 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(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 ) 1 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)域最具代表性的國際會(huì)議。 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 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(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 國內(nèi)外研究概況 1.2.1 國外研究概況 巡檢機(jī)器人的研究工作在國外開展的較早， 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(jì) (論文 ) 3 (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 國內(nèi)研究概況 國內(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 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 。 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 4 (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)。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 2 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(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(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 位置和長度 的作用 。 圖 2-1 帶柔索雙臂式 巡檢 機(jī)器人模型 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 6 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： 、 、 、 和 、 、 、 為機(jī)器人雙臂各關(guān)節(jié)的位置； 、 、 、 和 、 、 、 為機(jī)器人雙臂各部分的質(zhì)心； 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； 、 、 分別為機(jī)器人雙臂各段的長度； 為機(jī)器人腕關(guān)節(jié)相對(duì)于肩關(guān)節(jié)的高度； 為機(jī)器人箱體長度的一半； 為機(jī)器人肩關(guān)節(jié)的高度； 、 為機(jī)器人越障過程中左、右臂驅(qū)動(dòng)滾筒移動(dòng)距離； 、 、 、 和 、 、 、 為機(jī)器人越障過程中左、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： — 機(jī)器人箱體質(zhì)量； — 機(jī)器人 左臂 質(zhì)量； — 機(jī)器人 右臂 質(zhì)量： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 — 機(jī)器人輪臂質(zhì)量； — 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） 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(jī)器人設(shè)計(jì) 8 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， 為手爪 承受的機(jī)器人 的整體 重力， 為驅(qū)動(dòng)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(jī)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(gè)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(jì) (論文 ) 9 圖 3-2 夾爪受力分析 Fig.3-2 Grip force analysis 取 ， ，則單個(gè)夾抓需要輸出的扭矩為 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 的巡檢及越障過程，選 取幾個(gè)主要環(huán)節(jié)， 來求解機(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 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 10 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， 、 分別 為前后行走輪所承受的 機(jī)器人的 重力， 、 為 高壓線 對(duì)前后 輪的正壓力， 、 為高壓線 對(duì)前后驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力， 、 為 高壓線 對(duì) 前后 臂 驅(qū)動(dòng) 輪的滾動(dòng)摩阻力偶， 、 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： （ 3-1） 求解 上式，得到前后輪的驅(qū)動(dòng)力矩為： （ 3-2） 此處，取機(jī)器人的質(zhì)量為 ，令 ，高壓線與水平面的夾角取 ， 滾動(dòng)摩阻系數(shù) 取 ， 驅(qū)動(dòng)輪與高壓線的接觸半徑 取 ，帶入上式，計(jì)算得到 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。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 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 ， ，其他 同 上一階段 ，求解得 ， 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 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 12 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， （ 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(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 ， ，其它 參數(shù)變量 同 第三階段 ，代入公式求解得 ， 通過對(duì) 機(jī)器人 四個(gè)過程的靜力學(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 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 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)，越障過程較為靈活， 當(dāng)其 跨越 不同尺寸的障礙物 時(shí)，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(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)器人越障過程，可 將其 越障過程 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) 越障過程 。 圖 3-9 機(jī)器人越障過程 Fig.3-9 Robot obstacle-navigation process 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 14 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 越障過程可 得出 ， 因?yàn)?在機(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： （ 3-5） 式中： 為機(jī)器人的質(zhì)心位置 為機(jī)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(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： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 （ 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： （ 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： （ 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 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 16 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： （ 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： （ 3-10） 3.3.3 機(jī)器人 越障過程受力仿真分析 設(shè)定 機(jī)器人的一次越障循環(huán)時(shí)間 是 ，其中第 一 階段 時(shí)間為 、第 二 階段 時(shí)間為 、第 三 階段 時(shí)間為 、第 四 階段 時(shí)間為 、第 五 階段 時(shí)間為 、第 六 階段 時(shí)間為 。 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 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。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 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)器人越障過程受力仿真曲線可得 ： （ 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 ，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 慢慢變大，而右臂柔索所受 拉力 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 變 大 到 ， 從而承受 機(jī)器人的 整體重 量 ，而右臂柔索 所受 拉力 逐漸變小到 ， 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 、 、 和 、 、 都 為 。 （ 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 、 、 從 慢慢變至最大，隨著機(jī)器人右臂行走輪越障掛線后， 、 、 慢 慢 變至 ，此時(shí)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(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 為 ，此時(shí)右臂處于松弛狀態(tài)，右臂柔索拉力 為 。 由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中質(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 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(dòng)，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(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 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(jī)器人設(shè)計(jì) 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(dòng)滾筒回到原來位置， 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， 。 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 、 、 和 、 、 都為 。 （ 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 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(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 、 、 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(shí) 左 臂柔索處于松馳狀態(tài)， 左臂柔索 拉力 為 ， 機(jī)器人的 整體重量由其右臂柔索承擔(dān)， 為 。 由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中質(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 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(dòng)，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(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 從 慢慢變小到 ，左臂柔索承受 拉力 從 慢慢變大 到 。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 、 、 和 、 、 都為 。 從 六個(gè)階段的仿真結(jié)果可 知，機(jī)器人越障過程中， 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 ，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 、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(jì) (論文 ) 19 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 則計(jì)算得夾抓的轉(zhuǎn)速 則夾爪所需有效功率為 [9-10] 傳動(dòng)裝置總效率 其中 齒輪傳動(dòng)效率 電機(jī) 效率 滑動(dòng)軸承效率 蝸輪蝸桿效率 電機(jī)減速器效率 則傳動(dòng)總效率 所需電機(jī)功率 查詢 電機(jī)產(chǎn)品樣本 可選取 的 直流微電機(jī)，滿載轉(zhuǎn)速 ，額定功率 ，最大功效 ，額定轉(zhuǎn)矩 總傳動(dòng)比 式中 —— 齒輪傳動(dòng)比 —— 蝸輪蝸桿傳動(dòng)比 —— 電機(jī)減速箱傳動(dòng)比 選取行星減速箱 系列，減速比選取 ， 減速器 效率 ， 含電機(jī)長度 ，電機(jī)直徑 陳銘博 :電力巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì) 20 蝸輪頭數(shù)為 ，即 擬定 取 校核 電機(jī) 電機(jī)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(jì) (1)圓柱齒輪設(shè)計(jì) 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(jì) (論文 ) 21 齒寬取 (2)夾爪部分蝸輪蝸桿設(shè)計(jì) 已設(shè)定蝸桿分度圓 傳動(dòng)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(jī)器人設(shè)計(jì) 22 齒頂圓弧面半徑 蝸輪外徑 時(shí) 取 蝸桿螺紋部分長度