电力铁塔攀爬机器人夹持机构设计及解析总结计划

电力铁塔攀登机器人夹持机构

设计与剖析电力铁塔攀登机器人夹持机构

设计与剖析

电力铁塔攀登机器人夹持机构设计与剖析

陆小龙，赵世平*，廖俊必，曹志华（四川大学制造科学与工程学院

,

四川成都

,610065

）

纲要：依据对电力铁塔攀登机器人夹持机构的运动和受力剖析，提出并设计了一种新式双V字夹持机构，

其夹持爪V形槽角度固定，大小可变，双爪联动可从多个方向对不一样规格角钢夹持。成立了机构CAD模型

及数学模型，并对夹持力进行了动力学仿真。实验室样机试验，结果考证了这类夹持机构能够从多个方向

对宽度从80-220mm不一样规格的角钢进行靠谱夹持，为攀登机器人在电力铁塔挪动供给靠谱的夹持力。

要点词：电力铁塔；攀登机器人；夹持机构；双V字形

中图分类号：

DesignandAnalysisofClampingMechanism

forPowerTowerClimbingRobot

LUXiao-long,ZHAOShi-ping*,LIAOJun-bi,CAOZhi-hua

(SchoolofManufacturingScienceandEngineering,UniversityofSichuan,Chengdu,P.R.China,610065)

Abstract:InordertofixaPowertowerclimbingrobotonatowerreliably,anoveldouble-V-clamperisproposedinthepaper.ThegrippingclawhasananglefixedV-grooveandavariablelength,sothatitispossibletoclampanglebarswithvariousspecificationsindifferentdirections.TheCADandmathematicalmodeloftheclampingmechanismweresuggestedandtheclampingforcewassimulated.Furthermore，

Prototypeexperimentsweremadeinlaboratory.Theresultsshowthatthegrippercangraspanglebarsfirmlyandreliablywhichwidthsvaryfrom80to220mminseveraldirections,forthethree-dimensionalmovementofthepowertowerclimbingrobots.

Keywords:powertower;climbingrobot;clampingmechanism;doubleV-shaped

基金项目：四川省科技厅资助项目（2008GZ0156）作者简介：陆小龙（1982-），男，博士生.研究方向：

智能机器人技术及应用

通信联系人[1]。按期打扫绝缘子是最

高压输电线路是电力传输的主要载体，其安全运转愈来愈遇到各级部门的重视。作为输电线路的主要构成部分，电力铁塔长久裸露在空气中，受风

吹雨淋、粉尘污染等影响，绝缘子的闪络事故屡次。

据不完整统计，由污秽惹起的绝缘闪络事故目前在

电网事故总数中占第二位

基本、最有效的防污闪方法。传统的人工打扫方法劳动强度大，安全性和打扫成效得不到保证。采纳机器人取代人工打扫不单能减少工人的劳动强度、降低触电和高空坠落的危险，并且能够在不影响供电的状况下进行带电作业，效率高、打扫一致性好、靠谱性高，拥有宽泛的应用远景。

攀登机器人是挪动机器人领域的一个重要研究分支，也是目前机器人领域研究的热门之一。它把地面挪动机器人技术与吸附技术有机联合起来，能够在垂直壁面上附着爬行，并能够携带工具达成必定的作业任务。最近几年来，国内外的研究者对攀登机器人进行了大批研究，但目前还没有特意针对输电线路铁塔绝缘子打扫的攀登机器人，仅有有关近似爬升的机构：M.Tavakoli等提出的四自由度爬杆

机器人[2][3]能够轻松爬越管道节点，沿折弯为随意

角度的圆柱杆爬行；麻省理工大学DanielaRus教

授研制的Shady3D桁架攀登机器人[4]，经过自重构

能够达成在由修长方形截面杆构成的三维桁架空

间挪动；C.Balaguer教授设计的六自由度两臂关节

式机器人ROMA，能够携带必需的设施对由矩形或

工字形截面构成的桁架桥梁进行无损检测[5]，但该

机器人自重达75公斤，不合用于电力铁塔绝缘子

打扫工作；哈尔滨工业大学吴伟国教授提出的小型

双臂关节式桁架攀登机器人，体积小、构造紧凑，

能够在由圆柱杆构成的空间桁架中挪动[6]。这几类

攀登机器人所采纳的夹持机构只好用于特定的环境。电力铁塔是由不一样规格角钢经电焊或螺栓连结

而成的复杂空间桁架构造。国内外已有的攀登夹持

机构均不可以靠谱夹持角钢，不合用电力铁塔攀登。本文针对电力铁塔的构造环境，依据电力铁塔攀登

机器人的设计要求，提出并设计了一种能够从多个

方向对不一样规格的角钢实现靠谱夹持的机器人夹

持机构，并对其进行了实验考证。

机器人主体构造

图2攀登机器人CAD模型

Fig.2.CADmodeloftheclimbing

1

2

3

4

5

6

绝缘子2.横担3.外包角钢

斜材5.节点板6.主材图1攀登铁塔

Fig.1.Thetowertoclimb

如图1所示，电力铁塔是用角钢电焊或螺栓连结而成的框架构造，一般由四根主角钢（主材）构成正方形断面或矩形断面。主角钢由角钢资料制成的水平材或斜材连结。斜材与主材采纳螺栓直接连结（当斜材受力较小时）或外加节点板连结。主材与主材采纳外包角钢直接对接或外加角钢加

衬底连结。横担与塔身主要采纳外加节点板连结。铁塔所用角钢规格众多，从塔基到塔顶，主材所用角钢宽度在220—80mm之间。

机器人攀登的主要阻碍包含主材与主材连结处的外包角钢及螺栓，斜材与主材连结处的节点板，以及斜材与主材直接连结处的斜材垂直边。

本项目的目标是研制一种能够携带绝缘子清

扫工具或其他设施，沿铁塔主材从塔基爬到塔顶完

成相应检修任务的攀登机器人。该机器人一定能够

超出螺栓、外包角钢、节点板等阻碍，夹持不一样规

格角钢，沿主材上下挪动，同时要拥有很强的负载

能力以携带必需的设施，达成相应的检修任务。

矩形导轨ZX左滑块

右滑块

Y

导向杆

滚珠丝杆

夹持机构

1.1应用环境与要求

1.2机器人基本构造

与地面挪动机器人不一样，攀登机器人在挪动过程中一定战胜自己重力影响。在知足实现基本功能的前提下，机器人构造应尽可能简单，以减少自己重量。设计中，既要像挪动机器人同样考虑挪动方式，也要针对工作任务和环境选用吸附方式。

针对电力铁塔攀登机器人的攀登环境及技术

要求，参照攀登机器人常用的几种吸附方式[7]，我们提出了如图2所示的机器人基本构造设计方案。机器人主要由左右滑块构成的主体和两个独立的

机械夹持机构构成。左滑块与导向杆固连，右滑块

与滚珠丝杆副固连。在电机的驱动下，左右滑块沿

导向杆相对挪动，实现机器人沿X轴的伸缩运动。

两个独立的机械夹持机构能够沿固连在左右滑块

上的矩形导轨沿Z轴上下挪动，以便超越阻碍。攀登过程中前后两个夹持机构交替松开、夹紧，主体作伸缩运动，进而实现机器人沿铁塔主材的上下挪动。为保证机器人靠谱地在铁塔主材上挪动，并拥有较高的负载能力，要点和难点是夹持机构的设

计。

机械夹持机构研究

2.1机构模型

机器人在沿铁塔主材上下攀登的过程中，多半

状况下只有一个夹持爪夹持角钢。所以，一方面要

经过构造优化，降低机器人的自重，另一方面，夹

持机构要能供给足够大的夹持力，以保证机器人运

动中不会跌落或滑移。

本文提出的攀登机器人夹持机构如图3所示，

主要由构造同样的左右V形手爪、中间体和连结支

座三部分构成。

与传统的双V字夹持爪不一样，该机构左右手爪

形槽角度固定，大小可变。每个手爪由两个斜面角相等的斜楔构成，此中一个与手爪基座固连，称为定指；另一个称为动指与导轨运动件固连，导轨运动件又与螺母固连，在丝杆螺母的带动下能够沿矩形导轨上下挪动。当动指相对定指上下挪动时，

动指的斜面可视为沿竖直方向平移，由平面几何中平行线的性质：两直线平行同位角相等理论可知，

动指与定指斜面夹角一直保持不变，所以能够将该

手爪当作是一个夹角固定，形状可变的V形爪。左

右手爪对称散布于中间体双侧，导向杆与滚珠丝杆

平行并与中间体和左右电机支座固连，手爪基座嵌

有螺母，在手爪夹紧电机的驱动下，两手爪沿导向

杆相对中间体挪动，经过手爪的伸缩和开、合动作

能够对如图4(a)、（b）、（c）、（d）四种安装形式的

角钢靠谱夹持，而其他两种形式则需借助安装于中

间体腔体内的顶块来实现。顶块端面开有V形槽，

根部倒圆角，利于与角钢根部充分接触。

（主视）

矩形导轨2.手爪基座3.定指4.（导俯轨视运）动

件

动指6.顶块7.中间体8.导向杆

手爪夹紧电机10.丝杆11.动指伸缩电机图3夹持爪的CAD模型

f2n

111

102

389

5746

Z0t2f4t2t2f3f1CoM

OX0bmg4t1F1nnf3f4t1Y0f3X0Of1t1a

f1nt2f2F2

2.2夹持力剖析

靠谱性和安全性是攀登机器人设计中考虑的

要点问题。夹持机构一定靠谱坚固的抓紧攀登对

象，免得机器人坠落或滑移。机器人本体对夹持爪

产生的负荷随机器人的运动状态变化，为了均衡负荷，夹持机构一定拥有力关闭或形状关闭的特色[8]。限于篇幅，本文对此特征不加剖析，仅对施加一个

固定负载的情况进行基本的静力学剖析。

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f)

数学模型

本文仅对一种拥有代表性的角钢种类的夹持

状况进行剖析。如图5所示，假定手指的斜楔斜面

角为α，等边角钢的长为b，厚为a，机器人及负

载对夹持爪产生的扭力在夹持爪的X0Y0Z0坐标系中

表示为W=(Fxd,Fyd,Fzd,Txd,Tyd,Tzd)在图中没有

图4夹持爪夹持不一样角钢

Fig.4.Thegrippergraspingvariousobjects

标示），负载的扭矩能够利用牛顿欧拉递归方法获

得。夹持机构对角钢夹持是四个线接触，为了方便

剖析，此处将其当作是四个点接触，并将夹持爪与

角钢第k个接触点的法向和切向力定义为：

fkn,fkt=(fkt1,fkt2)(k=1,2,3,4)，

力的正方向如图5中所示。

依据均衡条件可得：

Fxd+(f1n-f2n-f3n+f4n)cosa+(f1t1+f2t2-f3t1-f4t1)sina=0Fyd+(-f1n-f2n+f3n+f4n)sina+(f1t1-f2t2-f3t1+f4t1)sina=0Fzd+(f1t2+f2t2+f3t2+f4t2)=0Txd+(-f1t2-f2t2+f3t2+f4t2)×1b=0Tyd+f2t2×1b+f3t2×c=02(1)2Tzd+(f1t1×sina+f1n×cosa)×1b2+(f2t1×(b-(b×tga-b)×sina)+cosa2nbbf2×(cosa-2)×cosa)t11+(f3×(2b×tga+c)×cosa+f3n×(b-c×tga)×cosa)2+(f4t1×sina-f4n×cosa)×1b=02假定角钢与夹持机构夹紧元件（斜

楔）接触面间的摩擦系数μ，则依据极限摩擦

定律可得：

(fkt1)2+(fkt2)2μfkn(k=1,2,3,4)(2因为接触力一直是单向的，所以：n0（k=1,2,3,4）(3)fk由2.1节知，图中F1和F2分别是滚珠丝杆作用在左右夹持爪上的力。依据均衡条件

得：(4F1=(f3n+f4n)×sinα+(f3t1+f4t1)×cosαF2=(f1n+f2n)×sinα+(-f1t1+f2t1)×cosα(5明显，求出这12个接触力才能计算出机器人靠谱附着在铁塔上所需要的夹持力。上述联立方程无确立解。但要夹持角钢，使机器人靠谱附着在铁

塔上，必然存在一个最小夹持力。所以，这是一个

利用12个变量（接触力）求最优值的问题，限于

图5夹持力剖析

篇幅，此处不做详述。

仿真剖析

由上文成立的数学模型不可以直接推导出夹持力的大小。为了考证机构的夹持特征，本文应用动力学剖析与仿真软件ADAMS5.0进行剖析。

a）L100x10角钢夹持

b）L100x10组合角钢夹持

2.3实验及结果剖析

依照前面的剖析，我们设计了一台夹持机构样机，为增大夹持面摩擦系数，夹持元件表面开有锯

齿槽。机器人总重26Kg。实验攀登桁架采纳L120x10,L80x8和L60x6三种规格热轧等边角钢搭建，高3米。实验结果如表1。

由表1可知，单个独立的夹持爪能够从多个方

向对实验架上不一样规格角钢进行靠谱夹持；与挪动机构组装后成功率不及单爪夹持。除了两次因夹紧电机过电流外，其他多因夹持爪未完整与角钢接触造成。攀登机器人由两个夹持爪和挪动主体构成。

单爪夹持时，主体成悬臂梁状态。在重力作用下，机器人可能倾斜，夹持爪与本体采纳直线挪动副刚性连结，不可以对偏差进行赔偿。赔偿机构是下一步研究的主要问题。

表1样机实验结果

Tab.1Testresultsofprototype

实验项目实验成功成次数次数功率单爪夹持4040100%前爪夹持后爪移373491%动后爪夹持前爪移363288%动

（c）L100x10加衬底组合角钢夹持3.结论与展望图6夹持机构的动力学仿真本文提出了一种能从多个方向对不一样规格角Fig.6.SimulationoftheGrippingforce钢进行夹持的铁塔攀登机器人双V字夹持机构，其夹持爪V形槽角度不变，大小可变。实验结果表示，夹持机构在夹持力的作用下，经过夹紧元件在电力铁塔攀登机器人挪动过程中，该夹持构造能（斜楔）与夹持对象接触面之间的摩擦力来均衡下够从从多个方向对不一样规格角钢进行夹持，保证机滑力。夹紧元件选择橡胶资料，动摩擦系数：0.75，器人靠谱的附着在铁塔表面。静摩擦系数：0.55。分别夹持L100x10角钢的直平下一步工作需要研究赔偿机构，并进行机器人面和两块L100x10组合角钢的根部，以及两块越障能力剖析。L100x10加衬底组合角钢的根部，对夹持爪施加50Kg的负载，仿真结果如图6。可知：夹紧L100x10

角钢时，左右电机的扭矩不等，因为对角钢直平面

夹持是一个非对称夹持，所以与实质状况符合；夹

紧两类组合角钢时，左右电机的扭矩很小，顶紧电

机的扭矩为1Nm。结果表示该夹持机构能以较小的

夹持力夹紧不一样种类的角钢，负载能力大，知足电

力铁塔攀登机器人的设计要求。

（（

图7样机实验

Fig.7.Testoftheprototype

参照文件

ChenXiaolun,PengXilan,YangRuqing,etal.StudyonDevelopmentofLiveLineCleaningRobotfor330kVTransformation

Equipments[J]PowerSystemTechnology,2007,31(19):56-59.[陈晓伦，彭夕岚，杨汝清等.330KV变电设施带电打扫机器人研究[J].电网技术,2007，31(19):56-59]

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