攀爬机器人结构设计论文

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1塔架攀爬机器人结构设计

1．1塔架攀爬机器人整体设计方案

攀爬机器人攀爬的重要性能主要体现在与攀爬物体之间的接触方式，目前多数攀爬机器人采用吸盘式、负压式。这两种方式适用于平面攀爬，不适合塔架攀爬，受尺蠖爬行启发设计并且制作了采用抓卡式攀爬机构的攀爬机器人。攀爬机器人结构模块主要分为头部抓卡机构、前行臂和尾部抓卡机构。头部、尾部抓卡机构由抓卡拉杆、压紧块、抓卡动力底盘、卡爪、红外检测传感器、头部抓卡体、高清摄像头、动力杆等部件组成。前行臂由前行臂转动电机、前行臂1、前行臂2、前行臂3、推杆电机等部件组成。铁塔攀爬机器人工作过程如下：初始，机器人前后抓卡机构同时夹紧高压塔架，前行臂处于收缩状态。当机器人接收到来自地面控制台的执行命令后开始动作。首先头部抓卡机构松开，直到压紧块接触到高压塔架结构型材，机器人前行动作由前行机械臂实现。当前行臂伸展到达极限，头部抓卡机构开始卡紧高压塔架结构型材。接着尾部抓卡机构开始松开，前行臂此时动作为收缩，尾部抓卡机构会随着向上移动。当伸缩机构收缩到极限位置，尾部抓卡机构会再次卡紧高压塔架角钢，这样往复动作实现高压塔架攀爬机器人攀爬动作。整个过程，攀爬机器人执行来自地面控制台的命令，动作可随时中断。步进电机驱动丝杠副带动抓卡机构将机器人主体紧固在高压塔架上。利用直线推杆电机带动连杆机构往复收缩，实现机器人的前行动作，机器人整体在高压塔架上攀爬过程。A位置为机器人的初始位置，头部抓卡机构和尾部抓卡机构都处于卡紧状态。B位置，尾部抓卡机构松开，为收缩做准备。C位置，当收缩机构达到极限，尾部抓卡机构卡紧。D位置，头部抓卡机构松开，为下一伸缩动作做准备。E位置，伸缩机构再次到达极限位置。下一状态会重复进入A状态所示位置。

1．2塔架攀爬机器人抓卡机构

攀爬机器人抓卡机构的动力由步进电机的转动，带动丝杆副丝杆转动，将动力传递至卡紧托，利用卡紧托移动实现抓卡高压塔型材结构架，从而将机器人整机附着于高压塔架上。高压塔架结构错综复杂，机器人攀爬过程需要躲避障碍物，其抓卡机构结构设计如图5所示，这种特殊结构的抓卡机构可以很好地转向，在攀爬高压塔架的过程中可灵活躲避障碍物，其中铰接座4固定在头部、尾部抓卡体机体实现整个抓卡机构的固定从塔架型材不同方向抓起示意。塔架攀爬机器人4个抓卡机构的动力模块均采用步进电机，步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移信号来控制，步进电机通过信号控制来实现准确定位，并且可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速而达到调解转速的目的。

1．3塔架攀爬机器人前行机构

早期攀爬机器人在高压塔架上前行时，其机构采用直线前行机构如直线导轨、丝杠传动直线轴承与直线光轴，但这些机构都有一个缺点，即长距离的传动必须配套较长的导轨、丝杠。仿尺蠖前行机构和传统机构的相比，行程大，动作更加灵巧，其前行臂结构模型，这样的抓卡机构抓紧与松开的动作频率就会大大降低，行进速度就会大大提升。

2机器人抓卡机构静力学分析以及前行机构运动分析

2．1基于ANSYSWorkbench13抓卡机构的静力学分析

ANSYS程序中的结构静力学分析是用来计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外在引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。ANSYSWorkbench13中静力学分析是由Me－chanical模块求解的，Mechanical中有两种求解器，直接求解器和迭代求解器可供选取。直接求解器对包含薄面和细长体的模型是比较有用的。迭代求解器在处理大体积模型时比较有效。攀爬机器人抓卡机构以及前行机构使用迭代求解器进行求解。在SolidWorks环境下给机器人整机各个零件分别附材料，通过质量特征可计算出整机质量。机器人质量特性实际制作的攀爬机器人整体样机可以控制在20kg以内。

2．2SolidWorks环境下高压输电线路塔架攀爬机器人运动仿真

前行机构受尺蠖爬行启发。这种爬行最大优点是与爬行表面的接触面积小，尺蠖的头尾长有吸盘和触脚，通过吸盘和触脚的抓力，一曲一直运动，将身体与接触面的滑动摩擦力转化为静摩擦力，提高了爬行效率。同时，弓背－延伸的爬行方式，也更加适用于复杂的地形。攀爬机器人仿尺蠖步态前行机构的动作同样也是一曲一直运动，并且通过特有的抓卡机构以及导向轮实现抓卡动作。

3总结

该攀爬机器人最大攀爬高度可达50m，最大攀爬速度可达5m／min；整机质量不超过25kg，最大载重量15kg。本方案设计的高压输电线路塔架攀爬机器人通过使用SolidWorks进行模型结构设计，并且在SolidWorks环境下进行了运动仿真来验证结构设计的合理性。经过ANSYSWorkbench对抓卡机构进行静力学分析并且对受力薄弱环节进行优化改进。制作的样机进一步验证了结构设计的合理性。

作者:张丹丹单位:内蒙古民族大学