基于SolidWorks的巡线机器人机械本体设计及越障运动仿真

　　定期对高压架空输电线路进行故障的检测与修复，是供电可靠性的基本保证。由于架空线路处于野外环境之中，长期风吹雨淋，且受到持续的机械张力。电气闪烙，材料老化的影响，容易引起磨损，断股，腐蚀等损伤，若不及时修复更换，易引起严重的事故，造成大面积停电及经济财产损失。目前，对输电导线进行巡检的方法主要有两种：地面目侧法和直升机航测法。地面目测法的人工检修方法劳动强度大，危险系数高，检测精度低，可靠性差。在—些复杂高难的环境下，如偏远山区或跨越江河的检测上，人工检测的方法往往无法完成。而直升机航测法所需费用高，精度难以达到要求，容易受自然天气的影响等。采用智能化机器人取代传统的方式，可提高检测精度和检测效率，取代人直接工作在高危险的场合，同时大大减少人力资源，是一种安全，可靠，高效的检测方式。

　　2 巡线机器人方案

　　巡线机器人的机械本体机构是整个系统的基础，也是目前制约巡线机器人发展的技术障碍之一。巡线机器人的机械结构设计要求，一般有几点：(1)能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行;(2)具有一定的爬坡能力;(3)跨越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍;(4)在故障情况下有可靠的自保护安全措施，防止机器人摔落;(5)提供足够的空间安装所携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。

　　目前，巡线机器人实现在线爬行的机构可以分为步进式爬行机构和轮式爬行机构两类。步进式爬行机构通过多只手臂的交替移动完成爬行，一般用作斜拉桥缆索、管道外壁的检查维护;轮式爬行机构依靠电机驱动的行走轮与电力线之间的摩擦，驱动机器人前进。轮式爬行机构行走平稳，速度快，有利于移动平台上线路探测仪器的可靠：l：作。因此，巡线机器人多采用此类爬行机构。

　　越障机构是巡线机器人本体机构的关键技术。由于机器人悬挂在架空线上，越障时应保证机器人姿态平稳，并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距，因此设计难度较大。巡线机器人越障操作类似人的空中攀援行为，因此，仿生设计是解决这一难题的有效方法。一种很有前景的方案是采用多只可伸缩机械臂结构，机械臂上部为爬行驱动机构，下部通过旋转关节相互链接。遇到障碍时，机械臂之间相互配合，采用仿人攀援策略调整姿态，跨越障碍。由于采用多只多自由度机械臂，机器人可以完成更为复杂的空中姿态调整，因而可跨越各种类型的线路障碍。

　　本设计方案的巡线机器人具有三只手臂，采用轮式爬行驱动方式，带夹紧装置在过障碍物时可仿人攀援的新型机器人。

　　3 机器人本体设计

　　巡线机器人机械结构采用SolidWorks 2006软件进行设计和仿真。该设计平台功能强大、易学易用，同时能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。采用自下向上的方法设计，即先设计好各个零部件后，运用装配关系将各个零部件进行组合。对机器人进行三维造型和装配，总体机械结构，如图1(a)所示。手臂关节原理，如图1(b)所示。

　　图1 机器人机械结构

　　滚动轮适合于在水平电力线或具有一定坡度的电力线上行走，这样控制简单，行走速度较快，但是不具有跨越障碍的功能，三个手臂的滚动轮在滚动爬行状态下应处于同一直线上。带涡轮蜗杆的夹紧卡手在仿人攀援时充当手的作用，旋转角度一般为90°，每个手臂均有两个卡手，由同一个电机控制，位于滚动轮的下方，与滚动轮配合，实现加紧电力线的动作。各关节相互链接，配合机械臂一步步向前攀援，适于爬行坡度较陡的电力线和跨越障碍物。手臂关节中所实用的涡轮蜗杆机构可以数十倍地提高电机的驱动力矩，同时还可以提供自锁功能，在断电的时候保证机器人的姿态不改变。手臂1和3放置在电力线的一侧，而手臂2则放置在电力线的另一侧，这种结构配置可以力求机器人本体的重心在电力线的正下方，保证机器人本体尽量平衡，从而尽量减小机器人本体的晃动，并在机械结构上保证了机器人不会脱落。

　　底板提供了安装手臂的平面，同时提供了安装传感器的空间，如摄像头，红外测温等，在保证足够空间的基础上，底板要尽量小，这样可以减轻机器人的重量，给控制带来方便。底箱能根据需要扩展空间，用于存放机器人电源，电机驱动器，电路控制板，记录分析仪器，远程通讯模块等。底箱和底板之间由导杆连接，通过电机驱动底箱的移动来改变底箱的前后位置，从而达到调节机器人本体前后重心的目的。这样可以保证机器人本体在跨越葬爱物时能够顺利的离开电力线。

　　4 基于SolidWorks COSMOS Morion动力学插件的跨越障碍运动仿真

　　SolidWorks无缝集成的COSMOS Motion三维动力学仿真软件是一款专门用于模拟机械运动和校验机械设计的动力学插件。利用这一工具可以在实际生产之前确定设计的可行性，同时仿真软件可以方便地通过动画，图形，数据等多种形式输出零部件的运动轨迹。

　　首先，设置机器人的各个零部件为静止零部件或运动零部件，同时。将装配体中的约束副导入到COSMOS Motion的约束当中。我们可以自行修改约束副当中的条件。且在COSMOS Motion约束副中添加的条件不会影响装配体的配合。接着，在机器人手臂的各个关节连接处添加旋转副。相当于添加了伺服电动机。然后，添加运动、约束、力、碰撞等，同时根据机器人实际运动时的情况，定义各关节转动的方向和角度。通过模拟机器人在电力线上行走，跨越电力线上可能的障碍来调整修改设计方案及各个零部件的尺寸大小。这里，以机器人的运动仿真来图解跨越典型障碍的过程。

　　4.1跨越悬垂线夹与防震锤

　　常见的悬垂线夹，如图2(a)所示，其功能是避免产生弯曲应力，对光缆起到保护和辅助减振的作用。常见的防震锤如图2(b)所示，其功能是主要用于去除和分散由于微风振动对光缆所产生的冲击能量，能够防止电线因颤动而断裂。跨越悬垂线夹和防震锤的运动过程相似，这里以模拟跨越防震锤来说明机器人的运动过程，如图3所示。

　　图2 悬垂线夹与防震锤

　　机器人本体跨越防震锤时的运动过程如下：

　　图3 跨越防震锤仿真

　　第一步：初态如图3.1所示，此时三个手臂彼此平行，垂直于底板。当遇到障碍物时，滚动轮停止运动。

　　第二步：机器人重心提升。如图3.2所示，手臂1和手臂3的卡手夹紧电力线，关节2和关节3配合运动，将机器人的重心提高。

　　第三步：将手臂2重新挂回电力线上，如图3.3所示。前面三个步骤为重心提升，是机器人遇到障碍物都必须完成的运动过程。

　　第四步：手臂1提升脱离电力线，其关节1向外旋转60°。如图3.4所示。接着手臂2，3滚轮运动，直到手臂2滚动到障碍物前面，滚轮停止。此时，将手臂l的关节1向内旋转60°，将其滚轮重新挂回电力线上，如图3.5所示。

　　第五步：手臂2，手臂3分别重复第四步动作。

　　跨越防震锤的过程中，时刻都保证有两个手臂悬挂在电线上，控制的规则是第—个手臂依次脱离电线，跨越障碍，重新回到电线上，然后第二，第三个手臂依次离开电线，以相似的运动过程跨越障碍物。

　　4.2跨越引流跳线

　　引流跳线的功能是在带电检修线路中，连接用电设备两端的线路，更换用电设备，使电网保持畅通。它由单芯绝缘电缆与夹具及压接套管组成，根据电流大小选择不同线径的电缆。如图4所示，为引流跳线。

　　图4 引流跳线

　　引流跳线常常和绝缘子并接在一起，机器人直接跨越绝缘子难度较大，这里所采用的方案是通过攀援引流跳线来间接跨越绝缘子。对机器人从水平电力线过渡到引流跳线的运动过程进行仿真，如图5所示，在水平电力线时采用滚动轮的方式驱动，而在引流跳线时采用夹紧卡手，仿人攀援的策略来跨越障碍。

　　这里假设已经完成机器人重心的过程，越障运动过程如下：

　　第一步：手臂1提升，其关节1向外旋转60°;接着，手臂2，3的滚动轮运动，驱动机器人直到手臂2到达跳线时停止;然后手臂1的关节2，关节3配合运动，关节4进行旋转微调使得滚动轮能准确挂在引流跳线上，并将其卡手夹紧跳线，完成了手臂1的跨越。如图5.1至图5.5所示。

　　第二步：手臂2提升，关节l向外旋转90°;接着，手臂1的关节2，关节3运动，同时手臂3的滚轮与手臂3的关节1配合着运动，直到手臂3滚轮到达跳线时停止，调整手臂3的关节2。关节3使得底板与跳线的切线接近于平行的状态，如图5.6，图5.7所示。然后，手臂2关节l向内旋转90°，将手臂挂回跳线上，并把卡手夹紧跳线。完成了手臂2的跨越。如图5.8所示。

　　第三步：机器人姿态调整。手臂1和手臂2分别向前跨越，为手臂3的跨越腾出更多的运动空间。如图5.9，图5.10所示。

　　第四步：手臂3跨越跳线，重复第一步的过程。

　　这样就完成了从水平电力线过渡到引流跳线的运动过程，而从引流跳线过渡到水平电力线为相反的过程。机器人攀援的任何时刻都总有两个卡手夹紧电力线，提供足够的摩擦力保证机器人的安全，另一个手臂脱离电线在前行，运动过程为手臂1→手臂2→手臂3→手臂1，如此循环，直到重新回到平坦电力线上。

　　图5 跨越引流跳线仿真

　　5 结束语

　　介绍的这款具有滚轮驱动及夹紧装置，可仿人攀援的多关节新型机器人完全符合巡线机器人的机械设计要求，通过跨越常见障碍物的运动模拟仿真，大幅度地降低物理样机的制造成本并缩短开发时间，确保了设计的可行性。