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1塔架攀爬機器人結構設計

1．1塔架攀爬機器人整體設計方案

攀爬機器人攀爬的重要性能主要體現在與攀爬物體之間的接觸方式，目前多數攀爬機器人采用吸盤式、負壓式。這兩種方式適用于平面攀爬，不適合塔架攀爬，受尺蠖爬行啟發(fā)設計并且制作了采用抓卡式攀爬機構的攀爬機器人。攀爬機器人結構模塊主要分為頭部抓卡機構、前行臂和尾部抓卡機構。頭部、尾部抓卡機構由抓卡拉桿、壓緊塊、抓卡動力底盤、卡爪、紅外檢測傳感器、頭部抓卡體、高清攝像頭、動力桿等部件組成。前行臂由前行臂轉動電機、前行臂1、前行臂2、前行臂3、推桿電機等部件組成。鐵塔攀爬機器人工作過程如下：初始，機器人前后抓卡機構同時夾緊高壓塔架，前行臂處于收縮狀態(tài)。當機器人接收到來自地面控制臺的執(zhí)行命令后開始動作。首先頭部抓卡機構松開，直到壓緊塊接觸到高壓塔架結構型材，機器人前行動作由前行機械臂實現。當前行臂伸展到達極限，頭部抓卡機構開始卡緊高壓塔架結構型材。接著尾部抓卡機構開始松開，前行臂此時動作為收縮，尾部抓卡機構會隨著向上移動。當伸縮機構收縮到極限位置，尾部抓卡機構會再次卡緊高壓塔架角鋼，這樣往復動作實現高壓塔架攀爬機器人攀爬動作。整個過程，攀爬機器人執(zhí)行來自地面控制臺的命令，動作可隨時中斷。步進電機驅動絲杠副帶動抓卡機構將機器人主體緊固在高壓塔架上。利用直線推桿電機帶動連桿機構往復收縮，實現機器人的前行動作，機器人整體在高壓塔架上攀爬過程。A位置為機器人的初始位置，頭部抓卡機構和尾部抓卡機構都處于卡緊狀態(tài)。B位置，尾部抓卡機構松開，為收縮做準備。C位置，當收縮機構達到極限，尾部抓卡機構卡緊。D位置，頭部抓卡機構松開，為下一伸縮動作做準備。E位置，伸縮機構再次到達極限位置。下一狀態(tài)會重復進入A狀態(tài)所示位置。

1．2塔架攀爬機器人抓卡機構

攀爬機器人抓卡機構的動力由步進電機的轉動，帶動絲桿副絲桿轉動，將動力傳遞至卡緊托，利用卡緊托移動實現抓卡高壓塔型材結構架，從而將機器人整機附著于高壓塔架上。高壓塔架結構錯綜復雜，機器人攀爬過程需要躲避障礙物，其抓卡機構結構設計如圖5所示，這種特殊結構的抓卡機構可以很好地轉向，在攀爬高壓塔架的過程中可靈活躲避障礙物，其中鉸接座4固定在頭部、尾部抓卡體機體實現整個抓卡機構的固定從塔架型材不同方向抓起示意。塔架攀爬機器人4個抓卡機構的動力模塊均采用步進電機，步進電機將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移信號來控制，步進電機通過信號控制來實現準確定位，并且可通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速而達到調解轉速的目的。

1．3塔架攀爬機器人前行機構

早期攀爬機器人在高壓塔架上前行時，其機構采用直線前行機構如直線導軌、絲杠傳動直線軸承與直線光軸，但這些機構都有一個缺點，即長距離的傳動必須配套較長的導軌、絲杠。仿尺蠖前行機構和傳統機構的相比，行程大，動作更加靈巧，其前行臂結構模型，這樣的抓卡機構抓緊與松開的動作頻率就會大大降低，行進速度就會大大提升。

2機器人抓卡機構靜力學分析以及前行機構運動分析

2．1基于ANSYSWorkbench13抓卡機構的靜力學分析

ANSYS程序中的結構靜力學分析是用來計算在固定不變的載荷作用下結構的響應，即由于穩(wěn)態(tài)外在引起的系統或部件的位移、應力、應變和力。ANSYSWorkbench13中靜力學分析是由Me－chanical模塊求解的，Mechanical中有兩種求解器，直接求解器和迭代求解器可供選取。直接求解器對包含薄面和細長體的模型是比較有用的。迭代求解器在處理大體積模型時比較有效。攀爬機器人抓卡機構以及前行機構使用迭代求解器進行求解。在SolidWorks環(huán)境下給機器人整機各個零件分別附材料，通過質量特征可計算出整機質量。機器人質量特性實際制作的攀爬機器人整體樣機可以控制在20kg以內。

2．2SolidWorks環(huán)境下高壓輸電線路塔架攀爬機器人運動仿真

前行機構受尺蠖爬行啟發(fā)。這種爬行最大優(yōu)點是與爬行表面的接觸面積小，尺蠖的頭尾長有吸盤和觸腳，通過吸盤和觸腳的抓力，一曲一直運動，將身體與接觸面的滑動摩擦力轉化為靜摩擦力，提高了爬行效率。同時，弓背－延伸的爬行方式，也更加適用于復雜的地形。攀爬機器人仿尺蠖步態(tài)前行機構的動作同樣也是一曲一直運動，并且通過特有的抓卡機構以及導向輪實現抓卡動作。

3總結

該攀爬機器人最大攀爬高度可達50m，最大攀爬速度可達5m／min；整機質量不超過25kg，最大載重量15kg。本方案設計的高壓輸電線路塔架攀爬機器人通過使用SolidWorks進行模型結構設計，并且在SolidWorks環(huán)境下進行了運動仿真來驗證結構設計的合理性。經過ANSYSWorkbench對抓卡機構進行靜力學分析并且對受力薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化改進。制作的樣機進一步驗證了結構設計的合理性。

作者:張丹丹單位:內蒙古民族大學