導(dǎo)語(yǔ)：攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1塔架攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1塔架攀爬機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

攀爬機(jī)器人攀爬的重要性能主要體現(xiàn)在與攀爬物體之間的接觸方式，目前多數(shù)攀爬機(jī)器人采用吸盤式、負(fù)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(shè)計(jì)并且制作了采用抓卡式攀爬機(jī)構(gòu)的攀爬機(jī)器人。攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)模塊主要分為頭部抓卡機(jī)構(gòu)、前行臂和尾部抓卡機(jī)構(gòu)。頭部、尾部抓卡機(jī)構(gòu)由抓卡拉桿、壓緊塊、抓卡動(dòng)力底盤、卡爪、紅外檢測(cè)傳感器、頭部抓卡體、高清攝像頭、動(dòng)力桿等部件組成。前行臂由前行臂轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)、前行臂1、前行臂2、前行臂3、推桿電機(jī)等部件組成。鐵塔攀爬機(jī)器人工作過(guò)程如下：初始，機(jī)器人前后抓卡機(jī)構(gòu)同時(shí)夾緊高壓塔架，前行臂處于收縮狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器人接收到來(lái)自地面控制臺(tái)的執(zhí)行命令后開始動(dòng)作。首先頭部抓卡機(jī)構(gòu)松開，直到壓緊塊接觸到高壓塔架結(jié)構(gòu)型材，機(jī)器人前行動(dòng)作由前行機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前行臂伸展到達(dá)極限，頭部抓卡機(jī)構(gòu)開始卡緊高壓塔架結(jié)構(gòu)型材。接著尾部抓卡機(jī)構(gòu)開始松開，前行臂此時(shí)動(dòng)作為收縮，尾部抓卡機(jī)構(gòu)會(huì)隨著向上移動(dòng)。當(dāng)伸縮機(jī)構(gòu)收縮到極限位置，尾部抓卡機(jī)構(gòu)會(huì)再次卡緊高壓塔架角鋼，這樣往復(fù)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)高壓塔架攀爬機(jī)器人攀爬動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程，攀爬機(jī)器人執(zhí)行來(lái)自地面控制臺(tái)的命令，動(dòng)作可隨時(shí)中斷。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠副帶動(dòng)抓卡機(jī)構(gòu)將機(jī)器人主體緊固在高壓塔架上。利用直線推桿電機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)收縮，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前行動(dòng)作，機(jī)器人整體在高壓塔架上攀爬過(guò)程。A位置為機(jī)器人的初始位置，頭部抓卡機(jī)構(gòu)和尾部抓卡機(jī)構(gòu)都處于卡緊狀態(tài)。B位置，尾部抓卡機(jī)構(gòu)松開，為收縮做準(zhǔn)備。C位置，當(dāng)收縮機(jī)構(gòu)達(dá)到極限，尾部抓卡機(jī)構(gòu)卡緊。D位置，頭部抓卡機(jī)構(gòu)松開，為下一伸縮動(dòng)作做準(zhǔn)備。E位置，伸縮機(jī)構(gòu)再次到達(dá)極限位置。下一狀態(tài)會(huì)重復(fù)進(jìn)入A狀態(tài)所示位置。

1．2塔架攀爬機(jī)器人抓卡機(jī)構(gòu)

攀爬機(jī)器人抓卡機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲桿副絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞至卡緊托，利用卡緊托移動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓卡高壓塔型材結(jié)構(gòu)架，從而將機(jī)器人整機(jī)附著于高壓塔架上。高壓塔架結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，機(jī)器人攀爬過(guò)程需要躲避障礙物，其抓卡機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，這種特殊結(jié)構(gòu)的抓卡機(jī)構(gòu)可以很好地轉(zhuǎn)向，在攀爬高壓塔架的過(guò)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(jī)體實(shí)現(xiàn)整個(gè)抓卡機(jī)構(gòu)的固定從塔架型材不同方向抓起示意。塔架攀爬機(jī)器人4個(gè)抓卡機(jī)構(gòu)的動(dòng)力模塊均采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移信號(hào)來(lái)控制，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)信號(hào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，并且可通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速而達(dá)到調(diào)解轉(zhuǎn)速的目的。

1．3塔架攀爬機(jī)器人前行機(jī)構(gòu)

早期攀爬機(jī)器人在高壓塔架上前行時(shí)，其機(jī)構(gòu)采用直線前行機(jī)構(gòu)如直線導(dǎo)軌、絲杠傳動(dòng)直線軸承與直線光軸，但這些機(jī)構(gòu)都有一個(gè)缺點(diǎn)，即長(zhǎng)距離的傳動(dòng)必須配套較長(zhǎng)的導(dǎo)軌、絲杠。仿尺蠖前行機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的相比，行程大，動(dòng)作更加靈巧，其前行臂結(jié)構(gòu)模型，這樣的抓卡機(jī)構(gòu)抓緊與松開的動(dòng)作頻率就會(huì)大大降低，行進(jìn)速度就會(huì)大大提升。

2機(jī)器人抓卡機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析以及前行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2．1基于ANSYSWorkbench13抓卡機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

ANSYS程序中的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是用來(lái)計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外在引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。ANSYSWorkbench13中靜力學(xué)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(duì)包含薄面和細(xì)長(zhǎng)體的模型是比較有用的。迭代求解器在處理大體積模型時(shí)比較有效。攀爬機(jī)器人抓卡機(jī)構(gòu)以及前行機(jī)構(gòu)使用迭代求解器進(jìn)行求解。在SolidWorks環(huán)境下給機(jī)器人整機(jī)各個(gè)零件分別附材料，通過(guò)質(zhì)量特征可計(jì)算出整機(jī)質(zhì)量。機(jī)器人質(zhì)量特性實(shí)際制作的攀爬機(jī)器人整體樣機(jī)可以控制在20kg以內(nèi)。

2．2SolidWorks環(huán)境下高壓輸電線路塔架攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

前行機(jī)構(gòu)受尺蠖爬行啟發(fā)。這種爬行最大優(yōu)點(diǎn)是與爬行表面的接觸面積小，尺蠖的頭尾長(zhǎng)有吸盤和觸腳，通過(guò)吸盤和觸腳的抓力，一曲一直運(yùn)動(dòng)，將身體與接觸面的滑動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)化為靜摩擦力，提高了爬行效率。同時(shí)，弓背－延伸的爬行方式，也更加適用于復(fù)雜的地形。攀爬機(jī)器人仿尺蠖步態(tài)前行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作同樣也是一曲一直運(yùn)動(dòng)，并且通過(guò)特有的抓卡機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)向輪實(shí)現(xiàn)抓卡動(dòng)作。

3總結(jié)

該攀爬機(jī)器人最大攀爬高度可達(dá)50m，最大攀爬速度可達(dá)5m／min；整機(jī)質(zhì)量不超過(guò)25kg，最大載重量15kg。本方案設(shè)計(jì)的高壓輸電線路塔架攀爬機(jī)器人通過(guò)使用SolidWorks進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。經(jīng)過(guò)ANSYSWorkbench對(duì)抓卡機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析并且對(duì)受力薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。制作的樣機(jī)進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

作者:張丹丹單位:內(nèi)蒙古民族大學(xué)