外文翻译--电力巡检机器人设计【中英文文献译文】
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中文题目:电力巡检机器人设计 外文题目 : Electrical inspection robot design 毕业设计(论文)共 62 页(其中:外文文献及译文 17页) 图纸共 4张 完成日期 2015年 6月 答辩日期 2015年 6月 I 摘要 高压输电线路故障 引发停电,给人民生活、工业企业和国家造成了巨大的经济损失。 需要及时发现输电线路的隐患和缺陷,并进行修复,防患于未然,必须对输电线进行定期 的巡检。巡检机器人是一种近距离巡检线路和修复缺陷的工具。 针对巡检机器人作业任务需求和输电线路障碍环境特点 ,提出了一种新型双臂式巡检 机器人机构 ,在串联关节型手臂机构中增加了并联柔索 。 建立了巡检机器人的静力学模型 和运动学模型 , 给出了机器人在线路上静止时力和力矩平衡方程,并仿真分析了典型越障 过程中机器人手臂关节的受力状态 。 根据机器人受力状态的分析结果,计算出各个关节力矩及转速,选出适合的电机及减 速器。根据实际需求进行了各个关节的传动系统设计 。 关键词 :巡检机器人 ;双臂 ;柔索 ;越障 II Abstract The huge economy loss is brought to the people, enterprise and nation for the power failure. The defections of power line should be found and repaired. The periodical check must be fulfilled in the power transmission line.The inspection robot is a kind of tool used to check and repair the power transmission line in the close distance. Based on the working task requirements of inspection robot and the characteristics of obstacles on high voltage transmission lines, a novel dual-arm inspection robot is designed by adding the parallel flexible cable into the series-joints arm. Established inspection robot statics model and kinematics model, robot is given on static force and moment balance equations .The joints stress states of the robotic arm in representative obstacle-crossing are analyzed by simulation. According to the analysis of the robot mechanical condition, calculate the various joint torque and rotational speed, choose the suitable motor and reducer. According to the actual demand for the various joints of the transmission system design. Keywords: inspection robot; dual-arm; flexible cable; obstacle-crossing 目录 前言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 研究的目的和意义 . 2 1.2 国内外研究概况 . 2 1.2.1 国外研究概况 . 2 1.2.2 国内研究概况 . 3 1.3 毕业设计主要工作 . 4 2 巡检机器人机构设计 . 5 2.1 机器人基本结构 . 5 2.2 机器人坐标系及相关参数 . 6 3 巡检机器人力学模型及各关节 转矩求解 . 8 3.1 夹爪受力分析 . 8 3.2 行走轮在高压线上行走时受力分析 . 9 3.2.1 机器人处于匀速爬坡状态下的受力分析 . 9 3.2.2 机器人处于越障前调整质心阶段 . 10 3.2.3 机器人 处于下坡阶段的受力分析 . 11 3.2.4 机器人处于越障后调整质心阶段 . 12 3.3 巡检机器人越障阶段受力分析 . 13 3.3.1 巡检机器人越障阶段划分 . 13 3.3.2 巡检机器人越障 各阶段力学模型 . 14 3.3.3 机器人越障过程受力仿真分析 . 16 4 夹爪和行走轮设计 . 19 4.1 夹爪部分设计 . 19 4.1.1 夹爪驱动电机选择 . 19 4.1.2 夹爪部分齿轮设计 . 20 4.2 行走轮部分设计 . 22 4.2.1 行走轮驱动电机选取 . 22 4.2.2 行走轮部分齿轮设计 . 23 5 手臂部分设计 . 25 5.1 水平回转关节设计 . 25 5.1.1 水平回转关节电机选取 . 25 5.1.2 水平回转关节齿轮设计 . 26 5.2 腕关节设计 . 27 5.2.1 腕关节电机选取 . 27 5.2.2 腕关节齿轮设计 . 28 5.3 肘关节设计 . 29 5.3.1 肘关节电机选 . 29 5.3.2 肘关节齿轮设计 . 31 5.4 肩关节设计 . 32 5.4.1 肩关节电机选取 . 32 5.4.2 肩关节齿轮设计 . 33 6 箱体部分设计 . 34 6.1 滚筒部分设计 . 34 6.1.1 滚筒驱动电机选取 . 34 6.1.2 滚筒部分齿轮设计 . 35 6.2 移动台部分设计 . 37 6.2.1 移动台驱动电机选取 . 37 6.2.2 移动台部分齿轮设计 . 38 7 经济性分析 . 41 8 结论 . 42 致谢 . 43 参考文献 . 44 附录 A . 45 附录 B . 54 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 1 前言 为 保证远距离高压电力输电线路的安全稳定,需对线路进行定期的巡检作业。目前采 用的巡检方式主要有人工巡检和直升机巡检两种。机器人作为一种新的巡检装备 ,具有运 行费用低 等优点,可弥补人工巡检工作效率低 等 不足,具有较好的市场应用前景。 在巡检机器人研究方面,日本和加拿大较为成熟,近年分别推出了各自的新型巡检机 器人系统,如加拿大的 Linescout 以及日本的 Expliner。此外, 2010 年 9 月在加拿大召 开了首届 CARPI (Conference on Applied Robotics for the Power Industry), 2012年 在瑞士召开了第二届会议,该会议现已成为电力机器人领域最具代表性的国际会议。 陈铭博 :电力巡检机器人设计 2 1 绪论 1.1 研究的目的和意义 我国 长距离输送电力的主要方式 为 高压输电线路输电 ,输电线路 在电力系统中起着极 其重要的作用 , 是国家基础设施建设 的“能源 ” , 起着 不可或缺 的作用。 由于输电线路 长时间 暴露在野外 , 经受 着 自然 侵害 , 常常 出现各种故障 , 所以 需要对 高压 线路进行定期 的 巡检作业 , 然而当前主要的巡检方式依然通过人工巡检 完成。 由于 人 工巡检 有其弊端,随着科技的快速发展,电力巡 检机器人逐渐进入人们的视野,各大科研 院所都在对其进行研究 ,电力部门迫切将其运用到实际的巡检工作中。 1.2 国内外研究概况 1.2.1 国外研究概况 巡检机器人的研究工作在国外开展的较早, 上世纪九十年代, 日本东京电力公司 Sawada等人开展了巡检机器人的研究工作。该公司研制的机器人可在高压线的地线上行走, 如图 1-1所示,其依靠 导轨翻越 输电线塔 ,如图 1-2所示。 图 1-1 在地线上行走 图 1-2 在翻越铁塔 Fig.1-1 Walk on the wire Fig.1-2In the crossing tower 加拿大魁北克水电研究院的 Serge Montambault等人 在 21世纪初 就开始了 LineScout 巡检机器人的研制工作。 该机器人为四臂结构 , 如图 1-3 (a) 。 跨越障碍物时, 一侧夹爪 夹 住 高压线,另一侧的夹爪平移过障碍物, 如图 1-3 (b)所示 。 非轮 两臂 上 可 安装 检修装 置,如图 1-3 (c)所示。非轮侧 两臂的另一端可安装 检修装置,如图 1-3 (d)所示。 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 3 (a)机器人停在导线上 (b)机器人在翻越悬垂线夹 (a)Robot park on the wire (b)Robot in crossing hanging clip (c)机器人在安装铜夹子 (d)机器人在紧固防振锤的螺丝 (c)Robots in installing copper clamp (d)The robot tighten screw vibration hammer 图 1-3 加拿大魁北克水电研究院的 LineScout巡检机器人 Fig.1-3 Of the inspection robot LineScout hydropower institute in Quebec, Canada 1.2.2 国内研究概况 国内关于 电力 巡检机器人研究起步较晚, 上世纪末 , 山东大 学 、沈阳自动化研究所开 展了 电力 巡检机器人 的项目研究。 武汉大学设计了 具有越障功能的 摆臂式机器人,如图 1-4(a)所示。在 一侧手臂的行走 轮旁 加装了破冰装置,如图 1-4(b)所示, 采用光伏电池板供电 , 如图 1-4 (c)所示。 (a)机器人样机 (b)机器人在进行破冰 (c)机器人在地线上行走 (a)The robot prototype (b)Robots for cleaning the ice (c)The robot walk on the wire 图 1-4 武汉大学巡检机器人 Fig.1-4 Wuhan University,inspection robot 沈阳 自动化所 开发了 三臂轮式、两臂回旋式结构的 巡检 机器人 ,如图 1-5 所示。三臂 机器人的特点是运行平稳, 可跨越较大的障碍物 。两臂机器人 结构简单灵活性较好 。 陈铭博 :电力巡检机器人设计 4 (a) 三臂轮式机器人 (b)两臂回旋式机器人 (a)Three wheeled robot arm (b)Two arms swing type robot 图 1-5 中国科学院自动化所的巡检机器人 Fig.1-5 Institute of Automation of the inspection robot 1.3 毕业设计主要工作 首先对电力巡检机器人机构进行设计,进而确定机器人的基本结构,分阶段对各关节 受力情况建立数学模型进行分析,并结合 MATLAB 进 行 越障仿真 , 分析得出各关节扭矩大 小,根据电机样本进行电机选取工作,最后对机器人各关节齿轮进行设计。 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 5 2 巡检机器人机构设计 我国 地域辽阔, 地形复杂 ,高压输电线路杆 体 高 度 差 较 大、线路坡度陡, 线路巡检的 实际需求要求机器人不但具有更强的越障能力 , 还要具有 大角度线路 爬坡 的能力 。 当前 国内外 研究的 巡检 机器人结构 基本分为两种 2-7,一是双臂机器人 2-5,二是 三臂 机器人 6-8。双臂机器人 在 越障 阶段要求 以单臂悬挂,两只手臂 相互交替跨越障碍物, 单臂 悬挂状态 的存在导致 机器人 的 手臂需 要承担机器人的整体 重量, 这使 机器人手臂设计 产生 很大难度。三臂机器人 在越障阶段要求 两臂支撑, 从而 具有 良好 的稳定性,但 此类 机器人 结构 较为 复杂、 回转 性能较差。 本文 所研究的 是一种 新型 双臂式 巡检 机器人 ,借鉴 人类手臂攀爬越障原理,采用仿人 双臂结构, 并在手臂的腕关节和箱体间加入了一条 柔索。 2.1 机器人基本结构 此种安装 柔索的新型 双臂式 巡检 机器人 , 由于 采用了仿人双臂结构,使机器人的越障 能力 得到了很大的提升。在机器人手臂的腕关节和箱体之间加 入 柔索 ,构成了回转关节和 柔索并联的复合结构,这种复合结构 能够显著地 减小手臂各关节的转矩 , 此种 巡检 机器人 的 结构 形式 如 图 2-1所示 。 机器人每只手臂包括四个 关节,分别为水平回转关节 、肘关节、 腕关节和 肩关节,以 及一条用于连接腕关节和 箱体的柔索。 在 机器人越障过程中, 依靠手臂的肘关节、腕关节 和肩关节来 调节行走轮的位置; 依靠水平回转关节来调节箱体和行走轮的姿态; 机器人的 整体 重量 主要由腕关节和箱体之间的柔索承担;驱动滚筒可以沿箱体移动,达到调节 柔索 位置和长度 的作用 。 图 2-1 带柔索双臂式 巡检 机器人模型 陈铭博 :电力巡检机器人设计 6 Fig.2-1 With a flexible arms patrol robot model 2.2 机器人坐标系及相关参数 为了实现机器人的越障功能,需要根据高压输电线路障碍物的类型和尺寸,确定机器 人各部分的尺寸参数;为了 便于进行机器人的受力分析,需要确定各关节的坐标系以及各 关节的运动参数。 巡检 机器人的尺寸参数、运动参数如图 2-2所示。 图 2-2 机器人参数 Fig.2-2 The robot parameters 图 2-2中标注的各参数含义如下: 、 、 、 和 、 、 、 为机器人双臂各关节的位置; 、 、 、 和 、 、 、 为机器人双臂各部分的质心; 为机器人肩关节与柔索驱动滚筒间的最小距离; 、 、 分别为机器人双臂各段的长度; 为机器人腕关节相对于肩关节的高度; 为机器人箱体长度的一半; 为机器人肩关节的高度; 、 为机器人越障过程中左、右臂驱动滚筒移动距离; 、 、 、 和 、 、 、 为机器人越障过程中左、右臂各关节的转角。 此外,机器人各部分的质量为: 机器人箱体质量; 机器人 左臂 质量; 机器人 右臂 质量: 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 7 机器人轮臂质量; 机器人柔索驱动滚筒质量。 机器人各部分的尺寸和重量见表 2-1。 表 2-1 机器人各部分尺寸及重量 Tab.2-1 The robot size and weight of each part 尺寸 ( mm) 0l 1l 2l 3l 0H 1H 0D 300 300 300 240 250 300 50 重量 ( kg) 0M 1M 2M 3M 4M 15 1 1 2 1 陈铭博 :电力巡检机器人设计 8 3 巡检 机器人 力学模型及各关节转 矩求解 3.1 夹爪受力分析 输电线路与水平方向夹角呈 50 度时 , 新型双臂 巡检 机器人在 巡检过程中遇到障碍物 时,依靠质心调节装置,使机器的质量集中在一只手臂上,另一只手臂伸出进行 障碍物 跨 越,此时会出现机器人单臂挂线的情况。由于驱动轮的滚动摩阻非常小 ,机器人主要 依靠 夹抓提供的夹紧力,使机器人在高压线上 稳定停住 ,保证越障过程中的安全。 在夹爪上覆 盖 一层橡胶材料, 从而增大夹爪与高压线 间的摩擦力。由于机 器人的质心始终与高压线在 竖直平面内,计算时可以不计 沿 高压线轴向的转动以及 其它次要因素。机器人单臂挂线时 的受力分析如图 3-1所示。 图 3-1 单臂挂线时的受力分析 Fig.3-1 Single arm hanging line of force analysis 图 3-1中, 为手爪 承受的机器人 的整体 重力, 为驱动轮与高压线之间的正压力, 为夹爪的夹紧力, 为夹爪与高压线之间的摩擦力。由静平衡方程, 得 取机器人质量 ,爬坡角度 , 夹爪与高压线接触的摩擦系数 , 代入数据 单臂的加紧装置由 两 个夹抓组成,即每只夹抓至少要提供 的夹紧力。夹抓的 受力分析如图 3-2所示 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 9 图 3-2 夹爪受力分析 Fig.3-2 Grip force analysis 取 , ,则单个夹抓需要输出的扭矩为 3.2 行走轮在 高压线 上行走 时 受力分析 机器人在高压线上行走时,依靠安装在夹爪部分上的行走驱动电机的正反转来驱使行 走轮的前进和 后退, 根据巡检机器人在高压线上 的巡检及越障过程,选 取几个主要环节, 来求解机器人工作时 驱动轮所需要的扭矩 。 3.2.1 机器人 处于 匀速爬坡 状态下 的受力分析 图 3-3机器人上坡路段匀速行走 Fig.3-3 The robot walking uphill road at a constant speed 陈铭博 :电力巡检机器人设计 10 图 3-4 机器人爬坡时的受力分析 Fig.3-4 Force analysis when robot climbing 图 3-4中, 、 分别 为前后行走轮所承受的 机器人的 重力, 、 为 高压线 对前后 轮的正压力, 、 为高压线 对前后驱动轮的摩擦力, 、 为 高压线 对 前后 臂 驱动 轮的滚动摩阻力偶, 、 为 前后 臂 驱动 电机的驱动扭矩。机器人在进行巡检作业时, 由于速度不大,而且行走轮质量相比 于机器人质量 比较小 ,因此可以忽略由于速度引起的 阻尼力 以及 行走轮的惯性力。机器人该状态的运动模型如下: ( 3-1) 求解 上式,得到前后轮的驱动力矩为: ( 3-2) 此处,取机器人的质量为 ,令 ,高压线与水平面的夹角取 , 滚动摩阻系数 取 , 驱动轮与高压线的接触半径 取 ,带入上式,计算得到 3.2.2 机器人 处于 越障前调整质心 阶段 机器人 在 越障 之前,需要左 臂调整质心,使 机器人的质心移动到 左手臂 下,随着行走 轮和滚筒的右移, 左臂 逐渐承担了机器人除 右臂 轮爪关节外的全部重量。 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 11 图 3-5 机器人调节质心 Fig.3-5 The robot adjust the center of mass 此时机器人 运动学模型同公式 3-1 和 3-2, 左手臂 的受力状态同图 3-4,随着 质心的 调节, 左手臂 逐渐承受 了机器人的全部重量,因此,计算时取 , ,其他 同 上一阶段 ,求解得 , 3.2.3 机器人 处于 下坡 阶段 的受力分析 图 3-6 机器人下坡路段匀速行走 Fig.3-6 The robot walking downhill at a constant speed 机器人 处于下坡路阶段匀速行走时,依靠夹爪 驱动轮提供制动转矩,受力分析如 下图 图 3-7 机器人下坡时的受力分析 Fig.3-7 Force analysis when robot go downhill 陈铭博 :电力巡检机器人设计 12 图中的参数同 第一阶段 ,由图 3-7,建立机器人下坡时的运动模型, ( 3-3) 由上式得到, ( 3-4) 代入第一阶段 中的变量取值,求得, 3.2.4 机器人 处于 越障后调整质心 阶段 图 3-8 机器人越障后调整质心 Fig.3-8 The robot adjust the center of mass after obstacle-navigation 机器人双臂都越过障碍后,质心仍 在 右臂 下,需要 使 右臂 的行走轮和滚筒向 右移 动 , 逐渐将质心调整到双臂之间,机器人的姿态也调整到越障前。 这一阶段机器人手臂的受力状态同图 3-7,运动学模型同公式 3-3 和 公式 3-4,质心 调节的前期, 右臂 承担了机器人的全部重量,因此,计算时取 , ,其它 参数变量 同 第三阶段 ,代入公式求解得 , 通过对 机器人 四个过程的静力学分析,并相互比较得出,机器人在高压线上 行走时驱 动电机所需提供的转矩至少为 。 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 13 3.3 巡检 机器人越障阶段受力分析 3.3.1 巡检机器人越障阶段划分 巡检 机器人 采用 的是 仿人双臂结构,越障过程较为灵活, 当其 跨越 不同尺寸的障碍物 时,越障过程 虽 有不同,但双臂 各 关节和柔索的受力状态基本相同, 现 以 巡检 机器人跨越 较小的 障碍物 为例,其越障 程如图 3-9所示。 根据图 3-9所示的 巡检 机器人越障过程,可 将其 越障过程 划分为以下几个主要阶段: 第 一 阶段:机器人正常行走姿态如图 3-9( a)所示, 当机器人 遇到障碍物 时 ,其 右臂 行走轮锁紧,左臂行走轮与左臂柔索 的 驱动滚筒一起 向 右移 动,使 机器人质心逐渐调整 到 左臂行走轮下方,如图 3-9( b)。 第 二 阶段: 当 机器人将质心调整到左臂行走轮下方后, 其 右臂抬起、 进行 伸出跨越障 碍物 动作,并依靠 调整左臂柔索 的驱动滚筒位置,尽可能 使机器人 的 质心位于 其 左臂行走 轮 的 下方,如图 3-9( c)所示。 第 三 阶段: 当其 右臂越过障碍物并挂线后,右臂行走轮锁紧,使左臂柔索驱动滚筒左 移,将机器人质心调整 到 双臂对称线位置,如图 3-9( d)所示。 第 四 阶段: 其 右臂柔索驱动滚筒左移,将机器人 的质心调整到 右臂行走轮 的 下方,如 图 3-9( e)所示。 第 五 阶段:机器人左臂行走轮松开, 其 左臂抬起、 进行 收回跨越障碍物 动作 ,并调整 右臂柔索驱动滚筒位置,使机器人 的 质心始终位于右臂行走轮 的 下方,如图 3-9( f)所示。 第 六 阶段:左臂行走轮越障后锁紧,右臂行走轮及右臂柔索驱动滚筒右移,将调整机 器人质心至双臂对称线位置,如图 3-9( a)所示, 完成 整个 越障过程 。 图 3-9 机器人越障过程 Fig.3-9 Robot obstacle-navigation process 陈铭博 :电力巡检机器人设计 14 3.3.2 巡检 机器人 越障各阶段力学模型 由 图 3-9所示的 巡检 机器人 越障过程可 得出 , 因为 在机器人手臂的腕关节与箱体之间 安装了柔索, 机器人 在调整 质心 的 过程中,机器人的重量 主要由柔索承受,各关节所承受 的转矩可大幅 减小。此外, 巡检 机器人在正常的行走过程中,机器人的全部重量 由柔索承 担 ,手臂上 的各关节可处于松弛 状态 。 下面详细分析在机器人越障的各个阶段,双臂各关 节以及 柔索的受力情况。 (1)第 一 阶段 力 学模型 机器人从图 3-9( a) 的 状态移动 至图 3-9( b) 的 状态 过程中,机器人 的质心始终位 于左、右 两臂柔索之间,机器人的重量由 左、右 两臂柔索拉力共同承担, 机器人左、右 两 臂各关节转矩均为零,因此手臂 各关节及柔索 的受力方程为: ( 3-5) 式中: 为机器人的质心位置 为机器人的重量 、 分别为左、右 臂的柔索拉力 、 、 分别为左 臂 肩 关节 、 肘 关节 和 腕 关节 的转矩 、 、 分别为 右 臂 肩关节、肘关节和腕关节 的转矩 (2)第 二 阶段 力 学模型 机器人从图 3-9( b)的 状态移动 到图 3-9( c) 的 状态 过程中,机器人 为保持 平衡, 机器人的质心位于左 臂行走轮下方, 左 臂腕关节转矩配合 左 臂柔索拉力共同平衡机器人的 重量,而 右 臂柔索处于松驰状态 , 拉力为零, 左臂肩关节和肘关节转矩都 为零。 右臂在越 障的过程中,右 臂 的 各关节 处都产生转矩,各关节转矩达到 最大 时是在 右臂越过障碍后行 走轮 将要 挂线的时候 。根据机器人的 整体 结构参数和越障 状态 ,列出手臂 各关节及柔索 的 受力方程为: 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 15 ( 3-6) (3)第 三 阶段 力 学模型 机器人从图 3-9( c)的 状态移动 到图 3-9( d)的 状态 的过程中, 机器人的质心处 于 左、右两臂柔索之间,机器人的重量 全部由 左、右两臂柔索拉力承担,因此机器人左、右 两臂各关节 处于松弛状态, 与第 一 阶段 所不 ;一样的是左、右两臂柔索都 为倾斜方向,水 平方向受力 处于 平衡 状态 ,手臂 各关节及柔索 的受力方程为: ( 3-7) (4)第 四 阶段 力 学模型 机器人从图 3-9( d)的 状态移动 到图 3-9( e)的 状态 的过程,与第 三 阶段 状态运动 对称, 所以 手臂受力情况 与第三阶段 对称。机器人的 整体 重量 由左、右两臂柔索拉力共同 承担 ,左、右两臂各关节转矩均为零,在第 三 阶段机器人重量 主要由左臂柔索承担, 而 在 第 四 阶段机器人重量 主要由右臂柔索承担 ,手臂 各关节 及 柔索 的受力方程 为: ( 3-8) (5)第 五 阶段 力 学模型 机器人从图 3-9( e)的状态移动 到图 3-9( f) 的状态 的过程,与第 2阶段运动对称, 机器人的质心 尽可能处 于右臂行走轮下方,为 使 机器人 保持 平衡,右臂腕关节转矩配合右 陈铭博 :电力巡检机器人设计 16 臂柔索拉力共同平衡机器人的重量,而左臂柔索处于松驰状态 ,其 拉力为零,右 臂肘关节 和肩 关节转矩 都 为零。左臂 在进行 收回越障 的 过程中,各关节转矩 在左臂行走轮刚离线时 达到最大。根据机器人的 整体 结构参数和越障 状态 ,列出手臂 各关节及柔索 的受力方程为: ( 3-9) (6)第 六 阶段 力 学模型 机器人从图 3-9( f)所示 状态移动到 图 3-9( a)所示 状态 过程,与第 一 阶段运动对 称,机器人的质心位于左、右两臂柔索之间,机器人的重量 由左、右两臂柔索拉力共同承 担,左、右两臂的腕关节、肘关节和肩关节转矩都 为零,手臂 各关节及柔索 的受力方程为: ( 3-10) 3.3.3 机器人 越障过程受力仿真分析 设定 机器人的一次越障循环时间 是 ,其中第 一 阶段 时间为 、第 二 阶段 时间为 、第 三 阶段 时间为 、第 四 阶段 时间为 、第 五 阶段 时间为 、第 六 阶段 时间为 。 依据式 3-5至式 3-10 的 受力 方程和表 2-1机器人的尺寸 参数及 质量,以时间 为变量, 运 用 Matlab 进行 机器人的 仿真越障 , 可知左右臂柔索拉力曲线和各关节转 矩曲线如图 3-10 所示。 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 17 图 3-10 机器人越障仿真曲线 Fig.3-10 Robot obstacle-navigation simulation curve 由 图 3-10所示的机器人越障过程受力仿真曲线可得 : ( 1)机器人在线上行走阶段,机器人整体重量由左右两臂柔索共同承担,此时左右 两柔索拉力相等且为 ,在机器人第一阶段越障时,随着左臂柔索驱动滚筒和行走轮向 右移动, 左 臂柔索所受 拉力 慢慢变大,而右臂柔索所受 拉力 慢慢变小 。当机器人的质 心移 动至 左臂行走轮下方时,左臂柔索 所受 拉力 变 大 到 , 从而承受 机器人的 整体重 量 ,而右臂柔索 所受 拉力 逐渐变小到 , 此时 右臂准备 进行 越障 阶段。此阶段左、右两 臂的 肩关节、肘关节和腕关节 的 转矩 、 、 和 、 、 都 为 。 ( 2)在机器人越障的第二个阶段,机器人伸出右臂进行跨障,此时 肩关节、肘关节 和腕关节 的转矩 、 、 从 慢慢变至最大,随着机器人右臂行走轮越障挂线后, 、 、 慢 慢 变至 ,此时肩关节扭矩 ,肘关节扭矩 ,肩关节扭矩 变化范 围分别为 , , 。当机器人伸出右臂时,机器人的整体重量 由其左臂柔索承担,柔索拉力 为 ,此时右臂处于松弛状态,右臂柔索拉力 为 。 由于机器人在运动过程中质心在不断变化,为保持机器人的平衡,在不断调节左臂柔索位 置的同时,左臂腕关节施加转矩 来配合左臂柔索拉力 。这一过程,左臂柔索拉力 和 左臂腕关节 出现波动,变化范围分别是 , 。此阶段左臂肩关节和 肘关节都为放松状态,其转矩 和 都为 。 ( 3)在机器人越障的第三个阶段,机器人的整体重量由左臂柔索单独承担逐渐变化 为左右两臂柔索共同承担,左臂柔索驱动滚筒向左移动,机器人的质心也随之左移,左臂 左臂柔索拉力曲线 右 臂柔索拉力曲线 左臂 肘关节转矩 曲 线 左臂 腕关节转矩 曲 线 左臂 肩关节转矩 曲 线 右 臂 肩关节转矩 曲 线 右 臂 肘关节转矩 曲 线 右 臂 腕关节转矩 曲 线 陈铭博 :电力巡检机器人设计 18 柔索受力 慢慢变小,右臂柔索受力 慢慢变大。 随着左臂柔索驱动滚筒回到原来位置, 机器人的质心也逐渐移动到两臂的对称位置,此时两臂柔索拉力相等, 。 此阶段两臂柔索处于倾斜状态,使得两臂柔索拉力之和稍微大于机器人整体重量。此时, 机器人的重量由左右臂柔索承担,使得左右臂的肩关节、肘关节和腕关节转矩 、 、 和 、 、 都为 。 ( 4)在机器人越障的第四阶段,随着右臂柔索滚筒向左移动,机器人的整体重量逐 渐由左右臂的柔索承受,机器人的质心向右移动,左臂柔索受力从 变小为 ,右臂 受力由 变 大 为 。左右臂的肩关节、肘关节和腕关节 转矩 都 为 。 ( 5)在机器人越障的第五阶段,其左臂收回跨障, 其肩关节、肘关节和腕关节转矩 、 、 从 慢慢变到 最大 , 行走轮脱线 ;左臂行走轮越障 挂线后, 、 、 慢慢变小到 , 肩关节、肘关节、腕关节的 变化范围分别 是 、 、 。 此时 左 臂柔索处于松驰状态, 左臂柔索 拉力 为 , 机器人的 整体重量由其右臂柔索承担, 为 。 由于机器人在运动过程中质心在不断变化,为保持机器人的平衡,在不断调节右臂 柔索位置的同时,右臂腕关节施加转矩 来配合右 臂柔索拉力 。这一过程,右臂柔索拉 力 和右臂腕关节 出现波动,变化范围分别是 , 。此阶段右臂肩 关节和肘关节都为放松状态,其转矩 和 都为 。 ( 6)在机器人越障的第六阶段,机器人的整体重量由右臂柔索承受, 机器人的质心 位于右臂行走轮下方,右臂柔索驱动滚筒 向右移动,机器人慢慢恢复到最初始正常行走状 态, 右臂柔索承受的拉力 从 慢慢变小到 ,左臂柔索承受 拉力 从 慢慢变大 到 。机器人的 整体 重量 由左右臂柔索承受,所以左右 臂 肩关节,肘关节,腕关节 转矩 、 、 和 、 、 都为 。 从 六个阶段的仿真结果可 知,机器人越障过程中, 行走轮脱线, 挂线 都有发生,致使 机器人的重量发生 变化。在越障过程中,机器人的 整体重量主要由左右臂的柔索承受 , 柔 索拉力 变化较为平稳,柔索最大拉力约为 ,左右臂的肩关节、肘关节、肩关节主要承 受 手臂伸展时自身的重量, 转矩都 较小,肩关节最大转矩约为 、肘关节最大转矩约 为 、腕关节最大转矩约为 。 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 19 4 夹爪和行走轮设计 4.1 夹爪部分设计 4.1.1 夹爪驱动 电机选择 设定设夹抓的开闭速度为 则计算得夹抓的转速 则夹爪所需有效功率为 9-10 传动装置总效率 其中 齿轮传动效率 电机 效率 滑动轴承效率 蜗轮蜗杆效率 电机减速器效率 则传动总效率 所需电机功率 查询 电机产品样本 可选取 的 直流微电机,满载转速 ,额定功率 ,最大功效 ,额定转矩 总传动比 式中 齿轮传动比 蜗轮蜗杆传动比 电机减速箱传动比 选取行星减速箱 系列,减速比选取 , 减速器 效率 , 含电机长度 ,电机直径 陈铭博 :电力巡检机器人设计 20 蜗轮头数为 ,即 拟定 取 校核 电机 电机所需提供扭矩 代入数据得 4.1.2 夹爪部分齿轮设计 (1)圆柱齿轮设计 已设定 求齿轮模数 9-12 取 则齿数 齿轮分度圆直径 齿轮齿顶圆直径 齿轮齿根圆直径 辽宁工程技术大学毕业设计 (论文 ) 21 齿宽取 (2)夹爪部分蜗轮蜗杆设计 已设定蜗杆分度圆 传动比 取 则 蜗杆齿顶圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗杆顶隙 蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮齿顶高 蜗轮齿根高 蜗轮齿宽 取 齿顶圆弧面半径 陈铭博 :电力巡检机器人设计 22 齿顶圆弧面半径 蜗轮外径 时 取 蜗杆螺纹部分长度
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