, 房立金1, 陶广宏11. 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 辽宁工程技术大学 机械工程学院, 辽宁 阜新 123000
收稿日期：2016-03-30
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575092);辽宁省高等学校创新团队项目(LT2014006)。
作者简介：魏永乐(1978-)，男，河北石家庄人，东北大学博士研究生;
房立金(1965-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：研究了手臂固定式、手臂移动式和带柔索式三种类型双臂巡检机器人的越障能力, 通过理论分析建立了三种类型双臂巡检机器人相应的越障能力数学模型, 在设定基本相同的质量参数和结构参数前提下, 计算得到了三种类型巡检机器人在不同线路坡度下的最大越障距离.计算结果表明:带柔索双臂巡检机器人的手臂结构运动更为灵活, 机器人越障能力更大, 且越障距离可根据障碍物大小自由调节, 因此带柔索双臂巡检机器人的结构设计具有明显优势, 更易实现机器人轻量化设计.
关键词：巡检机器人质心调节双臂越障距离柔索
Analysis for Crossing Obstacle Distance of Dual-Arms Inspection Robot
WEI Yong-le1,2
, FANG Li-jin1, TAO Guang-hong11. School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
Corresponding author: WEI Yong-le, E-mail: weiyongle126@126.com
Abstract: The crossing obstacle distance of three type dual-arms inspection robots, including arms fixed robot, arms mobile robot and robot with flexible cable, was investigated. The mathematical models were established for the crossing obstacle distance of the three type dual-arms inspection robots by theoretical analysis. Under similar values of the quality and dimensions, the max crossing obstacle distance of the three type robots were calculated based on the different gradients of the transmission line. The results show that the arm movements of dual-arms inspection robot with flexible cable are more flexible with a larger crossing obstacle distance, which can be regulated by the obstacle size. Thus, the dual-arms inspection robot with flexible cable has obvious advantages in realizing lightweight structure design.
Key Words: inspection robotregulating the center of massdual-armscrossing obstacle distanceflexible cable
当前国内外研究开发的高压输电线路巡检机器人多为双臂巡检机器人[1-6]、三臂巡检机器人[7-8]和多臂巡检机器人[9-10].双臂巡检机器人与三臂、多臂巡检机器人相比, 结构简单、控制方便、动作灵活, 具有很好的转向性和线路适应性.
本文介绍了典型双臂巡检机器人的结构类型, 以越障能力为研究目标, 分析了双臂巡检机器人越障能力影响因素, 并以带柔索双臂巡检机器人为主要研究对象, 对比分析了机器人的越障能力.
1 典型双臂巡检机器人越障能力分析1.1 典型双臂巡检机器人结构类型为了保持机器人越障时平衡稳定, 目前双臂巡检机器人大多带有质心调节机构, 但少数双臂巡检机器人无质心调节机构[1], 此类机器人越障时主要依靠悬挂手臂各关节的转矩来平衡机器人质量, 并提供越障手臂向前移动的驱动转矩, 其机器人的越障能力与机器人的质量、尺寸存在根本性矛盾, 所以大多数研究人员摒弃了这种结构方案, 而是研究带质心调节机构的双臂巡检机器人.
带质心调节机构的双臂巡检机器人, 通过调节机器人质心位置保持越障过程中机器人处于平衡状态, 一般也可以通过质心调节机构调整越障距离大小.按照机器人质心调节方式可将带质心调节机构的双臂巡检机器人分为以下两类:
1) 手臂固定式双臂巡检机器人.手臂固定式双臂巡检机器人, 其结构如图 1所示, 两只手臂间隔一定距离固定于导轨之上, 每只手臂具有伸缩、旋转自由度, 箱体具有沿导轨移动自由度, 用于调节机器人质心位置[2-3].
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 手臂固定式巡检机器人越障受力简图Fig.1 Force diagram of dual-arms fixed inspection robot |
2) 手臂移动式双臂巡检机器人.手臂移动式双臂巡检机器人, 其结构如图 2所示, 两只手臂可以伸缩、旋转, 也可以沿导轨移动, 箱体也可以沿导轨移动以调节机器人质心位置[4-5].
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 手臂移动式巡检机器人越障受力简图Fig.2 Force diagram of dual-arms mobile inspection robot |
1.2 手臂固定式双臂巡检机器人越障能力分析双臂巡检机器人跨越障碍物时, 需要一只手臂悬挂固定(悬挂手臂), 另一只手臂伸出跨越障碍物(越障手臂), 因此机器人的越障能力就是悬挂手臂与越障手臂的行走轮之间的最大距离.
根据手臂固定式双臂巡检机器人越障机理[2], 此类机器人越障时受力平衡状态如图 1所示.
图中:l0, h0分别为机器人箱体的长度和高度; l1为手臂至导轨端点距离; l2, ld分别为手臂长度和导轨长度; m0, m1, m2分别为箱体质量、手臂质量和导轨质量.
根据图 1所示的机器人受力平衡状态, 可以列出机器人越障时受力平衡方程为
 |
 | (1) |
 | (2) |
1.3 手臂移动式双臂巡检机器人越障能力分析根据手臂移动式双臂巡检机器人越障机理[5], 此类机器人越障时受力平衡状态如图 2所示(图中各参数含义同图 1).
根据图 2所示的机器人受力平衡状态, 可以列出机器人越障时受力平衡方程为
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 | (3) |
 | (4) |
由式(1)~式(4) 可知, 手臂固定式和手臂移动式双臂巡检机器人越障能力主要取决于机器人各部分质量以及导轨长度, 同时受到输电线路坡度、机器人手臂和箱体长度的影响.
2 带柔索双臂巡检机器人越障能力分析2.1 带柔索双臂巡检机器人结构由于典型双臂巡检机器人的手臂与导轨始终保持垂直, 导致机器人越障时不能充分利用手臂的长度来增大越障距离.为了在机器人越障时能够充分利用手臂长度提高机器人越障能力, 文献[6]提出的带柔索双臂巡检机器人, 采用了带柔索的关节式手臂结构, 该巡检机器人实体模型如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 带柔索双臂巡检机器人Fig.3 Dual-arms inspection robot with flexible cable |
该机器人的特点在于:越障时, 悬挂手臂的柔索承担了机器人的主要质量, 降低了肩关节和肘关节的载荷, 手臂可以大幅摆动提高了其越障能力[6]; 此外, 还可以利用箱体内供电电源作为配重, 使其沿箱体长度方向移动以平衡手臂伸出长度.
2.2 带柔索双臂巡检机器人越障能力分析机器人越障时, 箱体处于水平或倾斜状态, 当处于水平时, 箱体重心对悬挂点的转矩最大, 有利于机器人平衡, 但线路坡度较大时易导致手臂与线路干涉, 机器人越障时受力平衡状态如图 4所示.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 带柔索双臂巡检机器人越障受力简图Fig.4 Force diagram of dual-arms inspection robot with flexible cable |
图中:l0, h0为箱体的长度和上半部分高度; l0′, h0′为电源移动距离和高度; l1, l2, l3分别为机器人双臂各段的长度; ds, d为悬挂手臂柔索长度及移动平台位移; m0′, m0为电源质量及箱体其余部分质量; m1, m2, m3分别为手臂l1, l2, l3部分质量; m4为柔索移动平台的质量.
由图 4所示的几何关系可列出越障距离L为
 | (5) |
悬挂手臂柔索移动平台位移d是越障手臂跨越障碍物过程中机器人处于平衡状态的悬挂点位置, 即机器人越障时的平衡约束条件：
 | (6) |
 | (7) |
3 双臂巡检机器人越障距离对比分析双臂巡检机器人要完成越障功能, 需要根据高压输电线路障碍物的类型和尺寸, 确定机器人各部分质量和尺寸参数.为了方便对比上述三种类型机器人越障能力, 三种类型机器人各部分质量和尺寸参数取相同或相近的数值.
手臂固定式与手臂移动式双臂巡检机器人结构基本相同, 因此各部分质量和尺寸也取相同参数, 参照文献[2, 4]公开的巡检机器人相关数据, 机器人相关参数如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 典型双臂巡检机器人各部分质量和尺寸Table 1 Quality and dimensions of typical dual-arms inspection robot
| 表 1 典型双臂巡检机器人各部分质量和尺寸 Table 1 Quality and dimensions of typical dual-arms inspection robot | ||||||||||||||||||||||||
带柔索双臂巡检机器人各部分质量和尺寸参数参照典型双臂巡检机器人各部分质量和尺寸参数取值基本相同, 机器人相关参数如表 2所示.
表 2(Table 2)
表 2 带柔索双臂巡检机器人各部分质量和尺寸Table 2 Quality and dimensions of dual-arms inspection robot with flexible cable
| 表 2 带柔索双臂巡检机器人各部分质量和尺寸 Table 2 Quality and dimensions of dual-arms inspection robot with flexible cable | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.1 双臂巡检机器人越障距离计算将表 1所示的典型双臂巡检机器人的参数代入式(1)~式(4), 可以计算得出不同线路坡度下机器人的最大越障距离, 如表 3所示.
表 3(Table 3)
表 3 双臂巡检机器人最大越障距离Table 3 Max crossing obstacle distance of dual-arms inspection robot
| 表 3 双臂巡检机器人最大越障距离 Table 3 Max crossing obstacle distance of dual-arms inspection robot | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
带柔索双臂巡检机器人的越障距离受到箱体倾斜角度β的影响, 越障时可以调节倾斜角度β大小, 以增大越障距离, 为了简化问题便于求解, 在此以箱体倾斜角度β两个边界值进行分析计算, 即箱体保持水平状态(β=0°)和箱体与线路保持平行状态(β=α).
将表 2所示的带柔索双臂巡检机器人参数代入式(5)~式(7), 可以计算得出悬挂手臂与线路不干涉情况下, 箱体水平以及与线路平行两种状态时, 不同线路坡度下机器人的最大越障距离, 如表 3所示.
3.2 双臂巡检机器人越障能力对比根据表 3所示的在质量分布和结构尺寸基本相同的情况下, 三种双臂巡检机器人最大越障距离的计算结果对比可以看出:
1) 手臂固定式巡检机器人两只手臂可以设计的最大间距为375 mm, 由于手臂固定不可移动, 故机器人越障距离为固定值375 mm.
2) 手臂移动式巡检机器人最大越障距离为468 mm, 由于两只手臂可以移动位置, 故机器人越障距离大小可以调节.
3) 带柔索巡检机器人越障时其箱体倾角可以调节, 且箱体倾角不同其越障距离有所不同, 当保持两臂行走轮等高时, 不同线路坡度下机器人最大越障距离有所不同, 其中线路坡度为0°时越障距离可达987 mm, 若越障手臂处于水平状态越障时, 例如跨越引流线, 则越障距离会更大.
此外, 手臂固定式巡检机器人和手臂移动式巡检机器人避免与线路干涉的方式是增加手臂长度; 而带柔索双臂巡检机器人避免与线路干涉的方式主要是使箱体倾斜, 只有当箱体倾角达到最大时, 才增加手臂长度.由于机器人手臂越长越容易出现摆动, 机器人平稳性越差, 因此带柔索双臂巡检机器人越障平稳性更好.
4 带柔索双臂巡检机器人越障能力仿真将图 3所示的机器人实体模型导入ADAMS软件, 设置手臂柔索伸缩驱动以及各旋转、关节驱动后进行仿真, 实验结果见图 5.横坐标为线路坡度, 纵坐标为长度, 其中GunLun_Distance为越障距离曲线、RouSuo_Length为柔索长度曲线、Arm_Length为手臂长度曲线.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 带柔索双臂巡检机器人越障能力仿真Fig.5 Crossing obstacle distance simulation of dual-arms inspection robot with flexible cable (a)—箱体水平仿真结果(β=0°)；(b)—箱体倾斜仿真结果(β=α). |
从图 5可以看出, 线路坡度在0~50°范围内变化时, 当箱体处于水平状态(β=0°)时, 越障距离约为990~730 mm；当箱体处于倾斜状态(β=α)时, 越障距离约为990~830 mm.仿真结果曲线的坐标点与表 3理论计算结果基本一致, 证明前述的理论分析与计算是正确合理的.
5 结论1) 从双臂机器人越障能力的影响因素来看:手臂固定式和手臂移动式双臂巡检机器人的越障能力均主要取决于机器人各部分质量和导轨长度, 而与手臂长度并无直接关系; 带柔索双臂巡检机器人的越障能力主要取决于机器人各部分质量、导轨长度和手臂长度, 其中手臂长度对越障能力起到至关重要的作用.因此, 带柔索双臂巡检机器人结构设计的重点在于增加手臂长度, 合理分配各部分的质量, 并适当增加导轨长度.
2) 从双臂机器人手臂结构的自由度来看:手臂固定式双臂巡检机器人由于手臂在导轨上位置固定不动, 越障能力较小; 手臂移动式双臂巡检机器人手臂可以在导轨上移动有利于质心调节, 越障能力有所提高; 而带柔索双臂巡检机器人采用了更为灵活的关节式手臂结构, 手臂不仅可以方便地伸长、缩短, 而且还可以大幅摆动, 使机器人越障能力得到大幅提高, 越障姿态也更加灵活多样.
3) 从双臂机器人的越障能力来看:手臂固定式双臂巡检机器人、手臂移动式双臂巡检机器人和带柔索双臂巡检机器人, 在基本相同的质量分布和结构尺寸参数情况下, 带柔索双臂巡检机器人越障距离是其他两种双臂巡检机器人两倍左右; 反过来, 如果实现相同的越障距离, 带柔索双臂巡检机器人更容易实现轻量化设计, 说明带柔索双臂巡检机器人的结构设计具有明显的优势, 具有进一步深入研究与开发的价值.
参考文献
| [1] | Lorimer T, Boje E.A simple robot manipulator able to negotiate[C]//The 2nd International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.Zurich, 2012:136-141. |
| [2] | 孙翠莲, 赵明扬, 王洪光. 风荷载下越障巡检机器人结构参数优化[J].机械工程学报, 2010, 46(7): 16–21. ( Sun Cui-lian, Zhao Ming-yang, Wang Hong-guang. Structural parameters optimization of a navigating inspection robot under the wind load[J].Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(7): 16–21.) |
| [3] | Wang H G, Zhang F, Jiang Y.Development of an inspection robot for 500kV EHV power transmission lines[C]//The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Taipei, 2010:5107-5112. |
| [4] | 严宇, 吴功平, 杨展, 等. 基于模型的巡线机器人无碰避障方法研究[J].武汉大学学报(工学版), 2013, 46(2): 261–265. ( Yan Yu, Wu Gong-ping, Yang Zhan, et al. Research on method of obstacle-passing robot without touching based on the model[J].Engineering Journal of Wuhan University, 2013, 46(2): 261–265.) |
| [5] | Li C, Wu G P, Cao H.The research on mechanism, kinematics and experiment of 220 kV double-circuit transmission line inspection robot[C]//2009 International Conference on Intelligent Robotics and Applications.Singapore, 2009:1146-1155. |
| [6] | 房立金, 魏永乐, 陶广宏. 一种新型带柔索双臂式巡检机器人设计[J].机器人, 2013, 35(3): 319–325. ( Fang Li-jin, Wei Yong-le, Tao Guang-hong. Design of a novel dual-arm inspection robot with flexible cable[J].Robot, 2013, 35(3): 319–325.) |
| [7] | Yang D W, Feng Z R, Ren X D. A novel power line inspection robot with dual-parallelogram architecture and its vibration suppression control[J].Advanced Robotics, 2014, 28(12): 807–819.DOI:10.1080/01691864.2014.884936 |
| [8] | Liang Q K, Wang Y N, Zhang D. Multifunctional robotic system for live power transmission lines[J].International Journal of Robotics and Automation, 2014, 29(2): 175–183. |
| [9] | Guo R, Zhang F, Cao L.A mobile robot prototype for inspection of overhead bundled conductors[C]//The 2nd International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.Zurich, 2012:132-135. |
| [10] | Goncalves R S, Carvalho J C M. A mobile robot to be applied in high-voltage power lines[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2015, 37(1): 349–359.DOI:10.1007/s40430-014-0152-0 |
