曹 濤，王明瑞，孫大慶，楊 墨，王 飛

（山東電力研究院 國家電網(wǎng)電力機器人重點實驗室，濟南 250000）

0 引言

長期以來，我國變電站中大多采用人工巡檢作業(yè)方式，在高壓、超高壓以及惡劣氣象條件下，不僅對人身會照成極大的危害，同時對電網(wǎng)安全運行也會帶來一定隱患。而變電站巡檢機器人系統(tǒng)以全自主控制方式，在無人值守變電站對室外高壓設備進行巡視，可及時發(fā)現(xiàn)變電站高壓設備的熱缺陷、異物懸掛等異常現(xiàn)象。通過巡檢機器人攜帶的各種傳感器，完成變電站設備的圖像采集、設備儀表的識別、紅外狀態(tài)檢測等，同時記錄相關設備信息，并提供異常狀態(tài)報警。完全代替了傳統(tǒng)的人工巡檢作業(yè)方式，完成變電站高壓變電設備的所有巡檢作業(yè)。

變電站巡檢機器人云臺系統(tǒng)是安裝、固定信息采集系統(tǒng)的支撐設備，可根據(jù)系統(tǒng)預設命令，帶動承載在云臺上方的信息采集系統(tǒng)轉動，使信息采集系統(tǒng)中攝像機完成監(jiān)視區(qū)域的掃描。本文就變電站巡檢機器人云臺系統(tǒng)結構設計進行探討。

1 云臺工作原理及總體結構

變電站巡檢機器人云臺設計時，需要考慮巡檢機器人運行環(huán)境、云臺安裝位置、云臺使用方式、工作電壓及其負載大小，同時也要考慮與巡檢機器人外觀是否搭配等因素。

功耗上，云臺選用的功耗電機，減少巡檢機器人整機的功耗，減少對整體巡航能力的影響。云臺在控制上采用云臺控制板獨立控制水平、垂直兩個方向旋轉動作。同時采用總線方式用于工控機與云臺控制板間的控制信號傳遞，同時通過水平、垂直兩個解碼器分別解出相應控制信號，再控制云臺的水平、垂直方向轉動。通過巡檢機器人控制后臺或預設命令發(fā)出數(shù)據(jù)信息，通過云臺解碼器解碼成機械的上下左右運動，進而配合攝像機轉動。完成監(jiān)視區(qū)域圖像采集工作。

變電站巡檢機器人云臺的總體結構，如圖1所示。云臺驅動核心是通過內(nèi)裝的兩個電動機。一個負責水平方向的轉動，另一個負責垂直方向的轉動。水平、垂直電機驅動減速器以增大驅動扭矩并降低輸出轉速，信息采集系統(tǒng)及其附件安裝于支撐板上，同時支撐板隨云臺的垂直電機驅動而轉動，進而完成俯仰旋轉動作。信息采集系統(tǒng)同云臺同時隨云臺的水平電機驅動而轉動，進而完成水平旋轉的動作?？紤]變電站巡檢機器人工作環(huán)境，其供電方式是設計中必須考慮的因素，由于變電站巡檢機器人為無人職守全自動巡檢模式，所以采用巡檢機器人承載電壓直流24V。同時水平方向的角度可做360度轉動，垂直俯仰方向則有110度旋轉范圍。當轉動角度達到預先設定的限位開關時，限位開關動作切斷電源，云臺此時停止轉動。此外，考慮到巡檢機器人云臺復雜的工作條件，如巡檢機器人運動時會產(chǎn)生顛簸等震動現(xiàn)象，如何設計減速器使得云臺即能夠滿足水平轉速和垂直轉速要求，同時又具有較大的保持扭矩就成為設計的難點之一。

圖1 云臺結構示意圖

2 模型設計及仿真分析

2.1 直流電機選擇

由于云臺是由水平、垂直兩部分獨立的傳動機構組成的，而垂直傳動機構是主要承載機構，所以在設計時要以垂直傳動機構作為主要承載機構來設計，而水平傳動機構只受水平磨擦轉矩和電纜拖帶等所產(chǎn)生的轉矩影響。根據(jù)設計經(jīng)驗，水平方向所選用的電機功率一般為垂直方向的一半。

變電站巡檢機器人云臺的承重能力要求不低于10kg，信息采集系統(tǒng)質(zhì)心與云臺旋轉軸的距離為0.15m，因此，云臺的保持扭矩N1要求大于15N/m。此外，云臺的俯仰角速度為≥10°/s，根據(jù)市場上主要型號的電動機，我們擬選用轉速在4000rpm，齒輪器減速比為1：250的齒輪減速電動機，而云臺的齒輪傳動比為150／30，則云臺的俯仰角速度v為：

云臺的垂直驅動扭矩N2為10N/m，根據(jù)傳動方案大小齒輪的減速比可知，電動機齒輪傳動伸出端的輸出扭矩為：

則最小電機額定扭矩為：

綜上所述，該直流減速電機的額定電壓為24V，額定轉速為4000rpm，減速比分別為1：250，額定轉矩為43mN/m，額定功率為15w能夠滿足云臺在垂直方向的轉速和扭矩要求。同理在水平方向上將電動機的齒輪器減速比調(diào)整為1：125其他尺寸不變能夠滿足水平方向上轉速和扭矩要求。

2.2 減速機構設計

設計時根據(jù)巡檢機器人云臺運行特性決定其內(nèi)部空間有限，要使云臺的外型盡量小巧，所以內(nèi)部空間相對不是很大，同時在保證其傳動特點采用齒輪傳動，以機械設計原理[1]為基礎，其設計步驟為：

1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)：選用直齒圓柱齒輪7級精度，材料為45鋼，并調(diào)質(zhì)及表面淬火硬度40～50HRC，小齒輪齒數(shù)為23，大齒輪為23×6.5=150。

2）按齒面接觸強度設計：確定公式內(nèi)各計算數(shù)值，如大齒輪分度圓直徑、圓周速度、齒寬、載荷系數(shù)，同時最終確定其模數(shù)。經(jīng)計算可得其模數(shù)為1。

3）校核齒根彎曲強度：確定大、小齒輪的彎曲疲勞壽命、彎曲疲勞強度極限系數(shù)等，并計算彎曲疲勞許用應力和載荷系數(shù)等，同時根據(jù)文獻中的計算公式，驗證可知所設計的齒輪傳動滿足設計要求。

2.3 三維實體建模

由于巡檢機器人云臺對保持力矩、減速結構等提出較高的要求，本文建立了基于ADAMS軟件的云臺動力學仿真模型，對所設計的巡檢機器人云臺系統(tǒng)進行動力學研究。在設計之初，就可以實現(xiàn)對整個巡檢機器人云臺的運動狀態(tài)、動力性能、載荷及應力屬性等進行分析，可較大程度提高巡檢機器人云臺設計的質(zhì)量和效率。對巡檢機器人云臺做動力學分析，需要獲取云臺各個零部件的屬性，如質(zhì)量參數(shù)、慣性參數(shù)、質(zhì)心坐標等參數(shù)。然而三維實體建模并不是ADAMS的強項，故筆者選用在Solid Works軟件下建立所有云臺的零部件模型，同時完成巡檢機器人云臺虛擬樣機的裝配工作如圖2所示，為直觀觀察云臺的運行狀態(tài)，圖2中已添加信息采集系統(tǒng)。

圖2 云臺虛擬樣機裝配圖

2.4 動力學仿真分析

利用ADAMS/View自定義仿真輸出量，同時利用這一模塊提供的樣機模型自檢工具，針對云臺模型進行自檢，同時設置仿真分析控制參數(shù)，最后設置虛擬樣機相關參數(shù)以及輸入載荷進行仿真分析.如果要進行振動分析，需加載 ADAMS/Vibration模塊。

本文中，筆者將所建模型以*.x_t格式導入ADAMS軟件中，在模型上添加約束、力/力矩和運動參數(shù)；云臺減速齒輪材料為45鋼，其泊松比為μ=0.29，E=2.07×105 N/mm2，電機轉速為2000r/min；云臺支撐板及兩側支撐材料選用LY12，其泊松比μ=0.33，E=7.24×104N/mm2。添加云臺垂直方向旋轉轉速為12°/s、水平方向轉速為12°/s 。

給定上述輸入條件后，應用step函數(shù)設定云臺由勻速轉動到靜止的制動時間為0.1s 。根據(jù)軟件分析得其仿真結果。云臺載荷的運動軌跡如圖3所示。其中由水平方向轉動和垂直俯仰運動疊加而成。云臺齒輪切向力最大值為1000N ，為垂直擺角位置，證明在該位置由于云臺急停而產(chǎn)生了加大的沖擊載荷，如圖4所示。云臺的垂直俯仰驅動扭矩，如圖5所示。其驅動扭矩為14N/m，根據(jù)前文分析可知，云臺的保持扭矩為15N/m，電機減速器輸出端額定扭矩為65mN/m進而驗證選的電機能夠滿足云臺系統(tǒng)性能要求。

圖3 載荷運動軌跡

圖4 齒輪切向力

圖5 云臺垂直驅動扭矩

3 結論

設計了適用于變電站巡檢機器人云臺系統(tǒng)的機械結構，使此結構能夠滿足垂直俯仰轉動和水平轉動性能要求，同時對云臺零部件模型利用三維模擬建模，直觀了解設計動態(tài)，并采用ADAMS軟件對云臺結構進行動力學仿真分析，驗證了所設計的機械結構能夠滿足變電站巡檢機器人云臺系統(tǒng)的需求，為云臺系統(tǒng)的優(yōu)化設計依據(jù)。

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