北京聯(lián)合大學 朱永林 閆貴琴 楊志成 劉 茜

蕩越式巡檢機器人的設計與越障機理

北京聯(lián)合大學 朱永林 閆貴琴 楊志成 劉 茜

針對現(xiàn)有巡檢機器人越障速度低，提出了一種由機體和雙臂結(jié)構(gòu)組成的蕩越式巡檢機器人，可使越障時間縮短為單擺周期。并在總體設計、行走機構(gòu)設計和越障機理等方面進行了研究。為了驗證機器人結(jié)構(gòu)的合理性，根據(jù)機器人機械特性，對其在越障時動力學進行了數(shù)學建模分析。利用MATLAB軟件對機器人進行動力學仿真，說明了蕩越式機器人具備越障速度快、所需電機轉(zhuǎn)矩小的優(yōu)點。為了進一步驗證理論的正確性，制作了樣機。通過對機器人試驗，機器人能夠蕩越式越障，證明了設計的正確性。

蕩越式；快速搭線脫線；結(jié)構(gòu)設計；越障速度；運動學；仿真

圖1 機器人結(jié)構(gòu)示意圖

架空電纜需要長期的保護和維護，人工維護勞動強度大、工作環(huán)境危險、工作效率低。因此，我國主管單位對巡檢機器人的研究非常重視，陸續(xù)推出了多款巡檢機器人，并在電力部門獲得一定程度的應用[1-3]。

但是，就目前推出的機器人系統(tǒng)而言，研究重點大多圍繞越障控制問題、障礙自動識別等問題。與實際的應用要求相比，越障過程質(zhì)心位移平衡式機器人調(diào)整時間過長。

1.蕩越式電纜巡檢機器人總體設計

1.1 機器人總體設計及機體自平衡原理

機器人有一個正四棱柱型的機體，機體的兩端各有一條手臂。機器人結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，每條手臂設計了3個回轉(zhuǎn)關節(jié)、1個平移關節(jié)和1個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，回轉(zhuǎn)關節(jié)分別是肩部電機、肘部電機、腕部電機；平移關節(jié)是電磁閥；旋轉(zhuǎn)關節(jié)是行走輪，行走輪安裝在行走機構(gòu)中。機器人越障過程中，一般前臂作為吊掛臂，承擔整個身體的重量。同時機體調(diào)整姿態(tài)也是以前臂動作趨勢提前調(diào)整。后臂作為工作臂，調(diào)節(jié)肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)的電機轉(zhuǎn)動角度，用于調(diào)節(jié)手臂的姿態(tài)，定位行走輪的搭線角度和位置。=

1.2 行走機構(gòu)的設計

能過快速實現(xiàn)搭線、脫線是蕩越式機器人成功的關鍵，設計能夠快速搭線脫線的機器手尤為重要。行走機構(gòu)的快速搭線和脫線，在做越障運動時，在動勢能轉(zhuǎn)化中減少能量損耗，還可提高越障速度[11]。此裝置可以使行走輪從電纜下方直接搭線；從電纜上方直接脫線。它克服了常規(guī)電纜機器人在越障時，行走輪需從側(cè)方繞過電纜，才能實現(xiàn)搭線和脫線的繁瑣程序。

圖2 行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.機器人越障機理

機器人無障礙行走時，兩個手臂承受了機器人的重量，機器人機體始終保持水平。其余各關節(jié)均處于待命狀態(tài)，當行走至坡路時，調(diào)整一個肘關節(jié)夾角就可以很好地控制機器人的身體姿勢，該機器人有了較好的適應性。

機器人遇到障礙物時，陀螺儀和加速度傳感器測量出機體與地平線的夾角，就可判斷機器人的位姿，通過調(diào)整肩關節(jié)的角度，就可保持機體水平。并以此為參照，控制另一個機器臂的肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)和行走機構(gòu)協(xié)調(diào)運動，完成其行走輪脫線、越障、搭線等動作。

圖中“▇”代表左臂行走機構(gòu)；“□”代表右臂行走機構(gòu)。

圖3 越障機理過程示意圖

如圖3（A）所示，機器人遇到障礙物停止前行，此時，兩個機器臂均受力。圖3(B)所示，左手臂指關節(jié)機構(gòu)脫線，機器人的兩個肘關節(jié)逐步伸直，機器人的質(zhì)心下移，整個機器人以右手機構(gòu)為圓心，以兩臂長為半徑做半圓周轉(zhuǎn)動。圖3(C)右臂回轉(zhuǎn)關節(jié)轉(zhuǎn)動，當左臂末端行走輪到達電纜下方時，電磁閥開、合運動，指關節(jié)完成搭線動作。如圖3(D)所示，機器人完成單臂越障行動。圖3（EF）重復圖3（BC）運動，區(qū)別左右手動作順序交換。最后，機器人還原初始狀態(tài)，完成越障過程。與文獻[1]蠕動式越障對比，將分解的7個簡單動作，組合成3個復合動作，提高了越障速度。

3.機器人受力仿真

從圖3所示的巡線機器人越障過程可以看出，由于機器人減少了用于平衡機體的質(zhì)心機構(gòu)，手臂的各關節(jié)承受的轉(zhuǎn)矩將大大減小。即便如此，為了提高機器人在越障過程中安全性，仍保留兩種不同的越障方式，即傳統(tǒng)方式越障和蕩越方式越障。

設置仿真過程中機器人各部分質(zhì)量如下: m0=7.63 kg(因為減少了配重模塊等),m1=2kg ,m2=l kg,m3= 0.5kg, m4= 1kg，m5=2kg；l1=250mm，l2=350mm，l3=200mm，l4=350mm，l5=250mm。

巡線機器人在蕩越障礙物時，由于慣性的存在，手臂從脫線到搭線過程中，機器人由勢能轉(zhuǎn)化成動能，再由動能轉(zhuǎn)化為勢能。根據(jù)機械能守恒定律，機器人越障過程幾乎不需要外加動能?，F(xiàn)實來說，各個電機的力矩輸出也會較小。下面詳細分析機器人在越障時各個階段，雙臂各關節(jié)的受力情況。

腦，需要讀取物資信息時，掃描該物資的身份二維碼，即可讀取到所需的數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2，物資入庫時，用戶通過軟件客戶端錄入相關信息，并由二維碼生成模塊生成該物資唯一的二維碼，此時數(shù)據(jù)全部存入數(shù)據(jù)庫作為初始數(shù)據(jù)；在儲存過程中物資的狀態(tài)發(fā)生改變時，需要在數(shù)據(jù)庫中記錄該物資狀態(tài)變化的信息；物資出庫投入使用時可用掃碼設備對其掃碼識別，以讀取初始數(shù)據(jù)信息；在使用過程中隨著使用時間的推移，其對應信息均由系統(tǒng)自動保存入數(shù)據(jù)庫；物資達到使用年限，需報廢處理時，在數(shù)據(jù)庫中刪除其信息，同時其對應的二維碼也隨之作廢。

4.結(jié)束語

二維碼技術的興起和其在購物、支付、信息追蹤等各方面的廣泛應用，極大的便利了現(xiàn)代人的生活。本文根據(jù)基層臺站物資管理的特點以及二維碼在信息儲存等方面的優(yōu)點和使用的便捷性，論述了二維碼技術應用于基層臺站物資管理中的可行性和實現(xiàn)方法，為后續(xù)基于二維碼技術的臺站物資管理系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

[1]劉志海、萬麗榮、宋作玲．條碼技術及應用技術標準．化學工業(yè)出版社．

[2]BarTender具體功能描述． BarTender官網(wǎng)．