郝時忠

（江蘇省高淳中等專業(yè)學校，江蘇 南京 211316）

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化進程的升級，綠化樹、電燈桿在大街小巷比較常見，國內針對綠化樹、電燈桿等維修作業(yè)采用人工或者高空運載機進行檢修和施工，已經適應不了現代城鄉(xiāng)一體化進程發(fā)展的要求，主要表現在：綠化樹、電燈桿在進行作業(yè)過程中人工風險較大，如采用市政高空機則會阻礙地下的交通，在一些特殊場合，即便采用了自動化機械手進行爬行，但是機械手的裝置設計方案很局限，無法根據綠化樹、電燈桿不同尺寸以及不同速度進行上下攀爬和傳送工具，導致該攀爬設備的傳送效率低下，而且傳送相關綠化樹攀爬機器人的PLC 系統控制系統依賴進口、手爪關節(jié)活動的壽命以及潤滑等運行精度穩(wěn)定性不足，使得綠化樹、電燈桿自動上下攀爬機械手的裝置的自動化程度以及精度無法滿足不同直徑和工況的綠化樹、電燈桿的使用現狀[1-2]。

當前許多學者針對爬樹機械手通過理論和仿真實驗[3]，在傳動形式、手腕關節(jié)、手爪自由度以及材料性能、摩擦磨損以及熱處理方面進行了研究，所得成果應用到各大國家電網的維修部門，尤其是主要采用限元分析軟件，分析其攀爬過程中存在的不足和缺點，建立手腕關節(jié)、手爪自由度的動力學仿真模型，模擬自動爬綠化樹、電燈桿機器人不同路況或功率下的動力和傳動效率，找出存在的風險因素并進行改進，能夠降低自動爬綠化樹、電燈桿機器人開發(fā)周期和費用[4]。

1 爬桿機器人方案設計

1.1 自動爬綠化樹機器人方案設計

本設計的自動爬綠化樹、電燈桿機器人根據仿生爬綠化樹的現象，考慮的自動爬綠化樹、電燈桿機器人的額定載荷為5 kg，能夠在Φ120 ～Φ200 mm 的變徑桿上爬行。設計的機器人采用兩個手爪1，依靠盤形凸輪5 的運動軌跡帶動連桿機構3 進行往復運動，在工作過程中一個手爪松開，一個夾緊進行爬行運動，在實現上下攀爬移動的進給夾緊載荷方面，下手抓通過彈簧4 收縮力提供預緊力使手抓收縮夾緊和松開直桿。如圖1 所示。

圖1 爬桿機器人方案

1.2 夾緊裝置設計

自動爬綠化樹、電燈桿機器人的手爪的夾緊方案可以考慮電機驅動連桿往復運動，在機械手的工作過程中，考慮彈簧與傳動連桿配合實現手爪開合的作用。在設計過程中還需要其具有自鎖功能，確保了在開合過程中當自動爬綠化樹、電燈桿機器人的手爪傳動連桿與彈簧失效時不會下墜，此外傳感器檢測自動爬綠化樹、電燈桿機器人的手爪的抓取壓力信號，通過壓力信號的識別可將正常夾緊與松開的工況的信息反饋給PLC 控制器，從而做出是否進行進給往復的目的，驅動自動爬綠化樹、電燈桿機器人系統發(fā)出一系列的操作，而為了確保自動爬綠化樹、電燈桿機器人夾緊裝置在接觸電桿過程中因為摩擦磨損導致的表面劃傷，或者當負載載荷超過其額定重量時候，為了確定其抓緊力產生的摩擦系數，這里考慮采用橡膠墊塊，在滿足工況的前提下能夠進行靈活的更換。如圖2 所示。

圖2 夾緊裝置

1.3 運動狀態(tài)分析

設計的自動爬綠化樹、電燈桿機器人長度L=260 mm，寬B= 150 mm，高度H= 430 mm，在初始狀態(tài)下手爪夾緊直桿，上手爪在彈簧作用下松開。當壓力信號將正常夾緊與松開的工況的信息反饋給PLC控制器時，電機通過減速箱連接帶動曲柄運動，曲柄一起固定在下手爪處的兩個盤形凸輪機構順時鐘轉動，因此自動爬綠化樹、電燈桿機器人運動狀態(tài)的合理性對傳動系統的運行精度有著重要的影響，盤形凸輪推動下機械臂想外擺動，機械手爪向外松開，手爪一方面需要滿足結構功能性要求，另一方面還需要滿足經濟性，當盤形凸輪轉過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時移動凸輪向下運動，此時上方手爪夾緊直桿。

當自動爬綠化樹下部的盤形凸輪轉過最大半徑的圓弧后，下機械手爪開始收縮，并夾緊；手爪和連桿在受力過程中，還承受夾緊力加載導致的彎矩。當移動凸輪向上運動走過空行程，在凸輪運動時，自動爬綠化樹、電燈桿機器人的上機械手爪開始松開，在設計過程中需要對自動爬綠化樹、電燈桿機器人的變形剛度進行考慮，避免在爬行進給過程中產生沖擊振動和位移，同時需要對自動爬綠化樹手臂等結構的管線預埋走向進行考慮。避免當曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達的最大行程時因為連桿的極限位置造成管線的干涉。

2 攀爬機械手爪設計

本自動爬綠化樹的手爪的抓取對象為綠化樹以及電線桿，其接觸面為圓柱體，在對手爪設計過程中，首先是滿足其功能性，手臂手指特征、攀爬過程中的接觸應力、攀爬速度等因素，同時還考慮一定的仿生學，其中手爪的重點在于手指的自由度，如混合并聯的執(zhí)行機構，采用伺服電機驅動的斜面杠桿式、采用往復直線運動的滑槽杠桿式等，此外還有應用在其他場所的絲杠螺母彈簧式，以及利用自身重力的結構形式抓取等。本設計考慮的自動爬綠化樹、電燈桿機器人的額定載荷為5 kg，能夠在Φ120 mm ～Φ200 mm的變徑桿上爬行。

在尺寸設計過程中，自動爬綠化樹的手爪的旋轉中心跟直桿X方向長度為67 mm，Z方向長度為129 mm，橡膠塊的厚度d= 5 mm，自動爬綠化樹的手爪在工作過程中的擺動θ= 10°。手爪的厚度d= 10 mm。采用5032 的鋁合金材料，如圖3 所示。

圖3 機械手爪設計尺寸圖

自動爬綠化樹、電燈桿機器人的手爪驅動電動機的型號有許多，電動機的使用場合往往通過現場不同的負載類型來選型，本設計選擇的型號為60YR25DV11的電機。該電機的標準參數見表1。

表1 60YR25DV11 電機參數

3 爬桿機器人三維建模設計

3.1 三維建模思路

自動爬桿機器人的主要部件包括上下機械手抓、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機構的結構設計完成后，其設計的結構在功能上是否滿足設計要求，還需要對其進行檢查。一般來說采用三維軟件建模可以直觀形象的查看自動爬桿機器人設計的缺陷，同時方便后期的設計變更。隨著當前機器人行業(yè)的飛速發(fā)展，基于CAD/CAE 計算的設計開始廣泛應用，基于特征的三維建模技術對自動爬桿機器人的上下機械手抓右、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機構建立完成后，可采用CAD 的輔助菜單對其尺寸聯系、配合形式以及是否存在空間運動干涉進行檢查，還可以采用CAE仿真分析軟件對自動爬桿機器人受力過程中的結構動力學進行仿真，找到自動爬桿機器人傳動過程中的失穩(wěn)和變形干涉現象，還可以對單個部件的應力應變進行計算，為后期的部件優(yōu)化提高理論依據，上下機械手抓右、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機構之間的裝配尺寸鏈和參數化關聯都可以在三維建模器中進行顯示，極大程度地降低了設計的周期。

3.2 主要部件的建模和運動仿真

3.2.1 運動仿真設置

采用UG 軟件在對自動爬綠化樹機器人進行三維建模，主要包括上下機械手抓、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機構等，在建模過程中當某個特征之前發(fā)生變更時，如果相關部件在裝配過程中存在配合約束，則相關的部件特征也會發(fā)生相應的更新，圖4 為基于特征建立的自動爬桿機器人上下機械手抓結構裝配。

圖4 自動爬桿機器人上下機械手抓

當創(chuàng)建完成自動爬桿機器人整體的三維模型后，為了驗證自動爬電線桿機器人機構的設計合理性，需要采用運動仿真的形式進行仿真，尤其是裝配約束，如盤形凸輪、輸入軸之間的接觸關系、尺寸和位置等，下面采用UG 軟件進行仿真分析，對自動爬桿機器人進行運動仿真。

首先，選擇自動爬桿機器人的立柱為固定連桿，其次，建立上下機械手抓旋轉部件，創(chuàng)建運動副。定義自動爬桿機器人手抓、盤形凸輪和連桿等主要部件的運動副，創(chuàng)建完畢后點擊“解算方案”，完成攀爬電線桿運動仿真的創(chuàng)建，得到圖5 運動仿真設置分析。

圖5 自動爬桿機器人運動仿真設置分析

3.2.2 爬升運動過程

（1）首先爬桿機器人處于初始狀態(tài)，該狀態(tài)的下部夾爪處于抓緊、上部夾爪松開。上部夾爪的電機正轉時，上手爪夾緊電線桿；反之當電機處于反轉時，手爪松開。其爬桿動作示意如圖6 所示。

圖6 爬桿動作示意圖

（2）當圖5 中的曲柄連桿控制電機，從0°轉到180°時，下手爪向上攀爬行半個步距，實現預定的爬行高度h/2；持續(xù)時間為5 s；在爬行步態(tài)周期內，其爬行速度在半個步距范圍內呈現非線性關系，其中在90°時，攀爬速度達到最大100 mm/s，如圖7 所示，當控制電機旋轉達到180°時，此時上下手爪的夾緊狀態(tài)改變。曲柄連桿驅動電機從180° ～360°時，上手爪向上爬行半個步距，實現預定的爬行高度h/2。

圖7 下手爪0°~180°持續(xù)5s 的爬行速度曲線

（3）當驅動電機停止旋轉時，上下爪處于夾緊狀態(tài)，可實現高空懸停檢修；當重復步驟1～2 時，爬桿機器人按照預定的速度進行攀爬，此時配備的清潔或者噴涂裝置可實現對樹桿或桿進行清潔或者防腐作業(yè)。當作業(yè)完成后，通過遠端后臺的操作改變電機的正反轉順序，可實現機器人的下降爬行。

4 結論

近年來針對在不同長度、不同直徑、不同剛度的綠化樹、電燈桿等的修剪和檢修需求，除了滿足功能結構外，手爪抓取電桿連接部件之間的結構強度、剛度需要較高的安全系數來抵擋極端沖擊載荷的影響，以及避免攀爬過程中電力中斷造成成機器人掉落地面。本設計的自動爬綠化樹、電燈桿機器人根據仿生爬樹的現象，考慮的自動爬綠化樹、電燈桿機器人的額定載荷，設計的機器人采用兩個手爪，依靠盤形凸輪的運動軌跡帶動連桿機構進行往復運動，在工作過程中一個手爪松開，一個夾緊進行爬行運動，采用三維軟件建立了爬電燈桿機器人的三維模型，并進行了運動仿真分析，能夠查看設計缺陷和優(yōu)化，顯著降低了爬綠化樹、電燈桿機器人開發(fā)周期和費用。