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电力铁塔攀爬机器人夹持机构设计与分析
摘要:根据对电力铁塔攀爬机器人夹持机构的运动和受力分析,提出并设计了一种新型双V字夹持机构,其夹持爪V形槽角度固定,大小可变,双爪联动可从多个方向对不同规格角钢夹持。建立了机构CAD模型及数学模型,并对夹持力进行了动力学仿真。实验室样机试验,结果验证了这种夹持机构能够从多个方向对宽度从80-220mm不同规格的角钢进行可靠夹持,为攀爬机器人在电力铁塔移动提供可靠的夹持力。
关键词:电力铁塔;攀爬机器人;夹持机构;双V字形
LU Xiao-long, ZHAO Shi-ping*, LIAO Jun-bi, CAO Zhi-hua ; climbing robot; clamping mechanism; double V-shaped
高压输电线路是电力传输的主要载体,其安全运行越来越受到各级部门的重视。作为输电线路的主要组成部分,电力铁塔长期暴露在空气中,受风吹雨淋、粉尘污染等影响,绝缘子的闪络事故频繁。据不完全统计,由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网事故总数中占第二位[1]。定期清扫绝缘子是最基本、最有效的防污闪方法。传统的人工清扫方法劳动强度大,安全性和清扫效果得不到保证。采用机器人代替人工清扫不仅能减轻工人的劳动强度、降低触电和高空坠落的危险,而且可以在不影响供电的情况下进行带电作业,效率高、清扫一致性好、可靠性高,具有广泛的应用前景。
攀爬机器人是移动机器人领域的一个重要研究分支,也是当前机器人领域研究的热点之一。它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,可以在垂直壁面上附着爬行,并能够携带工具完成
一定的作业任务。近年来,国内外的研究者对攀爬机器人进行了大量研究,但目前尚无专门针对输电线路铁塔绝缘子清扫的攀爬机器人,仅有相关类似爬升的机构:M .Tavakoli等提出的四自由度爬杆机器人[2][3]可以轻松爬越管道节点,沿折弯为任意角度的圆柱杆爬行;麻省理工大学Daniela Rus教授研制的Shady3D桁架攀爬机器人[4],通过自重构可以完成在由细长方形截面杆构成的三维桁架空间移动; ,可以携带必要的设备对由矩形或工字形截面构成的桁架桥梁进行无损检测[5],但该机器人自重达75公斤,不适用于电力铁塔绝缘子清扫工作;哈尔滨工业大学吴伟国教授提出的小型双臂关节式桁架攀爬机器人,体积小、结构紧凑,可以在由圆柱杆构成的空间桁架中移动[6]。这几类攀爬机器人所采用的夹持机构只能用于特定的环境。电力铁塔是由不同规格角钢经电焊或螺栓连接而成的复杂空间桁架结构。国内外已有的攀爬夹持机构均不能可靠夹持角钢,不适用电力铁塔攀爬。本文针对电力铁塔的结构环境,根据电力铁塔攀爬机器人的设计要求,提出并设计了一种能够从多个方向对不同规格的角钢实现可靠夹持的机器人夹持机构,并对其进行了实验验证。
机器人主体结构
应用环境与要求
3. 外包角钢
4. 斜材 5. 节点板
图1 攀爬铁塔
. The tower to climb
如图1所示,电力铁塔是用角钢电焊或螺栓连接而成的框架结构,一般由四根主角钢(主材)组成正方形断面或矩形断面。主角钢由角钢材料制成的水平材或斜材连接。斜材与主材采用螺栓直接连