袁鏡江，何滿棠

變電站搬運機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析＊

袁鏡江，何滿棠

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

隨著社會的進(jìn)步，中國輸電線路網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在蓬勃發(fā)展，因此，與之相關(guān)的變電站的數(shù)量在不斷增加，相對應(yīng)的用人數(shù)量也在不斷增加，加上相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的匱乏，導(dǎo)致國家現(xiàn)有搬運人員越來越無法滿足變電站的搬運任務(wù)。因此，設(shè)計分析了一種實用新型的電力作業(yè)搬運機(jī)器人，主要從結(jié)構(gòu)和組成分析了其能夠自動搬運重物的運動機(jī)理。搬運機(jī)器人的使用不僅可以提高作業(yè)工作效率、節(jié)省勞動成本，還不容易發(fā)生安全事故。

輸電線；變電站；搬運任務(wù)；工作效率

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，人們對電力供應(yīng)的要求也在不斷提高，電力線路的鋪設(shè)也將日益完善。在當(dāng)今現(xiàn)代社會發(fā)展中，電力作業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會生活中的每一個角落，種類和數(shù)量眾多的電力設(shè)備已經(jīng)支撐起了社會生活的正常運行。由于電力設(shè)備種類繁多、數(shù)量大、應(yīng)用廣泛等特點，所以，經(jīng)常會發(fā)生電力設(shè)備故障或損壞的現(xiàn)象，因此需要電力相關(guān)工作人員進(jìn)行維護(hù)或維修。然而，在維護(hù)和維修的過程中，時常需要搬運一些重物，比如高壓瓷瓶，而目前主要是采用人工搬運重物的方式，由于一些重物體積比較大，光靠人工無法搬動，這樣不僅容易降低勞動者作業(yè)的工作效率，而且還容易發(fā)生安全事故，為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種應(yīng)用在電力作業(yè)的新型搬運機(jī)器人，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與分析。

2 新型機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

本文設(shè)計的新型機(jī)器人主要解決的技術(shù)問題是提供一種自動作業(yè)的重物搬運機(jī)械人，不需要人工操作，這不僅可以提高作業(yè)效率，且不容易發(fā)生安全事故，新型電力作業(yè)重物搬運機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

新型搬運機(jī)械人的結(jié)構(gòu)為：第一伸縮支腿設(shè)置在車架底盤的前端，包括第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第一支腿液壓缸、第一主腿以及第一伸縮桿腿；第二伸縮支腿設(shè)置在車架底盤的前端，包括第二旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和第二支腿液壓缸、第二主腿以及第二伸縮桿腿；第三伸縮支腿設(shè)置在車架底盤的后端，包括第三旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第三支腿液壓缸、第三主腿以及第三伸縮桿腿；第四伸縮支腿設(shè)置在車架底盤的后端，包括第四旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、第四支腿液壓缸、第四主腿以及第四伸縮桿腿。

另外，第一伸縮桿腿、第二伸縮桿腿、第三伸縮桿腿和第四伸縮桿腿之間可進(jìn)行伸縮設(shè)置，以抬升車架底盤的高度。第一履帶和第二履帶設(shè)置在車架底盤的兩側(cè)端，車架底盤的兩側(cè)端設(shè)有車輪，第一履帶和第二履帶包裹在車輪外，通過在車架底盤的兩側(cè)端設(shè)置第一履帶和第二履帶，方便機(jī)器人行走爬行。旋轉(zhuǎn)底板可旋轉(zhuǎn)設(shè)置在車架底盤上。伸縮臂設(shè)置在旋轉(zhuǎn)底板的一側(cè)端上。斜推油缸設(shè)置在旋轉(zhuǎn)底板的另一側(cè)端上，機(jī)械臂鉸接設(shè)置在伸縮臂遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)底板的一端上。機(jī)械臂包括第一電機(jī)、第一轉(zhuǎn)臂、第二電機(jī)、第二轉(zhuǎn)臂、第三電機(jī)，安裝板、第四電機(jī)以及固定板。由于機(jī)械臂操作靈活獨特，已經(jīng)在工業(yè)裝配、安全防爆以及電力搬運領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但對于不同的任務(wù)，機(jī)械臂則需要規(guī)劃關(guān)節(jié)空間的運動軌跡，因此，這就對機(jī)械臂的精度要求極為重要。機(jī)械臂是一個多輸入、多輸出、高度非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，存在著參數(shù)攝動、外界干擾等不確定因素，本文將從3個角度去分析新型機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)組成以及特點。搬運機(jī)械臂抓手結(jié)構(gòu)正面如圖2所示。

機(jī)械手臂的組成部分以及特點分析：機(jī)械手臂設(shè)置在固定板上，當(dāng)重物為高壓瓷瓶時，該機(jī)械手包括械手安裝底座、第一手爪支撐板、第二手爪支撐板、第一手爪板、第二手爪板、第一推動板和第二推動板。

機(jī)械手安裝底座內(nèi)設(shè)有第五電機(jī)，并且兩端分別設(shè)有第一絲桿和第二絲桿，另外還分別設(shè)有第一安裝框和第二安裝框；第一手爪支撐板和第二手爪支撐板對稱設(shè)置在機(jī)械手安裝底座的一側(cè)面上，其中第一手爪支撐板設(shè)有用于卡置高壓瓷瓶的第一夾持塊，第二手爪支撐板設(shè)有用于卡置高壓瓷瓶的第二夾持塊。第一手爪板鉸接設(shè)置在安裝底座的一端上，其中第一手爪板的一端上設(shè)有用于卡置高壓瓷瓶的第三夾持塊，第二手爪板鉸接設(shè)置在安裝底座的另一端上，其中第二手爪板的一端上設(shè)有用于卡置高壓瓷瓶的第四夾持塊。第一推動板和第二推動板分別可移動設(shè)置在機(jī)械手安裝底座的兩側(cè)端，第一推動板和第一手爪板的另一端連接，以通過第一推動板帶動第一手爪板轉(zhuǎn)動，第二推動板和第二手爪板的另一端連接，以通過第二推動板帶動第二手爪板轉(zhuǎn)動。

20—車架底盤；21—第一履帶、第二履帶；22—旋轉(zhuǎn)底板；23—伸縮臂；24—斜推油缸；25—機(jī)械臂、機(jī)械手；26—第一伸縮支腿；27—第二伸縮支腿；28—第三伸縮支腿；29—第四伸縮支腿。

10—安裝底板；11—第一手抓支撐板；12—第二手抓支撐板；13—第一手抓板；14—第二手抓板；15—第一推動板；16—第二推動板；17—第五電機(jī)；101—第一安裝框；102—第一剎車電機(jī)；103—第二安裝框；104—第二剎車電機(jī)；105—第一滑動導(dǎo)軌；106—第二滑動導(dǎo)軌；154—第一移動部；155—第一滑塊；164—第二移動部；165—第二滑塊；171—第一絲杠；172—第二絲杠。

在實施過程中，第二開孔呈橢圓狀設(shè)置，以使得第一手爪板的另一端可在第一推動板的第一開孔內(nèi)移動，且第二開孔和第四開孔呈橢圓狀設(shè)置，以使得第二手爪板的另一端可在第二推動板的第二開孔內(nèi)移動。第一推動板設(shè)有與第一絲桿螺紋連接的第一移動部，第二推動板設(shè)有與第二絲桿螺紋連接的第二移動部，以通過第五電機(jī)驅(qū)動第一絲桿和第二絲桿轉(zhuǎn)動，以帶動第一移動部在第一絲桿上移動，第二移動部在第二絲桿上移動，從而帶動第一推動板和第二推動板在機(jī)械手安裝底座的兩側(cè)端移動。同時，安裝底座的兩側(cè)端分別設(shè)有第一滑動導(dǎo)軌和第二滑動導(dǎo)軌，第一推動板設(shè)有用于在第一滑動導(dǎo)軌上移動的第一滑塊，第二推動板設(shè)有用于在第二滑動導(dǎo)軌上移動的第二滑塊。當(dāng)機(jī)械手需要夾緊高壓瓷瓶時，第五電機(jī)控制第一絲桿和第二絲桿轉(zhuǎn)動，以帶動第一移動部和第二移動部朝遠(yuǎn)離第五電機(jī)方向移動，使得第一移動部帶動第一推動板朝遠(yuǎn)離第五電機(jī)方向移動，第二移動部帶動第二推動板朝遠(yuǎn)離第五電機(jī)方向移動。此時，第一推動板帶動第一手爪板的另一端一起移動，由于第一手爪板的中部鉸接設(shè)置在第二承載板遠(yuǎn)離第一承載板的一端上，因此第一手爪板的一端朝向第二手爪支撐板方向靠近，以夾緊高壓瓷瓶；同理，第二推動板帶動第二手爪板的另一端一起移動，由于第二手爪板的中部鉸接設(shè)置在第四承載板遠(yuǎn)離第三承載板的一端上，因此，第二手爪板的一端朝向第一手爪支撐板方向靠近，以夾緊高壓瓷瓶；反之，當(dāng)機(jī)械手需要松開高壓瓷瓶時，第五電機(jī)控制第一絲桿和第二絲桿反方向轉(zhuǎn)動，以帶動第一移動部和第二移動部朝靠近第五電機(jī)方向移動，使得第一移動部帶動第一推動板朝靠近第五電機(jī)方向移動，第二移動部帶動第二推動板朝靠近第五電機(jī)方向移動。

3 結(jié)論

隨著中國自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，服務(wù)于電力供應(yīng)作業(yè)部門的自動搬運機(jī)械人也開始成為學(xué)者研究的熱點問題，機(jī)械臂作為一個復(fù)雜多變的多輸入多輸出的系統(tǒng)，存在著很多不確定的因素，本文從以解決實際問題的角度出發(fā)，設(shè)計分析了一種用于變電站搬運的新型機(jī)械人的結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)和使用方法的角度進(jìn)行了總結(jié)分析，并且詳細(xì)列出了機(jī)械人的結(jié)構(gòu)組成，列出了機(jī)械人的3個局部示意圖，從張緊和松開兩個角度進(jìn)行了分析，并且以高壓瓷瓶為載體詳細(xì)分析了搬運機(jī)械人的工作流程，這將為以后的機(jī)械人的設(shè)計與研發(fā)提供理論參考與依據(jù)。

［1］張郭，謝亞軍.自動搬運機(jī)器人的設(shè)計與研究［J］.伺服控制，2015（7）：54-55.

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［3］史士財，史磊，李榮.空間機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)械與電子，2007（9）：58-60.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.008

2095－6835（2019）18－0019－02

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目資助“東莞供電局變電檢修輔助作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究”（編號：031900KK52160035）

〔編輯：張思楠〕