丁述勇1,丁文潔,沈宏丞,張 征

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 之江學(xué)院,浙江 紹興 312030;2.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

高空帶電作業(yè)作為保障電力系統(tǒng)正常供電的重要手段之一,目前主要存在自動化程度低、危險(xiǎn)性高和工作強(qiáng)度大等問題,雖然對工作人員的技術(shù)要求較高,但是電力作業(yè)仍然存在安全隱患[1]。采用機(jī)器人代替人類完成高空帶電作業(yè)是解決高空作業(yè)危險(xiǎn)性高、工作強(qiáng)度大的優(yōu)秀方案之一[2],因此研制高性能的電力系統(tǒng)高空作業(yè)機(jī)器人對提高電力作業(yè)安全性以及推進(jìn)機(jī)器人的進(jìn)一步應(yīng)用有著極大的作用。

許多學(xué)者對爬桿、爬索和爬管道機(jī)器人[3-5]進(jìn)行了研究,而在高空帶電作業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诟呖兆鳂I(yè)機(jī)器人的研究尚在起步階段。目前大部分的電力系統(tǒng)帶電作業(yè)機(jī)器人都是基于絕緣斗臂車而研制,如趙玉良等[6]研制了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),該系統(tǒng)基于絕緣斗臂車改造,可實(shí)現(xiàn)升降和空中旋轉(zhuǎn)的功能;曹志華等[7]設(shè)計(jì)了一種可攀爬電力鐵塔的5自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人,通過仿真模擬和樣機(jī)試驗(yàn)的方式證明其可行性;曹博源[8]則針對高空變電設(shè)備檢測需求設(shè)計(jì)仿生爬桿機(jī)器人,該機(jī)器人主要通過凸輪機(jī)構(gòu)和抱桿手臂實(shí)現(xiàn)沿桿柱攀爬并可搭載攝像機(jī)完成圖像傳輸,初步實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備的視頻監(jiān)測功能;對于爬桿機(jī)器人的進(jìn)一步研究,江勵(lì)等[9]提出一種雙爪式爬桿機(jī)器人,并對此類機(jī)器人抓夾圓桿時(shí)的夾持力封閉性問題進(jìn)行討論,建立夾持器負(fù)載力平衡模型,分析夾持器尺寸參數(shù)對夾持性能的影響,為圓桿夾持器的設(shè)計(jì)提供參考和理論指導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)桁架建模與識別系統(tǒng)并將其用于爬桿機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了爬桿機(jī)器人的自主爬桿[10]。相關(guān)學(xué)者的研究成果尚有不足之處。絕緣斗臂車自身體積大,環(huán)境適應(yīng)性差,且作業(yè)時(shí)液壓系統(tǒng)會產(chǎn)生較大振動,對機(jī)械臂的作業(yè)精度有較大影響。而體積較小的爬桿機(jī)器人主要用于搭載輕型監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備,無法搭載質(zhì)量較大的作業(yè)設(shè)備,因此重新設(shè)計(jì)具有高空作業(yè)能力的電力系統(tǒng)高空作業(yè)機(jī)器人十分必要。為滿足電力系統(tǒng)高壓電桿的自動化高空作業(yè)需求,擬設(shè)計(jì)一種適用于電壓為10 kV變直徑水泥高壓電桿的爬行載重機(jī)器人,以搭載相應(yīng)的電力作業(yè)設(shè)備完成自動化高空作業(yè)。該爬桿機(jī)器人的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單,動作平穩(wěn),具有較大的載質(zhì)量能力,可搭載較重的電力作業(yè)設(shè)備?；谑肿κ綂A持的普適性和可靠性,采用手爪式夾持結(jié)構(gòu)作為夾持固定裝置,通過上、下夾持手爪的交替抱夾動作和電動絲桿軸的間歇性進(jìn)給運(yùn)動實(shí)現(xiàn)升降功能,最終實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的爬桿與固定。對爬桿機(jī)器人進(jìn)行有限元仿真模擬,對其攀爬夾持性能進(jìn)行分析,校核其強(qiáng)度是否符合要求,驗(yàn)證爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,進(jìn)一步為帶電作業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。

1 高空作業(yè)爬桿機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電桿的實(shí)際設(shè)計(jì)與安裝過程中,為適應(yīng)各地域的不同地形及供電需求,電桿的尺寸參數(shù)并不完全相同,攀爬所需確定的參數(shù)也不相同[11],生活中的水泥電桿電壓大多為10 kV,故將此作為高空作業(yè)爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)對象。通過查閱文獻(xiàn)[12],可知某電桿電壓為10 kV的尺寸參數(shù):電桿全高為12 m,梢徑為190 mm,根徑為300 mm,錐度為1∶60。

在實(shí)際作業(yè)時(shí),電桿埋深約為桿長的1/6,爬桿機(jī)器人需從距離地面約1.2 m位置開始攀爬,至距離桿頂約1 m的位置停下并固定,以供帶電作業(yè)設(shè)備進(jìn)行高空作業(yè),故實(shí)際有效攀爬高度約為8 m,為提高爬桿機(jī)器人的適用范圍,將設(shè)計(jì)攀爬高度定為9 m。對比實(shí)際工人作業(yè)時(shí)間與帶電作業(yè)設(shè)備質(zhì)量,確定相應(yīng)的爬桿速度與負(fù)載質(zhì)量。故爬桿機(jī)器人總體設(shè)計(jì)參數(shù)確定如下:爬桿高度為9 m,夾爪夾持直徑為180～350 mm,爬桿速度為0.05 m/s,可負(fù)載質(zhì)量為30 kg。

為較好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用手爪抱夾固定方式和電動絲杠升降方式交替配合完成機(jī)器人整個(gè)爬桿動作。雙爪式抱夾方式不僅具有實(shí)用性高、結(jié)構(gòu)簡單可靠和桿件表面適應(yīng)性高等優(yōu)點(diǎn),而且具有較好的研究基礎(chǔ),可作為攀爬夾持固定功能的實(shí)現(xiàn)方式。攀爬升降方式選用蠕動式移動方法,由電機(jī)驅(qū)動絲杠軸實(shí)現(xiàn)上下移動,以達(dá)到較高的爬桿速度,同時(shí)具有承載能力大、運(yùn)動平穩(wěn)和控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的高空作業(yè)爬桿機(jī)器人模型簡圖如圖1所示,主要包括4部分:載重工作臺、上夾持結(jié)構(gòu)、電動絲杠升降結(jié)構(gòu)和下夾持結(jié)構(gòu)。載重工作臺作為帶電作業(yè)設(shè)備的搭載平臺,提供穩(wěn)定安全的作業(yè)條件;上、下夾持結(jié)構(gòu)在攀爬過程中起到夾持作用,并在到達(dá)指定位置后起固定作用;電動絲杠升降機(jī)構(gòu)連接上、下夾持機(jī)構(gòu),并協(xié)調(diào)上、下夾持機(jī)構(gòu)的交替運(yùn)動,以達(dá)到爬升的目的。4部分相互配合從而實(shí)現(xiàn)自動化高空帶電作業(yè)。

圖1 可承重爬桿機(jī)器人模型簡圖Fig.1 Schematic diagram of load-bearing pole climbing robot model

1.2 抱夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上、下夾持結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)相同,主要由底板、轉(zhuǎn)接板、伺服電機(jī)、電機(jī)支座、聯(lián)軸器、絲桿支撐座、滾珠絲桿和夾爪等零部件組成。主要采用電機(jī)作為動力源,驅(qū)動絲桿軸旋轉(zhuǎn),其中滾珠絲杠軸螺紋的方向1/2為順時(shí)針方向,1/2為逆時(shí)針方向,以使伺服電機(jī)驅(qū)動2個(gè)絲杠螺母相向而行從而實(shí)現(xiàn)桿件夾緊或松開,根據(jù)抱夾桿件的桿件直徑變化范圍,絲桿理論設(shè)計(jì)行程為380 mm,實(shí)際設(shè)計(jì)行程可滿足最大抱夾桿徑為300 mm的需求;聯(lián)軸器選用雙膜片彈性聯(lián)軸器,根據(jù)抱夾伺服電機(jī)的最大扭矩選定聯(lián)軸器,其容許轉(zhuǎn)動扭矩為25 N·m,緊固扭矩為7 N·m,允許安裝徑向誤差為±1.5°,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。為滿足圓柱電桿變直徑弧面的夾持要求,設(shè)計(jì)的夾持手爪為圓弧形,便于貼服圓柱電力桿表面,并在其表面添加高摩擦系數(shù)橡膠材料以提供更大的夾持力,增強(qiáng)固定與夾持的穩(wěn)定性。

1—絲桿軸;2—絲桿支撐座;3—軸器;4—底板;5—伺服電機(jī);6—電機(jī)支座;7—轉(zhuǎn)接板;8—手臂;9—爪。圖2 夾持結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of the clamping structure

1.3 電動絲桿升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降結(jié)構(gòu)主要由上底板、下底板、伺服電機(jī)、行星齒輪減速器、電機(jī)支座、軸套、絲桿軸、同步帶、齒輪和緩沖限位器等零部件組成,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。為獲得較高的速度和穩(wěn)定性,采用電機(jī)驅(qū)動齒輪,帶傳動傳遞動力的方式實(shí)現(xiàn)升降功能。當(dāng)電機(jī)向外輸出動力時(shí),通過減速器減速達(dá)到輸出要求帶動齒輪轉(zhuǎn)動,并通過同步帶傳遞動力以實(shí)現(xiàn)左右兩邊齒輪的同時(shí)升降運(yùn)動,電動升降滾珠絲杠的理論設(shè)計(jì)行程為650 mm,實(shí)際工作行程為600 mm,單次運(yùn)動時(shí)間約為10 s,可滿足運(yùn)動速度為0.05 m/s的要求,并在絲桿軸上添加緩沖限位器以保證升降結(jié)構(gòu)安全,緩沖器材料選用尼龍材料。

1—上底板;2—緩沖限位器;3—絲桿軸;4—齒輪:5—下底板;6—軸套;7—電機(jī)支座;8—行星齒輪減速器;9—伺服電機(jī);10—同步帶。圖3 電動絲桿升降結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of electric screw lifting structure

1.4 輕量化設(shè)計(jì)

為盡可能減輕爬桿機(jī)器人的整體質(zhì)量,使其獲得更高的工作效率,同時(shí)提高支撐部件的強(qiáng)度,可采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零部件替換部分金屬零部件。鑒于碳纖維復(fù)合材料制備和加工的工藝要求較高,故只替換部分簡單零部件,所替換的部件主要為3部分:上底板、下底板和轉(zhuǎn)接板部分,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件均采用復(fù)合材料熱壓固化工藝制備而成,直接采用碳纖維預(yù)浸料T700作為原材料,通過裁剪、粘接和熱壓固化成型方法制備而成;后續(xù)采用機(jī)床完成簡單的螺紋孔加工以滿足裝配要求。通過Solidworks軟件建立相應(yīng)模型估算質(zhì)量,采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件質(zhì)量減輕效果明顯,預(yù)計(jì)質(zhì)量可減輕7 kg,結(jié)果如表1所示。

表1 零部件輕量化效果表Table 1 The effect of lightweight parts

1.5 工作電機(jī)的選型

爬桿作業(yè)平臺的動力主要由提升伺服電機(jī)和抱夾伺服電機(jī)提供,行星減速電機(jī)在平臺爬升過程中起到降低輸出軸轉(zhuǎn)速和提供足夠輸出的作用,對這3種工作電機(jī)的選型尤為重要。根據(jù)爬桿機(jī)器人整體承載質(zhì)量確定電機(jī)參數(shù)和型號,考慮到攀爬動作的安全性,提升伺服電機(jī)需要選用帶剎車的電機(jī),以保證在斷電情況下伺服電機(jī)處于抱死狀態(tài),不會在攀爬過程中因突然斷電而掉落,故可選用臺達(dá)ECMA-CX0910SS伺服電機(jī);抱夾伺服電機(jī)需對抱夾速度和位置有較為精準(zhǔn)的控制,并可在斷電情況下記住相對絕對值的起始位置,需選用絕對值伺服電機(jī),故可選用臺達(dá)ECMA-CA0604ES伺服電機(jī),2種電機(jī)具體參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)型號參數(shù)表Table 2 Motor model parameters

根據(jù)提升伺服電機(jī)的輸出力矩選定行星減速電機(jī),行星減速電機(jī)的最大輸出扭矩為提升伺服電機(jī)額定力矩的2倍,減速比為1∶5,額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,最大輸入轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,最大允許軸向力為1 kN。

2 運(yùn)動步態(tài)與攀爬夾持性能分析

2.1 攀爬過程運(yùn)動步態(tài)分析與控制

所設(shè)計(jì)的高空作業(yè)爬桿機(jī)器人的攀爬步態(tài)采用蠕動式爬桿方式,與人類攀爬步態(tài)類似,該爬桿機(jī)器人向上攀爬時(shí)可分為6種運(yùn)動狀態(tài),爬升步態(tài)示意圖如圖4所示。

圖4 爬升步態(tài)示意圖Fig.4 Diagrams of climbing gaits

狀態(tài)1:上、下夾持伺服電機(jī)均保持穩(wěn)定扭矩輸出,使上、下夾持手爪均保持夾緊狀態(tài),從而固定在攀爬對象表面,見圖4(a)。

狀態(tài)2:上層夾持電機(jī)正向輸出扭矩,通過絲杠傳動帶動上夾持手爪松開桿件表面;下層夾持電機(jī)輸出不變使下夾持手爪依舊保持夾緊狀態(tài),見圖4(b)。

狀態(tài)3:絲杠升降電機(jī)正轉(zhuǎn)通過行星齒輪減速器帶動絲杠轉(zhuǎn)動,推動上層夾持結(jié)構(gòu)上升,當(dāng)上層夾持平臺運(yùn)動到所需高度后,絲杠升降電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),使上層夾持平臺保持在所需位置,為一步動作做準(zhǔn)備,見圖4(c)。

狀態(tài)4:上層夾持電機(jī)反向輸出扭矩,通過絲杠傳動帶動上夾持手爪夾緊桿件表面;下層夾持電機(jī)輸出不變使下夾持手爪依舊保持夾緊狀態(tài),見圖4(d)。

狀態(tài)5:上層夾持電機(jī)輸出不變,使上夾持手爪依舊保持夾緊狀,下層夾持電機(jī)正向輸出扭矩,通過絲杠傳動帶動下夾持手爪松開桿件表面,見圖4(e)。

狀態(tài)6:絲桿升降電機(jī)反轉(zhuǎn)通過行星齒輪減速器帶動絲杠反向轉(zhuǎn)動,使下層夾持結(jié)構(gòu)上升,當(dāng)下層夾持平臺收縮到所需高度后,剪叉升降電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),完成一個(gè)周期動作,見圖4(f)。

上述6種狀態(tài)動作周期性循環(huán)可實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的上升;反之,將該動作倒序交替進(jìn)行可實(shí)現(xiàn)爬桿機(jī)器人的下降。其中,在夾爪內(nèi)表面安裝壓力傳感器,以提供反饋信號使夾爪實(shí)現(xiàn)夾緊后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動;在升降絲桿軸緩沖限位處安裝距離傳感器,以提供反饋信號使升降電機(jī)在底板到達(dá)指定位置后停止。整個(gè)攀爬升降通過上、下夾持機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和傳感器的互相配合實(shí)現(xiàn),過程如圖5所示。

圖5 攀爬動作流程圖Fig.5 Flow chart of climbing action

攀爬控制自壓力傳感器反饋開始,以上、下夾持機(jī)構(gòu)同時(shí)夾緊為步態(tài)循環(huán)的初始狀態(tài)。從上夾持機(jī)構(gòu)松開到再次夾緊,完成平臺的上升;接著下夾持機(jī)構(gòu)松開到其再次夾緊,爬桿機(jī)器人各機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài),整體高度升高,完成一次上升步態(tài)循環(huán)。

2.2 夾持性能分析

在實(shí)際抱夾過程中,手爪為剛性部件,其內(nèi)表面無法完全與桿件內(nèi)表面貼合,工作狀態(tài)如圖6所示,在內(nèi)表面附加高摩擦橡膠材料以增大摩擦力并保護(hù)水泥桿表面。

圖6 夾持手爪夾持狀態(tài)圖Fig.6 Gripper status diagram of gripper claw

為保證夾持安全,對穩(wěn)定夾持桿件所需的夾持力進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)電桿與地面垂直,在靜態(tài)夾持階段,目標(biāo)載質(zhì)重設(shè)計(jì)為30 kg,平臺自質(zhì)重約為50 kg,機(jī)器人總質(zhì)量約為80 kg。電桿表面為水泥表面,由文獻(xiàn)[13]可得:合成橡膠與水泥表面的摩擦系數(shù)約為0.25～0.4,選取0.3作為計(jì)算摩擦系數(shù)。在夾持時(shí),夾持力需大于或等于重力,故夾持力計(jì)算式為

(1)

式中:m為質(zhì)量;μ為摩擦系數(shù);g為重力加速度。將上述預(yù)估質(zhì)量m與摩擦系數(shù)μ代入式(1),可得工作所需夾持力為2 600 N。

爬桿作業(yè)平臺在工作過程中對抱夾結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高,需對其進(jìn)行強(qiáng)度校核,以保證安全性。采用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)仿真模擬,可以獲得夾持手爪各部分應(yīng)力、應(yīng)變的分布狀態(tài)云圖[14]。通過仿真結(jié)果分析機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和塑性等力學(xué)特性,進(jìn)而驗(yàn)證是否滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

利用三維建模軟件Solidworks分別建立手臂、絲桿軸和夾爪模型并裝配,將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。模型采用7075硬質(zhì)鋁合金材料,材料彈性模量為7.1×104MPa,泊松比為0.3,密度為2.81 g/m3。

默認(rèn)各個(gè)部件的接觸為“Bonded”接觸,使其成為一個(gè)整體,并對模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化,忽略螺栓等連接零件。使用3 mm網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分后的結(jié)果如圖7(a)所示,劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為496 026個(gè),劃分單元數(shù)為138 402個(gè)。根據(jù)實(shí)際工況條件,固定絲杠軸表面、兩邊軸承座表面。對夾爪施加向外的力,2個(gè)表面各設(shè)置力的大小為1 300 N,施加邊界條件后的模型如圖7(b)所示。

圖7 前處理結(jié)果圖Fig.7 Diagram of pre-treatment results

應(yīng)力和應(yīng)變的仿真結(jié)果分別如圖8,9所示。由處理結(jié)果可知:抱夾結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在手臂中部處,數(shù)值為81.551 MPa;最大應(yīng)變也出現(xiàn)在相同位置,數(shù)值為4.123×10-4,主要變形區(qū)域集中在手臂部分和軸承套。夾持機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作狀況下,由于夾爪抱緊電桿,絲杠傳遞給手臂較大的力,且手臂中部出現(xiàn)較大的材料減少,故最大應(yīng)力通常出現(xiàn)在此處,與模擬結(jié)果一致。

圖8 應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud map of stress distribution

圖9 應(yīng)變分布云圖Fig.9 Strain distribution cloud map

7075硬質(zhì)鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度為524 MPa,屈服強(qiáng)度為455 MPa,均遠(yuǎn)大于夾持過程中出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力。因此,該夾持機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度能夠在保證安全性的前提下提供足夠的夾持力。

爬桿機(jī)器人重心在桿的一側(cè),工作過程中會產(chǎn)生傾覆力矩,也會影響整體安全性。分析機(jī)構(gòu)受力情況易知,由于傾覆力矩的存在,連接手臂與夾爪的螺栓即使采用抗剪性強(qiáng)的對中裝配[16],也會受較大的剪力作用,且為傾覆力矩作用下最脆弱的部位,因此需要對螺栓剪力進(jìn)行校核。

由于上、下夾爪交替動作,螺栓所受剪力為交變應(yīng)力,兩夾爪動作交替頻率很低,故只考慮剪力大小即可,爬桿機(jī)器人受傾覆力矩示意圖如圖10所示。

圖10 傾覆力矩示意圖Fig.10 Schematic diagram of overturning moment

根據(jù)圖10,可以得到表示螺栓處剪力與傾覆力矩關(guān)系式,即

(2)

假設(shè)爬桿機(jī)器人主體的重心位于底板幾何中心,重心處總質(zhì)量為80 kg,底板幾何中心與中間螺栓距離為495 mm,螺栓直徑為10 mm。將具體數(shù)據(jù)代入式(2),可得上、下螺栓所受的相反方向剪力大小為7 766.2 N。

選用性能等級為A2-70的普通不銹鋼螺栓,其抗剪力為13.92～18.85 kN,遠(yuǎn)大于受到的剪切力,因此可以保證夾爪在傾覆力矩下的安全性。

3 結(jié) 論

針對目前高空電力作業(yè)自動化程度低與安全性差的問題,設(shè)計(jì)了一種可用于電力系統(tǒng)的高空作業(yè)爬桿機(jī)器人。該爬桿機(jī)器人主要包括絲杠軸升降結(jié)構(gòu)與抱夾結(jié)構(gòu),對主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行說明,對主要部件進(jìn)行選型,并進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì),建立了整個(gè)平臺的虛擬樣機(jī)。對設(shè)計(jì)的高空作業(yè)爬桿機(jī)器人進(jìn)行攀爬和夾持性能分析,具體包括對攀爬步態(tài)的分析及簡單控制流程的概述;對抱夾結(jié)構(gòu)采用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析,得出應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,最終確定所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)高空作業(yè)爬桿機(jī)器人基本滿足設(shè)計(jì)需求,可為新型電力系統(tǒng)高空作業(yè)平臺的進(jìn)一步設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。