第10卷第4期 智能系统学报 Vol.10 No.4 2015年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2015 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201404008 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20150716.0934.001.html 一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 何磊12，王洪光，刘爱华1，王林12 (1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016：2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：为了提高悬垂绝缘子检测机器人的运动稳定性、环境适应性和负载能力，针对绝缘子检测任务需求，基于仿 生原理，提出了一种新型的悬垂绝缘子检测机器人机构。介绍了机器人的机构构型，分析了机器人的工作原理及行 走与检测过程，推导了机器人的运动学方程，给出了机器人的主要尺寸，对相邻绝缘子轴线不重合的情况进行了运 动仿真。仿真结果表明，该机构对小角度弯曲的悬垂绝缘子串具有适应性，具有运动平稳、适应性好、负载能力强等 优点，适用于输电线路悬垂绝缘子检测。 关键词：悬垂绝缘子：检测机器人；机构设计：并联机构：运动学：仿真 中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：1673-4785(2015)04-0541-07 中文引用格式：何磊，王洪光，刘爱华，等.一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计[J].智能系统学报，2015,10(4)：541-547. 英文引用格式：HE Lei,WANG Hongguang,LIU Aihua,etal.WANG Lin..Mechanism design for a novel suspension insulator de-- tection robot[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(4):541-547. Mechanism design for a novel suspension insulator detection robot HE Lei'2,WANG Hongguang',LIU Aihua',WANG Lin'.2 (1.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) Abstract:In order to improve the stability of motion,environmental suitability and load capacity,and to meet the demands of suspension insulator detection task,this paper presents a novel suspension insulator detection robot mechanism based on biomimetic principles.The configuration of the robot's mechanism is introduced and the work- ing principle and the moving and inspection procedures are analyzed.Equations of kinematics are derived and main dimensions of the robot are given.The kinematic simulation is carried out in the case that the axes of adjacent insu- lators are misaligned.Simulation results show that the mechanism can adapt to the small-angle bending of suspen- sion insulator strings,and it has such advantages as excellent motion stability,environment adaptability and high load capacity.The robot can be applied to the suspension insulator detection task in power transmission lines. Keywords:suspension insulator;detection robot;mechanism design;parallel mechanism;kinematics;simulation 悬垂绝缘子检测机器人是一类辅助人工在高 无法获得定量数据等问题[]，具有重要的研究价值 空、高压的复杂电磁环境中对架空输电线路悬垂绝 和应用前景。 缘子串中低值和零值绝缘子2]进行检测的机器 近年来，国内外出现了多种悬垂绝缘子检测机 人，其解决了人工登塔检测效率低、安全性难保证、 器人，按行走机构的原理主要分为蠕动式、履带式和 轮腿式3类。蠕动式行走机构利用仿生学的原理沿 收稿日期：2014-04-06.网络出版日期：2015-07-16 悬垂绝缘子串爬行，如韩国电力研究院研制的悬垂 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405482)，国家电网公司科技 绝缘子清扫机器人[)和美国电力研究院的ke机器 项目(N201204F-DDZX-06). 通信作者：王洪光.E-mail:hgwang@(sia.cn. 人[)，这种机构运动稳定可靠，但是其步态控制复第 １０ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０ №．４ ２０１５ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ． ２０１５ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１４０４００８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ｔｐ．２０１５０７１６．０９３４．００１．ｈｔｍｌ 一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 何磊１，２ ，王洪光１ ，刘爱华１ ，王林１，２ （１．中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 １１００１６；２．中国科学院大学，北京 １０００４９ ） 摘 要：为了提高悬垂绝缘子检测机器人的运动稳定性、环境适应性和负载能力，针对绝缘子检测任务需求，基于仿 生原理，提出了一种新型的悬垂绝缘子检测机器人机构。 介绍了机器人的机构构型，分析了机器人的工作原理及行 走与检测过程，推导了机器人的运动学方程，给出了机器人的主要尺寸，对相邻绝缘子轴线不重合的情况进行了运 动仿真。 仿真结果表明，该机构对小角度弯曲的悬垂绝缘子串具有适应性，具有运动平稳、适应性好、负载能力强等 优点，适用于输电线路悬垂绝缘子检测。 关键词：悬垂绝缘子；检测机器人；机构设计；并联机构；运动学；仿真 中图分类号： ＴＰ２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１５）０４⁃０５４１⁃０７ 中文引用格式：何磊， 王洪光， 刘爱华， 等． 一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１５， １０（４）： ５４１⁃５４７． 英文引用格式：ＨＥ Ｌｅｉ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， ＬＩＵ Ａｉｈｕａ， ｅｔ ａｌ． ＷＡＮＧ Ｌｉｎ． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅ⁃ ｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５， １０（４）： ５４１⁃５４７． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ＨＥ Ｌｅｉ １，２ ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ １ ， ＬＩＵ Ａｉｈｕａ １ ， ＷＡＮＧ Ｌｉｎ １，２ （１． Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ， ａｎｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔａｓｋ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ． Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ＇ｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋ⁃ ｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ａｎｄ ｍａｉｎ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｅｓ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｉｎｓｕ⁃ ｌａｔｏｒｓ ａｒｅ ｍｉｓａｌｉｇｎｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃａｎ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ⁃ａｎｇｌｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎ⁃ ｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇｓ， ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔａｓｋ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ； ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ； ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ； ｐａｒａｌｌｅｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１４⁃０４⁃０６． 网络出版日期：２０１５⁃０７⁃１６． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４０５４８２），国家电网公司科技 项目（Ｎ２０１２０４Ｆ⁃ＤＤＺＸ⁃０６）． 通信作者：王洪光． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｇｗａｎｇ＠ ｓｉａ．ｃｎ． 悬垂绝缘子检测机器人是一类辅助人工在高 空、高压的复杂电磁环境中对架空输电线路悬垂绝 缘子串中低值和零值绝缘子［１⁃２］ 进行检测的机器 人，其解决了人工登塔检测效率低、安全性难保证、 无法获得定量数据等问题［３］ ，具有重要的研究价值 和应用前景。 近年来，国内外出现了多种悬垂绝缘子检测机 器人，按行走机构的原理主要分为蠕动式、履带式和 轮腿式 ３ 类。 蠕动式行走机构利用仿生学的原理沿 悬垂绝缘子串爬行，如韩国电力研究院研制的悬垂 绝缘子清扫机器人［４］和美国电力研究院的 Ｉｋｅ 机器 人［５］ ，这种机构运动稳定可靠，但是其步态控制复