第2期 宋屹峰，等：面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 ·153· 值得注意的是，采用以上设计方案时，前后夹 紧轮的闭合都会影响越障：当前夹紧轮闭合时，很 明显前轮无法举升越障：而当后夹紧轮闭合时，闭 合的夹紧轮会阻碍前轮举升，也无法完成越障。而 夹紧轮始终打开会在机器人越障时带来一定的安 全隐患，当线路存在振动、风摆时，存在机器人越障 后驱动轮从线路滑落的危险。经过分析对以上机 21 构进行改进，在机器人手臂中部安装具有复位弹簧 的被动回转关节，使得机器人可以在越障过程中闭 (b)有被动回转关节 合非遇障轮的夹紧轮，保障越障安全。 图7越障受力状态分析 2.3.2具有被动关节的越障机构分析 Fig.7 Force analysis of obstacle-crossing 如图6所示，具备被动关节的机器人跨越障碍 根据机器人沿线方向与垂直方向的力平衡方 大致可以分为如下几个步骤：前轮接触障碍物后， 程与前轮轴心的力矩平衡方程。 在牵引力的作用下机器人前臂的被动关节开始变 ∑Fw=0,∑F,=0,∑Mf=0 形，随着变形量增加，关节处由弹簧提供的力矩不 可以得到受力平衡方程： 断增加，前臂关节停止变形。与此同时后臂转动关 A;sin B:B:cos B:+C=0 (4) 节也发生一定变形，变形方向与前臂相反，机器人 重心由于双臂的变形被抬高一定高度。值得注意 夹角B.满足sinB.=1- ，进而可以得到此时 hi 的是，此时机器人前轮是绕后臂被动关节旋转抬 机器人可跨越最高障碍h: 起，因此后轮夹紧轮可以保持闭合，后轮下黑色方 块表示闭合的夹紧轮。而后机器人在牵引力作用 h:B:2+A,C:+A-B√B+A-C网 下克服重力开始抬起前轮，双臂被动关节在此时开 R A2+B2 始恢复原状态，该过程与之前由变形引起的重心上 对于不含被动关节的机器人，i=1,对应的A1、 移一同构成了有助于前轮跨越障碍物的有利因素。 B、C,分别为 直至机器人前轮整体均高于障碍物，继续前进，完 A =(uR 2L)cos a +usin a)W 成整个前轮的跨越过程。 B =(1+u2)W(1 -n)Tsin a W,[2Lcos a- (1-n)Tsin a]-W(Lcos a-Tsin a- Csin a)+(uR -2L)EW(ucos a sin a) C =-uR(ucos a-sin a)W 对于改进设计含被动关节的机器人，i=2,对应 的A2、B2、C2分别为 A2=(uR Dv2)cos a usin a)w 图6具有被动关节越障 B2=(1+u2)(WD-W,D,-WD)+ Fig.6 Obstacle-crossing with passive joints (uR -D)W(ucos a sin a) 2.3.3越障能力分析 C2 =-uR(ucos a-sin a)W 对越障状态下的机器人进行准静态受力分析， 可以证明h2>h,即具备被动回转关节的越障 如图7所示。 机构可以跨越较高的障碍，具备更好的越障能力。 2.4补修作业机构设计 N 2.4.1捋线机构设计 W 补修作业机构由捋线工具与断股压接机构组 成，这里以捋线机构为例介绍补修作业机构的设 计。捋线机构的设计目的是消除悬垂的断股，本方 案设计的捋线机构利用正常线股的螺旋线将断股 2 复位至原线槽内。 针对上述架空地线由多股铝合金线螺旋式缠 (a)无被动回转关节 绕方式的结构，采用螺旋式前进的工作方式，具备值得注意的是袁采用以上设计方案时袁前后夹 紧轮的闭合都会影响越障院当前夹紧轮闭合时袁很 明显前轮无法举升越障曰而当后夹紧轮闭合时袁闭 合的夹紧轮会阻碍前轮举升袁也无法完成越障遥 而 夹紧轮始终打开会在机器人越障时带来一定的安 全隐患袁当线路存在振动尧风摆时袁存在机器人越障 后驱动轮从线路滑落的危险遥 经过分析对以上机 构进行改进袁在机器人手臂中部安装具有复位弹簧 的被动回转关节袁使得机器人可以在越障过程中闭 合非遇障轮的夹紧轮袁保障越障安全遥 圆援猿援圆摇 具有被动关节的越障机构分析 如图 远 所示袁具备被动关节的机器人跨越障碍 大致可以分为如下几个步骤院前轮接触障碍物后袁 在牵引力的作用下机器人前臂的被动关节开始变 形袁随着变形量增加袁关节处由弹簧提供的力矩不 断增加袁前臂关节停止变形遥 与此同时后臂转动关 节也发生一定变形袁变形方向与前臂相反袁机器人 重心由于双臂的变形被抬高一定高度遥 值得注意 的是袁此时机器人前轮是绕后臂被动关节旋转抬 起袁因此后轮夹紧轮可以保持闭合袁后轮下黑色方 块表示闭合的夹紧轮遥 而后机器人在牵引力作用 下克服重力开始抬起前轮袁双臂被动关节在此时开 始恢复原状态袁该过程与之前由变形引起的重心上 移一同构成了有助于前轮跨越障碍物的有利因素遥 直至机器人前轮整体均高于障碍物袁继续前进袁完 成整个前轮的跨越过程遥 图 远摇 具有被动关节越障 云蚤早援远摇 韵遭泽贼葬糟造藻鄄糟则燥泽泽蚤灶早 憎蚤贼澡 责葬泽泽蚤增藻 躁燥蚤灶贼泽 圆援猿援猿摇 越障能力分析 对越障状态下的机器人进行准静态受力分析袁 如图 苑 所示遥 渊葬冤无被动回转关节 渊遭冤有被动回转关节 图 苑摇 越障受力状态分析 云蚤早援苑摇 云燥则糟藻 葬灶葬造赠泽蚤泽 燥枣 燥遭泽贼葬糟造藻鄄糟则燥泽泽蚤灶早 摇 摇 根据机器人沿线方向与垂直方向的力平衡方 程与前轮轴心的力矩平衡方程遥 移云晕 越 园袁移云栽 越 园袁移酝宰 枣 越 园 摇 摇 可以得到受力平衡方程院 粤蚤泽蚤灶 茁蚤 垣 月蚤糟燥泽 茁蚤 垣 悦蚤 越 园 渊源冤 摇 摇 夹角 茁蚤 满足 泽蚤灶 茁蚤 越 员原 澡蚤 砸 袁进而可以得到此时 机器人可跨越最高障碍 澡蚤院 澡蚤 砸 越 月蚤 圆 垣 粤蚤悦蚤 垣 粤圆 蚤 原 月蚤 月圆 蚤 垣 粤圆 蚤 原 悦圆 蚤 粤圆 蚤 垣 月圆 蚤 摇 摇 对于不含被动关节的机器人袁蚤 越 员袁对应的 粤员 尧 月员 尧悦员 分别为 粤员 越 渊滋砸 原 圆蕴冤渊糟燥泽 琢 垣 滋泽蚤灶 琢冤撞宰 月员 越 渊员 垣 滋圆 冤 喳宰枣 渊员 原 浊冤栽泽蚤灶 琢 原 宰则咱圆蕴糟燥泽 琢 原 渊员 原 浊冤栽泽蚤灶 琢暂 原 宰渊蕴糟燥泽 琢 原 栽泽蚤灶 琢 原 悦泽蚤灶 琢冤 札 垣 渊滋砸 原 圆蕴冤撞宰渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤 悦员 越 原 滋砸渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤撞宰 摇 摇 对于改进设计含被动关节的机器人袁蚤 越 圆袁对应 的 粤圆 尧月圆 尧悦圆分别为 粤圆 越 渊滋砸 垣 阅晕圆 冤渊糟燥泽 琢 垣 滋泽蚤灶 琢冤撞宰 月圆 越 渊员 垣 滋圆 冤 渊宰枣阅枣 原 宰则阅则 原 宰阅冤 垣 渊滋砸 原 阅晕圆 冤撞宰渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤 悦圆 越 原 滋砸渊滋糟燥泽 琢 原 泽蚤灶 琢冤撞宰 摇 摇 可以证明 澡圆 跃澡员 袁即具备被动回转关节的越障 机构可以跨越较高的障碍袁具备更好的越障能力遥 圆援源摇 补修作业机构设计 圆援源援员摇 捋线机构设计 补修作业机构由捋线工具与断股压接机构组 成袁这里以捋线机构为例介绍补修作业机构的设 计遥 捋线机构的设计目的是消除悬垂的断股袁本方 案设计的捋线机构利用正常线股的螺旋线将断股 复位至原线槽内遥 针对上述架空地线由多股铝合金线螺旋式缠 绕方式的结构袁采用螺旋式前进的工作方式袁具备 第 圆 期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 宋屹峰袁等院面向断股补修作业任务的电力机器人机构设计 窑员缘猿窑