·152. 智能系统学报 第12卷 2.2移动机构设计 区，接触力取决于接触材料的弹性，附着区提供的 2.2.1移动任务描述 图3所示为驱动轮与线路接触的截面图，输电 1,而在滑移区，接触力则取 附着力为F=2启S 线路由多条线股缠绕而成，其截面形状为近似圆 决于接触材料的黏着性，滑移区产生的牵引附着力 形。驱动轮的阔线需特定设计以使机器人在线路 上保持稳定。驱动轮设计时，需要考虑两点目标： 为.4，F2(1。总牵引力附者为 kPS 1)驱动轮所能提供的牵引附着力：2)减少驱动轮转 动时的能量损失。 F,=以，F1-F (3) 2k,2S 式中：S为驱动轮为滑转率，Fz,w为垂向载荷，4为 静摩擦系数，k,为驱动轮胎面的切向强度，↓，与L,表 驱动轮 阔线 示轮线接触区域的径向与纵向变形(，=C, W05 B“pk,=1.7√D-,D为驱动轮截面的 直径，C1P、B。为驱动轮结构参数，K为常数。 对总牵引附着力F进行分析可知，轮径高度H 变化范围不大时，驱动轮的结构参数变化范围较 小，对F产生主要影响的因素为驱动轮轮径D。 线路 通过式(1)、(2)两式分析阔线起始角α、阔线 线路外轮廓 圆心角B、外轮轮径高度H等参数对牵引附着力与 线股 强制滑转效应的影响，结合外部环境的设计约束， 图3机器人驱动轮 合理配置以上各驱动轮参数，完成设计。 Fig.3 Driving wheel of the robot 2.3越障机构设计 此外，为使驱动轮在线路上稳定行走且处于正 2.3.1越障任务描述 常摩擦状态，设计时存在以下约束：1)驱动轮与线 输电线路断股补修机器人的作业范围为一个 路接触时，接触阔线的圆心角B>30°：2)驱动轮外轮 档距内，跨越的障碍主要为防振锤障碍，如图4 径高度H设有上限，H=d,其中7∈[3.5,5.5]。 所示。 2.2.2强制滑转分析 驱动轮与线路的接触位置是非等半径的，这会 造成驱动轮上各点滑转率也不相同，也就是驱动轮 部分位置的强制滑转。强制滑转越严重，则带来的 能量损失越大，强制滑转的程度可以通过驱动轮最 大半径r与最小半径rn之差与线径d的比值来 表示： v=(rmax -Imin)/d (1) 图4线路障碍：防振锤 2.2.3移动机构设计计算 Fig.4 Obstacle in the line:counterweight 如图3所示，驱动轮最大半径r与最小半径 r分别可以按照式(2)计算： 由于防振锤具有上方开放的特点，可以采用适 当增大驱动轮径，使得驱动轮D与障碍高度h满足 D>2h,进而机器人可以直接跨越障碍，如图5所示。 ri =2-2sin (a+B) (2) 按几何平均方法计算驱动轮等效半径： rev=√oinTmx=D/2 2.2.4牵引附着力计算 牵引附着力的计算借鉴弹性轮在硬地面型，按 照修正的Julien理论进行计算，驱动轮与线路的接 触区域L,可以分为附着区与滑移区两部分，在附着 图5无被动关节越障 Fig.5 Obstacle-crossing without passive joints圆援圆摇 移动机构设计 圆援圆援员摇 移动任务描述 图 猿 所示为驱动轮与线路接触的截面图袁输电 线路由多条线股缠绕而成袁其截面形状为近似圆 形遥 驱动轮的阔线需特定设计以使机器人在线路 上保持稳定遥 驱动轮设计时袁需要考虑两点目标院 员冤驱动轮所能提供的牵引附着力曰圆冤减少驱动轮转 动时的能量损失遥 图 猿摇 机器人驱动轮 云蚤早援猿摇 阅则蚤增蚤灶早 憎澡藻藻造 燥枣 贼澡藻 则燥遭燥贼 此外袁为使驱动轮在线路上稳定行走且处于正 常摩擦状态袁设计时存在以下约束院员冤 驱动轮与线 路接触时袁接触阔线的圆心角 茁跃猿园毅曰圆冤驱动轮外轮 径高度 匀 设有上限袁匀越浊凿袁其中 浊沂咱猿援缘袁缘援缘暂遥 圆援圆援圆摇 强制滑转分析 驱动轮与线路的接触位置是非等半径的袁这会 造成驱动轮上各点滑转率也不相同袁也就是驱动轮 部分位置的强制滑转遥 强制滑转越严重袁则带来的 能量损失越大袁强制滑转的程度可以通过驱动轮最 大半径 则皂葬曾与最小半径 则皂蚤灶之差与线径 凿 的比值来 表示院 增 越 渊则皂葬曾 原 则皂蚤灶 冤 辕 凿 渊员冤 圆援圆援猿摇 移动机构设计计算 如图 猿 所示袁驱动轮最大半径 则皂葬曾 与最小半径 则皂蚤灶分别可以按照式渊圆冤计算院 则皂葬曾 越 匀 圆 原 凿 圆 泽蚤灶 琢 则皂蚤灶 越 匀 圆 原 凿 圆 泽蚤灶 渊琢 垣 茁冤 渊圆冤 摇 摇 按几何平均方法计算驱动轮等效半径院 则则藻增 越 则皂蚤灶 则皂葬曾 越 阅 辕 圆 圆援圆援源摇 牵引附着力计算 牵引附着力的计算借鉴弹性轮在硬地面型袁按 照修正的 允怎造蚤藻灶 理论进行计算袁驱动轮与线路的接 触区域 造贼可以分为附着区与滑移区两部分袁在附着 区袁接触力取决于接触材料的弹性袁附着区提供的 附着力为 云曾葬 越 员 圆 滋圆 责云圆 在袁宰 噪贼 造 圆 贼 杂 袁而在滑移区袁接触力则取 决于接触材料的黏着性袁滑移区产生的牵引附着力 为 云曾泽 越 滋责云在袁宰渊员原 滋责云在袁宰 噪贼 造 圆 贼 杂 冤 遥 总牵引力附着为 云曾 越 滋责云在袁宰渊员 原 滋责云在袁宰 圆噪贼 造 圆 贼 杂 冤 渊猿冤 式中院杂 为驱动轮为滑转率袁云在袁宰为垂向载荷袁滋责 为 静摩擦系数袁噪贼 为驱动轮胎面的切向强度袁造则 与 造贼 表 示轮 线 接 触 区 域 的 径 向 与 纵 向 变 形 造则 越 悦员 宰园援愿缘 月园援苑 园 阅园援源猿 责园援怨 蚤 运袁造贼 越 员援苑 渊阅原造则冤造则 袁阅 为驱动轮截面的 直径袁悦员 尧责蚤尧月园为驱动轮结构参数袁运 为常数遥 对总牵引附着力 云曾 进行分析可知袁轮径高度 匀 变化范围不大时袁驱动轮的结构参数变化范围较 小袁对 云曾 产生主要影响的因素为驱动轮轮径 阅遥 通过式渊员冤尧渊圆冤两式分析阔线起始角 琢尧阔线 圆心角 茁尧外轮轮径高度 匀 等参数对牵引附着力与 强制滑转效应的影响袁结合外部环境的设计约束袁 合理配置以上各驱动轮参数袁完成设计遥 圆援猿摇 越障机构设计 圆援猿援员摇 越障任务描述 输电线路断股补修机器人的作业范围为一个 档距内袁 跨越的障碍主要为防振锤障碍袁 如图 源 所示遥 图 源摇 线路障碍院防振锤 云蚤早援源摇 韵遭泽贼葬糟造藻 蚤灶 贼澡藻 造蚤灶藻院 糟燥怎灶贼藻则憎藻蚤早澡贼 由于防振锤具有上方开放的特点袁可以采用适 当增大驱动轮径袁使得驱动轮 阅 与障碍高度 澡 满足 阅跃圆澡袁进而机器人可以直接跨越障碍袁如图 缘 所示遥 图 缘摇 无被动关节越障 云蚤早援缘摇 韵遭泽贼葬糟造藻鄄糟则燥泽泽蚤灶早 憎蚤贼澡燥怎贼 责葬泽泽蚤增藻 躁燥蚤灶贼泽 窑员缘圆窑 智 能 系 统 学 报摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇 第 员圆 卷