电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真_徐诗洋.pdf

第 30 卷第 1 期2023 年 2 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.1Feb.2023电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真徐诗洋，吴炳晖，纪冬梅，戴新宇（上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 201306）摘 要：针对现有电力隧道巡检机器人自动化程度不足、视野和观测角度有限的问题，设计了一款子母式自动巡检机器人。其中：具有移动功能的巡检机器人母机能够完成主要的日常巡检工作，并具备越障、避障能力；具有攀爬功能的子机能够完成复杂环境、极限角度条件下的勘测任务。子、母机共同协作可完成整个电力隧道的自动化巡检。首先，基于总体功能需求，提出了巡检机器人各模块的具体形式，并完成了其自动巡检的逻辑系统分层设计。然后，基于虚拟样机技术，在ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件中建立电力隧道运行环境，并结合运动学仿真分析结果优化巡检机器人母机的结构，以提升机器人在隧道内作业的平稳性并确保其所搭载的传感器均能正常工作。结果表明，母机结构优化后，巡检机器人能够平稳运行，传感器平台的抖动幅度在5 mm内，且搭载的各传感器均能正常工作，验证了该机器人方案设计的合理性。相关理论研究结果可为电力隧道自动巡检机器人物理样机的研制提供可靠的技术支撑。关键词：自动巡检机器人；子母式；逻辑系统；运动学仿真中图分类号：TH 122；TH 17；TP 277 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）01-0032-07Design and motion simulation of automatic inspection robot for power tunnelXU Shi-yang,WU Bing-hui,JI Dong-mei,DAI Xin-yu(College of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 201306,China)Abstract：Aiming at the problems of insufficient automation and limited vision and observation angle of existing power tunnel inspection robots,a parent-child automatic inspection robot was designed.Among them,the master machine of inspection robot with mobile function could complete the main routine inspection work,and it had the ability to surmount and avoid obstacles;the slave machine with climbing function could complete the survey task under complex environment and extreme angle conditions.The slave machine and master machine could cooperate to complete the automatic inspection of the entire power tunnel.Firstly,based on the overall functional requirements,the specific form of each module of the inspection robot was proposed,and the hierarchical design of its automatic inspection logic system was completed.Then,the power tunnel operation environment was established in the ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical systems)software based on the virtual prototype technology,and the structure of the inspection robot master machine was optimized by combining the results of kinematic simulation analysis,so as to improve the stability of the robot operating in the tunnel and ensure that the sensors carried by the robot could work normally.The results showed that the inspection robot could run smoothly after the optimization of the master machine structure,the jitter amplitude of doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.009收稿日期：2022-05-30 修订日期：2022-08-08本刊网址在线期刊：http:/ 1 期徐诗洋，等：电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真the sensor platform was within 5 mm,and all the sensors could work normally,which verified the rationality of the robot design.The relevant theoretical research results can provide reliable technical support for the development of the power tunnel automatic inspection robot physical prototype.Key words：automatic inspection robot;parent-child;logic system;kinematic simulation随着城市的发展，电力安全问题成为人们关注的重点，而电力隧道设备故障会带来一系列的安全问题1-2。电力隧道是埋置于地下的工程建筑物，其恶劣的工作环境易造成电力设备故障，如地下湿度高、环境封闭易导致有害气体聚集以及气温低易造成隧道冻害等。因此，必须做好隧道内部环境的检测。但是，地下环境存在可见度低、噪音干扰大、电磁辐射强和数据传输不稳定等问题，使得人工监测面临巨大挑战，故急需一种自动化程度高且能够代替人工监测的巡检机器人。国外早已开展关于电力隧道巡检机器人的研究。2005年，华盛顿大学的研究团队设计了一种电缆巡检机器人。该款机器人在结构上分为2个模块，其前部作为行走机构，后部搭载传感器以采集数据3。但这种结构设计导致该款机器人的使用环境存在很大的局限性。加拿大的研究团队设计了一种灵活轻便且具有一定搜救能力的巡检机器人，但其不具备足够的越障能力4。国内针对电力隧道巡检机器人的研究起步较晚，且大多为悬挂轨道式巡检机器人。沈阳研究所最先开始展开相关研究，研制出了一种能够不间断巡检的悬挂机器人5；朗驰欣创公司开发了一套智能巡检系统，其具备实时监控与红外热成像智能诊断功能6；黄嘉盛等7设计了一种轮式巡检机器人，其能够完成信息收集工作，但越障能力不足，导致使用受到限制。通过对电力隧道自动巡检机器人发展的综合研究，笔者设计了一款子母式自动巡检机器人，其母机采用履带式设计，具有刚度大、负荷自重比高、载荷分布均匀和运动平稳等特点；搭载的爬墙机器人子机适用于观测角度被阻碍、对工作空间要求相对较小的场景，旨在有效解决巡检机器人在复杂环境下作业的适应性问题。1 巡检机器人整机设计 电力隧道是一种特殊的巡检环境，电力设备分布在两侧的隧道壁上，仅中间通道可供机器人巡检。传统巡检机器人受限于视野和观测角度的不足，不能充分发挥巡检功能，甚至无法及时发现设备异常。为此，设计了一款子母式自动巡检机器人，其母机不但具有较强的越障、避障能力，还具备较强的巡检功能；爬墙机器人子机搭载在巡检机器人母机上，以配合巡检机器人母机完成巡检工作。1.1功能与结构设计子母式自动巡检机器人主要由行走机构、爬墙机器人子机、传感器平台、载物机构和调平机构等5个部分组成。在SolidWorks软件中建立其三维模型，各主要模块的布局如图1所示。1.1.1行走机构巡检机器人母机采用四履带式行走机构。四履带式行走机构兼具轮式行走机构速度快、效率高和运动噪声低以及履带式行走机构越障能力、地形适应能力强和可原地转弯等优点，其三维模型如图2所示。1.1.2爬墙机器人子机因受到电力隧道内部环境与光线的限制，巡检机器人母机无法完成整个巡检任务，需要启用具备攀爬功能的子机。所采用的子机是一款仿生六足爬墙机器人，其三维模型如图3所示。该机器人的主体结构为正六边形，通过腿部转动即可完成大角度图1子母式自动巡检机器人整机三维模型Fig.1Three-dimensional model of parent-child automatic inspection robot图2四履带式行走机构Fig.2Four-track walking mechanism 33工程设计学报第 30 卷 方向变换。机器人共有6条腿，单腿结构如图4所示，其中足底与吸盘之间采用万向转动球铰连接，且每条腿均具有5个自由度，能够灵活地适应隧道管径的变化，完成极限角度下的勘测任务。为保证爬墙机器人在作业过程中的安全，对其足底吸盘进行设计。6个吸盘的尺寸相同，其直径的计算式如下：D 4Wzp(1)式中：D为吸盘直径；W为吸吊重力；为安全系数，爬墙工作时48；z 为吸盘个数；p为真空度。为保证爬墙机器人的吸附能力且不至于影响其正常行走，真空度p必须满足63%p95%8。为验证爬墙机器人在作业过程中可正常行走，对其进行受力分析（因爬墙机器人为并联机构，故仅分析其中一条腿），如图5所示。图中：F为爬墙机器人的驱动力，其可向上或向下攀爬，取竖直向上攀爬情况分析，即F的方向为竖直向上；F为吸盘产生的摩擦力；F压为爬墙机器人足底对墙面的压力；G为爬墙机器人所受重力；N为墙面对爬墙机器人的支持力；L1、L2分别为摩擦力和驱动力的力矩。基于图5，对爬墙机器人质心O取矩，可得力平衡方程及力矩平衡方程：F=F+G(2)FL2=FL1(3)将各参数的具体数值代入后计算可得，吸盘的直径大于2.8 cm时可保证爬墙机器人在作业过程中不会跌落，且不影响其步态规划。1.1.3传感器平台传感器平台上载有超声波传感器、声音传感器、气体传感器、温度传感器、无线数据传输模块和自动补光相机，其结构如图6所示。在传感器平台的前、后、左、右四个方向上共设置8个超声波传感器，可有效地提高巡检机器人的避障、越障能力。同时，多种传感器协同工作，并将被测设备的声音、图像和温度等信息通过无线数据传输模块传送至数据中心。1.1.4载物机构为节约空间，将具备攀爬功能的爬墙机器人子图3六足爬墙机器人Fig.3Six-legged wall-climbing robot图4六足爬墙机器人单腿结构Fig.4Single-leg structure of six-legged wall-climbing robot图5爬墙机器人受力分析Fig.5Force ana