一种220KV输电铁塔攀爬机器人结构设计与分析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘 要 我国的输电通信铁塔数量多且分布范围较广，截至2019 年底已发展成为全球最大的通 信铁塔运营企业。但由于输电铁塔长期处于室外环境中，受到风吹、日晒、雷击、暴雪等 自然灾害影响频繁，为保证铁塔的正常运作，对其进行定期检修是必须完成的工作。 本文针对人工攀爬铁塔危险性高的问题设计了一种可自主攀爬220KV 输电铁塔并完成 安全防坠装置挂拆工作的机器人。这种机器人能够在维修工人攀爬铁塔之前先一步登上铁 塔并完成安全防坠装置的挂接或拆除，为工人后续攀爬铁塔提供安全保障。输电铁塔攀爬 机器人包括上部夹持手、下部夹持手、行进机构和机械臂。夹持手由夹持手爪、外展机构 和顶出机构组成，左右两侧夹持手爪和外展机构根据菱形对中原理设计。这种对称式的结 构设计不仅可以使夹持手爪与角钢稳定接触，而且对称设置的外展机构还具有躲避角钢障 碍的功能。顶出机构的作用是保证机器人攀爬过程中机身始终与主材角钢平行，避免因机 身倾斜影响机器人的攀爬与越障精度。行进机构的伸缩可以实现机器人沿主材角钢进行移 动，直线式的行进机构可以大大提高机器人的移动效率。当机器人攀爬至制定工作位置（一 般为横担），通过控制机械臂的各关节运动完成防坠装置的挂接或拆除任务。 综合上述结构设计方案，本文利用SolidWorks 三维建模工具建立输电铁塔攀爬机器人 , 和铁塔的三维模型并对机器人模型分别进行静力学和动力学的分析。根据力学分析的结果 ANSYS , 将机器人关键部件导入 ，分别对各部件进行结构的有限元分析依据有限元分析结 果的后处理模块得到关键部件的力学图像，针对关键部件受力集中的位置采取合理的解决 , 措施提高关键部件的承载能力和抵抗变形能力。在力学分析的基础上对机器人模型进行进 , , 一步的简化建立挂拆机械臂的数学模型通过对挂拆机械臂进行正—逆运动学分析观察其 运动特性及空间位姿。根据正逆运动学数学分析矩阵模型在MATLAB 中编写仿真程序并运 , 行便可得到机械臂在三维空间中的运动姿态。在机器人静力学和动力学分析的基础上，测 量SolidWorks 中机械臂模型的尺寸和重量，在虚拟样机仿真工具ADAMS 中重新建立机械 臂简化模型，设置机械臂的关节类型、驱动方式参数，运行仿真工具便可直观的观察到机 , 械臂的运动方式和轨迹，通过结果后处理模块分析机械臂的运动特性可以进一步验证挂拆 机械臂结构设计的合理性。在虚拟样机仿真的基础上完成控制系统的设计和组装，通过控 制界面的设计方便操作人员对攀爬机器人的遥控。最后，对攀爬机器人样机进行加工、组 装和调试。经过多次不同载荷和不同环境的样机试验，本文所设计的这台攀爬机器人不仅 I 山东建筑大学硕士学位论文 具有较好的挂拆防坠装置和攀爬能力，其越障功能较其他类似机器人也有了较大的提升， 完全达到了预期设定的指标。 关键词：攀爬机器人，力学分析，菱形对中原理，正逆运动学，运动仿真 II 山东建筑大学硕士学位论文 ABSTRACT The number of transmission communication tower in China is large and the distribution range is wide, and by the end of 2019, it has developed into the largest communication tower operation enterprise in th