传统攀爬机器人的抱持机构都是采用全驱动的机构,具有结构复杂,控制繁琐,无自适应的缺点。为了改变这种状态,提升攀爬机器人抱持机构的抱持性能,设计了一种基于绳驱式欠驱动原理的抱持机构,具有结构简单,驱动源较少,自适应好的优点。同时对此欠驱动机构进行静力学模型的建立,并运用ADAMS/Cable模块对欠驱动手爪进行运动学以及动力学仿真分析。此仿真方法为绳驱式欠驱动手爪仿真提供了一种新的方法,并通过仿真验证轮手抱持杆件的可行性,从而验证了欠驱动手爪作为攀爬机器人抱持机构的可行性。

针对现有电力铁塔攀爬机器人存在的结构复杂、稳定性差、越障能力不足等问题,这里设计了一种新型电力铁塔攀爬机器人并对其攀爬步态进行了分析。通过选取电力铁塔主材上的脚钉为夹持对象,采用机械电磁复合手爪夹持方式等创新性的方法,简化了攀爬机器人的结构,提高了夹持稳定性,解决了避障难题。然后使用Workbench对关键受力部件进行有限元分析并利用Robotics Toolbox对机器人的攀爬过程进行了建模仿真,仿真结果表明攀爬机器人机械结构及攀爬步态设计合理,验证了新型电力铁塔攀爬机器人在实际工作环境中应用的可行性。

为实现配电线路杆塔的检修以及线路检测设备的承送,提出一种兼具攀爬、越障、绕杆旋转及负载带电作业等功能的爬杆机器人—地电位带电作业爬杆机器人。根据机器人攀爬力学,对机器人不滑落条件进行分析,得到机器人在负载22kg时,只需138.65N以上的夹紧力就可稳定攀爬;运用ANSYS Workbench软件对机器人整体进行静力学分析,并对薄弱部件结构进行分析,结果表明,其结构强度满足设计要求。根据理论计算结果,搭建试验样机对机器人进行载重攀爬测试,实验表明,机器人22kg负载条件下,攀爬速度达到0.2m/s,绕杆旋转速度为2.5r/min,能承受70kg负载,末端可在两侧30°摆动范围内进行带电作业。该机器人可代替人工进行高空作业,将为电力行业自动化的发展提供可靠的参考依据。

针对输电铁塔危险部位的检修工作,设计了一种新型攀爬机器人;根据攀爬机器人的运动环境和夹持方式,设计了一种由磁吸附和机械夹持结合的复合结构,以保证夹持的可靠性和准确性。该夹持手爪由一个电机驱动,通过齿轮传动带动螺旋升降机上下运动,从而实现爪部对角钢的夹紧;同时,通过电磁铁吸附角钢,实现对角钢的双重夹持,可有效抵御攀爬机器人在铁塔上的坠落危险。介绍了夹持机构的设计过程,建立夹持机构的三维模型,对其进行了静力学分析和仿真;并通过实验验证了其合理性。

首登输电铁塔检修人员缺乏完善的临时防坠保护装置,研发输电铁塔攀爬机器人替代首登人员登塔,可以保障登塔人员的人身安全。根据实际作业环境及其功能要求,结合仿生学原理,提出了一种基于仿生蚕特征的攀爬机器人模型。对机器人进行结构设计并分析攀爬过程中吸附的稳定性,建立机器人运动学模型;对其作业空间进行了仿真分析,验证了机器人结构的合理性。试制物理样机并进行相关攀爬实验,实验结果表明,该机器人具有替代首登人员登塔的可行性。

携带清洗装置的闸门钢丝绳攀爬机器人可以解决国内仍在使用的人工悬吊式闸门钢丝绳所存在的劳动强度大、安全系数低的问题,机器人代替人工完成钢丝绳自动攀爬与清洗的任务,可降低安全风险,提高工作效率。通过仿尺蠖的爬行机理对闸门钢丝绳攀爬机器人的机械结构进行设计,进而构造内外两个分体式结构实现在钢丝绳上的运动。分别对所设计的攀爬机器人进行运动学分析,对具有清洗装置的攀爬机器人的运动进行分析,利用ADAMS仿真软件进行仿真,仿真结果验证了自动攀爬机器人的可行性;在已有基础上对携带激光清洗装置的攀爬机器人和加入滚珠丝杠结构后的清洗装置攀爬机器人进行对比分析,发现后者清洗钢丝绳的效果更好。

目前的配电带电作业主要是通过绝缘斗臂车来实现,但是由于地形的限制,难以在山地、水田等环境中开展。为解决以上问题,提出一种适合配电带电作业的爬杆机器人平台。提出机器人平台的总体设计思想;介绍平台硬件和软件的设计原理和实现方法;形成实际的爬杆机器人。该机器人的主体既是一个操作臂又是一个爬行体。结果表明:该机器人可以实现自主爬杆,在到达电杆指定位置后可开展部分配电带电作业项目。

小外径管材在生产生活中较为常见,其侦测勘察一直以来是亟需解决的难题。提出一种外管路攀爬的机器人设计方案,采用蜈蚣多足结构,提升攀爬能力。采用气动作为驱动,增加抓握力,有效减少重量。通过建立虚拟样机,并利用Mechanica对重要零件脚趾进行受力分析和有限元计算,优化了脚趾的结构和尺寸。通过研制实验模型进行测试,验证了总体设计方案的可行性和分析的有效性,为外管路攀爬机器人的进一步研究奠定了基础。

针对传统磁吸附攀爬机器人攀附力较小、带载能力差的问题,研究高攀附力/自重比磁吸附履带式攀附机构的设计与制造方法。提出一种新型磁吸附履带结构设计方案,研制攀附机构样机并进行性能测试研究。基于ANSYS有限元分析,对比分析4种Halbach磁铁阵列单元的最佳组合模式,实现了轻量化设计的攀附机构,有效提高了磁铁阵列单元的吸附力与自重比。为了实现磁铁阵列在攀爬机器人系统中的应用,融合链条传动和同步带传动方式,设计一种履带式攀附机构,并将它用于磁吸附攀爬机器人系统,完成了垂直攀爬和倒置攀爬运动,最大吸附力/自重比可达2.54。

针对铁塔检修工人高空作业时手动挂拆安全绳危险性高和效率低的问题,基于菱形原理设计了一种V型角钢对称夹持机构,主要由夹持爪、外展机构和顶出机构组成,夹持爪通过螺旋升降机与滑动导轨的配合实现对角钢的抓紧,垂直于夹持手臂的外展机构通过调整其展出距离改变夹持爪的位置,顶出机构前端的V型块设计可保证机器人机身始终平行于角钢。绘制机器人的SolidWorks三维模型,依据菱形原理简化模型,并验证其对中夹持性和机构设计的合理性,建立静力学模型,对夹持机构进行静力学分析和静力学仿真。通过样机试验,验证了该夹持机构的可行性。