高压线路巡检机器人机械臂闭链机构的运动学分析

第４６卷第１１期

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

机床与液压

Ｖｏｌ􀆰４６Ｎｏ􀆰１１

Ｊｕｎ􀆰２０１８

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１８􀆰１１􀆰００９

高压线路巡检机器人机械臂闭链机构的运动学分析

王吉岱，张彦囡，甄静

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛２６６５９０）

摘要：针对传统高压输电线路巡检机器人作业范围小，越障效率低以及不能跨越引流线的问题，提出了一种三臂式高压输电线路巡检机器人，该机器人前、后机械臂采用平行四边形结构设计，属于局部含有闭链机构的混链机构。在分析了机器人前、后机械臂结构特点的基础上，提出了局部含有闭链机构的机构运动学方程的建模方法。借助ＭＡＴＬＡＢ软件对机械臂的越障空间进行了分析，利用ＡＤＡＭＳ软件对机器人在线路行走及跨越引流线过程进行了仿真，验证了机械臂结构的合理性，并通过试验验证了具有局部闭链机构的三臂式机器人可以更好地跨越线路障碍。

关键词：巡检机器人；闭链机构；运动学分析；运动空间；仿真

中图分类号：ＴＨ１１２　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１８）１１－０４１－５

ｃａｕｓｅｄｔｈｅｒｏｂｏｔｓｃｏｕｌｄｎｏｔｃｒｏｓｓｄｒａｉｎａｇｅｌｉｎｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｗｉｔｈｔｈｒｅｅｍａｎｉｐｕｌａｔｅａｒｍｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｆｒｏｎｔａｎｄｒｅａｒａｒｍｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｏｆａｐａｒａｌｌｅｌｑｕａｄｒｉｌａｔｅｒａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｉｔｈａｌｏｃａｌｃｌｏｓｅｄ⁃ｃｈａｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｗａｓｎｏｔｅｎｔｉｒｅｌｙｏｐｅｎ⁃ｃｈａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｕｔｍｉｘｅｄ．Ｓｏａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｒｏｂｏｔａｒｍｗａｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂａｓｅｄｏｆｃｒｏｓｓｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｓ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｃｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅｄｒａｉｎａｇｅｌｉｎｅａｎｄｗａｌｋｉｎｇｏｎｔｈｅｌｉｎｅｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈＡｄａｍｓｓｏｆｔ⁃ｖａｒｉｏｕｓｏｂｓｔａｃｌｅｓｏｎｔｈｅｌｉｎｅｍｏｒｅｓｔａｂｌｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ；Ｃｌｏｓｅｄ⁃ｃｈａｉｎ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；Ｗｏｒｋｉｎｇｓｐａｃｅ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｃａｌｃｌｏｓｅｄｃｈａｉｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ＵｓｉｎｇＭＡＴＬＡＢｓｏｆｔｗａｒｅｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｏｂｏｔａｒｍ’ｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｐａｃｅｆｏｒｗａｒｅｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔａｒｍ’ｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｗｉｔｈｔｈｒｅｅａｒｍｓｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｌｏｃａｌｃｌｏｓｅｄ⁃ｃｈａｉｎｃａｎｃｒｏｓｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｗｉｔｈａｓｍａｌｌｗｏｒｋｉｎｇｓｐａｃｅｔｈａｔ

ＷＡＮＧＪｉｄａｉ，ＺＨＡＮＧＹａｎｎａｎ，ＺＨＥＮＪｉｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＱｉｎｇｄａｏＳｈａｎｄｏｎｇ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）

ＫｉｎｅｍａｔｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｏｆＣｌｏｓｅｄ⁃ｃｈａｉｎＭｅｃｈａｎｉｓｍ

ｏｆＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＲｏｂｏｔｆｏｒＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅｓ

０　前言

输电线路巡检机器人是一种在高压输电线路上，能够以一定的速度平稳运动并且能够越过输电线上的障碍物，对输电线进行检测的机器人。

国外巡线机器人的研究始于２０世纪８０年代末，如加拿大ＭＯＮＴＡＭＢＡＵＬＴ等人研制的四臂式ＬｉｎｅＳｃｏｕｔ机器人［１］，日本ＳＡＷＡＤＡ等人研制的架空地线上作业巡检机器人（ＯＰＧＷ）［２］等。９０年代末，国内大学也相继开展了巡检机器人的研究工作，如武汉大学成功研制了双臂巡检机器人［３］，中国科学院自动化研究所研制的新型柔性机械臂巡检机器人［４］等。国内外对巡检机器人的研究基本可以实现机器人的直线行走和跨越一般线路障碍，但是大多数机器人的手臂采用关节式开链结构，越障效率低，有的甚至不能

完成引流线的跨越，限制了巡检机器人的推广和使用。

鉴于此，本文作者提出了一种三臂式的巡检机器人，该机器人的前、后机械臂含有平行四边形局部闭链机构，中间机械臂起到调节自身重心的变化的作用，机器人能够完成引流线等多种线路障碍的跨越。

１　巡检机器人的机械组成１􀆰１　整体结构组成

机器人由前、后机械臂、中臂和控制箱三大部分组成，前、后机械臂对称布置在中臂的两侧。前、后机械臂主要完成机器人的越障动作，中臂主要用于平衡机器人的重心。前、后臂可完成升降、俯仰和旋转运动，中臂可竖直面内升降。机器人结构简图如图１所示。

收稿日期：２０１７－０１－１７

作者简介：王吉岱（１９６１—），男，教授，主要研究方向为机器人技术的开发与应用。Ｅ－ｍａｉｌ：９３９１７８５６２＠ｑｑ􀆰ｃｏｍ。通信作者：张彦囡，Ｅ－ｍａｉｌ：１５７０３１４０９５＠ｑｑ􀆰ｃｏｍ。

·４２·

机床与液压第４６卷

杆３′起到虚约束的作用，在计算机构的自由度的时候将连杆２′和连杆３′去除。因此，应用式（１）可计算一个机械手臂的自由度为：

Ｆ＝ｄ（ｎ－ｇ）＋

∑ｆ

ｇｉ＝１

ｉ

＝６×（４－４）＋

∑１＝４

ｉ＝１

４

前、后机械臂末端的行走轮部分有２个局部自由度，所以一个机械手臂共有６个自由度，分别是肩关（２）

１􀆰２　前后机械臂结构设计

图１　机器人结构简图

机器人前、后机械臂的结构相同，单臂分别由肩关节、短臂、肘关节、长臂和行走轮五部分组成，前（ｂ）、后机械臂结构图和机构简图分所示。

别如图２（ａ）、图２　前后机械臂结构

短臂采用平行四边形局部闭链机构设计，一方面可以实现机械臂水平运动和竖直运动的解耦，另一方面可以改变关节驱动器的位置，改善机械臂的动态特性，加强机械臂的结构刚度。长臂为可伸缩结构，行１􀆰走轮可开合３　前后机械臂自由度

，前、后臂的俯仰和升降由电动推杆驱动。机器人手部（末端执行器）在空间的运动时由其操作机中用关节连接起来的各种杆件的运动复合而成，用来确定机器人的手部（末端执行器）在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目称为机器人的自由度。对于空间开链机构，若空间中有ｎ个活动构件，则机构自由度［５］为：

Ｆ＝ｄ（ｎ－ｇ）＋

式中：ｎ表示活动件个数∑ｇｉ＝１

ｆ

ｉ

（１）

，ｇ表示运动副个数，ｆｉ表示各运动副的自由度，ｉ表示运动副的个数，平面机构ｄ＝３，空间机构ｄ＝６。

机械臂含有平行四边形闭链结构，连杆２′和连

节的旋转、肘关节的转动、短臂的俯仰、长臂的伸缩

以及行走轮的行走和开合。

２　２􀆰１　巡检机器人运动学模型

Ｄ齐次坐标变换－Ｈ法［６］是由ＤｅｎａｖｉｔＤ－Ｈ法

和Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ于１９５５年提

出的一种为关节链中每一连杆建立固连坐标系的矩阵方法。Ｄ－Ｈ法采用描述连杆形状特性的参数ａｉｄ、αｉ和描述关节动作的关节变量ｉ相邻连杆ｌ、θｉ４个参数来表示。ｉ－１和ｌｉ之间齐次变换矩阵如下式所示：

ｉｉ

－１Ｒｏｔ（Ｔ＝ＺＲｏｔ（，θＸ，αｉ－１）Ｔｒａｎｓ（Ｘ，ｄｉ－１）

２􀆰２　ｉ）Ｔｒａｎｓ（Ｚ，ａｉ）

机器人的前前后机械臂机构分析

（３）

、后机械臂含有平行四边形局部闭链机构，不是完全的开链机构，可以把机械臂看成以一个开链机构为主体又并联了一个开链杆组［７］分称为主开链，它的自由度是整个机构的自由度。主体部，并联的部分称为子开链，主开链和子开链都称为逻辑

开链［８］的建模方法Ｄ－。

Ｈ法是一种针对开式链机构建立连杆坐标系，利用Ｄ－Ｈ法对巡线机器人机械臂进行运动学分析时，需要对机械臂机构进行分解，拆分成多个逻辑开链机构，如图３所示。

图３　机械臂机构的分解

连杆２、连杆２′、连杆３和连杆４构成一个单闭链回路，拆分时在闭链回路和外部的交接关节处，即图３的关节２和关节４，去掉在该关节处的并联杆件，余下的串联杆件链即为一条逻辑开链，依次选择闭链

第１１期王吉岱等：高压线路巡检机器人机械臂闭链机构的运动学分析

·　４３　·　

２􀆰３　闭链机构中关节变量的几何关系

中的并联线路，可生成不同的逻辑开链，如图３

（ａ）、（ｂ）所示，这样从基础杆件到末端执行器就有了两条变换路径。逻辑开链ａ的自由度和机械臂机构的自由度相同，因此逻辑开链ａ为主开链，逻辑开链ｂ为子开链。

含有闭链机构的机械臂，关节之间的运动具有诱发现象，建立机构的运动学方程时还应考虑关节变量间的几何关系。图４表示机械臂的４个位形，图中θ′２表示子开链中连杆２′绕关节２的关节角，θ２表示主开链中连杆２绕关节２的关节角，θ连杆３绕关节３的关节角。

３表示主开链中图４　前后机械臂的位形

图４（ａ）表示零位，θ′所表示θ′２＝θ２＝θ３＝０；图４（ｂ）θ２变化后，θ，而θ３≠０，θ２＝０，说明θ′２变化会引起３变化θ２不受θ′２影响；图４（ｃ）表示θ２变化后，而θ′不受３≠０，θθ′２＝０，说明θ（２变化会引起θｄ）表示θ３的变化，２２的影响；图４２和θ′变化，θ２同时３角度的变化是θ在这个闭链机构中２和θ′２同时作用的结果。通过以上位形分析发现，θ是被动关节角，并且三者之间存２、θ′２是主动关节角，而θ在以下关系：

３２􀆰４　θ３＝θ２＋θ′２（４）

对于巡线机器人的前巡检器人前后机械臂的正运动学解

、后机械臂来说，从基础杆件到末端执行器有两条变换路径。主开链的自由度和机械臂的自由度相同，因此，选择主开链来建立连杆坐标系，如图５所示。

行走轮的行走和开合是局部自由度，不会对机构的运动产生影响，建立机器人前、后机械臂的运动学模型时不考虑这两个自由度的参数。设由基座到末端杆件的编号分别为０，１，２，３，４，５，各杆件参数如表１所示。

图５　前后机械臂连杆坐标系的建立

表１　连杆参数

杆件编号

αａθ１０

ｉ－１ｉ

ｄ２０ｉ－１０ｉ３９０４

０°Ｌ０θθ１２９０°０

２

θ０　杆件坐标系之间的变换矩阵依次为　根据表１中各连杆参数，结合式０３ｄ０

４Ａ各矩阵的表达式如下１，（３）Ａ２，确定相邻

Ａ３，Ａ４，Ｔｒａｎｓ（Ａ，：

１＝０

１Ｔ＝Ｒｏｔ（Ｘ０）Ｔｒａｎｓ（Ｘ，０）Ｒｏｔ（Ｚ，θ１）Ｔｒａｎｓ（Ａ２ＺＺ＝，０）

·１

，０）

２Ｔ＝Ｒｏｔ（Ｘ，９０）Ｔｒａｎｓ（Ｘ，０）Ｒｏｔ（Ｚ，θ２）·Ｔｒａｎｓ（Ａ３＝２

３Ｔ＝Ｒｏｔ（Ｘ，０）Ｔｒａｎｓ（Ｘ，Ｌ２）Ｒｏｔ（Ｚ，θ３）·Ｔｒａｎｓ（Ａ４Ｚ，０）

３

Ｚ＝，４ｄＴ＝Ｒｏｔ（Ｘ，９０）Ｔｒａｎｓ（Ｘ，０）Ｒｏｔ（Ｚ，０）·４）éê

ｎ（５）

ｘｏｘａｘｐｘù

０

ｏａｐú４Ｔ＝Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４＝êêｎｙｙｙｙú

êｎ

ｏêｚ０

ｚａｚ

ｐë

é０１ｚúú＝úû

êｃθθ１ｃθ２ｃθ３

êｓ－ｃθ１ｓθ２ｓθ３－ｓｃθθ１ｃ０

ê１ｃθｓθθ１ｃθ２ｓθ３＋ｃθ１ｓθ２ｃθ３１

１ｃêêｓθ２ｃθ３－ｓθ１ｓθ２ｓθ３２ｃθ３－ｃθ２ｓθ

３

ｄë

４（－ｃθ０００ｓθθ２ｓｓθθ３＋ｓθ１ｓθ２ｃθ３

２３－０

ｃθ２ｃθ３

θ１ｃθ２ｓθ３－ｃθ１ｓθ２ｃθ３）＋Ｌ２ｃθ１ｃθ２ùｄú４（－ｓ１ｃ－θｓ２θｓθ３－ｓθ１ｓθ２ｃθ３）＋ＬＬ２ｓθ１ｃθ２ú

ｄ４（２ｓθ３＋ｃθ２ｃθ３）＋２ｓθ２

úú（６）

úû

将Ａ的正运动学方程１，Ａ２，０Ａ１

３，Ａ４依次相乘，得到机器人手臂

表示ｓｉｎθ４Ｔ，式（６）中ｃθ１表示ｃｏｓθ其他字母含义相

１１，Ｌ２表示连杆２的长度，，ｓθ１

·４４·

机床与液压

表２　关节变量取值范围

关节变量θ１／（°）θ２／（°）θ３／（°）ｄ４／ｍｍ

最小值－π／４－π／３３０００

第４６卷

同，下标不同。式（６）表明机器人末端执行器的位姿和姿态分别由各关节的旋转角度θ１、θ２、θ３以及手臂的升降距离ｄ４决定。

最大值π／４π／３５０００

２􀆰５　巡检机器人前后机械臂的逆运动学解

根据巡检机器人的线路障碍对机器人末端执行器的空间运动进行规划，然后运用机器人逆运动学法求解各个关节变量，对驱动关节的运动进行控制，进而实现机器人越障的自动化。

　　根据机器人各关节变量取值范围，结合Ｍａｔｌａｂ

软件，仿真出机器人的ＸＺ平面和三维工作空间分别机器人变换方程线图［６］运动学方程０４Ｔ

＝如图６所示，在机器人正

Ａ之间的齐次变换矩阵的逆矩阵１Ａ２Ａ３Ａ４的右边依次乘以相邻杆件，即可求解关节变量。其中，Ａ１、Ａ。

２、Ａ３、Ａ４以及手臂末端的位姿矩阵０４Ｔ已经计算出图６　机器人变换方程线图

由图Ａ６可以写出５个变量分离的方程：

－１１０４Ｔ＝Ａ２Ａ３Ａ４，Ａ－２１Ａ－１１０４Ｔ＝Ａ３Ａ４，Ａ－３１Ａ－２１Ａ－１１０

４Ｔ＝Ａ（７）

４对应两边元素可解得：θ１＝ａｒｃｔａｎçæè－

ｎｎｙö÷，θｘø２＋θ３＝ａｒｃｔａｎæç－ｎｚö

÷，θ＝ａｒｃｓｉｎçθèａｚøæａｚ(ｐｘｃ１＋ｐｙｓθ１)＋ｎｚｐｚö

２èＬ２ｎ２ｚ＋ａ２÷－ｚø

ａｒｃｔａｎç

æａｚö

èｎ÷，ｚø

θ３＝（θ２＋θ３）－θ２＝ａｒｃｔａｎçæ－ｎｚöè

ａ÷

＋ａｒｃｔａｎç

æａｚöèｎ÷ø

－

ａｒｃｔａｎçæ－

Ｌｚø

ｚöè

ｐ３ｏｚ＋ｐｚ

＋Ｌ÷，

ｘｃｏｓθ１＋ｐｙｓｉｎθ１３ｎｚø

ｄｐ４＝－

ｘｃθ１＋ｐｙｎｓθ１－Ｌ２ｃθ２

ｚ

（８）

式（８）中的ｎ，ｏ，ａ，ｐ是给定的末端执行器在基坐标系中的位置坐标。

３　巡检机器人前后机械臂运动空间分析

根据式（６）计算的正运动学方程，确定机器人末端执行器相对于基座的坐标方程式为：

ìïï

ｐｘ＝ｄ４í（－ｃθ１ｃθ２ïｐｓθ３－ｃθ１ｓθ２ｃθ３）＋Ｌ２ｃθ１ｃθ２

ｙ＝ｄï４（－ｓθ１ｃθ２î

ｐｓθ３－ｓθ１ｓθ２ｃθ３）＋Ｌ２ｓθ１ｃθ２（９）ｚ＝ｄ４其中Ｌ（－ｓθ２ｓθ３＋ｃθ２ｃθ３）＋Ｌ２ｓθ２所示，θ逆时针为正２＝１８０ｍｍ，，顺时针为负机器人各关节参数范围如表。

２

如图７所示。

图７　巡检机器人的工作空间图

根据仿真结果可以看出机器人末端执行器的工作

空间变化平缓且无突兀、孔洞现象，说明机器人机械臂结构设计合理。同时从图７中还可以得到，水平方向即ｍｍ，ＸＡｄａｍｓ在竖直方向即方向行末端执行器的运动范围是Ｚ向的范围是１５０～６５５􀆰６３􀆰９ｍｍ。６～６１３机器人越障需要中进行运动仿真进一步验证这个运动空间满足在。

４　巡检机器人运动过程仿真分析

文中将对机器人跨越引流线的过程进行仿真，验证机器人运动模型的正确性，引流线坡度为５５°。

巡检机器人的虚拟样机在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件中完成，然后导入到Ａｄａｍｓ软件中，对机器人跨越引流进行仿真，具体越障过程如图８所示。

机器人初始悬挂状态，各关节处于零位状态；跨越引流线时，首先各机械臂同时伸长，之后前机械臂单独伸长脱线打开行走轮，如图８（ａ）所示，此时后机械臂和中臂双臂挂线，中臂起到调节机器人重心的作用，防止了机器人因重心不稳而产生晃动；前机械臂的长臂先向前摆动再收缩，抓取电线后停止收缩，如图８（ｂ）、（ｃ）所示；中臂向上伸长脱线打开行走轮，如图８（ｄ）所示；后机械臂到达跨越点时，中臂向上伸长合并行走轮后，向下收缩抓取引流线，如图８（ｅ）所示；在中臂慢慢收缩抓取电线的过程中，后机械臂向上伸长脱线打开行走轮，摆动短臂帮助调整机器人姿态，如图８（ｆ）所示；后机械臂脱线后，中臂和前机械臂挂线，中臂慢慢收缩，前机械短臂回摆调整机器人姿态，如图８（ｇ）所示；之后，后机械臂长臂回摆并收缩挂线，各关节恢复初始状态，机器人完成跳线，如图８（ｈ）、（ｉ）所示；在图

第１１期王吉岱等：高压线路巡检机器人机械臂闭链机构的运动学分析

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８（ｃ）到图８（ｉ）的过程中，前机械臂的刹车始终

打开。

图８　机器人跨越的引流线仿真

将机器人处于初始状态图８（ａ）和跨越引流线时的状态图８（ｂ）各关节参数代入式，关节参数如表３所示。

表３　越障时手臂关节参数

参数

初始状态

越障状态

θθ１／（°）００θ２／（°）３／（°）００

ｄ４／ｍｍ３０００

－６０

é　　初始状态：ê１１８０４２０

０Ｔ４＝ê

ê０

－００êë００１３０００ùúúúé０

０－００１ê０１５０１ú（１０）

û

３越障状态：０Ｔ４＝ê１ê

０

－０êêë００

０１０

－０１５０

０＋１８０ùú

ú

ú对比机器人两种状态的正运动学解０

１，１ú（１１）úû

可以看出机器人经过肘关节旋转６０°，伸缩臂伸长至最大值时，机器人末端执行器的坐标为：

ìïï

ｘ＝１５０３＋１８０＝５４３􀆰７íïｙ＝ｚ２１０

０î＝（１２）

对比机器人的运动空间，可知，机器人能够在运动空间内完成跳线动作。由于机器人跨越引流线时，动作难度最大，跨越空间也最大，所以机器人在能够完成跳线的情况下，可以完成在线防震锤、悬垂线夹的跨越。图９是机器人跨越引流线实验，实验证明，文中的巡检机器人可以顺利完成跨越引流线、防震锤、线夹等多种线路障碍。

图９　机器人跨越引流线

５　结论

针对现有机器人存在的问题，设计了一款能够调节重心的三臂式巡检机器人，通过对机器人进行运动学分析和仿真，得出以下结论：

点，（１）提出了局部含有闭链机构运动学方程的建立方针对巡检机器人的前、后机械臂的结构特法，并根据机械臂的运动方程，用ＭＡＴＬＡＢ软件绘制机械臂的运动空间，通过Ａｄａｍｓ软件仿真机器人跨越引流线越障过程，验证了机器人机械臂结构设计的合理性分析（２），，得出机械臂各关节参数的数值解对巡检机器人前并通过实验进行了验证、后机械臂进行逆运动学。

，为实现机器人的自动化控制奠定了基础。

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８１页）

第１１期郝飞：基于ＰＬＣ的气动机械手精准位置控制系统的设计

·　８１　·　

静止同步的过程中，其转速ｎ与频率ｆ应满足如下关系。

ｎ＝

６０αｆ６０ｆ

＝３６０°ＺｒＮ

（１）

式中：Ｚｒ为转子总的齿数；α为电机步距角；ｆ为脉冲频率；Ｎ为运行拍数。

当步进电机的步距角、滚珠丝杠的基本导程和脉冲当量给定后，传动比ｉ满足

ｉ＝３６０°δｐαＬ０

（２）

图５　ＰＬＣ控制程序

５　结束语

所设计的气动物料抓取机械手结构简单、控制精确，能够应用于多种工业自动化生产线中，提高了生产效益。

式中：α为电机步距角；Ｌ０为丝杠基本导程；δｐ为脉冲当量。

由式（１）和（２）计算传动链的传动比时，传动比的值一般情况下不会等于１，提高调整脉冲量比，再次脉冲量比为０􀆰００８，从而提高位置精度，在分析测试过程可实施计算及监控数据。

参考文献：

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４　程序设计

所设计的气动物料抓取模型可以扩展应用到各领域，所以控制可实现多种流程的控制程序及功能，因为电磁阀、按钮等是基于开关量程序，在此就不再赘述。在这只列举用步进电机带动丝杠传动机械手的程序。假设控制要求为机械手水平移动１２０ｍｍ，并配合升降气缸、进给气缸实现物料精确的抓取。根据式（１）和（２）及脉冲量比，ＰＬＣ需要发出１５０００个脉冲，具体控制程序如图５所示。

（责任编辑：卢文辉）

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（责任编辑：卢文辉）