笫４５卷第８期
西安交通大学学报
ＶＯＬ４５ＮＱ８
２０１１年８月ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦⅪ７ＡＮＪ呶爪扑晒Ｉ肌Ｖ职Ｓｍｆ
Ａｕ舀２０ｌｌ
电力铁塔攀爬机器人的步态分析
曹志华，陆小龙，赵世平，王蕾，梁恩志，刘晓宇
（四川大学制造科学与工程学院，６１００６５，成都）
摘要：为了提高电力系统的自动化水平，减轻电力工人在检修高压输电系统时的劳动强度，同时保障
其人身安全，提出并设计了一种可以攀爬电力铁塔的５自由度关节式机器人，给出了机器人的Ｇ岫
模型，分析了其在铁塔两种位置攀爬过渡的能力．根据机器人机构特征，提出、分析和比较了蠕虫式和扭转式攀爬步态．蠕虫式攀爬步态即机器人本体的两连杆之间角度周期变化，两爪交替前进；扭转式
攀爬步态即机器人本体不动，爪部回转关节旋转１８０。使得机器人整体扭转半周．在机械系统动力学仿
真软件ＡＤＡＭｓ环境下，对机器人采用这两种步态在铁塔主材表面、横担侧面和上表面３种方位攀爬情况进行了仿真，计算和分析了不同情况下机器人各关节转矩和系统能耗，得出最适合铁塔各种方位的攀爬步态：在横担上攀爬时应采用能耗较小的扭转式步态，但是在主材表面攀爬时两种步态能耗接近，需考虑障碍类型选取合适的步态．仿真结果为机器人的攀爬步态规划及控制策略提供了依据，同
时样机试验结果也验证了两种攀爬步态的可行性．
关键词：攀爬机器人；运动学；步态分析；ＡＤＡＭＳ
中图分类号：Ⅲ）２４２文献标志码：Ａ文章编号：０２５３—９８７Ｘ（２０１１）０８－００６７叼６
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收稿日期：２０１１－０２—２３．作者简介：曹志华（１９８７一），男，硕士生；陆小龙（联系人），男，讲师．
基金项目：四川省科技计划资助
项目（２００８Ｇ动１５６）．网络出版时间：２０１１＿０７—１８
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／、＾＾ｌＩ，帆ｃｌｌ虹１１ｅｔ／ｋａｎｓ／ｄｅ切ｉｌ／６１．１０６９．Ｔ．２０１１０７１８．１７３０．００８．ｈ廿Ｉｌｌ
万方数据
西安交通大学学报
第４５卷
随着电力系统的不断扩建．为了提高电力系统自动化综合能力．针对电力系统检测和维护的攀爬和巡线机器人逐渐成为热门的研究之一．此类特种机器人
的出现大大减轻工人劳动强度，降低维护成本，创造了良好的经济效益和社会效益．电力铁塔攀爬机器人
成，手臂间的角度变化由电动缸的直线伸缩运动实现．机械手臂下端通过连接轴与爪部俯仰关节连接，手臂可绕俯仰关节轴旋转，实现越障功能．俯仰关节与爪部电磁铁之问配合带轮和３级齿轮传动，可实现机器人的转向功能．传动主要基于齿轮、蜗轮蜗杆和丝杆等机构，具有很好的自锁性．爪部下端采用双电磁铁吸附，单个电磁铁的吸附力为６０ｋ．吸附力产生的摩擦力既克服了重力的影响，同时也解决了转弯过程中的扭转转矩，确保机器人可靠的吸附于角钢
表面．
可以在铁塔各个区域攀爬，通过携带的传感器检测塔身及其附件的缺陷，其携带的清扫装置可以清扫绝缘子串，同时有一定负载能力的攀爬机器人可以背负巡线机器人至横担．后者分离至高压输电线进行巡检．
近年来，国内外针对电力铁塔和其他＝三维桁架攀爬机器人进行了大量的研究．文献［１］研制的自重构机器人Ｓｈａｄｙ３Ｄ可以攀爬由细长方形截面杆构成的空间桁架；文献［２］设计的六自由度两臂关节式机器人ＲＯＭＡＩ．可以攀爬由矩形或工字形截面钢材构成的桁架桥梁；文献［３］提出能在空间桁架内外攀爬、穿
行移动的双手抓握双臂移动机器人，通过更换夹具可
以实现在空间桁架中移动；文献［４—５］研究的模块化机器人，可以攀爬杆、桁架和树木等多种对象；文献［６］研制了一款２自由度电磁吸附式电力铁塔攀爬机器人．可以实现伸缩转向运动，但是不具有越障功能；文献［７］研制了一款８自由度微型爬铁塔机器人，小巧灵活。具备越障功能．
文献［１—５］所述机器人均采用串联式关节型机构．具有较好的灵活性，其中华南理工大学提出的攀爬机器人只需５个自由度．在合理的路径规划下便可以实现三维空间内自由攀爬．但是，以上攀爬机器人存在一个共同的特点：攀爬对象多为规则杆件，例如圆柱杆、工字钢及矩形截面杆等，并不能攀爬由非规则形状且参数不一的角钢组成的铁塔．威尔士班戈大学研制的机器人可以攀爬铁塔，但是受自由度限制只
能实现平面内攀爬；以色列艾瑞尔中心大学的机器人
圜豳
（ａ）机器人的ｃＡＤ模型
（协结构简图
图ｌ铁塔攀爬机器人的ｃＡＤ模型和结构简图
２机器人攀爬过渡运动分析
机器人攀爬时，一端爪部的电磁铁吸附角钢以支撑整个系统，另一端爪部运动到目标位置和姿态进行吸附，吸附后松开前一爪部，两个爪部交替吸附，实现攀爬过程．本文针对机器人左爪吸附、右爪作为操作器寻找目标点的过程进行分析，右爪相对于左爪的位
姿可以用一个矩阵来描述・即１＇一［：：：：］．其
中（Ｈ．ｏ．ｎ）描述右爪的姿态矢量，ｐ为右爪的位置矢
量嗍．
属微型机器人，负载能力差．本文针对目前在输电系统中应用最广泛的由角钢组成的格子形桁架铁塔，提出了一种５自由度关节式电力铁塔攀爬机器人，采用电磁吸附，体积小，结构紧凑，具备转向和越障能力，可以实现电力铁塔表面任意位置的攀爬．
文章主要对机器人的机械结构、运动学及攀爬步态进行了分析，通过仿真计算和比较了两种步态攀爬铁塔不同方位下各关节的转矩以及系统的能耗．为机器人的攀爬步态规划提供了依据．
考虑到两机械手臂之间的角度变化与电动缸的状态存在一一对应的关系，在运动学分析过程中，假设机械手臂间直接由转动关节组成．基于机器人运动学分析的ＤＨ方法，建立了如图２所示的机器人的初始姿态和坐标系，得到了表ｌ所示的机器人各连杆参数．定义Ｚ－１为将坐标系（ｆ｝中的矢量变换成在坐
标系｛ｉ一１）中的描述，霉“的表达式为
Ｔｆｌ＝
—ｓｊｎ酯
Ｏ
口卜ｌ
删
ｓｉｒ以ｃｏｓ“，ｓｉｎＢｓｉｍ广．
０
１机器人机构设计
图ｌ所示为铁塔攀爬机器人的ｃＡＤ模型和结构简图．机器人主体由铰接在一起的两个机械手臂组
ｃｏｓａｃｏｓ口，
ｃｏｓＢｓｉｍｒ．
０
—ｓｌ撒ｒＩ
—ｓｉｍｒ．１反∞Ｓ％ｌ口．
ｃｏ‰１
０
ｈｎｐ：∥ｗｗｗｊｄｘｈ
ｃｌｌ
万方数据
第８期
曹志华，等：电力铁塔攀爬机器人的步态分析
表１机器人连杆ＤＨ参数
图２机器人运动学模型
示为右爪坐标系｛５）相对于参考坐标系的位姿可以表
，ｋＤ工口ｚ口ｙｎ。
夕ｚ
’ｆｌ
ｃ５ｆ２３４＋ｓｌ岛一ｆ１岛晚３４＋ｓｌｃ５一Ｓｌ岛Ｑ３４一Ｃ１ｃ５
一岛＆３４
０
一ｆｌ鼢４一ｓ１ｃ２３４
ｃ２３４０
ｆｌ（如Ｑ３＋豇２１）ｓｌ（易Ｑ３＋Ｚ１ｆ２）Ｚ２＆３＋Ｚ１现３
１
霹＝矸配霹曩霹＝
吩Ｄ，
咒ｚ
Ｏ：
户ｙ夕：
１
一Ｃ１５５ｃ２３４一Ｃ１岛
ｆ５＆３４Ｏ
０ＯＯ
等式两边依次左乘矩阵（Ｚ＿１）～，对各个关节变量进行解耦，分别求出（尻，岛，岛，吼，侥）５个关节变量
品＝Ａｔａｎ２（丸，Ａ）；或岛一Ａｔａｎ２（一岛，一Ａ）
岛一Ａｔａｎ２（土（１一舻）１佗，忌）晓３一Ａｔａｎ２（Ｚ１ｆ３＋Ｚ２，一Ｚｌ如）士
√一
（ａ）初始状态（ｂ）右爪抬起向前（ｃ）右爪吸附（ｄ）左爪向前
图３蠕虫式攀爬步态
Ａｔａｎ２（（蹭＋蹭＋２ｚｌ如ｆ３一镤））“２，幺）
晓＝晓３一岛良一Ａｔａ】汜（口，６）
岛一Ａｔａｎ２（邺１一ｖｌ，¨ｌ一叩１）
或式中
ｃ１＝＝００ｓ岛；５１一Ｓｉｎ岛；Ｑ３４＝＝ｃｏｓ（岛＋岛＋只）
＆３４＝ｓｉｎ（易＋岛＋良）
一
岛一Ａｔａｎ２（一＂１＋ｖｌ，一叫１＋叩１）
（２）右爪电磁铁断电松开，，ｚ保持不变，电动缸
伸长使Ｊ。从岛增大至矾，同时Ｊ。旋转，使得右爪与角钢平行，跨越如图所示的障碍物．
（３）电动缸静止保持以不变，Ｊｚ旋至以，，。旋转
矗一窿±区±筵二蟹二堡
２ＺｌＺ２
使得钒＝以，右爪吸附，在此过程中，鸥＝２△岛．
（４）左爪电磁铁断电松开，Ｊｚ√ｔ分别旋转至初
始角度（晓，只），电动缸收缩使Ｊ。变为初始角度岛，复
口＝ｃｌｆ２３如＋ｓｌｃ２３ｑ＋＆３如６一ｃ１＆３如＋町＆３如一ｆ２３啦
当解出的（伪，晓，岛，鼠，岛）的值分别都在各关节
位后左爪电磁铁吸附，完成一个攀爬运动周期．
机器人采用蠕虫式攀爬时，一个运动周期内移动
距离为
的取值范围内时，机器人可实现右爪对角钢表面的吸附，从而实现攀爬动作的转换．
３机器人攀爬步态分析
根据机器人构型的特点，在攀爬时可采用两种攀
△Ｌ—Ｌ一厶：２ｚｆｓｉｎ譬一００ｓ鲁）
、
（１）
厶
厶，
Ｊ３的转动范围为３０。～１２０。，即侥，矿３∈（３０。，１２０。），代入式（１）可得
Ｏ＜△Ｌ＜１．２１Ｚ
采用蠕虫式攀爬时，机器人具有很好的越障能力，如图３所示可以轻松跨越一般的障碍，其爪部最
爬步态：蠕虫式攀爬和扭转式攀爬．第一种为蠕虫式
攀爬，如图３所示．攀爬步骤如下．
（１）机器人位于初始位置，左爪和右爪都吸附于
角钢上，伪一侥＝ｏ。，硷＋晚一１８０。，两爪距离为ｋ．
万方数据
ｈｌｔｐ：∥ｗ喊ｊｄｘｈ饥
西安交通大学学报
第４５卷
大抬起高度为Ｈ＝ｚ（ｃｏｓ告一ｃｏｓ（以一譬）），由上述
推导可知
方向，可以将机器人在铁塔上的攀爬表面分为主材
表面、横担侧面以及横担上表面，如图５所示．在主材表面攀爬时，重力加速度方向与攀爬方向重合；在横担侧面攀爬时，重力加速度方向垂直于攀爬方向，并且二者同处于横担侧面内；在横担上表面攀爬时，
重力加速度方向垂直于攀爬方向所在的横担上表面．
０＜Ｈ＜１．２２ｆ
第二种为扭转式攀爬，见图４．攀爬步骤如下．（１）机器人位于初始位置，左爪和右爪都吸附于
角钢上，Ｊ。初始值为岛，两爪距离为Ｌ
（２）左爪电磁铁断电松开，＾、Ｊ３保持不变，Ｊ。旋转至颤，使得左爪抬离角钢，避免扭转过程中与角钢
上的障碍干涉．
为了使不同的攀爬步态具有可比性，假设机器人在铁塔不同方位以两种步态在相同的时间内攀爬相同的距离［５］．在仿真中，设定机器人在２０ｓ内攀
爬３００ｍｍ（图３所示ｚ＝３００ｍｍ）．在蠕虫式攀爬
（３）＾旋转１８０。．机器人整体旋转１８０。．
（４），ｔ旋转至初始值反，使得左爪平行接触角钢，接着左爪电磁铁吸附，完成一个攀爬运动周期．
时，如从初始值３０６变到９９。，晚、口。从初始值７５。变到４０．５。；在扭转式攀爬时，以的初始值为６０。，吼从
初始值６０。变到７５。．图６所示为机器人在主材上攀
剁ｄ刽钭
（ａ）初始状态（ｂ）左爪抬起（ｃ）回转关节旋转半周（ｄ）左爪复位
图４扭转式攀爬步态
爬的一个场景．机器人在主材上分别以蠕虫式和扭转式攀爬时各起作用关节的转矩和功率曲线如图
７、图８所示．
由图７可知，各关节的转矩曲线都有一定程度的波动．这是因为爪部电磁铁与角钢是刚性接触，各部件运动的过程中会使整个系统产生一定的抖动，导致输出的转矩曲线不平稳，但是对仿真结果并无
影响．图７ｅ、图７ｆ和图８ａ、图８ｂ所示为Ｊ。在不同攀
机器人采用扭转式攀爬时，一个运动周期内移
口
爬步态下的转矩和功率曲线，有较大的差别．
动距离为△Ｌ—Ｌ＝２ｚｓｉｎ譬，其中乳∈（３０。，１２０。），
‘
可得
０．５２Ｚ＜△Ｌ＜１．７３Ｚ
爪部最大抬起高度Ｈ—ｆｓｉｎ（以一吼），其中吼，以∈
（３０。，９０。），可得
Ｏ＜Ｈ＜０．８７Ｚ
比较上述两种攀爬步态可知：蠕虫式攀爬单个运动周期内活动关节多，对整体的协调运作要求高，爪部抬起高度较大；扭转式攀爬过程简单，移动距离较大，但是爪部旋转关节转动角度大．
４攀爬过程仿真分析
机器人以两种不同的攀爬步态攀爬时，起作用的关节不相同，关节的转矩以及机器人系统的能耗也会有所不同．下面，通过仿真进行比较分析，得到
具有实际意义的攀爬步态．
在ＡＤＡＭｓ／ｖｉｅｗ环境下【９］，对机器人处于铁塔的不同方位以不同步态攀爬过程进行仿真．按照
图６
ＡＤＡＭｓ环境下的攀爬仿真
铁塔的构型，根据重力加速度相对于机器人的攀爬
ｈｎｐ：∥ｍｊｄｘｈ
万方数据
ｃｎ
第８期瞢志华，等：电力铁塔攀爬机器人的步态分析
７１
机器人在铁塔的不同方位攀爬时，即使是以相同的步态进行攀爬，各关节所需的转矩和系统能耗都会存在很大的区别．下面，对机器人在３种方位下
拿１
分别以两种步态进行攀爬的过程进行仿真试验，记
录了这６组试验中机器人各关节最大转矩、能耗以及系统能耗，如表２和表３所示．
螽
癣
乏
蚕斗
（ａ）关节Ｊ２的驱动转矩
静
雷需群
囊３０
辩２０
：篁ｉ：
《
謇∞
哼Ｏ
５
１０
Ⅳ０
１５２０
（ｂ）关节．，２的驱动功率
晕
（ｃ）关节．，。的驱动转矩
垂ｉ；
墓一釜！
量
样
蟊
亲ｊ：兽一乏
ｆ，ｏ
（ｄ）关节Ｊ。的驱动功率
１、，盲
总计
位置
总计
争７・
一
蚕一
哼一
（ｅ）关节，ｔ的驱动转矩
（ｆ）关节．，ｔ的驱动功率
图７蠕虫式步态中关节．，ｚ、＿ｒｓ√。的驱动转矩和功率变化
表２以蠕虫式步态在铁塔不同方位攀爬时各关节的转矩和系统能耗
主材
横担侧面
横担上表面
最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｒｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｒｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ
能耗／ｒｎＪ
１７８６９
３２７２７
３５８８９
表３以扭转式步态在铁塔不同方位攀爬时各关节的转矩和系统能耗
主材
横担侧面
横担上表面
最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｎｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｒｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ
能耗／ｒｎＪ
２０４６９１８４９３
５２２６
蚕ｓ・
ｊｊ车３・
参目
阜Ｏ
蟊
霄臀罄碍一
蚕：
醣
（ａ）关节．，ｔ的驱动转矩
蠢；
心ｌＯ
Ｏ
５
ｌＯⅣ０
１５
２０
＊雷需
薛
芝
ｔ
Ｏ
５
ｌＯｔＩｔ
１５
２０
（ｂ）关节．，。的驱动功率（ｃ）关节Ｊｓ的驱动转矩
（ｄ）关节＿，ｓ的驱动功率
图８扭转式步态中关节．，ｔ、．，ｓ的转矩和功率变化
ｈｔｔｐ：∥ｗ毗ｊｄ】（ｈ∞
万方数据
７２
西安交通大学学报
第４５卷
从以上６组试验结果可以得出：
能耗和攀爬环境采取合适的步态，为机器人的路径（１）采用蠕虫式步态沿铁塔不同方位攀爬时，规划和精确控制提供了理论依据．以上述理论为依，２的最大转矩Ｔ２Ｍ“一２５．０３Ｎ・ｍ．Ｊａ的最大
据设计了一款攀爬机器人样机，分别对机器人采用转矩Ｔ３ＭＡｘ＝ｏ．２３Ｎ・ｍ，，。的最大转矩Ｔ４Ｍ“＝
两种步态在铁塔各方位攀爬进行试验，取得了良好４３．８１Ｎ・ｍ：
的效果，验证了机器人设计中各参数的合理性及两（２）采用扭转式步态沿铁塔不同方位攀爬时，种攀爬步态的可行性．
Ｊ一的最大转矩ＬＭＡ）（＝１０．３２
Ｎ・ｍ，Ｊｓ的最大转
矩＾Ｍ“＝１０．２２Ｎ・ｍ；
参考文献：
（３）Ｊ。的转矩相对于其他关节较小，原因是采
［１］
Ｙ（ｘ）ＮＹ。Ｒｕｓｎｓｈａｄｙ３Ｄ：ａｍｂｏｔｔｈａｔｃＩ；ｍｂｓ３Ｄ
用了电动缸结构．丝杆螺母传动可大大减小对驱动ｔｒｕｓｓｅｓ［Ｃ］∥ＩＥＥＥＩｎｔｅｍａｔＩｏｍｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ｏｎ
Ｒｏｂｏｔ—
电机的转矩要求，但是由于丝杆螺母传动效率低，导
ｉｃｓａｎｄ
ＡｕｔｏｆｒｍｔｉｏｌＬ
ＰＩｓｃａｔａｗａｙ．ＮＪ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．
致Ｊ。关节消耗的能量较多；
２００７：４０７１—４０７６．
（４）机器人系统能耗方面，在主材上两种步态攀［２］ＢＡＬＡＧｕＥＲＣ．ＧｌＭＥＮＥｚＡ．ＪＡＲＤＯＮＡｃｌｉｍｂ—
爬消耗的能量接近，但是在横担侧面和横担上表面ｊｎｇｍｂｏｔ’ｓｍｏｂｉｌｉｔｙｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｒｌｄｒｎａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆ３Ｄｃｏｍｐｌｅｘ
ｅｎｖｌｍｍｅｎｔ［Ｊ］．
Ａｕｔｏｎ讲ｎｏｕｓＲｏｂｏｔ．
攀爬时，采用扭转式步态所消耗的能量明显小于蠕２００５，１８（２）：１５７－１６９．
虫式步态．在以上６组试验中，蠕虫式步态攀爬横担［３］吴伟国，徐峰琳．空间桁架用双臂手移动机器人设计
上表面消耗能量最多（ｗＭ＾ｘ＝３５
８８９
ｒｎＪ），而扭转
与仿真分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００７（３）：１ｌｏ—１１２．式步态攀爬横担上表面消耗能量则最少（ｗｗｍ＝
ＷＵＷｅｉｇｕｏ，ＸＵＦｅｆＩｇｌｈＤｅｓｉｇｎ扑ｄｓｈｕｌａｔｉｏｎ８ｎａ卜
５２２６ｒｎＪ）．
ｙｓｉｓｏｆ
ａ
ｄｕａｌａｌＴｎ＆ｈａｎｄｓｍｏｂｉｌｅｒｏｈ北ｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅ
根据上述分析，机器人在铁塔上攀爬时主要分ｔ
ｒＩｌｓｓ口］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍ明ｕｆａｃｔｕｒｅ．２００７（３）：
３种情况；①在主材表面，此时两种步态均可，系统１１０－１１２．
能耗差异不大。蠕虫式步态攀爬时越障高度较高，而［４］
ＧｕＡＮＹｉｓｈｅｎｇ，ＪＩＡＮＧｕ
Ｍｅｃｈａ“ｃａｌ
ｄｅｓｉｇｎａｎｄ
扭转式步态的步距较大、速度快；②在横担侧面，扭ｂａｓｉｃａＩｌａｌｙｓｉｓｏｆａ
ｎ划ｕＩａｒ
ｒｏｂｏｔｗｉｔｈｓｐｅｃ甜ｃｌｉｍｂｉＩｌｇ
ａｎｄ
转式步态攀爬的电机转矩以及系统能耗都明显小于ｒｎａ伍ｐｕｌａｔｉｏｎ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ［ｃ］∥ＩＥＥＥＩｎｔｅｍａｔｉｏ啦ｌ
ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ０ｎ
Ｒ０ｂｏｔｉｃｓａｎｄ
蠕虫式步态；③在横担上表面，类似于在横担侧面，Ｂｉ硎眦ｔｊ他Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，
ＮＪ．ＵＳＡ：ＴＥＥＥ，２００７：５０２—５０７．
以扭转式攀爬为优．图９为机器人样机试验图．
［５］江励，管贻生，蔡传武，等．仿生攀爬机器人的步态分析
［Ｊ］．机械工程学报，２０ｌｏ，４６（１５）；１７・２２．
ＪＩＡＮＧ“，ＧＵＡＮＹｉｓｈｅｌｌｇ，ＣＡＩＣｈｕａｌｌｗｕ，ｅｔａＬ
Ｇａｉｔａｎａｌｙｓ诂ｏｆ
ａ
Ｊｏ哪ｌｒ帆ｌｂｉｏＨ讧ｍｅ６ｃｃｌＴｍｂｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｊ］－
ｏｆＭｅｃｈａ面ｃａｌ
Ｅｎｇｉｎ∞ｄｎｇ，Ｚ０１０，４６（１５）：１７一
Ｚ２．
［６］ｏｗＥＮ
ＲＰ．ＡｃｌｉｍｂｉＴｌｇｒｏｂｏｔｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃ—
ｔ＾ｃｉ２ｙ
ｐｙｌｏｒＩｓ［Ｄ］．ＢａＩｌｇｏｒ，ｕＫ：Ｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ０ｆ
Ｗａｌｅｓ．２００３．
［７］ＭＥＤＩＮＡ（１
ｃＩｊｍｂｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１－０２—１０］．
豳９机器人样机试验ｌ璺｜
ｈｔｔｐ：∥ａｒ｜ｅ１．ａｏｉ【／ｓｉｔｅｓ／Ｋ（ｘ；／ｉｎｄｅｘｐｈｐ／ｃｌｉｍｂｉｎｇ＿ｒｏ—
ｂｏｔ．
［８］
ｃＲＡＩＧＪＪ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｒｏｂｏｔｉｃｓ：ｍｅｃｈａｎ．ｃｓａｎｄ
５结论
ｃｏｎｔｍｌ［Ｍ］．ＵｐｐｅｒＳａｄｄｌｅ
Ｒｉｖｅｒｔ
ＮＪ．ｕｓＡ：Ｐｅａｒ５０ｎ
Ｅｄｕ∞ｔｉ。ｎＩｎｔｅｒＴｍｔｉｏｍＩ，２００５：６２－９３．
面向高压输电系统的检测及日常维护，本文提［９］陈立平，张云清．任卫群．等．机械系统动力学分析及
出了一种基于电磁吸附的关节式电力铁塔攀爬机器ＡＤＡＭｓ应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５：
人，分析了蠕虫式和扭转式两种攀爬步态，通过动力１１２一１７５
学仿真分析得到机器人各关节转矩及功率参数．仿
（编辑杜秀杰）
真结果表明，在铁塔的不同方位攀爬时应考虑系统
ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊ蛐ｃｎ
万方数据
电力铁塔攀爬机器人的步态分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
曹志华， 陆小龙， 赵世平， 王蕾， 梁恩志， 刘晓宇， CAO Zhihua， LU Xiaolong， ZHAO Shiping， WANG Lei， LIANG Enzhi， LIU Xiaoyu四川大学制造科学与工程学院,610065,成都西安交通大学学报
Journal of Xi'an Jiaotong University2011,45(8)
参考文献(9条)
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本文读者也读过(2条)
1. 倪修华. 陈维山. 刘军考. 石胜君. NI Xiu-hua. CHEN Wei-shan. LIU Jun-kao. SHI Sheng-jun 一种由人类步行启发的半被动双足步行机器人[期刊论文]-中南大学学报（自然科学版）2011,42(4)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xajtdxxb201108012.aspx
笫４５卷第８期
西安交通大学学报
ＶＯＬ４５ＮＱ８
２０１１年８月ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦⅪ７ＡＮＪ呶爪扑晒Ｉ肌Ｖ职Ｓｍｆ
Ａｕ舀２０ｌｌ
电力铁塔攀爬机器人的步态分析
曹志华，陆小龙，赵世平，王蕾，梁恩志，刘晓宇
（四川大学制造科学与工程学院，６１００６５，成都）
摘要：为了提高电力系统的自动化水平，减轻电力工人在检修高压输电系统时的劳动强度，同时保障
其人身安全，提出并设计了一种可以攀爬电力铁塔的５自由度关节式机器人，给出了机器人的Ｇ岫
模型，分析了其在铁塔两种位置攀爬过渡的能力．根据机器人机构特征，提出、分析和比较了蠕虫式和扭转式攀爬步态．蠕虫式攀爬步态即机器人本体的两连杆之间角度周期变化，两爪交替前进；扭转式
攀爬步态即机器人本体不动，爪部回转关节旋转１８０。使得机器人整体扭转半周．在机械系统动力学仿
真软件ＡＤＡＭｓ环境下，对机器人采用这两种步态在铁塔主材表面、横担侧面和上表面３种方位攀爬情况进行了仿真，计算和分析了不同情况下机器人各关节转矩和系统能耗，得出最适合铁塔各种方位的攀爬步态：在横担上攀爬时应采用能耗较小的扭转式步态，但是在主材表面攀爬时两种步态能耗接近，需考虑障碍类型选取合适的步态．仿真结果为机器人的攀爬步态规划及控制策略提供了依据，同
时样机试验结果也验证了两种攀爬步态的可行性．
关键词：攀爬机器人；运动学；步态分析；ＡＤＡＭＳ
中图分类号：Ⅲ）２４２文献标志码：Ａ文章编号：０２５３—９８７Ｘ（２０１１）０８－００６７叼６
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收稿日期：２０１１－０２—２３．作者简介：曹志华（１９８７一），男，硕士生；陆小龙（联系人），男，讲师．
基金项目：四川省科技计划资助
项目（２００８Ｇ动１５６）．网络出版时间：２０１１＿０７—１８
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／、＾＾ｌＩ，帆ｃｌｌ虹１１ｅｔ／ｋａｎｓ／ｄｅ切ｉｌ／６１．１０６９．Ｔ．２０１１０７１８．１７３０．００８．ｈ廿Ｉｌｌ
万方数据
西安交通大学学报
第４５卷
随着电力系统的不断扩建．为了提高电力系统自动化综合能力．针对电力系统检测和维护的攀爬和巡线机器人逐渐成为热门的研究之一．此类特种机器人
的出现大大减轻工人劳动强度，降低维护成本，创造了良好的经济效益和社会效益．电力铁塔攀爬机器人
成，手臂间的角度变化由电动缸的直线伸缩运动实现．机械手臂下端通过连接轴与爪部俯仰关节连接，手臂可绕俯仰关节轴旋转，实现越障功能．俯仰关节与爪部电磁铁之问配合带轮和３级齿轮传动，可实现机器人的转向功能．传动主要基于齿轮、蜗轮蜗杆和丝杆等机构，具有很好的自锁性．爪部下端采用双电磁铁吸附，单个电磁铁的吸附力为６０ｋ．吸附力产生的摩擦力既克服了重力的影响，同时也解决了转弯过程中的扭转转矩，确保机器人可靠的吸附于角钢
表面．
可以在铁塔各个区域攀爬，通过携带的传感器检测塔身及其附件的缺陷，其携带的清扫装置可以清扫绝缘子串，同时有一定负载能力的攀爬机器人可以背负巡线机器人至横担．后者分离至高压输电线进行巡检．
近年来，国内外针对电力铁塔和其他＝三维桁架攀爬机器人进行了大量的研究．文献［１］研制的自重构机器人Ｓｈａｄｙ３Ｄ可以攀爬由细长方形截面杆构成的空间桁架；文献［２］设计的六自由度两臂关节式机器人ＲＯＭＡＩ．可以攀爬由矩形或工字形截面钢材构成的桁架桥梁；文献［３］提出能在空间桁架内外攀爬、穿
行移动的双手抓握双臂移动机器人，通过更换夹具可
以实现在空间桁架中移动；文献［４—５］研究的模块化机器人，可以攀爬杆、桁架和树木等多种对象；文献［６］研制了一款２自由度电磁吸附式电力铁塔攀爬机器人．可以实现伸缩转向运动，但是不具有越障功能；文献［７］研制了一款８自由度微型爬铁塔机器人，小巧灵活。具备越障功能．
文献［１—５］所述机器人均采用串联式关节型机构．具有较好的灵活性，其中华南理工大学提出的攀爬机器人只需５个自由度．在合理的路径规划下便可以实现三维空间内自由攀爬．但是，以上攀爬机器人存在一个共同的特点：攀爬对象多为规则杆件，例如圆柱杆、工字钢及矩形截面杆等，并不能攀爬由非规则形状且参数不一的角钢组成的铁塔．威尔士班戈大学研制的机器人可以攀爬铁塔，但是受自由度限制只
能实现平面内攀爬；以色列艾瑞尔中心大学的机器人
圜豳
（ａ）机器人的ｃＡＤ模型
（协结构简图
图ｌ铁塔攀爬机器人的ｃＡＤ模型和结构简图
２机器人攀爬过渡运动分析
机器人攀爬时，一端爪部的电磁铁吸附角钢以支撑整个系统，另一端爪部运动到目标位置和姿态进行吸附，吸附后松开前一爪部，两个爪部交替吸附，实现攀爬过程．本文针对机器人左爪吸附、右爪作为操作器寻找目标点的过程进行分析，右爪相对于左爪的位
姿可以用一个矩阵来描述・即１＇一［：：：：］．其
中（Ｈ．ｏ．ｎ）描述右爪的姿态矢量，ｐ为右爪的位置矢
量嗍．
属微型机器人，负载能力差．本文针对目前在输电系统中应用最广泛的由角钢组成的格子形桁架铁塔，提出了一种５自由度关节式电力铁塔攀爬机器人，采用电磁吸附，体积小，结构紧凑，具备转向和越障能力，可以实现电力铁塔表面任意位置的攀爬．
文章主要对机器人的机械结构、运动学及攀爬步态进行了分析，通过仿真计算和比较了两种步态攀爬铁塔不同方位下各关节的转矩以及系统的能耗．为机器人的攀爬步态规划提供了依据．
考虑到两机械手臂之间的角度变化与电动缸的状态存在一一对应的关系，在运动学分析过程中，假设机械手臂间直接由转动关节组成．基于机器人运动学分析的ＤＨ方法，建立了如图２所示的机器人的初始姿态和坐标系，得到了表ｌ所示的机器人各连杆参数．定义Ｚ－１为将坐标系（ｆ｝中的矢量变换成在坐
标系｛ｉ一１）中的描述，霉“的表达式为
Ｔｆｌ＝
—ｓｊｎ酯
Ｏ
口卜ｌ
删
ｓｉｒ以ｃｏｓ“，ｓｉｎＢｓｉｍ广．
０
１机器人机构设计
图ｌ所示为铁塔攀爬机器人的ｃＡＤ模型和结构简图．机器人主体由铰接在一起的两个机械手臂组
ｃｏｓａｃｏｓ口，
ｃｏｓＢｓｉｍｒ．
０
—ｓｌ撒ｒＩ
—ｓｉｍｒ．１反∞Ｓ％ｌ口．
ｃｏ‰１
０
ｈｎｐ：∥ｗｗｗｊｄｘｈ
ｃｌｌ
万方数据
第８期
曹志华，等：电力铁塔攀爬机器人的步态分析
表１机器人连杆ＤＨ参数
图２机器人运动学模型
示为右爪坐标系｛５）相对于参考坐标系的位姿可以表
，ｋＤ工口ｚ口ｙｎ。
夕ｚ
’ｆｌ
ｃ５ｆ２３４＋ｓｌ岛一ｆ１岛晚３４＋ｓｌｃ５一Ｓｌ岛Ｑ３４一Ｃ１ｃ５
一岛＆３４
０
一ｆｌ鼢４一ｓ１ｃ２３４
ｃ２３４０
ｆｌ（如Ｑ３＋豇２１）ｓｌ（易Ｑ３＋Ｚ１ｆ２）Ｚ２＆３＋Ｚ１现３
１
霹＝矸配霹曩霹＝
吩Ｄ，
咒ｚ
Ｏ：
户ｙ夕：
１
一Ｃ１５５ｃ２３４一Ｃ１岛
ｆ５＆３４Ｏ
０ＯＯ
等式两边依次左乘矩阵（Ｚ＿１）～，对各个关节变量进行解耦，分别求出（尻，岛，岛，吼，侥）５个关节变量
品＝Ａｔａｎ２（丸，Ａ）；或岛一Ａｔａｎ２（一岛，一Ａ）
岛一Ａｔａｎ２（土（１一舻）１佗，忌）晓３一Ａｔａｎ２（Ｚ１ｆ３＋Ｚ２，一Ｚｌ如）士
√一
（ａ）初始状态（ｂ）右爪抬起向前（ｃ）右爪吸附（ｄ）左爪向前
图３蠕虫式攀爬步态
Ａｔａｎ２（（蹭＋蹭＋２ｚｌ如ｆ３一镤））“２，幺）
晓＝晓３一岛良一Ａｔａ】汜（口，６）
岛一Ａｔａｎ２（邺１一ｖｌ，¨ｌ一叩１）
或式中
ｃ１＝＝００ｓ岛；５１一Ｓｉｎ岛；Ｑ３４＝＝ｃｏｓ（岛＋岛＋只）
＆３４＝ｓｉｎ（易＋岛＋良）
一
岛一Ａｔａｎ２（一＂１＋ｖｌ，一叫１＋叩１）
（２）右爪电磁铁断电松开，，ｚ保持不变，电动缸
伸长使Ｊ。从岛增大至矾，同时Ｊ。旋转，使得右爪与角钢平行，跨越如图所示的障碍物．
（３）电动缸静止保持以不变，Ｊｚ旋至以，，。旋转
矗一窿±区±筵二蟹二堡
２ＺｌＺ２
使得钒＝以，右爪吸附，在此过程中，鸥＝２△岛．
（４）左爪电磁铁断电松开，Ｊｚ√ｔ分别旋转至初
始角度（晓，只），电动缸收缩使Ｊ。变为初始角度岛，复
口＝ｃｌｆ２３如＋ｓｌｃ２３ｑ＋＆３如６一ｃ１＆３如＋町＆３如一ｆ２３啦
当解出的（伪，晓，岛，鼠，岛）的值分别都在各关节
位后左爪电磁铁吸附，完成一个攀爬运动周期．
机器人采用蠕虫式攀爬时，一个运动周期内移动
距离为
的取值范围内时，机器人可实现右爪对角钢表面的吸附，从而实现攀爬动作的转换．
３机器人攀爬步态分析
根据机器人构型的特点，在攀爬时可采用两种攀
△Ｌ—Ｌ一厶：２ｚｆｓｉｎ譬一００ｓ鲁）
、
（１）
厶
厶，
Ｊ３的转动范围为３０。～１２０。，即侥，矿３∈（３０。，１２０。），代入式（１）可得
Ｏ＜△Ｌ＜１．２１Ｚ
采用蠕虫式攀爬时，机器人具有很好的越障能力，如图３所示可以轻松跨越一般的障碍，其爪部最
爬步态：蠕虫式攀爬和扭转式攀爬．第一种为蠕虫式
攀爬，如图３所示．攀爬步骤如下．
（１）机器人位于初始位置，左爪和右爪都吸附于
角钢上，伪一侥＝ｏ。，硷＋晚一１８０。，两爪距离为ｋ．
万方数据
ｈｌｔｐ：∥ｗ喊ｊｄｘｈ饥
西安交通大学学报
第４５卷
大抬起高度为Ｈ＝ｚ（ｃｏｓ告一ｃｏｓ（以一譬）），由上述
推导可知
方向，可以将机器人在铁塔上的攀爬表面分为主材
表面、横担侧面以及横担上表面，如图５所示．在主材表面攀爬时，重力加速度方向与攀爬方向重合；在横担侧面攀爬时，重力加速度方向垂直于攀爬方向，并且二者同处于横担侧面内；在横担上表面攀爬时，
重力加速度方向垂直于攀爬方向所在的横担上表面．
０＜Ｈ＜１．２２ｆ
第二种为扭转式攀爬，见图４．攀爬步骤如下．（１）机器人位于初始位置，左爪和右爪都吸附于
角钢上，Ｊ。初始值为岛，两爪距离为Ｌ
（２）左爪电磁铁断电松开，＾、Ｊ３保持不变，Ｊ。旋转至颤，使得左爪抬离角钢，避免扭转过程中与角钢
上的障碍干涉．
为了使不同的攀爬步态具有可比性，假设机器人在铁塔不同方位以两种步态在相同的时间内攀爬相同的距离［５］．在仿真中，设定机器人在２０ｓ内攀
爬３００ｍｍ（图３所示ｚ＝３００ｍｍ）．在蠕虫式攀爬
（３）＾旋转１８０。．机器人整体旋转１８０。．
（４），ｔ旋转至初始值反，使得左爪平行接触角钢，接着左爪电磁铁吸附，完成一个攀爬运动周期．
时，如从初始值３０６变到９９。，晚、口。从初始值７５。变到４０．５。；在扭转式攀爬时，以的初始值为６０。，吼从
初始值６０。变到７５。．图６所示为机器人在主材上攀
剁ｄ刽钭
（ａ）初始状态（ｂ）左爪抬起（ｃ）回转关节旋转半周（ｄ）左爪复位
图４扭转式攀爬步态
爬的一个场景．机器人在主材上分别以蠕虫式和扭转式攀爬时各起作用关节的转矩和功率曲线如图
７、图８所示．
由图７可知，各关节的转矩曲线都有一定程度的波动．这是因为爪部电磁铁与角钢是刚性接触，各部件运动的过程中会使整个系统产生一定的抖动，导致输出的转矩曲线不平稳，但是对仿真结果并无
影响．图７ｅ、图７ｆ和图８ａ、图８ｂ所示为Ｊ。在不同攀
机器人采用扭转式攀爬时，一个运动周期内移
口
爬步态下的转矩和功率曲线，有较大的差别．
动距离为△Ｌ—Ｌ＝２ｚｓｉｎ譬，其中乳∈（３０。，１２０。），
‘
可得
０．５２Ｚ＜△Ｌ＜１．７３Ｚ
爪部最大抬起高度Ｈ—ｆｓｉｎ（以一吼），其中吼，以∈
（３０。，９０。），可得
Ｏ＜Ｈ＜０．８７Ｚ
比较上述两种攀爬步态可知：蠕虫式攀爬单个运动周期内活动关节多，对整体的协调运作要求高，爪部抬起高度较大；扭转式攀爬过程简单，移动距离较大，但是爪部旋转关节转动角度大．
４攀爬过程仿真分析
机器人以两种不同的攀爬步态攀爬时，起作用的关节不相同，关节的转矩以及机器人系统的能耗也会有所不同．下面，通过仿真进行比较分析，得到
具有实际意义的攀爬步态．
在ＡＤＡＭｓ／ｖｉｅｗ环境下【９］，对机器人处于铁塔的不同方位以不同步态攀爬过程进行仿真．按照
图６
ＡＤＡＭｓ环境下的攀爬仿真
铁塔的构型，根据重力加速度相对于机器人的攀爬
ｈｎｐ：∥ｍｊｄｘｈ
万方数据
ｃｎ
第８期瞢志华，等：电力铁塔攀爬机器人的步态分析
７１
机器人在铁塔的不同方位攀爬时，即使是以相同的步态进行攀爬，各关节所需的转矩和系统能耗都会存在很大的区别．下面，对机器人在３种方位下
拿１
分别以两种步态进行攀爬的过程进行仿真试验，记
录了这６组试验中机器人各关节最大转矩、能耗以及系统能耗，如表２和表３所示．
螽
癣
乏
蚕斗
（ａ）关节Ｊ２的驱动转矩
静
雷需群
囊３０
辩２０
：篁ｉ：
《
謇∞
哼Ｏ
５
１０
Ⅳ０
１５２０
（ｂ）关节．，２的驱动功率
晕
（ｃ）关节．，。的驱动转矩
垂ｉ；
墓一釜！
量
样
蟊
亲ｊ：兽一乏
ｆ，ｏ
（ｄ）关节Ｊ。的驱动功率
１、，盲
总计
位置
总计
争７・
一
蚕一
哼一
（ｅ）关节，ｔ的驱动转矩
（ｆ）关节．，ｔ的驱动功率
图７蠕虫式步态中关节．，ｚ、＿ｒｓ√。的驱动转矩和功率变化
表２以蠕虫式步态在铁塔不同方位攀爬时各关节的转矩和系统能耗
主材
横担侧面
横担上表面
最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｒｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｒｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ
能耗／ｒｎＪ
１７８６９
３２７２７
３５８８９
表３以扭转式步态在铁塔不同方位攀爬时各关节的转矩和系统能耗
主材
横担侧面
横担上表面
最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｎｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ能耗／ｒｎＪ最大转矩／Ｎ・ｍ
能耗／ｒｎＪ
２０４６９１８４９３
５２２６
蚕ｓ・
ｊｊ车３・
参目
阜Ｏ
蟊
霄臀罄碍一
蚕：
醣
（ａ）关节．，ｔ的驱动转矩
蠢；
心ｌＯ
Ｏ
５
ｌＯⅣ０
１５
２０
＊雷需
薛
芝
ｔ
Ｏ
５
ｌＯｔＩｔ
１５
２０
（ｂ）关节．，。的驱动功率（ｃ）关节Ｊｓ的驱动转矩
（ｄ）关节＿，ｓ的驱动功率
图８扭转式步态中关节．，ｔ、．，ｓ的转矩和功率变化
ｈｔｔｐ：∥ｗ毗ｊｄ】（ｈ∞
万方数据
７２
西安交通大学学报
第４５卷
从以上６组试验结果可以得出：
能耗和攀爬环境采取合适的步态，为机器人的路径（１）采用蠕虫式步态沿铁塔不同方位攀爬时，规划和精确控制提供了理论依据．以上述理论为依，２的最大转矩Ｔ２Ｍ“一２５．０３Ｎ・ｍ．Ｊａ的最大
据设计了一款攀爬机器人样机，分别对机器人采用转矩Ｔ３ＭＡｘ＝ｏ．２３Ｎ・ｍ，，。的最大转矩Ｔ４Ｍ“＝
两种步态在铁塔各方位攀爬进行试验，取得了良好４３．８１Ｎ・ｍ：
的效果，验证了机器人设计中各参数的合理性及两（２）采用扭转式步态沿铁塔不同方位攀爬时，种攀爬步态的可行性．
Ｊ一的最大转矩ＬＭＡ）（＝１０．３２
Ｎ・ｍ，Ｊｓ的最大转
矩＾Ｍ“＝１０．２２Ｎ・ｍ；
参考文献：
（３）Ｊ。的转矩相对于其他关节较小，原因是采
［１］
Ｙ（ｘ）ＮＹ。Ｒｕｓｎｓｈａｄｙ３Ｄ：ａｍｂｏｔｔｈａｔｃＩ；ｍｂｓ３Ｄ
用了电动缸结构．丝杆螺母传动可大大减小对驱动ｔｒｕｓｓｅｓ［Ｃ］∥ＩＥＥＥＩｎｔｅｍａｔＩｏｍｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
ｏｎ
Ｒｏｂｏｔ—
电机的转矩要求，但是由于丝杆螺母传动效率低，导
ｉｃｓａｎｄ
ＡｕｔｏｆｒｍｔｉｏｌＬ
ＰＩｓｃａｔａｗａｙ．ＮＪ，ＵＳＡ：ＩＥＥＥ．
致Ｊ。关节消耗的能量较多；
２００７：４０７１—４０７６．
（４）机器人系统能耗方面，在主材上两种步态攀［２］ＢＡＬＡＧｕＥＲＣ．ＧｌＭＥＮＥｚＡ．ＪＡＲＤＯＮＡｃｌｉｍｂ—
爬消耗的能量接近，但是在横担侧面和横担上表面ｊｎｇｍｂｏｔ’ｓｍｏｂｉｌｉｔｙｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｒｌｄｒｎａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆ３Ｄｃｏｍｐｌｅｘ
ｅｎｖｌｍｍｅｎｔ［Ｊ］．
Ａｕｔｏｎ讲ｎｏｕｓＲｏｂｏｔ．
攀爬时，采用扭转式步态所消耗的能量明显小于蠕２００５，１８（２）：１５７－１６９．
虫式步态．在以上６组试验中，蠕虫式步态攀爬横担［３］吴伟国，徐峰琳．空间桁架用双臂手移动机器人设计
上表面消耗能量最多（ｗＭ＾ｘ＝３５
８８９
ｒｎＪ），而扭转
与仿真分析［Ｊ］．机械设计与制造，２００７（３）：１ｌｏ—１１２．式步态攀爬横担上表面消耗能量则最少（ｗｗｍ＝
ＷＵＷｅｉｇｕｏ，ＸＵＦｅｆＩｇｌｈＤｅｓｉｇｎ扑ｄｓｈｕｌａｔｉｏｎ８ｎａ卜
５２２６ｒｎＪ）．
ｙｓｉｓｏｆ
ａ
ｄｕａｌａｌＴｎ＆ｈａｎｄｓｍｏｂｉｌｅｒｏｈ北ｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅ
根据上述分析，机器人在铁塔上攀爬时主要分ｔ
ｒＩｌｓｓ口］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍ明ｕｆａｃｔｕｒｅ．２００７（３）：
３种情况；①在主材表面，此时两种步态均可，系统１１０－１１２．
能耗差异不大。蠕虫式步态攀爬时越障高度较高，而［４］
ＧｕＡＮＹｉｓｈｅｎｇ，ＪＩＡＮＧｕ
Ｍｅｃｈａ“ｃａｌ
ｄｅｓｉｇｎａｎｄ
扭转式步态的步距较大、速度快；②在横担侧面，扭ｂａｓｉｃａＩｌａｌｙｓｉｓｏｆａ
ｎ划ｕＩａｒ
ｒｏｂｏｔｗｉｔｈｓｐｅｃ甜ｃｌｉｍｂｉＩｌｇ
ａｎｄ
转式步态攀爬的电机转矩以及系统能耗都明显小于ｒｎａ伍ｐｕｌａｔｉｏｎ
ｆｕｎｃｔｉｏｎ［ｃ］∥ＩＥＥＥＩｎｔｅｍａｔｉｏ啦ｌ
ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ０ｎ
Ｒ０ｂｏｔｉｃｓａｎｄ
蠕虫式步态；③在横担上表面，类似于在横担侧面，Ｂｉ硎眦ｔｊ他Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，
ＮＪ．ＵＳＡ：ＴＥＥＥ，２００７：５０２—５０７．
以扭转式攀爬为优．图９为机器人样机试验图．
［５］江励，管贻生，蔡传武，等．仿生攀爬机器人的步态分析
［Ｊ］．机械工程学报，２０ｌｏ，４６（１５）；１７・２２．
ＪＩＡＮＧ“，ＧＵＡＮＹｉｓｈｅｌｌｇ，ＣＡＩＣｈｕａｌｌｗｕ，ｅｔａＬ
Ｇａｉｔａｎａｌｙｓ诂ｏｆ
ａ
Ｊｏ哪ｌｒ帆ｌｂｉｏＨ讧ｍｅ６ｃｃｌＴｍｂｉｎｇｒｏｂｏｔ［Ｊ］－
ｏｆＭｅｃｈａ面ｃａｌ
Ｅｎｇｉｎ∞ｄｎｇ，Ｚ０１０，４６（１５）：１７一
Ｚ２．
［６］ｏｗＥＮ
ＲＰ．ＡｃｌｉｍｂｉＴｌｇｒｏｂｏｔｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃ—
ｔ＾ｃｉ２ｙ
ｐｙｌｏｒＩｓ［Ｄ］．ＢａＩｌｇｏｒ，ｕＫ：Ｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ０ｆ
Ｗａｌｅｓ．２００３．
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ｃＩｊｍｂｉｎｇ
ｒｏｂｏｔ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１１－０２—１０］．
豳９机器人样机试验ｌ璺｜
ｈｔｔｐ：∥ａｒ｜ｅ１．ａｏｉ【／ｓｉｔｅｓ／Ｋ（ｘ；／ｉｎｄｅｘｐｈｐ／ｃｌｉｍｂｉｎｇ＿ｒｏ—
ｂｏｔ．
［８］
ｃＲＡＩＧＪＪ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｒｏｂｏｔｉｃｓ：ｍｅｃｈａｎ．ｃｓａｎｄ
５结论
ｃｏｎｔｍｌ［Ｍ］．ＵｐｐｅｒＳａｄｄｌｅ
Ｒｉｖｅｒｔ
ＮＪ．ｕｓＡ：Ｐｅａｒ５０ｎ
Ｅｄｕ∞ｔｉ。ｎＩｎｔｅｒＴｍｔｉｏｍＩ，２００５：６２－９３．
面向高压输电系统的检测及日常维护，本文提［９］陈立平，张云清．任卫群．等．机械系统动力学分析及
出了一种基于电磁吸附的关节式电力铁塔攀爬机器ＡＤＡＭｓ应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５：
人，分析了蠕虫式和扭转式两种攀爬步态，通过动力１１２一１７５
学仿真分析得到机器人各关节转矩及功率参数．仿
（编辑杜秀杰）
真结果表明，在铁塔的不同方位攀爬时应考虑系统
ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｊ蛐ｃｎ
万方数据
电力铁塔攀爬机器人的步态分析
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
曹志华， 陆小龙， 赵世平， 王蕾， 梁恩志， 刘晓宇， CAO Zhihua， LU Xiaolong， ZHAO Shiping， WANG Lei， LIANG Enzhi， LIU Xiaoyu四川大学制造科学与工程学院,610065,成都西安交通大学学报
Journal of Xi'an Jiaotong University2011,45(8)
参考文献(9条)
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