【摘 要】
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我国作为电力能源需求大国,输电角钢塔架设数量多且分布范围广,角钢塔组塔施工与电力巡检的关键一步就是紧固螺栓,确保螺栓连接的可靠性。目前螺栓紧固的工作主要依靠人工作业,存在紧固力矩不达标且一致性差的缺陷。为了解决这一问题,本文研制了一种角钢塔塔身螺栓紧固机器人,它在自主攀爬角钢的基础上,搭载螺栓识别摄像头与拧螺栓电动扳手,完成识别定位并拧紧螺栓的任务,可以应用于组塔阶段已预紧螺栓的紧固,以及电力巡检
【基金项目】
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国家电网的横向课题-角钢塔塔身螺栓紧固机器人研究项目
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我国作为电力能源需求大国,输电角钢塔架设数量多且分布范围广,角钢塔组塔施工与电力巡检的关键一步就是紧固螺栓,确保螺栓连接的可靠性。目前螺栓紧固的工作主要依靠人工作业,存在紧固力矩不达标且一致性差的缺陷。为了解决这一问题,本文研制了一种角钢塔塔身螺栓紧固机器人,它在自主攀爬角钢的基础上,搭载螺栓识别摄像头与拧螺栓电动扳手,完成识别定位并拧紧螺栓的任务,可以应用于组塔阶段已预紧螺栓的紧固,以及电力巡检中的螺栓紧固。主要研究内容包括:（1）分析机器人的作业环境与作业范围,确定功能需求及设计指标;分析机器人攀爬机构的运动方式、静态定位方式及驱动方式,确定本论文机器人采用电机驱动的多足机械夹持式攀爬机构;分析螺栓拧紧控制技术,确定机器人所需电动扳手采用扭矩法拧紧控制;分析控制方案,确定了以PLC为核心的机器人控制系统。（2）以总体方案为基础设计机器人机械结构,经过四个版本的迭代优化,设计了一种新型步进式仿生攀爬拧螺栓机器人。针对角钢结构特点设计了一种环抱型夹爪机构;针对角钢塔表面障碍物设计了一种单肢上升、跨越式越障的越障机构;针对角钢表面螺栓分布特点设计了一种可搭载拧螺栓扳手的支架与驱动装置。（3）通过对机器人攀爬过程中的极限受力位置受力分析,确定了夹持机构受力参数;利用有限元仿真软件仿真机器人关键受力位置,确定了受力薄弱环节,优化了各部分结构。对机器人整体进行有限元仿真,根据静力学与模态分析结果进行了结构优化,提高了机器人的刚度和强度。对机器人拧紧螺栓的工作状态进行了模态分析,确定了其固有频率与扳手激励频率存在一定间隔,保证机器人工作时不会发生共振。（4）根据机器人控制系统需求,确定了控制系统总体设计方案与硬件间交互方式。通过对控制系统硬件部分设计选型与通信方案对比,确定了硬件间的通信方式;通过对机器人的作业流程进行详细分解,确定了机器人的控制逻辑;分析机器人的运行状态,设计开发了PLC程序以及HMI人机界面。（5）搭建机器人的实验平台,开展样机实验,验证了机器人各部分结构设计的合理性以及控制系统的可靠性,根据实验结果提出了进一步的优化设计方案。
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