一種電纜檢測機器人的結構設計與分析

石柯，夏斌，卞慶隆，陳金燈，阮文俊

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥230009）

0 引 言

電纜溝是用來鋪設電纜設施的地下管道。基于防火隔斷的需求，一般在電纜與建筑物的出口處，電纜溝直線每隔30～60 m處，都必須設置一堵防火墻。檢測機器人穿越防火墻的唯一通道就是防火墻下的排水溝。據了解，目前電纜檢測機器人主要有地面式和軌道式兩種[1]。如深圳供電局研發的電纜溝巡檢機器人，采用履帶式行走機構，體積較大，只能在小范圍內執行巡檢工作；再如美國華盛頓大學研制的“巡游者”地下檢測機器人，該機器人通過沿著電纜爬行的方式進行工作，難以適應國內狹小的電纜溝環境[2]。

本文介紹了一種新型電纜檢測機器。該機器人適用于電纜溝的長距離檢測。得益于一種新型轉向方式，該機器人可以實現在溝槽外部完成原地轉向，更好地適應狹小的電纜溝環境。

1 機器人的總裝結構

機器人總體結構如圖1所示，可伸縮驅動裝置如圖2所示。

圖1 總裝結構圖

圖2 可伸縮驅動裝置軸視圖

2 機器人的整機系統

電纜檢測機器人的主體可分為驅動系統、抬升系統、轉向系統和控制系統[3]。

2.1 驅動系統

為了實現既能在排水溝內行走，又能在排水溝外行走的特性，檢測機器人必須裝配有至少2對輪距可調的行進輪。

驅動系統由驅動機構和伸縮調整機構組成，如圖2、圖3所示。驅動機構包括驅動軸、驅動齒輪和一對車輪；伸縮調整機構包括調整電動機、一對傳動齒輪、螺桿軸和一對Z形曲軸機構。

當機器人在溝內行走時，調整電動機10控制螺桿軸14旋轉，使得兩側車輪軸向距離收縮，此時裝置具有一般的驅動功能；當檢測機器人需要在溝外行走時，較小的輪距無法繼續前進，調整電動機10控制螺桿軸14反向旋轉，使得兩側車輪處于伸長狀態，輪距變大，使裝置可以繼續前進。這種驅動系統使得機構同時具有了伸縮功能和驅動功能，提高了巡檢機器人的越障性能。

2.2 抬升系統

為了達到使原先在電纜溝內行走的機器人能夠轉移到電纜溝外來行走，檢測機器人必須裝備有抬升車身的裝置。抬升系統由低速步進電動機、螺紋絲桿、剪叉式升降桿組和底盤等組成。低速步進電動機用來轉動絲桿，隨著絲桿的轉動，剪叉式升降桿組能夠實現縮短和伸長[4]。底盤用來保證機器人升降時的車身穩定，并提供與旋轉力矩相平衡的摩擦力矩，實現車身的精準轉向。

2.3 轉向系統

轉向系統由轉向減速電動機和支撐架等組成。轉向減速電動機由控制模塊控制，可以實現車身主體和支撐架之間的相對轉動。通過對轉向減速電動機通以不同方向的電流，可以實現車身相對于支撐架在不同方向上的相對旋轉，從而達到控制檢測機器人實現左、右轉彎的性能要求。

2.4 控制系統

行走轉向機構的控制系統分為軟件系統和硬件系統。軟件系統采用C語言編寫控制程序，硬件系統包括：

1）主控系統。它由控制器和無線收發模塊組成?？刂破鳛镾TM32F407高性能微控制器，接收傳感器采集來的信號并發出對應的指令。無線收發模塊接收地面控制系統發出的控制信號，同時將信號輸送給控制器。

2）傳感器。行走機構有激光測距傳感器，用于實時采集車身與溝壁及溝道拐角的距離。

3）驅動系統。它包括驅動電動機、升降電動機、直驅旋轉舵機，以及電動機驅動模塊。直驅旋轉舵機是由控制器通過總線TTL直接發送命令；驅動電動機和升降電動機均為直流電動機，接入驅動模塊再由控制器完成控制[5]。

圖3 控制系統結構

3 機器人的工作原理

3.1 穿越防火墻過程

機器人穿越防火墻過程如圖4所示?？拷阑饓螅瑱C器人轉為溝內行走。兩車身連接處的電動機旋轉，使車身呈一條直線狀態，穿過位于防火墻底部的孔洞。穿越后，車身抬升，重新回到溝外行走。

3.2 溝內外行進方式的轉變

由溝內行走轉變為溝外行走具體分為三步：第1步，車身抬升裝置將車身抬高，使可調輪距輪組有足夠高度伸長；第2步，調整電動機轉動絲桿，使可調輪距輪組的輪距加大；第3步，車身抬升裝置中的電動機反轉，收起剪叉式升降桿組。只要將上述步驟倒序運作，就能實現溝內行走轉變為溝外行走的轉變。將以上過程反轉，則可實現從溝外行走轉變為溝內行走方式。

3.3 原地轉彎過程

巡檢機器人原地轉彎過程具體可分為三步：第一步，巡檢機器人在溝外行走，直至當抬升底盤行進至路口中心時，抬升裝置運作，車身升起；第二步，轉向裝置工作，使車身實現90°轉向；第三步，控制系統控制電動機收回剪叉式升降機構。這就實現了巡檢機器人的原地轉向。

圖4 機器人穿越防火墻過程

圖5 原地轉彎過程

4 運動穩定性分析

4.1 抬升穩定性分析

本機器人主要由前后兩個車身組成。在進行對電纜的安全檢測時，需要機器人將前部車身抬升，使得安裝在最前端的紅外熱像儀能夠對上方的電纜進行溫度測量。為此，本機器人在抬升前部車身時，需要保持車身的穩定性，不能發生傾覆[6]。機器人受力分析如圖6所示。

圖6 受力分析圖

圖中O點為前輪位置，當前端抬升時，該處受主要作用力，對其進行受力分析，轉化為平面匯交力系分析，在計算力矩時，先不考慮支反力的力矩，所得約束方程如下:

設前端第一車身力的作用點在其重心上，第一車身和水平面的夾角記為θ。第二車身被前輪分為兩部分，力的作用點在前輪兩側。G1、G2、G3分別表示第二車身后段、第二車身前段和第一車身的重力；L2、L1表示第二車身前后兩段重力的作用點到O點的距離；L3表示第一車身重心到兩車身鉸接處的距離，可以得出：

G1、G2、G3分別為8000 N、800 N和2000 N，L1、L2、L3分別為400 mm、50 mm和300 mm，將以上數據代入式(3)、式(4),得出：F0=10800 N，cosθ＞1。

通過計算可知，在臨界平衡狀態下，夾角θ的余弦值大于1，而實際上cosθ小于1，所以在式(4)中，無論cosθ為何值，等式左邊始終小于等式右邊。結果說明，在任意抬升狀態下，機器人均可以保持穩定。

4.2 旋轉穩定性分析

本機器人在完成旋轉動作時，抬升底盤與地面間必須提供能夠與車身轉向轉矩相抵消的摩擦力矩，才能保證車身旋轉時底盤與地面不會發生相對滑動，造成轉向角度誤差[7]。

式中：M1為車身旋轉轉矩；N為旋轉電動機功率；ω為車身旋轉的角速度。

式中：M2為抬升底盤所能提供的最大摩擦轉矩；μ為底盤表面與地面間的摩擦因數；G為車身總重力。

經驗證，M2＞M1，故車身旋轉時底盤不會發生轉動。

5 結 論

設計了一種新型電纜檢測機器人，介紹了機器人的主體結構與工作過程。針對機器人的兩種特殊狀態進行運動分析。結果表明：該機器人結構設計合理，運行時平穩可靠，能夠完成日常電纜檢測任務。與現存的電纜檢測機器人相比，該機器人的優勢在于能夠穿越電纜溝中的防火墻。該機器人以其獨特的功能，豐富了電纜檢測機器人的種類，為電纜日常檢測工作提供了便利，同時推動了國家電網智能化的建設。