雙云臺快速移動軌道巡檢機器人的研究

謝一源 郭凱 羅立軒 翁鈺 朱煜銘 朱蓉

摘要：在移動類機器人的研究領域，軌道類巡檢機器人是典型的特種移動機器人在對安全性有一定要求的場合應用最為廣泛，電力巡檢機器人是國內外機器人領域的研究熱點。但目前的軌道機器人大多數為水平或垂直的運動巡檢，其大多是沿用了自行走輸送機器人的工字型軌道。存在重量大，價格高，不易實現小半徑轉彎的情況，在電力機房等設備密集的場合，較難滿足實際需求。市場上也有環形或S型可過彎的巡檢機器人，但受機器人底盤結構的限制，需用配套的異性軌道才能實現過彎，且運行速度較為緩慢，檢測質量分散。機器人底盤的運動性能是其工作效率的基礎，本篇為解決上述的問題，通過改變傳統的軌道機器人的底盤結構，對其運動方式進行創新，使其實現快速移動、精準定位、順暢過彎的效果。并要求其適應簡單形狀的軌道，降低軌道的鋪設成本，最終設計出一款輕便，高效的軌道巡檢機器人。

關鍵詞：軌道巡檢;運動快速;彎道自適應;雙360°云臺

在移動類機器人的研究領域，軌道類巡檢機器人是典型的特種移動機器人。在對安全性有一定要求的場合應用最為廣泛，電力巡檢機器人是國內外機器人領域的研究熱點。本篇文章論述了通過改變傳統的軌道機器人的底盤結構，對其運動方式進行創新，使其實現快速移動，精準定位，順暢過彎的效果，并要求其適應簡單形狀的軌道，降低軌道的鋪設成本，最終設計出一款輕便高效的軌道巡檢機器人，并創造了多種設計方法，為類似機器人的研發提供了新的思路。

1 研發背景與意義

目前國內外范圍，智能巡檢機器人是安防智能化、立體化、移動化的最佳載體。其工作環境大致在電力設備、園區倉儲、化工產業、地下管廊，其功能大致相同即代替人類完成基礎性、重復性、危險性的工作。在新常態下，化工的發展更需要智能制造，也更需要拓展應用工業智能機器人。化工的很多生產工作區域是危險和有毒的，人進不去，巡檢作業需要智能機器人來完成;再就是化工事故后的搶險救災，所以該領域的機器人需要更靈活多變的運行方式。雖然國外化工設備巡檢機器人的研究起步較早，但仍有許多關鍵性問題等待解決，研究潛力非常的大。2015年國務院允許民營資本進入城市基礎設施建設，我國管廊建設已經進入如火如荼的階段。截止目前，多個城市試點已基本完成，這一大前提下，新一代的軌道巡檢類的機器人便應運而生。它不僅代替了人工低效的巡檢方式，在及時發現和消除設備缺陷，預防事故發生，確保設備安全運行等方面發揮了一定的作用，以及在石化行業環境勘探、危險作業、隱患排查、事故救援中發揮不可替代的作用。

現如今全球的機器人發展已逐漸產業化，同類型機器人之間性能的競爭也越來越大，中國已成為全球最大的機器人應用和消費國。而作為特種機器人代表的巡檢機器人更是目前機器人行業發展領域的主打產品，它的發展前景更是不可限量。

2需求分析

針對巡檢機器人的各方面需求，我們主要從機器人底盤、機器人云臺、機器人軌道進行分析。

2.1 具體需求

軌道式機器人底盤應具有更快的移動速度和更大的地形適應能力，同時還得兼具體積小重量輕、使用方便等特點。將底盤需求分為以下幾點：（1）底盤擁有比傳統軌道機器人更快的移動速度;（2）機器人在換向時候擁有更大的起步加速度;（3）可通過半徑不小于600mm的彎道和一定坡度的斜坡;（4）重量輕且易安裝其他模塊組件;（5）拆裝簡便易于平時維護。

經過分析，機器人云臺的需求有以下幾點：（1）擁有準確的控制精度;（2）擁有快速的響應速度;（3）擁有視覺識別和跟隨的能力;（4）Pitch軸俯角不小于30度，仰角不小于45度;YAW軸可在Pitch軸任意角度時相對底盤360度自由旋轉。

經過分析，機器人軌道相對應的需求有以下幾點：（1）材料的重量輕;（2）材料的成本低;（3）軌道的鋪設難度低。

2.2 可行方案

針對機器人底盤的需求，列出以下解決方案：（1）使用單電機驅動輪組：該底盤使用M3508電機，其持續功率為150W，持續扭矩2.8N，依據其特性曲線，在重量為18kg以內的機器人使用單電機驅動的極限速度最快;（2）利用連桿機構提升底盤起步加速度：機器人的兩個運動方向各設置一套輪組，換向時未接觸軌道的一側驅動輪空轉至最大轉速，曲柄連桿機構快速釋放在軌道平面，利用其累積的動能提高換向速度;（3）設置可伸縮的從動輪組，擁有自適應軌道形狀的功能，用彈簧、拉簧進行復位，在軌道側面、底面各置4組適應性輪組，使用聚氨酯包膠輪達到靜音效果;（4）使用碳纖維板材料，碳纖維板在縱置時的力學性能可比肩鋼材，但重量僅為鋼的三分之一。使用航空鋁合金作為零件的加工材料，鋁合金強度高耐腐蝕性好，將底盤重量控制在4.2kg以內;（5）在底盤底面和頂面，各配置了一個導電滑環和云臺的運動軸承，用戶可根據實際需求自由搭建工作設備。底盤體積控制在了300X300mm內，使其在工作時不受機身的遮擋影響。

針對機器人云臺的需求，列出以下解決方案：（1）采用高強度碳板板拼接的方式搭建，且云臺具有Yaw和pitch軸兩個自由度，并用彈性材料減少抖動的影響。（2）兩個云臺之間可相互通信，使用串口轉CANFD技術，遠距離通信保證數據的穩定性，避免數據丟包。對云臺的控制進行系統建模，在MATLAB中反復模擬得到其響應曲線，科學地調整算法參數。（3）云臺前端搭載工業相機和圖像處理模塊，使其擁有視覺識別和跟隨的功能。

針對機器人配套軌道的需求，列出以下解決方案：底盤的配套軌道采用工業標準180X60X1mm鋁材。鋁合金材質滿足重量輕、成本低、鋪設難度低等特點。

3 詳細設計

3.1 機器人底盤設計

機器人底盤主要由四塊碳纖維板材作為主要的支撐板，使用碳纖維板材料，碳纖維板在縱置時的力學性能可比肩鋼材，但重量僅為鋼的三分之一正確使用可極大減輕機器人底盤的重量。每塊板材都使用SolidWorks的simulation有限元模塊進行拓撲優化，在保證其結構強度的同時也減輕了碳板的重量。

經過測試發現，在18kg限重內的機器人，使用單電機驅動效率最高功率發揮最充分，該底盤使用M3508電機，其持續功率為150W，持續扭矩2.8N，底盤可以達到3.5m/s速度。在機器人的兩個運動方向各配置一個電機進行驅動。每個驅動輪組兩側都配備了雙軸心導軌可讓驅動輪進行上下滑動，輪組上方鋪設了一段導軌用于控制其上下滑動，用第三個電機進行方向切換的驅動電機，讓電機帶動一對連桿機構。當需要切換運動方向時，一側電機快速空轉至最大轉速后利用連桿機構迅速將驅動輪釋放在軌道平面，同時另一側的電機隨之抬起，利用其累積起來的動量達到超級起步的效果。

底盤由靜音輪包覆在矩形軌道的四個平面，在過彎時根據軌道彎曲的半徑調整每側輪組的姿態達到流暢過彎的效果，還可適應有坡度的軌道，完成三維式的巡檢任務，其過彎半徑最小為600mm，通過坡度最大為20°。

3.2 機器人云臺設計

該機器人可在軌道上下方各配備一個云臺，上方的云臺仰角達32°俯角可到55°，底盤上方搭配了18路5A導電滑環，支持云臺360°旋轉。下方的云臺俯角可達60°，底盤下方配置了12路10A導電滑環。云臺由2mm和3mm碳纖維板和PC板材拼接而成，極大減輕了云臺的重量，通過利用SolidWorks的多實體和布爾運算功能計算，每個云臺的重心分配平衡。

4 總結

在目前電機技術的基礎上，研發了新型的軌道機器人底盤，通過改變機械結構，使其同時具備優秀的直線速度和加速度，挖掘了底盤性能的潛在能力。采用了模塊化設計，方便后期的維護和檢修。雙云臺設計增大其掃描半徑，雙云臺之間可相互通信，完成數據的傳輸。該機器人的研發攻克了十分多的技術點，且運用了仿真技術進行不斷改進和優化，為了讓實際更接近于理論，各研發人員不斷地努力完成，在實踐中激發了創新思維，培養了一絲不茍的工匠精神，為今后學習以及工作奠定了良好的基礎。

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