防爆電纜管廊巡檢機器人結構設計

楊 濤 呂 偉 郭 強 菅 磊 武國旺 潘偉民 陶衛軍

1.北京京西燃氣熱電有限公司 北京 100041；2.北京京能能源技術研究有限責任公司 北京 100022

3.北京能工薈智機器人有限責任公司 北京 100176；4.南京理工大學 江蘇 南京 210014

1 引言

因近些年響應政府市容市貌整頓計劃,同時促進電纜電線標準化工作,諸多電纜電線均采用地下綜合管廊布線,這種人為制作的電線隧道其內部容納了多種市政管線。通過這種設計,大大美化了城市的市容市貌,同時因電纜管廊隧道內布置的各種電氣管線數量多影響大,因此一旦內部管廊內部產生電氣故障或動物入侵破壞電纜等,若不能第一時間發現檢修,極其容易影響相關居民企業的日常生活生產,而電纜管廊隧道因其空間狹小,人為檢測及其不便,因此通過智能機械化機器人進行日常巡檢工作可大大提高便利性。

當前市面上常規巡檢機器人于電纜管廊隧道因尺寸限制而存在檢測覆蓋率覆蓋率低的問題,因此采用對傳統機器人追加伸縮桿加旋轉云臺的方式實現巡檢機器人檢測空間,通過豎直移動和云臺擺動結合的方式來提高空間檢測范圍,可以在保障機器人尺寸前提下,大大增加其巡檢范圍。

2 當前研究現狀

當前市面上常規巡檢機器人主要有兩種,一種是通過垂直和水平旋轉兩個自由度的云臺攝像機來提高檢測范圍,這種巡檢機器人通過雙云臺的旋轉與擺動可以實現大范圍的檢測需求,但是遇到管線密集的空隙部分,無法對空隙部分進行完善的檢測,因此具有諸多檢測盲點,但因其負載較低,可追加多種功能,另一種則是通過搭載折疊機械臂的方式,但是這種機器人因搭載了折疊機械臂,導致其負載較大,因此無法實現其他功能諸如危險氣體檢測,安全防爆等功能的加載。因此,在綜合上述產品的優缺點后,本文所闡述巡檢機器人設計采用伸縮桿加旋轉云臺的結合設計可以解決在有限的機器人尺寸下增加其檢測范圍之目的,開發出一款實現大范圍檢測的多功能防爆特種機器人。

3 設計思路

為實現機器人巡檢防爆功能,需考慮到巡檢機器人工作原理,即通過巡檢軌道的行進完成水平位移拍攝,隨后通過伸縮桿的伸縮與檢測云臺翻轉完成整個區域的巡檢工作,而防爆功能則只需要設計上附加充電倉、防爆電動伸縮桿與電池電氣防爆倉即可。因此本設計主要由三部分組成,分別是行走與定位機構、電池電氣防爆艙與云臺升翻轉機構,分別負責機器人軌道行進,電池與電氣器件收納與防爆、攝像監測等功能。

4 詳細結構設計

(1)行走與定位結構。首先是負責機器人移動定位功能的行走定位部分,該機器人在軌道上的行走與導向功能主要由行走輪、支架與導向模塊等部件來實現。該部分由左右對稱分布的4個行走輪與8個導向模塊、固定行走輪的兩套支架、上方固定板、驅動輪軸系、浮動板、彈簧機構、驅動電機及減速器等部位構成。負責提供動力的驅動輪中間通過彈簧機構壓在導軌底部,為了保證穩定性,則需要在驅動輪軸系的中間部分安裝有驅動用同步輪,由驅動電機及減速器驅動,并通過與軌道底面的摩擦力與同步輪與同步帶之間的傳動來實現機器人本體在軌道上的行走,行走輪與導向模塊都固定在支架上,支架底部通過轉軸固定在固定板,通過導向模塊中的導向輪來限制機器人本體沿著軌道方向行走。

而整體機器人定位設置則是通過直流伺服電機所帶的絕對式編碼器與導軌頂面安裝的感應鋼片、行走與定位機構上的防爆接近開關來實現。通過在每個電纜接頭所對的導軌處安裝一個感應鋼片,配合行走與定位機構上的防爆接近開關與絕對式編碼器信號來實現機器人在每個接頭處的精準定位與位置標定。

圖1-行走與定位機構

(2)云臺升翻轉機構。云臺升降機構用來實現攝像機在高度方向上的調整,來完成對堆到內三層電纜結構及隧道底部小動物傾入檢測。主要由防爆電動伸縮桿與云臺翻轉機構構成。其中防爆電動伸縮桿安裝在固定板上,而云臺翻轉機構的支撐架固定安裝在防爆電動伸縮桿的頂端。在檢測隧道上層時,云臺及攝像機處于當前位置不變,其高度能滿足檢測上層電纜接頭的需要；當需要檢測中層電纜時,防爆電動伸縮桿向下伸出,推動云臺及攝像機向下運動,下降200-300mm的行程至合適位置,檢測中層電纜接頭；當需要檢測下層電纜接頭時,防爆電動伸縮桿行程回到零位,此時固定安裝在防爆艙內的電動推桿勝出,推動下方滑塊移動,通過一個連桿機構推動大齒輪旋轉90°,使小齒輪轉動180°帶動轉軸轉動,從而使固定在托板上的云臺翻轉180°,使得攝像機翻轉靠下,其高度能夠檢測到下層電纜。在此基礎上,讓防爆電動伸縮桿伸出行程達到最大的300mm,并讓攝像頭向下40度左右俯仰,能夠觀察到隧道墻根的位置,再配合云臺的360度水平轉動,可讓紅外攝像頭拍到并設別隧道底部任何位置的侵入小動物。

圖2-云臺升降翻轉結構設計

(3)電氣防爆結構。防爆設計主要包括防爆充電倉與電池電氣防爆倉的設計。在防爆充電倉內分為兩層,上層防爆倉裝有充電用的繼電器、充電插頭等器件,下層防爆倉放置光纖轉換器件等。防爆電動伸縮桿通過改造現有的電動伸縮桿來實現其在行程范圍內的定位,電池與電氣防爆倉里放置有鋰電池、工控機、驅動器、車載無線AP、電源管理模塊、繼電器、電動推桿等元器件。

圖3-電氣防爆結構

5 總結

管廊電纜電氣安全監測,是我國當前城市化建設需要重點關注的問題,是保障人民生活生產的關鍵點,本文所設計的電纜管廊巡檢機器人,通過伸縮桿和翻轉式云臺,可以具有針對性的解決當前主流巡檢機器人負載與多功能及防爆型無法兼顧的問題,同時在保證尺寸的前提下,具有極高巡檢范圍,因此極具實用性,可以提高管廊電纜電氣安全監測的便利性和準確率,為管廊電纜電氣安全監測工作提供巨大的方便,為現代城市化建設作出貢獻。