巡檢機(jī)器人新型剪式自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

居銀剛，鄭再象，方劍宇，顧友霖

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，巡檢機(jī)器人技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于礦井現(xiàn)場、高壓變電站和城市地下綜合管廊等領(lǐng)域。巡檢機(jī)器人的應(yīng)用降低人工巡檢成本的同時(shí)提高了巡檢效率和巡檢的可靠性[1-2]。常見的巡檢機(jī)器人有輪式、軌道式和飛行式，在眾多巡檢領(lǐng)域中，軌道式巡檢機(jī)器人是應(yīng)用最為廣泛的一種。

軌道式巡檢機(jī)器人是一種在巡檢現(xiàn)場高空軌道作業(yè)的機(jī)器人，通常搭載各類檢測(cè)傳感器。這種巡檢機(jī)器人沿檢測(cè)現(xiàn)場上方預(yù)鋪設(shè)的軌道路徑行走，到達(dá)預(yù)定檢測(cè)位置時(shí)，下方搭載的伸縮機(jī)構(gòu)將檢測(cè)平臺(tái)下放至檢測(cè)目標(biāo)處進(jìn)行全方位檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)采集完成后自動(dòng)回收檢測(cè)平臺(tái)。由于現(xiàn)場每處設(shè)備需要檢測(cè)的位置高度不一致，甚至高度差較大，這就對(duì)巡檢機(jī)器人搭載的自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)伸展度和可靠性提出很高要求。因此，在滿足機(jī)器人巡檢工作過程要求和整體輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型剪式自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)。

1 伸縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

1.1 伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

通常巡檢現(xiàn)場設(shè)備狀況比較復(fù)雜，各個(gè)工作設(shè)備之間體積和工況都不盡相同，且設(shè)備需檢測(cè)點(diǎn)高度位置不一，為滿足巡檢要求，伸縮機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)要求如下：1）結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足承載剛度要求；2）伸縮速度可調(diào)，伸縮運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠；3）收縮狀態(tài)下，本體結(jié)構(gòu)體積較小；4）有效伸長行程較大；5）設(shè)備預(yù)檢測(cè)高度位置定位準(zhǔn)確；6）伸縮過程遇阻即停且復(fù)位[3]。

1.2 伸縮原理分析比較

目前，市場上軌道巡檢機(jī)器人搭載的伸縮機(jī)構(gòu)主要有兩種：一種是嵌套式電動(dòng)伸縮推桿，另一種是鋼繩式剪刀架結(jié)構(gòu)。嵌套式電動(dòng)推桿內(nèi)部采用絲桿螺母傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，但是由于電動(dòng)推桿在完全復(fù)位狀態(tài)下的本體結(jié)構(gòu)長度較大，且在巡檢位置高度差較大的場合，不僅上方存在著檢測(cè)盲區(qū)，而且伸長長度較大時(shí)推桿晃動(dòng)明顯，故推桿結(jié)構(gòu)并不適用。鋼繩式剪刀架結(jié)構(gòu)，鋼繩放置在上方的卷線盤中，兩邊的剪刀架用以保證伸縮過程的平穩(wěn)性，這種伸縮機(jī)構(gòu)主要以鋼繩為承載體，對(duì)剪刀架的剛度要求和鉸接要求不高，未能充分發(fā)揮剪式單元組的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)不同的巡檢高度，需要配套不同尺寸規(guī)格的卷線盤。

1.3 新型伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案

現(xiàn)有很多學(xué)者從空間機(jī)構(gòu)學(xué)的角度對(duì)剪式可展開機(jī)構(gòu)的構(gòu)型方法和運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行研究，這些研究著重于展開過程和展開后工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。因此基于這些研究所提出的新型伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案中，剪式單元組既用來保證伸縮過程的平穩(wěn)性，同時(shí)也作為受力載體[4-8]，所設(shè)計(jì)的新型剪式伸縮機(jī)構(gòu)簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但對(duì)剪式單元組的鉸接和剛度提出了一定要求。

2 剪式伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體構(gòu)型設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的新型剪式伸縮機(jī)構(gòu)，主要包括結(jié)構(gòu)架、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、梯形絲桿、滑動(dòng)塊、導(dǎo)向軸、剪式單元組和檢測(cè)連接平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 伸縮機(jī)構(gòu)

每個(gè)基本剪式單元為“X”形結(jié)構(gòu)，由兩根等長的直桿中間通過鉸接相連接，基本剪式單元之間通過鉸接形成剪式單元組。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器連接梯形絲桿，剪式單元組外側(cè)的兩個(gè)剪式單元中心分別連接在安裝板1和滑動(dòng)塊上，導(dǎo)向軸用于限制滑動(dòng)塊的周向旋轉(zhuǎn)，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)塊的直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)剪式單元組實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。

由于該剪式伸縮機(jī)構(gòu)可以根據(jù)不同檢測(cè)高度的要求鉸接不同數(shù)量的剪式單元，且剪式單元處于折疊狀態(tài)時(shí)基本尺寸較小，展開前后空間幾何尺寸變化較大[9]，所以軌道式巡檢機(jī)器人搭載該剪式伸縮機(jī)構(gòu)可以滿足現(xiàn)場任意高度位置的巡檢要求。

2.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

為方便機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，只研究三級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)（兩邊剪式單元組分別鉸接有3組剪式單元）運(yùn)動(dòng)的情況，對(duì)升降機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡化[10]，得到機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。整個(gè)升降機(jī)構(gòu)為平衡對(duì)象，考慮到機(jī)構(gòu)上升時(shí)，載重力為阻力，此時(shí)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力較大，故只研究機(jī)構(gòu)上升的情況。

假設(shè)剪式單元之間鉸接為理想約束，根據(jù)虛功原理：作用于質(zhì)點(diǎn)系的主動(dòng)力在任何位移中所作的虛功的和等于零，則有1

對(duì)于主動(dòng)力F作用于O1點(diǎn)和連接板載重力P作用于M點(diǎn)，由圖2分析兩者的y坐標(biāo)分別為：

圖2 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

式中：L為短交剪AB、AC、HJ和IK兩端鉸接孔的中心距（其余長交剪為2L）；θ為交剪與水平面的夾角（展開角）；m為連接板鉸接處鉸接孔的中心距。

經(jīng)過變微分運(yùn)算得：

式（6）即為三級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)絲桿推力F與載重力P的關(guān)系式，若整個(gè)升降機(jī)構(gòu)中短交剪兩端鉸接孔的中心距L、交剪與水平面的夾角θ、連接板鉸接孔的中心距m已知，則可以求出梯形絲桿所需推力F。

從絲桿推力F和載重力P的關(guān)系式可知，絲桿推力F隨著展開角的變化而變化，將三級(jí)剪式升降機(jī)構(gòu)所需最大絲桿推力記為G，則G也為作用在滑動(dòng)塊上的軸向載荷?；瑒?dòng)塊在梯形絲桿上的運(yùn)動(dòng)可以看作螺母1和螺桿2組成的梯形螺紋螺旋副（如圖3），假設(shè)此螺旋副的升角為α，摩擦角為φ。

圖3 梯形螺紋螺旋副

由于螺桿2的螺紋可以看成是一斜面繞卷圓柱體所形成，故滑動(dòng)塊和梯形絲桿之間的相互作用可以簡化為滑塊1沿著斜面2滑動(dòng)的過程（如圖4），所以電動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力矩M就相當(dāng)于在滑塊1上添加一個(gè)水平力F′使其沿斜面勻速運(yùn)動(dòng)。剪式機(jī)構(gòu)展開和收縮過程分別相當(dāng)于滑塊1下滑和上升的過程，同樣只需考慮收縮過程即可。

結(jié)合圖4，根據(jù)滑塊的力平衡條件可以求得所需的最大水平驅(qū)動(dòng)力F′為

圖4 螺旋副等價(jià)簡圖

力F′為作用在螺紋中徑d2上的圓周力，為剪式機(jī)構(gòu)收縮時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，所以剪式機(jī)構(gòu)收縮時(shí)所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩M為

考慮整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率η，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)力矩為

3 機(jī)構(gòu)ADAMS仿真分析

3.1 仿真樣機(jī)建模為進(jìn)一步分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中絲桿推力變化情況和

1.滑塊 2.斜面連接板的運(yùn)動(dòng)狀況，首先在SolidWorks環(huán)境中建立伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，然后通過虛擬樣機(jī)接口導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。同樣，考慮伸縮機(jī)構(gòu)上升時(shí)載重力為阻力，只對(duì)上升過程進(jìn)行仿真分析。

為了方便仿真，提高仿真運(yùn)算速度，可以簡化模型中不影響仿真結(jié)果的部件，例如螺栓、導(dǎo)向軸等，并將模型中部分零件利用布爾運(yùn)算改為焊接連接關(guān)系。同時(shí)，在ADAMS軟件中按照機(jī)構(gòu)實(shí)際情況添加約束往往會(huì)存在冗余約束，需要消除冗余約束以保證仿真正確進(jìn)行，機(jī)構(gòu)零部件詳細(xì)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)構(gòu)仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

在樣機(jī)中對(duì)滑動(dòng)塊添加驅(qū)動(dòng)參數(shù)，其運(yùn)動(dòng)速度為30 mm/s。確定好機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)后，將仿真時(shí)間設(shè)定為5 s，仿真步數(shù)設(shè)置為2500，在保證仿真的精確度的同時(shí)也保證了仿真計(jì)算速度。

仿真時(shí)以結(jié)構(gòu)架（ADAMS中為ground）為基準(zhǔn)，然后測(cè)試滑動(dòng)塊上升時(shí)兩邊鉸接點(diǎn)所需驅(qū)動(dòng)力的變化情況。同時(shí)為了了解檢測(cè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀況，測(cè)試了檢測(cè)平臺(tái)的位置變化情況和速度變化情況的仿真參數(shù)。具體仿真參數(shù)變化情況如圖5所示。

由圖5（a）可以看出，在機(jī)構(gòu)上升的過程中，滑動(dòng)塊所需的驅(qū)動(dòng)力逐漸增大。由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)存在一定振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力在逐漸增大的同時(shí)也存在著波動(dòng)，最大波動(dòng)值為0.5%。根據(jù)圖6（b）和圖6（c）可知，在上升過程中，檢測(cè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度雖有波動(dòng)，但位置變化較為線性，綜合說明此伸縮機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，達(dá)到伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真曲線

4 結(jié)語

隨著軌道巡檢機(jī)器人技術(shù)的日益成熟和不斷升級(jí)，越來越多的軌道巡檢機(jī)器人會(huì)被應(yīng)用到過程裝備現(xiàn)場、礦井、城市地下綜合管廊及高壓變電站等領(lǐng)域。新型剪式自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究為巡檢機(jī)器人本體搭載檢測(cè)儀器模塊提供了一種有效手段。研制的新型剪式自動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)樣機(jī)在巡檢試驗(yàn)中伸縮運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精準(zhǔn)，遇阻即停且復(fù)位迅速，大幅度減少了上方的巡檢盲區(qū)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)升降機(jī)構(gòu)完成現(xiàn)場巡檢工作，達(dá)到了預(yù)期的巡檢目的和效果。后續(xù)將不斷優(yōu)化該剪式伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和剪式單元的鉸接方式，完善外觀設(shè)計(jì)，使其在更好地完成巡檢工作的同時(shí)滿足人性化審美需求。