基于Solid Works爬桿機器人自鎖抱柱裝置研究設計*

楊 昊，汪 威，湯 亮，董 欣，邊云鵬，顧 杰，郭雨宏

（湖北工業大學機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

隨著我國西電東送工程、橋梁建設、罐道建設等基建事業的發展，輸電桿塔、橋梁纜索、罐道鋼絲繩等豎直桿體得到了廣泛應用，對其進行定期檢測維修是保障此類基礎設施安全穩定運行的必要措施。目前大多采用人工高空攀爬作業維護法，工作效率低且危險系數高，工人檢測維修的速度也逐漸跟不上我國基建事業在全國范圍內發展的速度，大量豎直桿體設施普遍存在年久失修的情況。而國內外對豎直桿體進行檢測維護的裝置研究較少，且種類駁雜，缺少穩定的功能模塊化設計。

針對豎直桿體檢測維護大多需要高空作業的統一特點，本文確立了爬桿機器人自鎖抱柱裝置的設計目標，作為豎直桿體高空檢測維護機器人的驅動裝置，可通過搭載各類作業模塊實現包括輸電桿塔、橋梁纜索、罐道鋼絲繩等多種豎直桿體的施工維護等作業，取代人工維護以降低各類高空檢測維護作業的危險系數。

該爬桿機器人自鎖抱柱裝置的目的是設計一種可沿豎直桿體軸向運動與繞桿周向運動、實現自動化抱柱與自鎖；可通過搭載各類檢測維護裝置代替人工作業。其不僅可以承受惡劣的工作環境，降低高空作業的危險系數，還可通過程序遠程控制其自動抱柱并攀爬以進行連續作業，大幅提升檢測維護作業的效率。為爬桿機器人的攀爬模塊提供一種選擇。

1 研究現狀

目前，國內外研究學者和機構針對不同需求設計了不同攀爬方式的爬桿機器人。山東建筑大學的耿亞麗[1-2]設計了一種九自由度的輸電桿塔攀爬機構，該機器人通過電機驅動上下兩夾持機構，升降機構控制兩夾持機構間距從而模仿猿類爬樹的姿勢。其拆裝簡單，作業靈活，越障能力強。韓國成均館大學的Ho Moon Kim等[3-5]設計了一種六輪式橋梁纜索檢測機器人，通過電機驅動連桿控制壓緊力以適應纜索小范圍內直徑變化。之后他們將輪式結構改成了履帶式結構[5]，保證了機器人爬桿的平穩性的同時損失了一定機動性，且每次更換檢測纜索時都需要手動拆裝。考慮到橋梁纜索數量眾多，檢測整座橋梁仍需耗費大量人工。北京交通大學的陳月強[6]設計了一種磁吸附履帶式攀爬鋼纜機器人，采用磁力吸附的方式克服重力。中國礦業大學的張崗[7]設計了一種可沿鋼絲繩股捻向快速攀爬的六輪式機器人，實現了模塊化設計，可通過多個攀爬模塊協同作業，并實現了模塊間自動對接和分離。華南理工大學的魏武[8]設計了一種蛇形纜索攀爬機器人，模仿蛇類通過螺旋攀爬沿纜索上下運動，可將小型檢測裝置放置在蛇形機器人體內。

總結國內外學者的研究成果，爬桿機器人根據攀爬方式主要分為3種：仿生式、履帶式、滾輪式。3種攀爬方式的特點如表1所示。

表1 爬桿機器人攀爬方式對比

考慮到自動化檢測維護目標的一致特點，該爬桿機器人不需要過強的越障能力而需要靈活的機動性，故選擇滾輪式作為爬桿機器人自鎖抱柱裝置的攀爬方式。

2 裝置整體技術方案

2.1 自鎖抱柱裝置結構構成

爬桿機器人自鎖抱柱裝置由兩個弧形臂裝置連接箱體平臺構成，每套裝置上設有4套升降系統和4套轉動系統。裝置結構如圖1所示。弧形臂結構包括爪夾、固定軸、連桿、立式軸承座、絲桿、絲桿螺母、絲桿鋁板和電機等器件，弧形臂的通過立式軸承座中和固定軸與箱體連接；升降機構和轉動機構包括轉動摩擦輪、摩擦輪墊片、固定軸和電機等器件，是爬桿機器人自鎖抱柱裝置進行實施工作的關鍵機構。裝置在工作時，具有兩種工作模式：一種是升降模式，通過電機驅動能夠實現將重物進行升降爬桿運輸裝備；另一種是轉動模式，在升降進行或結束時，可以合理設定裝置爬桿的角度，從而完成任務。設計該裝置時，升降及轉動運動機構和弧形臂結構是該裝置最為關鍵的部分，直接影響裝置的工作效率[9]。

圖1 自鎖抱柱裝置總體結構

2.2 升降及轉動運動機構的結構設計和理論計算

2.2.1 運動機構的結構設計

每套裝置設有4套升降機構和4套轉動機構，從而實現裝置的各種爬柱所需的高度和角度。轉動機構主要將橫向轉動摩擦輪安裝在每個弧形臂的中爪夾和下爪夾之間，橫向轉動摩擦輪的兩端通過上爪夾和下爪夾的定位孔實現固定連接；升降機構主要將縱向轉動摩擦輪與支撐柱連接，支撐柱的兩端部分別坐落在中爪夾和下爪夾的定位孔處。將4套升降機構及4套轉動機構的位置進行合理布置，即同一個轉動機構上的各套摩擦輪沿抱合管道軸的水平方向均勻間隔布置，從而實現裝置的運動效果。

轉動機構由橫向轉動摩擦輪、摩擦輪墊片、固定軸和電機組成，橫向轉動摩擦輪的兩端均設有摩擦輪墊片，橫向轉動摩擦輪和摩擦輪墊片均通過固定軸裝在弧形臂的中爪夾和下爪夾之間，且固定軸的一段穿過上爪夾上的定位孔，另一端則穿過下爪夾上的定位孔與電機的一端連接。升降機構由縱向轉動摩擦輪、電機和支撐柱組成，縱向轉動摩擦輪固定在電機上，且電機一端與中爪夾和下爪夾之間的支撐柱通過定位孔相連接。兩種機構的結構設計如圖2～3所示。

圖2 升降結構

圖3 轉動結構

2.2.2 運動機構的驅動電機選型

對于運動機構能力的選型計算，主要結合考慮工程實踐中對于豎直桿體定期檢測維修所需裝備的重量要求。在箱體平臺上能夠安裝針對豎直桿體進行檢修的設備，從而實現檢測維護的模塊化需求，將極大方便檢修工作的開展，同時也對爬桿機器人自鎖抱柱裝置的驅動能力方面滿足各類檢修設備的承載提出了更高的要求[10-11]。本文運動機構所使用的主要的驅動裝置為3510電機，其具體參數如表2所示。根據各參數數值可以初步估算得出，選擇使用3510電機符合裝置實際的工作時的驅動需求。

表2 3510電機參數數值

2.3 弧形臂結構的結構設計和理論計算

2.3.1 弧形臂機構的結構設計

弧形臂設有三片爪夾，該三片爪夾通過固定軸固定并相互平行。而固定軸采用鋼管制造，3爪夾采用鋁合金制造。根據裝置設計的要求，該裝置自鎖抱柱的對象主要為直徑134 mm的桿式物體，在設計弧形臂的爪夾尺寸時，應滿足抱柱對象的尺寸要求。

每一片爪夾上均開設有多個沿固定軸的延伸方向間隔布置的定位孔；3爪夾共同組成一個弧形臂，兩個弧形臂的一端連接固定軸，而固定軸兩端通過立式軸承座進行固定，且連桿一端通定位孔安裝在該固定軸上，而立式軸承座使用緊固螺釘固定在箱體平臺的一端。兩個連桿的另一端與絲桿鋁板使用固定軸進行連接，并用菱形軸承座固定，并保持連桿與絲桿鋁板相平行。絲桿螺母固定在絲桿鋁板的中間，絲桿套入絲桿螺母同時與所述電機相連接。其中，絲桿螺母相連接的底面安裝有牛眼輪。驅動電機可以使絲桿帶動絲桿鋁板平移，并通過固定軸傳動到弧形臂實現張開和閉合的運動功能。

弧形臂之間的閉合卡扣機構由舵機、齒輪、固定軸和卡扣組成。舵機通過固定軸與齒輪連接，且一端固定在爪夾上；固定軸的一端穿過一塊爪夾的定位孔。卡扣固定在一套轉動機構的摩擦輪墊片上，卡扣的齒輪部分與齒輪相嚙合，舵機控制閉合卡扣的開合，閉合卡扣和弧形臂共同構成整個弧形臂抱柱自鎖結構。結構效果如圖4所示。

圖4 閉合卡扣機構

2.3.2 弧形臂機構的理論計算

對于弧形臂機構各項能力的選型計算，首先分析機構實際工作時的運動特性，并結合前文對驅動裝置完成選型后的運動系統，對弧形臂機構在實際工作時的各個參數進行計算。

根據裝置設計的各項參數，得出裝置的平面連桿運動機構如圖5所示。該機構為平面七桿機構，由機構自由度計算公式可以算出機構自由度，即：

圖5 運動機構

式中：n為活動構件數；PL為低副數；PH為高副數。

由此可算出該機構自由度為F=3×7-2×10-0=1，即該機構是自由度為1的平面七桿機構，有一個主動件，故機構具有唯一確定運動。

通過電機轉矩計算絲桿傳動方向的推力，計算式如下：

式中：η為絲桿傳動效率，范圍為0.9～0.95；L為絲桿導程。

其中，T=3 510；電機的額定轉矩為0.14 N·m；裝置使用的為梯形絲桿，直徑為12 mm；導程L=2 mm；η=0.9。

將上述數據代入式（2），可以求得絲桿的軸向推力P，即夾緊力大小為：P=395.64 N。

由于該機構左右基本對稱，故只對左側進行初始狀態受力分析，對裝置結構進行受力分析，如圖6所示。

圖6 單側受力分析

對于弧形臂結構進行力的分解，設結構上某一點為坐標原點O建立坐標系XOY，列出弧形臂上的力和力矩平衡方程組：

由此，可求得分配到每個滾輪壓力大小分別為110.78 N、89 N、110.78 N，89 N。

根據摩擦力公式f=μFN，求得整個裝置的最大負重為239.74 N。結合安全需要考慮，乘以安全系數0.85，求得實際最大負重203.8 N，即得額定載重為20 kg。符合當前多數檢測維護設備的重量要求[12]。

3 具體實施方式

每一套爬桿機器人自鎖抱柱裝置，設有4套升降結構、4套轉動結構、一個箱體平臺和一個自動卡扣機構，卡扣安裝在兩個弧形臂之間。驅動動力主要由升降和轉動結構提供，可以使裝置運動到指定位置進行施工操作。

3.1 抱柱自鎖裝置的實施方式

首先，由于卡扣固定在橫向轉動摩擦輪的摩擦輪墊片上，卡扣的從動齒輪與驅動齒輪嚙合。舵機通過控制驅動齒輪轉動帶動從動齒輪轉動來控制卡扣的開合。打開自動卡扣機構相連的舵機，舵機帶動驅動齒輪，將自動卡扣打開。

再打開電機，電機驅動絲桿帶動絲桿鋁板平移，與絲桿鋁板相連接的連桿同時帶動左右弧形臂張開。將弧形臂調整到合理的開口弧度安裝至所需的檢測的豎直桿體。弧形臂結構中絲桿螺母相連接的底面安裝有光桿，以增加結構穩定性，延長裝置使用壽命。

接著，電機繼續驅動弧形臂的閉合。在完成閉合后，舵機啟動并帶動自動卡扣機構，使卡扣閉合，從而實現抱柱自鎖的效果。將檢測維護所需的設備固定安放在箱體平臺處，并進行運行和調試。一切準備完成，將裝置開機進行升降和轉動操作。

3.2 升降與轉動運動機構的實施方式

升降機構中的縱向轉動摩擦輪固定在3510電機上，且3510電機一端與弧形臂之間的縱向摩擦輪支撐架通過定位孔相連接。每個3510電機帶動對應的縱向摩擦輪轉動，4套升降機構同時進行轉動，使得相應規格的箱體平臺被抬升到合適的高度以待使用，其中，箱體平臺可以搭載不同的儀器來實現多種多樣的桿體檢測維修等多種功能，成本低且拆卸和安裝方便,能夠提高工作效率。

而滾動機構的橫向轉動摩擦輪的兩端均安裝有摩擦輪墊片，兩者通過摩擦輪階梯軸安裝在弧形臂的上爪夾和中爪夾之間，且摩擦輪階梯軸的一端通過爪夾上的定位孔進行固定，另一端則穿過下爪夾上的定位孔與3510電機相連接。每個3510電機帶動對應的橫向摩擦輪轉動，4套轉動機構同時進行轉動，由于同一個轉動機構上的各套橫向轉動摩擦輪沿著抱合管道軸的水平方向均勻間隔布置，有利于加快機器人繞柱運動速度，并保證機器人抱柱的穩定性和連續性。

4 測試與結果分析

通過對現有不同攀爬方式的爬桿機器人中存在問題的研究，分析了豎直桿體自動化檢測維護目標的特征，并根據該特征，選擇滾輪式作為爬桿機器人自鎖抱柱裝置的攀爬方式。并將具體目標定為常見維護的直徑為134 mm的豎直桿體，設計合理的裝置機構，從而達到方便檢測維修的目的，具體測試裝置如圖7所示。

圖7 爬桿機器人抱柱自鎖裝置強度測試

在設計過程中，通過負載35 kg重物實驗對裝置的強度進行驗證，結合具體實施方式進行設計優化，不斷完善其穩定性和可靠性，提高實際的工作效率，取得了令人滿意的結果。而對于該裝置多種環境場景運用的拓展，可以對機構的模塊化方面做進一步研究。

5 結束語

本文針對現階段輸電桿塔、橋梁纜索、罐道鋼絲繩等豎直桿體的高空檢測維護困難的問題，提出了一種用于大量重復檢測維護高空豎直桿體的爬桿機器人攀爬系統，針對傳統的爬桿機器人運動自由度低，自動化程度不足的問題，基于SolidWorks設計了一種爬桿機器人自鎖抱柱裝置，在分析計算的基礎上制作樣機，驗證了爬桿機器人自鎖抱柱裝置的穩定性和可靠性。本文的主要研究內容和相關結論如下。

（1）根據國內豎直桿體高空檢測維護現狀引入對爬桿機器人自鎖抱柱裝置進行研究的必要性和可行性。

（2）分析比較不同爬桿機器人的爬桿方式，決定犧牲越障能力而提高機動性，故選擇滾輪式作為爬桿機器人自鎖抱柱裝置的攀爬方式。

（3）對爬桿機器人自鎖抱柱裝置整體方案進行設計，提出多組輪系獨立驅動的攀爬方案，對裝置主要受力機構進行靜力學分析，得到該裝置額定負載為20 kg。

（4）制作爬桿機器人自鎖抱柱裝置樣機，其適用性廣，成本低廉。實驗結果驗證了該裝置的穩定性與可靠性。