新型變角攀升機構設計與性能分析

謝浩，張敏良，龔楠，柴寧生，史春光

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

隨著城市發展，工程設施中會用到很多高桿設施，例如電線桿、路燈桿、廣告牌桿、風力發電桿等，因此需要進行清洗與維護[1]。目前此項工作多由人力完成，而人工高空作業具有效率低、成本高、安全性低等缺點，因此采用爬桿機器人代替人工進行高空作業成為了今后發展的趨勢。在此類裝備方面，鮑秀蘭等[2]設計的攀升機構采用凸輪結構，上下平臺采用2 個不同形狀的凸輪，由2 根自由連桿聯接，通過對運動時間的計算可實現上平臺的上升及下平臺的拉升，但是當凸輪出現磨損時會破壞計算好的兩平臺上升動作時間，導致運動位移出現偏差；王才東等[3]的攀升機構采用滾輪式爬升方式，依靠重力自鎖，采用鎖緊輪進行滾動攀升，但此機構對鎖緊輪的消耗過大，需經常對鎖緊輪進行保養修復；楊書建等[4]的攀升機構亦采用滾動式攀升方式，通過滾輪轉動帶動機構進行攀升，采用1 個主動輪、3 個從動輪，當負載過大時可能會出現滑落現象，導致攀升機構失去平衡。

本文設計了一種新型攀升機構，采用雙頭電機，改變輸出軸可實現不同平臺的上升動作。在簡析攀升機構設計與工作原理的基礎上，對平臺上升位移參數進行計算，對攀升機構進行運動仿真，分析了工作平臺位移曲線以及攀升性能和變角性能。

1 攀升機構的設計與原理

1.1 攀升機構的設計

攀升機構采取蠕動形式的攀升步態，自上而下可分為3 個部分：上工作平臺，中間過渡平臺，下推升平臺，整體機構如圖1 所示。上工作平臺通過過渡平臺上的錐齒輪的配合，轉動螺紋桿，推動螺紋滑塊，使得連桿推動平臺的上升。居中的過渡平臺則起到串聯上下平臺作用。過渡平臺上有推動裝置，可帶動傳動軸上下移動，通過伸縮裝置連接輸出軸與下工作平臺上的齒輪，電機可以完成主動齒輪的正、反轉，主動齒輪與絲杠螺母螺紋配合帶動下平臺完成上升動作。

圖1 攀升機構整體示意圖Fig.1 Overall schematic diagram of climbing mechanism

本文的攀升機構最主要的零部件均處于過渡平臺，2 根錐齒輪螺紋桿與過渡平臺左右2 個板相連接，保證錐齒輪軸可以轉動，并且可以隨著過渡平臺進行上下移動。主動錐齒輪與過渡平臺下平臺轉動固定，主動錐齒輪與輸出軸通過鍵連接可以進行轉動。雙頭錐齒輪與過渡平臺上平臺轉動固定，上下兩平臺與錐齒輪軸之間有軸承存在，減小錐齒輪軸的磨損。在過渡平臺右側安裝一個推進裝置，推進裝置外接一個惰輪，通過推進裝置的推動可以將惰輪與主動錐齒輪與雙頭錐齒輪嚙合，從而進行齒輪傳動。根據冗余自由度理論[5～6]，下工作平臺有4 組齒輪與絲杠螺母的配合機構，通過主動齒輪的轉動，帶動從動齒輪，進而使得絲杠螺母進行轉動。絲杠螺母與過渡平臺通過螺紋進行配合，當下工作平臺上的齒輪動作時，通過過渡平臺上的氣缸伸縮裝置，推動輸出軸與齒輪進行鍵連接，從而推動過渡平臺進行上升動作。當過渡平臺上升至指定位置后，對電機進行反轉，在絲杠螺母的作用下帶動下工作平臺完成上升動作。對稱的連桿以及絲杠螺母都可以保護零部件的損壞，防止負載過大導致整體機構的損壞，影響機構攀升過程中的穩定性。

1.2 步態分析

（1）步態1 如圖2 所示。此步態為初始狀態，雙頭錐齒輪與惰輪分離，此時上平臺處于初始位置，下工作平臺與過渡平臺處于靜止不動的狀態。

圖2 步態1Fig.2 Gait 1

（2）步態2 如圖3 所示。此步態是上工作平臺上升動作。此時，惰輪與雙頭錐齒輪、主動錐齒輪相嚙合，隨著電機的轉動，電機輸出軸與主動錐齒輪通過鍵連接，通過移動錐齒輪的運動傳遞，帶動雙頭錐齒輪轉動，由此帶動錐齒輪軸轉動，而螺紋滑塊因螺桿的轉動會向中心做直線運動，滑塊與上工作平臺通過連桿連接，會推動平臺穩步上升。

圖3 步態2Fig.3 Gait 2

（3）步態3 如圖4 所示。此步態為過渡平臺上升動作，此時惰輪與雙頭錐齒輪、過渡錐齒輪分離，上、下工作平臺處于靜止狀態，伸縮裝置推動輸出軸與下工作臺主動齒輪連接；電機正轉帶動主動齒輪轉動，從動齒輪與主動齒輪嚙合帶動絲杠螺母轉動，絲杠螺母與過渡平臺螺紋孔配合，因此可以推動過渡平臺上升。壓縮連桿，螺紋滑塊將做反向運動回至初始步態，便于下一個循環的開始。

圖4 步態3Fig.4 Gait 3

（4）步態4 如圖5 所示。此步態為下工作平臺上升動作。此時惰輪與2 組錐齒輪處于分離狀態，上工作平臺與過渡平臺處于固定狀態，通過控制電機的正反轉，利用絲杠螺母與過渡平臺的螺紋配合，帶動下工作平臺上升，由4 根螺紋桿與過渡平臺的螺紋配合，保證了上升循環時機構運動的穩定性。

圖5 步態4Fig.5 Gait 4

2 參數確定

2.1 推升高度的確定

根據初始步態繪制上升示意圖，如圖6 和圖7所示，可以得到上工作平臺上升的距離公式為

圖6 初始步態示意圖Fig.6 Initial gait diagram

圖7 步態2 示意圖Fig.7 Gait 2 Schematic

根據式（1）可以通過改變電機的轉數，根據錐齒輪間的傳動，從而改變錐齒輪螺紋桿的轉數，得到不同的進給距離Δb，再由式（2）可得不同的上升距離Δh：

通過式（2）可以看出，對于上升距離的選取，主要影響因素為螺紋滑塊在螺紋桿上的進給距離，而螺紋滑塊的進給距離即是

式中：n——螺紋桿轉動的圈數即錐齒輪螺紋桿在上升階段的轉數；p——螺紋的螺距，本文采用的均是M16×1.5 的公制標準牙的牙距，即p=1.5。

因此影響到上升距離的主要因素又可轉化為錐齒輪的轉數。由于主動齒輪的轉數與電機輸出軸的轉數相同，因此要通過改變錐齒輪的轉數改變上升距離即需要對錐齒輪傳動過程中的傳動比進行設計計算，這樣既保證了輸出的固定轉數，也可以使得錐齒輪螺紋桿的轉數得到保證，因此需要對錐齒輪傳動過程中的傳動比進行設計計算。

2.2 錐齒輪傳動比的確定

通過圖8 中的錐齒輪傳動示意圖可以計算出從錐齒輪1 到錐齒輪5 和6 的傳動比i15和 i16，通過對傳動比的計算[7]，可以計算出螺紋滑塊的進給距離，進一步計算出上工作平臺在一個周期內上升的距離數值。

圖8 錐齒輪傳動示意圖Fig.8 Schematic diagram of bevel gear transmission

傳動比公式為

式中：nx，ny——錐齒輪轉速；Zx，Zy——錐齒輪齒數。

因為錐齒輪3 和4 在同一根轉動軸上，錐齒輪5 與錐齒輪軸6 在同一根軸上，即n3=n4，n5=n6，因此最終的傳動比公式為

2.3 過渡平臺推升參數

因為輸出軸要有分離與連接的時間段，所以需要保證在完成運動動作后還可以完成輸出軸與齒輪、錐齒輪之間的配合關系，因此需對機構整體運動進行設計計算。

當過渡平臺推升時，如圖9 所示。因為輸出軸的存在，主動錐齒輪與主動齒輪同時轉動，因此2個齒輪有相同的轉數。在過渡平臺上升時，因為上平臺固定會導致螺紋滑塊離心運動，如圖10 所示。因此為保證移動錐齒輪可以與雙頭錐齒輪和主動錐齒輪嚙合，需要對齒輪的轉數進行計算，保證齒輪嚙合穩定性。

圖9 過渡平臺上升示意圖Fig.9 Rising diagram of transition platform

圖10 螺紋滑塊移動示意圖Fig.10 Schematic diagram of movement of threaded slider

假設當主動齒輪轉動n 圈，螺紋桿的螺距為p，則齒輪轉動推動過渡平臺上升距離為c=np，則根據上平臺固定可得螺紋滑塊移動的距離為：

根據螺紋滑塊的移動距離可計算錐齒輪螺紋桿的轉動圈數，從而計算雙頭錐齒輪的轉動圈數為：

由式（8）、式（9）可計算過渡平臺上升對雙頭錐齒輪初始相位的影響程度，從而通過改變齒輪轉數保證整體攀升機構運動的穩定性與連貫性。

3 攀升仿真驗證

使用SolidWorks 軟件進行零部件繪制，根據機構的運動原理進行裝配配合，設置零部件的材料、阻尼與摩擦系數。本文主要研究機構的攀升性能與攀升的位移參數，因此沒有設置引力。使用SolidWorks 中的Motion 分析[8～10]插件對整體攀升機構進行運動學分析，由機構的運動位循環動作，研究攀升機構一個周期的上升位移。由于移動錐齒輪的存在，需控制錐齒輪轉動的圈數為保下一周期可以繼續嚙合，因此仿真轉動限制了轉動的角度均為1 440 °=4 圈。

3.1 上工作平臺上升位移

使用Motion 分析插件，首先移動錐齒輪水平與上下錐齒輪嚙合，電機轉動帶動輸出軸，輸出軸與錐齒輪通過鍵聯接，完成運動傳遞。通過螺紋桿與螺紋滑塊的配合推升上工作平臺，位移曲線如圖11 所示。上工作平臺從原本高度的386 上升至390，上升距離為4 mm，此過程曲線光滑平穩，未出現抖動，說明上工作平臺上升過程平穩。

圖11 上工作平臺上升位移曲線Fig.11 Upward displacement curve of upper working platform

3.2 過渡平臺上升位移

固定上、下工作平臺，輸出軸與下工作平臺主動齒輪通過鍵聯接，通過電機轉動帶動主動齒輪轉動，螺紋桿與從動輪通過鍵配合、與過渡平臺通過螺紋配合，推動過渡平臺的上升。位移曲線如圖12 所示，過渡平臺初始位置為277.3 mm，通過推升上升至281.3 mm，推升距離為4 mm，曲線光滑平穩無波動。

圖12 過渡平臺上升位移曲線Fig.12 Rising displacement curve of transition platform

3.3 下工作平臺上升位移

固定上工作平臺、過渡平臺，輸出軸與下工作平臺主動齒輪通過鍵聯接，通過控制電機反轉，帶動齒輪轉動。因為過渡平臺處于固定狀態，因此下工作平臺在螺紋桿的作用下向上豎直攀升。位移曲線如圖13 所示，下工作平臺初始位置為7.7 mm，推升至15.8 mm，因此下工作平臺實際的推升距離為7.8 mm，曲線光滑平穩。

圖13 下工作平臺上升位移曲線Fig.13 Rising displacement curve of lower working platform

過渡平臺與下工作平臺的上升位移有較小差距，因此在過渡平臺上安裝伸縮裝置，伸縮裝置尾部外焊連桿用來推動輸出軸，控制輸出軸與主動錐齒輪、主動齒輪的聯接，可以完成不同平臺的推升動作。保證了攀升機構可以循環完成攀升動作，到達最終目標地點。

3.4 攀升機構角度變化

通過Motion 分析對上升平臺進行變角測試，設定轉動時間為10 s，轉速設定為60 r/min，觀察、測量上升平臺傾斜角度，如圖14 所示。通過對位移曲線的分析可以發現，角度偏轉最高達到9°，在進行角度改變時，上平臺的角度變化趨勢平緩，沒有強烈抖動，變角機構性能較好，如圖15 所示。

圖14 上平臺變角測試結果圖Fig.14 Diagram of angle change test results of upper platform

圖15 角度變化曲線圖Fig.15 Angle change curve

3.5 攀升機構可靠性分析

本文設計的攀升機構采用單電機驅動，輸出軸可分別控制主動錐齒輪與主動齒輪，從而完成3組平臺的攀升任務。本文設計的機構均采用冗余理論，通過對稱的零部件設計保證機構在攀升過程中的穩定性，采用堆成的錐齒輪螺紋桿與螺紋滑塊完成上平臺的平穩推升，4 根對稱的螺紋桿也保證了過渡平臺與下平臺的推升，采用冗余自由度是為了減少單個零部件負載過大引起零部件損傷，導致機構運動過程出現抖動與破損。從圖11—圖13 可以看出，機構在攀升過程中上升曲線平滑，攀升機構平穩性較好，沒有明顯抖動。

4 結語

本文提出的攀升機構使用錐齒輪螺紋桿、螺紋滑塊與連桿的配合進行上工作平臺的推升。通過學習冗余自由度理論，設計4 組齒輪-螺紋桿結構，與過渡平臺使用螺紋配合，轉動螺紋桿推升過渡平臺上升。下工作平臺通過齒輪傳動帶動螺紋桿轉動，過渡平臺此時處于固定狀態，因螺紋配合的存在，螺紋桿做豎直進給運動帶動下平臺上升，控制電機的正反轉可以實現攀升機構的上升與下降。

根據對攀升機構各部分參數的計算，可以得到各個平臺在攀升過程中的位移參數以及各平臺之間的位移關系，防止各平臺推升時產生干涉。對攀升機構進行運動學仿真，得到3 個平臺的位移運動曲線。仿真結果表明，攀升機構能夠平穩完成攀升動作，各平臺之間無干涉，運動連貫性較好，可以完成指定的攀升動作。變角機構仿真測試顯示，上平臺可完成10°以內的左右傾斜，偏轉性能較好，穩定性較高，可滿足一些特殊工作場景的需求。