一種無人值守巡檢機器人行走機構的設計研究

常微，于福龍，盧元利，樵永鋒，張偉

（丹東東方測控技術股份有限公司，遼寧 丹東 118002）

隨著國家數字礦山到智慧礦山的推進，圖像識別技術及環境監測技術在礦山生產中得到了新的發展。尤其智能巡檢機器人在礦山中的應用得到了廣泛的推廣。以國家戰略性需求為導向推進創新體系優化組合，工業4.0 時代不僅僅會給全球各行各業帶來新發展和新的變革，也勢必給我們礦業行業帶來新的發展機遇，無人化和智能化，正在將人類社會快速的推向智能化時代，國家大力發展5G+工業互聯網，在5G 和智能制造的帶動下，實現智能化、無人化。智能巡檢系統立足解決皮帶巡檢工作存在的勞動強度大、工作環境惡劣等問題，產品技術附加值高，融合了5G 通訊技術及AI 智能算法，可實現對皮帶系統運行狀況、人員工作狀態、潛在故障等進行全天候監測，智能巡檢系統的研發已經提上日程，助力“中國制造2025”，為智能礦山持續助力指日可待。

1 整體結構設計

本文設計的無人值守巡檢機器人行走機構，整體機構方案如圖1所示。其組成包括從動輪機構、主動輪機構、承重導向輪機構。

圖1 整體結構方案圖

圖2 從動輪機構示意圖

1.1 從動輪機構

根據從動輪所需壓緊力、摩擦力計算，輪體選用邵氏硬度65 ～70 橡膠制成，在保證摩擦力需求的情況下，兼顧耐久性，實現較低的維護量。端蓋為減輕設備整體重量及配重采用鋁合金材質，同時，為保證輪系的可靠性在輪座螺紋孔內加入鋼絲螺套防止螺紋反復使用導致失效。在機器人經過導軌縫隙或轉彎時，星形把手配合低壓縮量彈簧（48.8N/mm）可以使機器人從動輪機構夾緊軌道，這樣就有足夠的摩擦力防止從動輪機構打滑，同時，保證從動輪與主動輪以相同的角速度平順過彎。連接套起到防塵、防水的作用，采用三防布材質在從動輪機構過彎時允許有5 ～10mm 的竄動量，以保證編碼器接線不被折彎。

旋轉軸與輪座連接處使用塑料軸承連接，機器人巡檢時，整體會暴露在充滿粉塵的空氣中，塑料軸承避免了常規軸承易進灰塵，維護拆修困難、費時費力等弊端，從而降低維護量，節約成本。從動輪行走過程中主要受到徑向力，整臺機器人重25kg，最快行走速度0.5m/s，因此選用深溝球軸承。在旋轉軸、連接套、支座與轉接板裝配時，要安裝密封圈，以達到巡檢機器人整機IP65防水、防塵的設計要求。

1.2 主動輪機構

根據主輪所需啟動的摩擦力，輪體采用與從動輪一致的橡膠（邵氏硬度65 ～70）制成。輪轂、端蓋、輪座均采用鋁合金材質以減輕設備整體重量。在常規巡檢中，連接軸只受徑向力作用，因此，與主動輪座配合使用深溝球軸承連接。主動輪機構選用抱閘伺服電機為整臺機器人提供動力輸出，當現場安裝或調試時，出現斷電情況，機器人的整個輪系是無法轉動的，25kg 的機器人依靠人工送回充電樁或維修點費時費力，如圖3 設計的離合機構就可以解決上述問題。旋動定位銷上端螺堵，使離合套推動彈簧向下移動，定位銷完全脫離聯軸器后，主動輪可以實現自由轉動，機器人維修或者調試時，可以在軌道上自由滑動。

圖3 自動轉運裝置示意圖

圖4 承重輪機構

1.3 承重導向輪機構

承重輪需要在粉塵、低溫（工作溫度/濕度：-40～60℃/RH ≤90）等惡劣工況下保證跨越斷軌、提升爬坡及同步轉彎功能。因此，承重輪采用聚氨酯材質，邵氏硬度55 ～60，配合密封軸承，這種設計可以應對各種工況同時降低維護量。下導向輪的作用是在機器人爬升時（最大爬坡角度20°），保證機器人時刻與導軌貼合，同時，也避免機器人高速行駛至爬升區域，離心力及慣性對電氣元件沖擊及機器人本體的沖擊。使整個爬升過程流暢穩定。設計該結構時需要注意彈簧預緊力要適中，過緊則摩擦力增大，增加電機負載，減少機器人續航時間。相反，預緊力較小時，則起不到對機器人的保護作用。轉向軸與行走機構底座連接時要安裝止推墊片防止轉向軸的軸向竄動，安裝銅滑套使導向輪支架旋轉順滑，保證行走機構在過彎時起到導向的作用（轉彎半徑：水平≥1.5m，垂直≥2m），減小轉彎時的摩擦力，引導機器人的前進方向。

導向輪由尼龍輪轂配合不銹鋼輪套及密封軸承組成，尼龍輪轂起到減輕重量的作用，不銹鋼輪套可以減少機器人行走時的滑動摩擦力，同時，降低機器人在常規巡航狀態下的維護量。導向輪支架與墊塊配合時要考慮到定位精準，使板簧安裝后與承重輪架保持平行。板簧是整個導向輪組件的核心，其原理類似汽車懸架中應用最廣泛的一種彈性元件，由若干片等寬但不等長、厚度可以相等也可以不相等的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁。在轉彎過程中，主片卷耳受力嚴重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第二片末端也彎成卷耳，包在主片卷耳的外面，稱為包耳。為了使得在彈性變形時各片有相對滑動的可能，在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。這種結構就解決了轉彎時機器人卡頓，轉向遲鈍，有效減小轉彎半徑，同時，延長了整套導向機構的使用壽命，節約了成本。

1.4 電機選型

伺服電機為巡檢機器人行走機構的動力來源，其精度高，可實現位置、速度和力矩的閉環控制，克服了步進電機失步的問題；高速性能好，一般額定轉速能達到2000 ～3000 轉；適應性強，抗過載能力強，能承受三倍于額定轉矩的負載，對有瞬間負載波動的和快速啟動的場合特別合適，電機加減速的動態響應時間短，一般在幾十毫秒內，同步進電機相比發熱和噪音明顯降低。

主動輪機構所需有效功率：

傳動裝置總效率η=η2齒輪·η2承·η 輪·η 聯。

齒輪嚙合效率η齒輪=0.97(齒輪精度為8 級)。

軸承效率承η承=0.99。

聯軸器效率聯η聯=0.99。

橡膠輪輪η輪=0.96。

傳動總效率η=0.972×0.992×0.99×0.99=0.904。

所需電機功率：

連接軸橡膠輪端P3=P0·η 齒輪2·η 承2·η 聯·η=180·0.972·0.992·0.99·0.99=0.163kW。

減速器速比i=30。

主動輪扭矩

本研發項目選擇的是自制電機，型號為DFMC62-24-B，其技術參數如表1。

表1 電機參數表

1.5 結合TRIZ 創新理論優化設計

矛盾分析：

（1）根據因果鏈分析原理，解決頂輪夾緊力不足，如果要提升頂輪夾緊力，那么就要增加頂輪的預緊壓力，但輪系整體能耗增加。將問題模型標準化為對應的39個通用工程參數：改善的是壓力，惡化的參數動物能耗。通過查矛盾矩陣表得出可使用的發明原理有：曲面化原理、中介物原理、預操作原理，熱膨脹原理。根據矛盾分析，可使用曲面化原理，將物體的直線部分用曲線或球面代替。

（2）運用物理矛盾原理，頂輪夾緊力既要小又要大。頂輪夾緊力不足，會出現機器人在運行過程中打滑、晃動，夾緊力特別大會出現摩擦增大，電機負載、能耗增加。

（3）根據因果鏈分析原理，解決機器人轉向時承重輪摩擦阻力大,如果要解決轉向時承重輪滑動摩擦阻力大，那么可以增加回轉機構降低輪系阻力，但裝置復雜性增加。將問題模型標準化為對應的39 個通用工程參數：改善的是力，惡化的參數裝置復雜性，通過查矛盾矩陣表得出可使用的發明原理有：復制、參數變化、預操作、振動，根據矛盾分析，可使用預先作用，預置必要的動作、機能。

（4）運用物理矛盾原理，回轉機構內的導向輪距離軌道既要近又要遠。由于增加回轉機構，機器人在轉彎行駛時，導向輪要根據轉彎半徑不同，提供不同的壓緊力，彈簧鋼材質可根據軌道形狀自適應壓緊軌道。

2 結語

（1）巡檢機器人配合行走機構，可以適應惡劣環境，實現跨斷軌，多自由度行走，提高了工作效率，減少了工作人員的勞動強度。

（2）巡檢機器人行走機構，外露部分零部件定制了相應的防水、防塵措施，可以杜絕樣料粉末機器人的磨損，降低維護量，延長設備使用壽命。

（3）主動輪機構的離合組件，從動輪機構的彈簧壓緊組件，承重輪機構的導向組件，既保障了機器人在巡檢時的可靠性與穩定性，也降低了企業的運維成本。

（4）利用TRIZ 創新方法，對機械結構進行優化，可以降低成本，縮小整機結構空間，減少整套輪系重量，更好地適應惡劣的極端環境。