礦用鋼絲繩捻向攀爬輪式巡檢機器人設計

摘要：

針對礦用鋼絲繩無人巡檢需求，設計研制了一種沿鋼絲繩捻向攀爬的巡檢機器人。該機器人所需的驅動力約為傳統(tǒng)沿軸向攀爬機器人的0.915倍，攜帶負載3 kg時，其越障高度比軸向攀爬機器人的越障高度大0.6 mm，障礙物高度為3 mm時，它攜帶的最大負載比軸向攀爬機器人大0.4 kg。模擬深井環(huán)境開展了鋼絲繩振動工況下的巡檢機器人攀爬實驗。研究結果表明：在鋼絲繩靜止狀態(tài)下，攀爬機器人展現(xiàn)出穩(wěn)定的攀爬性能，最大攀爬速度達到8.25 m/min，可連續(xù)攀爬500 m；在低頻大幅振動工況下，機器人攀爬速度高于靜止時的速度；在高頻小幅振動工況下，鋼絲繩振動會導致攀爬速度小幅度波動。

關鍵詞：攀爬機器人；捻向攀爬；鋼絲繩；巡檢

中圖分類號：TP242

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.10.003

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Twisting Climbing Wheeled Inspection Robot for Mining

Wire Ropes

TANG Chaoquan" TONG Binghang" TANG Wei" ZHANG Gang" WANG Siyuan

TANG Hongwei" LIU Bei" ZHOU Gongbo

School of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，

Xuzhou，Jiangsu，221116

Abstract： In response to the unmanned inspection requirements of mining wire ropes， a rope-twisting climbing inspection robot was designed and developed. Compared to traditional axial climbing robots， which required approximately 91.5% of the driving force. When carrying a load of 3 kg， the robot may overcome obstacles with a height 0.6 mm higher than that of axial climbing robots. With an obstacle height of 3 mm， the maximum load capacity exceeds that of axial climbing robots by 0.4 kg. Climbing experiments were conducted under simulated deep mine conditions with wire rope vibrations. The results show that the climbing robots exhibite stable climbing performance when the wire ropes are stationary， achieving a maximum climbing speed of 8.25 m/min and capable of continuous climbing for 500 m. Under low-frequency large-amplitude vibration conditions， the climbing speed of the robot is higher than that when stationary， while under high-frequency small-amplitude vibration conditions， slight fluctuations in climbing speed are observed due to wire rope vibrations.

Key words： climbing robot; twisting climbing; wire rope; inspection

收稿日期：20240327

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0600905）;國家自然科學基金（62073328，62233011）

0" 引言

礦用鋼絲繩是煤礦提升系統(tǒng)中的重要動力傳動部件，其日常巡檢是確保礦井安全提升的重要手段。目前，鋼絲繩巡檢方式包括人工巡檢［1］、無損檢測（渦流、漏磁、光學、超聲檢測）［2-5］等方法，其中人工巡檢存在精度低、工作強度大等問題，而無損檢測方法僅能檢測工件表面或近表面缺陷，同時檢測時鋼絲繩運動甩起的油污會造成檢測傳感器污染和失效［6］。

目前，繩索攀爬機器人在清潔、檢修、消防等領域有著廣泛的應用。攀爬方式是繩索攀爬機器人高效、安全工作的基礎，研究人員對機器人的攀爬方式進行了大量的研究，主要包括滾輪式［7-9］、蠕動式［10-11］、履帶式［12-13］。其中，滾輪攀爬方式由于結構簡單且攀爬效率高，是目前繩索攀爬機器人常用的移動方式，這類機器人多用于懸索橋纜索維護、帶電線纜障礙物清理，但是滾輪式攀爬機器人的越障能力差，滾輪易打滑和磨損［14-15］。蠕動式和履帶式繩索攀爬機器人行動穩(wěn)定、越障能力強、承載能力高，但蠕動式機器人結構復雜、運動效率低，履帶式機器人機構復雜、機動性差。其他繩索攀爬機器人，如卡耐基梅隆大學設計的仿生蛇繩索攀爬機器人具有較強的越障能力，但其控制難度大、穩(wěn)定性較差［16］。東南大學設計的具有斷電回收功能的雙邊輪式攀爬機器人可適應桿件的直徑變化，具有很好的環(huán)境適應性［17］。

機器人沿鋼絲繩軸向攀爬時需要較大的壓緊力，克服較大的力矩，同時面臨磨損和松動等問題，利用鋼絲繩的天然紋理沿繩捻向攀爬，則可克服以上問題。本文結合現(xiàn)有纜索攀爬機器人和煤礦井下工況條件，設計了一種礦用鋼絲繩捻向攀爬輪式巡檢機器人。對不同攀爬方向機器人的性能進行了比較分析，同時模擬深井環(huán)境中鋼絲繩的振動情況，開展了鋼絲繩振動模式下的攀爬實驗，驗證了機器人攀爬的安全可靠性。研究成果有助于實現(xiàn)高效、安全的礦用鋼絲繩日常巡檢，確保縱深環(huán)境內工作設備的健康運行。

1" 機器人攀爬運動特性分析

機器人在攀爬鋼絲繩時，滾輪在鋼絲繩上的攀爬方式可分為沿鋼絲繩軸向和捻向運動［18］。本文分析了機器人輪形和攀爬方式對機器人攀爬運動性能的影響。

1.1" 輪形對攀爬性能的影響

圖1為楔形輪和圓形輪在鋼絲繩上運動時滾輪與鋼絲繩之間接觸的簡化示意圖，其中鋼絲繩的橫截面為六邊形。在攀爬過程中，楔形輪與鋼絲繩中心軸的距離會不斷變化，致使輪體與鋼絲繩之間產生徑向位移，有造成機器人從鋼絲繩脫落的風險，而圓弧輪與鋼絲繩中心軸的距離始終保持恒定，因此，圓弧輪在鋼絲繩上攀爬時沒有徑向位移，機器人緊固在鋼絲繩上，可以在鋼絲繩上平穩(wěn)的運動。此外，如果楔形輪角度小于120°還會出現(xiàn)鋼絲繩的頂點無法與楔形輪接觸的情況，致使機器人卡死，而圓形輪會平滑地過渡鋼絲繩頂點，可以避免卡死的情況。綜上，本文選擇攀爬平穩(wěn)、不會發(fā)生卡死現(xiàn)象的圓形輪作為機器人輪體。

圖2為圓形輪捻向攀爬過程示意圖。滾輪在鋼絲繩上平穩(wěn)運動的條件是運行時至少保持與兩根鋼絲接觸，防止?jié)L輪與單根鋼絲接觸時發(fā)生軸向旋轉。已知滾輪的圓弧對應的圓心角為5π/6，鋼絲的繩股半徑r為6 mm，捻角α為23.85°，中心距b為12mm，可計算出機器人滾輪的半徑應大于12/cos23.85°=13.12 mm，所以設計滾輪半徑為15 mm，確保輪體在鋼絲繩上平穩(wěn)運行。

1.2" 軸向與捻向攀爬平穩(wěn)性分析

圖3為圓形滾輪與鋼絲繩接觸位置三維示意圖，接觸點位置用紅點標記。如圖3所示，由于鋼絲繩和輪體表面是剛性接觸，當機器人沿著鋼絲繩軸向運動時，每個滾輪與鋼絲繩接觸位置僅為兩個點，當機器人沿著鋼絲繩捻向運動時，由于輪體不與每股鋼絲繩的最外圍鋼絲接觸，且輪體表面和鋼絲繩的接觸角度為120°，使得輪體的一側與兩根鋼絲接觸，故每個輪體與4根鋼絲繩保持接觸，即每個滾輪有4個點與鋼絲繩接觸。

通過分析可知，由于捻向攀爬時每個輪子與鋼絲繩的接觸角度增大，故輪體與鋼絲繩的接觸點相較沿軸向攀爬時更多。隨著接觸點的增多，機器人與鋼絲繩的接觸更為緊密，提高了機器人對鋼絲繩的抓握力，同時，機器人能夠更有效地應對鋼絲繩表面的不規(guī)則紋理，增強了機器人在攀爬過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

1.3" 攀爬所需驅動力的比較

圖4所示為機器人滾輪沿鋼絲繩軸向和捻向運動的受力分析。機器人軸向運動時，主動輪提供的摩擦力f1應滿足如下條件：

f1=T1/rf1=mg+ma（1）

機器人捻向運動時，主動輪提供的摩擦力f2應滿足如下條件：

f2=T2/rf2=（mg+ma）cos θ（2）

式中，m為滾輪的質量；θ為滾輪與鋼絲繩軸向的夾角；T1、T2分別為軸向和捻向運動時主動輪轉矩；r為滾輪半徑；a為加速度。

當機器人沿鋼絲繩軸向運動時，若其配備主動輪數(shù)量為n，主動輪半徑為r1，那么單個主動輪的轉矩T1為

T1=（mg+ma）r1n（3）

當機器人沿鋼絲繩捻向運動時，若其重量和主動輪數(shù)量與軸向運動時一致，主動輪半徑為r2，那么單個主動輪的轉矩T2為

T2=（mg+ma）r2cos θn（4）

在機器人的主動輪個數(shù)n、滾輪半徑r、質量m與加速度a均相同的條件下，兩種攀爬方式轉矩比τ為

τ=nT1nT2=（mg+ma）r1n（mg+ma）r2cos θn=1cos θ=1.093（5）

結果顯示沿軸向攀爬所需力矩約為沿捻向攀爬時的1.093倍。

1.4" 軸向與捻向攀爬越障能力分析

選擇臺階類障礙分別對機器人沿軸向和捻向越障過程進行對比分析。

機器人沿鋼絲繩軸向運動的越障簡化過程如圖5所示。

根據(jù)圖5，可以得出靜力平衡方程：

T1sin Φ/r+Fs+my¨=Ncos Φ+mg

Nsin Φ+T1cos Φ/r=F（6）

式中，h為障礙物的高度；Φ為滾輪受到來自障礙物的支持力與鋼絲繩股軸向的夾角，即接觸角；Fs為機器人其余主動輪向上的攀爬力；N為障礙給予滾輪的壓力；F為動力和阻力差。

假定r為12 mm，彈簧預緊形變量x0為7 mm，滾輪的轉矩T1為0.1 N·m，則有

Φ0=arcsinr－h(huán)r" Φ∈（arcsinr－h(huán)r，π2）

Fn=k（x0+Δx）=14+24（cos Φ0－cos Φ）

Fs=∑5i=1Fsi=5T1/r=41.67 N

式中，Φ0為障礙物與滾輪的初始接觸角；k為彈簧的彈力系數(shù)；Δx為彈簧越障時形變量；Fn為彈簧彈力。

選擇聚氨酯和鋼之間的動摩擦因數(shù)μ=0.6進行分析：

f1=μN≥T1/r（7）

0.6（Fnsin Φ+Fscos Φ）≥8.33 N（8）

Fnsin Φ≥Fnmin=14 N

Fscos Φ≥Fs=41.6 N（9）

由式（8）和式（9）結果可知，摩擦力f1最小為33.36 Ngt;8.33 N，滾輪不會發(fā)生打滑現(xiàn)象。

當機器人質量確定（假設為3 kg）時，由式（6）可得障礙物高度h與機器人越障過程中動力和阻力差F的關系，如圖6a所示，障礙高度低于7.4 mm時，機器人翻越過程中，不論接觸角如何變化，所對應的動力阻力差F恒為正值，因此，機器人能夠成功越障。

當障礙物高度一定時，機器人承載不同的負載m1進行越障，由式（6）可以得出不同障礙高度h下，機器人與障礙物的不同初始接觸角所對應的動力阻力差F，如圖6b所示，可以計算機器人在越過不同高度障礙時的最大承載能力。所設計的機器人攀爬的最大驅動力為50 N，當越障高度為0時，機器人的最大負載為5-3=2 kg（其中的3為機器人自重）。

圖7為沿鋼絲繩捻向運動時機器人越障過程簡化示意圖。建立坐標系，將機器人沿鋼絲繩（捻角為23.85°）的捻向運動等效為垂直運動，此時機器人所受由重力所產生的阻力為沿軸向運動時的0.915倍。

根據(jù)受力分析圖，可以得出靜力平衡方程：

T2sin Φ/r+Fs+my¨=Ncos Φ+mgcos α

Nsin Φ+T2cos Φ/r=F（10）

由1.3節(jié)分析可知，同等條件下，捻向攀爬所需力矩小于軸向攀爬，故滾輪在捻向攀爬時不會發(fā)生打滑現(xiàn)象。

當機器人質量確定（假設為3 kg）時，由式（10）可得障礙物高度h與機器人越障過程中動力和阻力差F的關系，如圖8a所示，當障礙高度低于8 mm時，機器人翻越過程中，不論接觸角如何變化，對應的動力阻力差F恒為正值，因此，機器人能夠成功越障。

當障礙物高度確一定時，機器人承載不同的負載m1進行越障，由式（10）可以得出不同障礙高度h下機器人與障礙物的不同初始接觸角所對應的動力阻力差F，如圖8b所示，可以計算機器人在越過不同高度障礙時的最大承載能力。結果顯示，當越障高度為0時，機器人的最大負載為5×1.093-3=2.47 kg。

綜上所述，在同等條件下，相較于軸向運動，機器人沿捻向運動具有更好的越障能力和負載能力。

2" 鋼絲繩捻向攀爬機器人設計

2.1" 攀爬機器人結構設計

鋼絲繩攀爬機器人的主要組成部分包括搭載平臺、張緊裝置、防爆外殼和滾輪，如圖9所示。張緊機構由外殼外側的限位防松螺母、內側的張緊支架、彈簧和直線軸承組成，其中限位螺母和直線軸承對張緊機構的軸向移動進行限位，彈簧則確保滾輪機構始終緊貼在鋼絲繩上。防爆外殼由螺栓連接外殼、上下搭載平臺和側蓋板構成，該設計便于更換搭載平臺，以適應不同的傳感器。機器人采用無纜設計，依靠電池供電。

機器人至少需要兩組輪系以確保其沿鋼絲繩捻向運動時與鋼絲繩中心軸保持平行，每組輪系由三個輪子組成，輪子間相隔120°均勻分布在鋼絲繩周圍。同時配備上下兩組張緊裝置，每組三個張緊結構均勻分布在鋼絲繩周圍，保證了攀爬時的穩(wěn)定性。圖10為驅動機構和張緊裝置的剖視圖。該設計集成了驅動機構、張緊機構和滾輪。支架軸上安裝了彈簧，位于支架與外殼之間，起到緩沖作用。支架軸通過外殼上的直線軸承，使得整個結構能夠沿軸線平穩(wěn)移動。該設計賦予機器人一定的緩振和抗干擾能力，能夠有效應對各種復雜的工作場景和潛在的障礙物，從而提高其在多變環(huán)境中的適應性和穩(wěn)定性。

該機器人選擇GA12-N20型號的減速電機，額定電壓12 V，額定工作電流200 mA，空載電流50 mA，堵轉電流300 mA，轉速200 r/min，額定力矩0.1 N·m，堵轉力矩0.7 N·m，減速比150。同時為滿足最大電流1500 mA和最小輪系數(shù)2，每個運動模塊由兩組輪系構成，每組輪系有三個主動輪，各搭配一個電機提供動力。機器人整體輸出力矩為0.6 N·m，機器人能勻速驅動5.47 kg的質量。

2.2" 機器人控制系統(tǒng)設計

機器人主控制器選用集成ATMEGA328芯片的Arduino UNO R3，并配合L298P模塊用于電機驅動。機器人輪系的轉速由PWM波設定，由PID算法進行實時調節(jié)，減小真實值與設定值之間的誤差，從而確保兩組輪系同步運行。

機器人的運動由超外差無線接收器進行通信控制，傳感器信號通過Wi-Fi傳輸。圖11所示為機器人整體的控制流程。

視覺監(jiān)測系統(tǒng)包括Wi-Fi視頻圖傳模塊、攝像存儲器和視頻客戶端。視覺檢測視頻能夠通過自帶熱點（10 m范圍內）傳輸，也能夠通過Wi-Fi網絡傳輸至視頻客戶端（無線網絡覆蓋區(qū)域），以便于查看視頻畫面。

3" 機器人攀爬實驗及性能分析

3.1" 實驗臺設計

為了測試所研制攀爬機器人的性能，搭建了測試實驗臺，如圖12所示，對井下環(huán)境中鋼絲繩高頻小幅和低頻大幅振動進行了模擬。

實驗臺總高4.3 m，由鋼絲繩、低頻大幅同步帶軌道滑臺模組、高頻振動電機和實驗平臺組成。其中，低頻大幅同步帶軌道滑臺模組的軌道長度可變，有效行程為500 mm，最大驅動力為500 N，能夠滿足實際工況中鋼絲繩最大偏擺20 cm的需求；高頻振動電機采用功率100 W、振動力50 kg的 HY-100振動電機，利用變頻器改變鋼絲繩激振頻率來模擬井下鋼絲繩的振動頻率和幅值范圍，測試機器人在不同振動工況下的性能。

實驗臺工作模式有低頻大幅值擺動和高頻小幅值擺動兩種。其中，低頻大幅值擺動是指鋼絲繩在特定的幅值和頻率下擺動，通過同步帶軌道牽引鋼絲繩的一端來實現(xiàn)，同步帶滑塊的位置和滑臺的移動速度分別由電感式接近開關反饋和速度傳感器進行反饋，并由此改變鋼絲繩擺動的幅值和頻率；高頻小幅值擺動則是通過變頻器驅動偏心輪振動電機來使鋼絲繩產生振動，其中的振動頻率由變頻器控制。

實驗臺通過攝像頭記錄機器人攀爬的過程，視頻幀率設為25幀/s，使得測量時間的精度達到0.04 s。通過分析攀爬過程中機器人所消耗的幀數(shù)，可以計算出其在特定距離內的平均速度。

3.2" 機器人實驗分析

為了保證機器人在實際工作環(huán)境中的可靠性，分析了機器人的振動適應性，測試了機器人能夠承受的振動幅值和頻率范圍。

3.2.1" 靜止工況下的攀爬實驗

在鋼絲繩靜止狀態(tài)下，利用視頻實時錄像的方法測試機器人的攀爬速度和攀爬距離。在實驗臺的鋼絲繩上標出 1 m的距離，從機器人剛充滿電開始，使機器人在1 m間往復移動，并記錄機器人攀爬時視頻播放的幀數(shù)，根據(jù)幀數(shù)求得機器人平均攀爬速度和瞬時速度，并確定在符合巡檢速度要求的條件下，機器人能夠連續(xù)攀爬的最大距離。圖13所示為搭載2200 mA·h蓄電池的機器人在不同攀爬距離下的速度變化，結果表明，當電池充滿電時，機器人的最大攀爬速度為8.25 m/min。機器人的攀爬速度隨著攀爬距離的增加逐漸下降，最終導致無法繼續(xù)攀爬。由此可以推斷，使用2200 mA·h電池的機器人在滿電滿載情況下能夠連續(xù)攀爬的最大距離為500 m。

此外，本文通過逐步增加0.1 kg的質量塊來測試機器人的負載能力。圖14所示為不同負載質量對機器人攀爬速度的影響，結果顯示，機器人的攀爬速度隨著負載的增大而降低，最大可承受負載為1.3 kg。實際負載能力會略低于理論計算值2.47 kg，主要是由于電池電量衰減、加工誤差以及傳動過程中扭矩損耗等因素的影響。

3.2.2" 鋼絲繩低頻大幅振動實驗

在振幅范圍為0～20 cm，頻率范圍為0～1 Hz的低頻大幅振動條件下測試了機器人的攀爬速度。實驗中，為了排除電池電量對結果的影響，交替進行了鋼絲繩振動和靜止時的攀爬速度測試。

圖15所示為機器人在不同振動頻率和振幅下的軸向攀爬速度。對照實驗中，鋼絲繩靜止時的攀爬速度平均值為7.545 m/min。由圖15可以看出，在低頻大幅振動環(huán)境下，機器人的攀爬速度整體上高于它在靜止條件下的速度，表明低頻大幅振動對機器人的攀爬速度有一定的提升作用。其原因在于，鋼絲繩的低頻大幅振動能夠有效糾正由于機器人轉速不同步、鋼絲繩直徑差異等引起的滾輪與軌道的偏移，使機器人重新對準鋼絲繩捻繩軌道。

3.2.3" 鋼絲繩高頻小幅振動實驗

在振幅范圍0～2 cm、頻率范圍20～50 Hz的高頻小幅振動條件下測試了機器人的攀爬速度。圖16所示為攀爬機器人在不同鋼絲繩振動頻率下的攀爬速度，零頻的速度值（圖16中斷點前）代表了捻向攀爬機器人在靜止鋼絲繩攀爬實驗中的基準速度平均值。由圖16可以看出，小幅振動頻率對機器人在鋼絲繩上的攀爬速度影響較小，也表明張緊結構中的彈簧阻尼系統(tǒng)有效吸收了由鋼絲繩振動產生的能量，減小了振動對攀爬速度的干擾。

4" 結論

（1）相比于楔形輪，圓形輪在鋼絲繩上攀爬過程中運動更平穩(wěn)、不會發(fā)生卡死。

（2）相比于軸向攀爬，機器人沿鋼絲繩捻向攀爬輪體與鋼絲繩接觸面積更大，攀爬過程更加平穩(wěn)，所需的驅動力更小，為軸向攀爬時的0.915倍，最大越障高度比沿軸向攀爬高出0.6 mm，最大負載比沿軸向攀爬增加了0.47 kg。

（3）在鋼絲繩靜止狀態(tài)下，攀爬機器人表現(xiàn)出平穩(wěn)的攀爬性能，最大攀爬速度達到8.25 m/min，可連續(xù)攀爬500 m。在低頻大幅振動工況下，機器人攀爬速度高于靜止時的速度，表明低頻大幅振動有助于提高機器人的攀爬速度。在高頻小幅振動工況下，鋼絲繩振動會導致攀爬速度小幅度波動。

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（編輯" 袁興玲）

作者簡介：

唐超權，男，1982年生，副教授、博士研究生導師。研究方向為仿生機器人設計與控制、巡檢機器人設計與控制、移動平臺的輔助駕駛與自主導航。E-mail：tangchaoquan@cumt.edu.cn。

周公博（通信作者），男，1985年生，教授、博士研究生導師。研究方向為智能化礦山機電裝備、無線傳感器網絡、特種環(huán)境機器人。E-mail：gbzhou@cumt.edu.cn。