管廊巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

云亞文 高培源 雍明超 牛成玉 魏永強(qiáng)

摘要：針對(duì)城市綜合管廊的安全巡檢需求，設(shè)計(jì)了一種能夠在復(fù)雜管廊環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的管廊巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。首先詳細(xì)介紹了軌道、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和本體的設(shè)計(jì)依據(jù)和思路，說明了各機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，然后對(duì)設(shè)計(jì)軌道的強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，并且對(duì)管廊機(jī)器人的行駛穩(wěn)定性進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，軌道完全能夠滿足強(qiáng)度要求，整個(gè)行駛過程中管廊機(jī)器人能夠平穩(wěn)運(yùn)行，驗(yàn)證了管廊機(jī)器人的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：管廊巡檢機(jī)器人;軌道強(qiáng)度;運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）09-0129-03

0 引言

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持高速增長(zhǎng)，持續(xù)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)伴隨著用電量和信息量的持續(xù)增加。目前，我國(guó)用電總量已經(jīng)穩(wěn)居世界第一，龐大的用電量和信息量迫使各個(gè)城市大力建設(shè)綜合管廊。目前我國(guó)的建城市綜合管廊已經(jīng)超過2000多公里[1]，這么長(zhǎng)距離的綜合管廊隧道，其安全巡檢工作是維護(hù)城市電力和信息輸送的關(guān)鍵。管廊內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境和紛雜的電力設(shè)備，使傳統(tǒng)的人工巡檢方式無法滿足安全運(yùn)維和應(yīng)急處理的需要[2]，所以，使用管廊巡檢機(jī)器人代替人工巡檢，實(shí)現(xiàn)城市綜合管廊的智能化高效巡檢是時(shí)代發(fā)展的必然。

日本、美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家已有多年的城市管廊建設(shè)和管理經(jīng)驗(yàn)，2005年美國(guó)率先應(yīng)用“巡游者”地下電纜檢測(cè)機(jī)器人[3]，開啟了管廊機(jī)器人的先河。近年來，我國(guó)的多家企業(yè)和高校也投入到管廊機(jī)器人的研發(fā)當(dāng)中，但是還沒有達(dá)到全面應(yīng)用階段。所以，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活穩(wěn)定的管廊機(jī)器人，對(duì)管廊機(jī)器人的推廣會(huì)有極大幫助。

1 管廊環(huán)境分析

城市綜合管廊是一種集約度高、科學(xué)性強(qiáng)的綜合管線工程，隨著我國(guó)城市建設(shè)步伐的加快，綜合管廊的數(shù)量越來越大，保證管廊的安全穩(wěn)定運(yùn)行變得尤為重要。綜合管廊中鋪設(shè)的是整個(gè)城市的給排水、通信和電力線路等，環(huán)境復(fù)雜多變，為保證綜合管廊的安全運(yùn)行，需要不間斷得對(duì)管廊中的溫度、濕度、有害氣體等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。若采用傳統(tǒng)人工巡檢，不僅危險(xiǎn)系數(shù)較高，而且難免會(huì)有疏漏。而管廊巡檢機(jī)器人則可以憑借高清攝像頭和傳感系統(tǒng)，不間斷在綜合管廊中巡檢，隨時(shí)將異常情況報(bào)告給運(yùn)維人員，并結(jié)合消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等，及時(shí)消除管廊中的安全隱患[5]。

不同城市的規(guī)劃布局和地理環(huán)境是不同的，這也就導(dǎo)致了每個(gè)城市會(huì)有自己獨(dú)有的管廊規(guī)劃和環(huán)境，例如管廊需在特定的地方拐彎或爬坡。所以為保證管廊巡檢機(jī)器人的通用型，其機(jī)械結(jié)構(gòu)必須具備靈活轉(zhuǎn)彎和爬坡的能力。同時(shí)，管廊機(jī)器人結(jié)構(gòu)也需要能夠掛載攝像頭和多種傳感系統(tǒng)，擴(kuò)展機(jī)器人功能[6]。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管廊環(huán)境的特殊性，決定了管廊機(jī)器人本身特有的結(jié)構(gòu)。首先城市綜合管廊的長(zhǎng)度，要求管廊機(jī)器人必須具備長(zhǎng)距離巡檢的能力;而綜合管廊中多樣的設(shè)施，要求機(jī)器人必須具備掛載多種監(jiān)測(cè)設(shè)備的能力。因此，本文中設(shè)計(jì)的管廊機(jī)器人采用軌道式掛載結(jié)構(gòu)，主要由運(yùn)行軌道、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和掛載殼體組成。

2.1 軌道設(shè)計(jì)

軌道是管廊機(jī)器人巡檢的路徑，軌道的設(shè)計(jì)直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)。軌道承載強(qiáng)度和節(jié)省材料是軌道設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[7]，比較常見的軌道一般采用“工”字形，為進(jìn)一步節(jié)省材料降低軌道成本，這里的軌道設(shè)計(jì)采用“T”字形，從材料力學(xué)的角度分析梁中部的受力很小，所以將中間制成通孔;軌道材料選用高強(qiáng)度鋁合金，這樣既能減輕軌道本身的重量，還能夠滿足承載強(qiáng)度要求;軌道兩邊各設(shè)計(jì)了圓形突起，這樣是為了限制管廊機(jī)器人輪子的行走路徑，使機(jī)器人更加平穩(wěn)的巡檢。軌道的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

管廊的彎度一般較大，所以軌道1m的轉(zhuǎn)彎半徑就可以滿足要求。軌道每2m會(huì)設(shè)計(jì)一組安裝孔，通過吊裝器件將軌道固定在管廊頂部，彎形軌道與直軌道的穩(wěn)固連接也主要依靠吊裝器件，軌道吊裝示意圖如圖2所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

管廊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是拖動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的載體，不僅需要沿著特定的軌道行駛，還需要具有足夠的承載能力[8]。根據(jù)前文設(shè)計(jì)的軌道結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的管廊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要包括主動(dòng)輪組件、從動(dòng)輪組件和連接底板;主動(dòng)輪組件由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、軸承和四個(gè)輪子組成，這些組件固定在鋁合金支架上，左右對(duì)稱，確保機(jī)構(gòu)承載重量分布均勻，上面兩個(gè)輪子主要作用是承載重量，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，下面兩個(gè)輪子的作用是限制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置和導(dǎo)向，保證機(jī)構(gòu)能夠穩(wěn)定直行和轉(zhuǎn)彎;從動(dòng)輪組件只比主動(dòng)輪組件少了電機(jī)和減速器;連接底板由殼體鈑金件和兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸承組成，鈑金件通過兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸承分別與主動(dòng)輪組件和從動(dòng)輪組件連接，直線行駛時(shí)回轉(zhuǎn)軸承不工作，當(dāng)遇到彎道時(shí)，兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸承隨著主動(dòng)輪組件和從動(dòng)輪組件獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)向輪的作用下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎。

2.3 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本體主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)和各種硬件設(shè)備組成，合理的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以最大化節(jié)省空間，還可以節(jié)省材料，使機(jī)器人小型化輕量化。考慮到減輕機(jī)器人重量，本文中的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用鈑金件，最上方的鈑金件與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過回轉(zhuǎn)軸承連接，四周和下方的外殼為一整塊鈑金件折彎形成，這樣可以增加整個(gè)本體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。本體中重量最大的組件電池和云臺(tái)都掛載在本體中間，電池在內(nèi)云臺(tái)在外，這樣機(jī)器人在行走時(shí)重心穩(wěn)定。為進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在本體內(nèi)部增加加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋連接上部和下部的鈑金件，不僅可以直接承受電池和云臺(tái)的重量，還可以在側(cè)面掛載硬件設(shè)備，使本體結(jié)構(gòu)更加緊湊。圖4為本體結(jié)構(gòu)示意圖。

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

3.1 軌道強(qiáng)度分析

管廊機(jī)器人掛載在軌道上，所以整個(gè)機(jī)器人的重量由軌道承擔(dān)，設(shè)計(jì)軌道的力學(xué)特性是否滿足要求，需要仿真驗(yàn)證。經(jīng)過初步測(cè)算，管廊機(jī)器人本體的重量在30～35kg的范圍，這里選取最大值35kg。每一根軌道的長(zhǎng)度是兩米，由材料力學(xué)知識(shí)分析可知，當(dāng)機(jī)器人行駛在軌道中點(diǎn)時(shí)，軌道上出現(xiàn)最大應(yīng)力和形變，所以這里只分析出現(xiàn)最大應(yīng)力的情況。

首先在軌道的兩端添加固定約束，模擬實(shí)際安裝時(shí)的固定位置，機(jī)器人與軌道是通過輪子接觸，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的接觸面是四個(gè)窄平面，所以在軌道中間位置添加四個(gè)受力位置，施加350N的載荷。添加的約束和載荷如圖5所示。

求解之后，著重分析整個(gè)軌道的形變和應(yīng)力。如圖6所示，從形變圖可以看出，整個(gè)軌道最大的形變出現(xiàn)在中間位置，為3.6x10-5m，形變量很小，不會(huì)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。觀察應(yīng)力圖，可以看出最大應(yīng)力分別出現(xiàn)在中間和固定位置，最大應(yīng)力為3.8MPa，小于鋁合金的彈性極限，所以綜上所述，該軌道設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求。

3.2 穩(wěn)定性分析

管廊機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)上掛載著云臺(tái)等檢測(cè)設(shè)備，在運(yùn)行過程中必須保證平穩(wěn)，才能確保檢測(cè)設(shè)備獲得準(zhǔn)確的信息。行走機(jī)構(gòu)與軌道的接觸配合如圖7所示，主動(dòng)輪或從動(dòng)輪與導(dǎo)向輪分別上下與軌道接觸，兩個(gè)導(dǎo)向輪有一定角度，這樣在直線行進(jìn)的過程中導(dǎo)向輪會(huì)與軌道之間在垂直方向和水平方向上各產(chǎn)生兩個(gè)分力，這四個(gè)分力與主動(dòng)輪或從動(dòng)輪上的力共同作用，確保整個(gè)行走機(jī)構(gòu)在直線運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定。

行走機(jī)構(gòu)過彎時(shí)，運(yùn)動(dòng)情況與直線運(yùn)行不同，由于在垂直方向的作用情況不變，所以這里只分析水平方向的作用。當(dāng)行走機(jī)構(gòu)部分進(jìn)入彎道時(shí)，行走機(jī)構(gòu)前輪隨著彎道發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而后輪還在直線軌道上行駛，行走機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的最大角度如圖8所示，O點(diǎn)為半徑1000mm彎道的圓心，線段AB為前輪和后輪之間的固定距離，長(zhǎng)度為240mm，由幾何知識(shí)可知最大偏轉(zhuǎn)角度為：

最大偏轉(zhuǎn)角為7°，角度很小，與直線行駛不會(huì)有太大差別，而且這段路程也很短，所以不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

當(dāng)行走機(jī)構(gòu)全部進(jìn)入彎道時(shí)，管廊機(jī)器人做圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行速度會(huì)降低，大約為v=0.5m/s。行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪在水平方向會(huì)受四個(gè)力，沿軌道切線方向的兩個(gè)力不影響穩(wěn)定性，所以不考慮，這里只分析垂直軌道切線方向的力。管廊機(jī)器人做圓周運(yùn)動(dòng)，軌道對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪在垂直軌道切線方向有支持力F1、F2，如圖9所示，F(xiàn)1和F2的合力為向心力，管廊機(jī)器人的最小質(zhì)量為30kg，所以向心力最小值為：

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)上受的力方向指向軌道圓心，只要管廊機(jī)器人的速度恒定，那么行走機(jī)構(gòu)所受的力就不變，機(jī)器人能夠穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)器人出彎時(shí)的受力情況與入彎情況類似，這里不再贅述。

綜合上述幾種機(jī)器人運(yùn)行情況，可知，設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)能夠保證管廊機(jī)器人具有較好的穩(wěn)定行駛能力。

4 結(jié)語

面對(duì)城市管廊對(duì)巡檢機(jī)器人越來越高的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種能夠在多彎道管廊中穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)械結(jié)構(gòu)。仿真和分析結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的軌道不僅重量較小，而且能夠滿足強(qiáng)度要求;行走機(jī)構(gòu)無論是在直線軌道，還是在彎道，都能夠保證主動(dòng)輪和從動(dòng)輪與軌道穩(wěn)定接觸受力，保證了機(jī)器人行駛的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有的管廊巡檢機(jī)器人相比，本文設(shè)計(jì)的管廊機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)具有重量輕、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，能夠保證管廊機(jī)器人完成更加精準(zhǔn)的檢測(cè)任務(wù)，因而具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 張杭麗.我國(guó)城市地下綜合管廊的發(fā)展前景和PPP模式應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（3）：198-199.

[2] 黃嘉盛，盧潤(rùn)戈，等.機(jī)器人在電力隧道環(huán)境局放檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2019（2）：113-114.

[3] 趙暉.電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與作業(yè)性能研究[D].東南大學(xué)，2018.

[4] 孫健.城市地下綜合管廊的發(fā)展現(xiàn)狀及改進(jìn)對(duì)策[J].中國(guó)市場(chǎng)，2018（12）：162-163.

[5] 裴文良，周明靜，等.綜合管廊智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2017（1）：91-93.

[6] 黃榮輝，向真.一種高壓室巡檢機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2018（06）：10-15.

[7] 吳鍇.我國(guó)軌道式巡檢機(jī)器人研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J].軟件，2018（11）：80-83.

[8] 王盟锜.室外高空軌道式可移動(dòng)巡查機(jī)器人的研究[J].儀器儀表用戶，2019（02）：31-35.

Abstract：For the safety inspection requirements of the urban integrated pipe gallery， one kind of mechanical structure that operates stably in the complex pipe gallery environment was designed. Firstly， the design basis and ideas of the track， motion mechanism and ontology are introduced in detail. The article explains the design principles of each institution. Then the strength of the design track was simulated， and the driving stability of the pipe gallery robot was analyzed. The results show that the track fully meets the strength requirements and the pipe gallery robot operates stably during the entire driving process. The results verify the feasibility and reliability of the pipe gallery robot.

Key words：Pipeline inspection robot;Track strength;Motion mechanism;stability