雙云臺(tái)快速移動(dòng)軌道巡檢機(jī)器人的研究

謝一源 郭凱 羅立軒 翁鈺 朱煜銘 朱蓉

摘要：在移動(dòng)類機(jī)器人的研究領(lǐng)域，軌道類巡檢機(jī)器人是典型的特種移動(dòng)機(jī)器人在對(duì)安全性有一定要求的場(chǎng)合應(yīng)用最為廣泛，電力巡檢機(jī)器人是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但目前的軌道機(jī)器人大多數(shù)為水平或垂直的運(yùn)動(dòng)巡檢，其大多是沿用了自行走輸送機(jī)器人的工字型軌道。存在重量大，價(jià)格高，不易實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎的情況，在電力機(jī)房等設(shè)備密集的場(chǎng)合，較難滿足實(shí)際需求。市場(chǎng)上也有環(huán)形或S型可過彎的巡檢機(jī)器人，但受機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)的限制，需用配套的異性軌道才能實(shí)現(xiàn)過彎，且運(yùn)行速度較為緩慢，檢測(cè)質(zhì)量分散。機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)性能是其工作效率的基礎(chǔ)，本篇為解決上述的問題，通過改變傳統(tǒng)的軌道機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行創(chuàng)新，使其實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)、精準(zhǔn)定位、順暢過彎的效果。并要求其適應(yīng)簡單形狀的軌道，降低軌道的鋪設(shè)成本，最終設(shè)計(jì)出一款輕便，高效的軌道巡檢機(jī)器人。

關(guān)鍵詞：軌道巡檢;運(yùn)動(dòng)快速;彎道自適應(yīng);雙360°云臺(tái)

在移動(dòng)類機(jī)器人的研究領(lǐng)域，軌道類巡檢機(jī)器人是典型的特種移動(dòng)機(jī)器人。在對(duì)安全性有一定要求的場(chǎng)合應(yīng)用最為廣泛，電力巡檢機(jī)器人是國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本篇文章論述了通過改變傳統(tǒng)的軌道機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行創(chuàng)新，使其實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)，精準(zhǔn)定位，順暢過彎的效果，并要求其適應(yīng)簡單形狀的軌道，降低軌道的鋪設(shè)成本，最終設(shè)計(jì)出一款輕便高效的軌道巡檢機(jī)器人，并創(chuàng)造了多種設(shè)計(jì)方法，為類似機(jī)器人的研發(fā)提供了新的思路。

1 研發(fā)背景與意義

目前國內(nèi)外范圍，智能巡檢機(jī)器人是安防智能化、立體化、移動(dòng)化的最佳載體。其工作環(huán)境大致在電力設(shè)備、園區(qū)倉儲(chǔ)、化工產(chǎn)業(yè)、地下管廊，其功能大致相同即代替人類完成基礎(chǔ)性、重復(fù)性、危險(xiǎn)性的工作。在新常態(tài)下，化工的發(fā)展更需要智能制造，也更需要拓展應(yīng)用工業(yè)智能機(jī)器人?；さ暮芏嗌a(chǎn)工作區(qū)域是危險(xiǎn)和有毒的，人進(jìn)不去，巡檢作業(yè)需要智能機(jī)器人來完成;再就是化工事故后的搶險(xiǎn)救災(zāi)，所以該領(lǐng)域的機(jī)器人需要更靈活多變的運(yùn)行方式。雖然國外化工設(shè)備巡檢機(jī)器人的研究起步較早，但仍有許多關(guān)鍵性問題等待解決，研究潛力非常的大。2015年國務(wù)院允許民營資本進(jìn)入城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國管廊建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入如火如荼的階段。截止目前，多個(gè)城市試點(diǎn)已基本完成，這一大前提下，新一代的軌道巡檢類的機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。它不僅代替了人工低效的巡檢方式，在及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備缺陷，預(yù)防事故發(fā)生，確保設(shè)備安全運(yùn)行等方面發(fā)揮了一定的作用，以及在石化行業(yè)環(huán)境勘探、危險(xiǎn)作業(yè)、隱患排查、事故救援中發(fā)揮不可替代的作用。

現(xiàn)如今全球的機(jī)器人發(fā)展已逐漸產(chǎn)業(yè)化，同類型機(jī)器人之間性能的競(jìng)爭也越來越大，中國已成為全球最大的機(jī)器人應(yīng)用和消費(fèi)國。而作為特種機(jī)器人代表的巡檢機(jī)器人更是目前機(jī)器人行業(yè)發(fā)展領(lǐng)域的主打產(chǎn)品，它的發(fā)展前景更是不可限量。

2需求分析

針對(duì)巡檢機(jī)器人的各方面需求，我們主要從機(jī)器人底盤、機(jī)器人云臺(tái)、機(jī)器人軌道進(jìn)行分析。

2.1 具體需求

軌道式機(jī)器人底盤應(yīng)具有更快的移動(dòng)速度和更大的地形適應(yīng)能力，同時(shí)還得兼具體積小重量輕、使用方便等特點(diǎn)。將底盤需求分為以下幾點(diǎn)：（1）底盤擁有比傳統(tǒng)軌道機(jī)器人更快的移動(dòng)速度;（2）機(jī)器人在換向時(shí)候擁有更大的起步加速度;（3）可通過半徑不小于600mm的彎道和一定坡度的斜坡;（4）重量輕且易安裝其他模塊組件;（5）拆裝簡便易于平時(shí)維護(hù)。

經(jīng)過分析，機(jī)器人云臺(tái)的需求有以下幾點(diǎn)：（1）擁有準(zhǔn)確的控制精度;（2）擁有快速的響應(yīng)速度;（3）擁有視覺識(shí)別和跟隨的能力;（4）Pitch軸俯角不小于30度，仰角不小于45度;YAW軸可在Pitch軸任意角度時(shí)相對(duì)底盤360度自由旋轉(zhuǎn)。

經(jīng)過分析，機(jī)器人軌道相對(duì)應(yīng)的需求有以下幾點(diǎn)：（1）材料的重量輕;（2）材料的成本低;（3）軌道的鋪設(shè)難度低。

2.2 可行方案

針對(duì)機(jī)器人底盤的需求，列出以下解決方案：（1）使用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪組：該底盤使用M3508電機(jī)，其持續(xù)功率為150W，持續(xù)扭矩2.8N，依據(jù)其特性曲線，在重量為18kg以內(nèi)的機(jī)器人使用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的極限速度最快;（2）利用連桿機(jī)構(gòu)提升底盤起步加速度：機(jī)器人的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向各設(shè)置一套輪組，換向時(shí)未接觸軌道的一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪空轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)速，曲柄連桿機(jī)構(gòu)快速釋放在軌道平面，利用其累積的動(dòng)能提高換向速度;（3）設(shè)置可伸縮的從動(dòng)輪組，擁有自適應(yīng)軌道形狀的功能，用彈簧、拉簧進(jìn)行復(fù)位，在軌道側(cè)面、底面各置4組適應(yīng)性輪組，使用聚氨酯包膠輪達(dá)到靜音效果;（4）使用碳纖維板材料，碳纖維板在縱置時(shí)的力學(xué)性能可比肩鋼材，但重量僅為鋼的三分之一。使用航空鋁合金作為零件的加工材料，鋁合金強(qiáng)度高耐腐蝕性好，將底盤重量控制在4.2kg以內(nèi);（5）在底盤底面和頂面，各配置了一個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)和云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸承，用戶可根據(jù)實(shí)際需求自由搭建工作設(shè)備。底盤體積控制在了300X300mm內(nèi)，使其在工作時(shí)不受機(jī)身的遮擋影響。

針對(duì)機(jī)器人云臺(tái)的需求，列出以下解決方案：（1）采用高強(qiáng)度碳板板拼接的方式搭建，且云臺(tái)具有Yaw和pitch軸兩個(gè)自由度，并用彈性材料減少抖動(dòng)的影響。（2）兩個(gè)云臺(tái)之間可相互通信，使用串口轉(zhuǎn)CANFD技術(shù)，遠(yuǎn)距離通信保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，避免數(shù)據(jù)丟包。對(duì)云臺(tái)的控制進(jìn)行系統(tǒng)建模，在MATLAB中反復(fù)模擬得到其響應(yīng)曲線，科學(xué)地調(diào)整算法參數(shù)。（3）云臺(tái)前端搭載工業(yè)相機(jī)和圖像處理模塊，使其擁有視覺識(shí)別和跟隨的功能。

針對(duì)機(jī)器人配套軌道的需求，列出以下解決方案：底盤的配套軌道采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)180X60X1mm鋁材。鋁合金材質(zhì)滿足重量輕、成本低、鋪設(shè)難度低等特點(diǎn)。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤主要由四塊碳纖維板材作為主要的支撐板，使用碳纖維板材料，碳纖維板在縱置時(shí)的力學(xué)性能可比肩鋼材，但重量僅為鋼的三分之一正確使用可極大減輕機(jī)器人底盤的重量。每塊板材都使用SolidWorks的simulation有限元模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)也減輕了碳板的重量。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在18kg限重內(nèi)的機(jī)器人，使用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率最高功率發(fā)揮最充分，該底盤使用M3508電機(jī)，其持續(xù)功率為150W，持續(xù)扭矩2.8N，底盤可以達(dá)到3.5m/s速度。在機(jī)器人的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向各配置一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組兩側(cè)都配備了雙軸心導(dǎo)軌可讓驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行上下滑動(dòng)，輪組上方鋪設(shè)了一段導(dǎo)軌用于控制其上下滑動(dòng)，用第三個(gè)電機(jī)進(jìn)行方向切換的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，讓電機(jī)帶動(dòng)一對(duì)連桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)需要切換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，一側(cè)電機(jī)快速空轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)速后利用連桿機(jī)構(gòu)迅速將驅(qū)動(dòng)輪釋放在軌道平面，同時(shí)另一側(cè)的電機(jī)隨之抬起，利用其累積起來的動(dòng)量達(dá)到超級(jí)起步的效果。

底盤由靜音輪包覆在矩形軌道的四個(gè)平面，在過彎時(shí)根據(jù)軌道彎曲的半徑調(diào)整每側(cè)輪組的姿態(tài)達(dá)到流暢過彎的效果，還可適應(yīng)有坡度的軌道，完成三維式的巡檢任務(wù)，其過彎半徑最小為600mm，通過坡度最大為20°。

3.2 機(jī)器人云臺(tái)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人可在軌道上下方各配備一個(gè)云臺(tái)，上方的云臺(tái)仰角達(dá)32°俯角可到55°，底盤上方搭配了18路5A導(dǎo)電滑環(huán)，支持云臺(tái)360°旋轉(zhuǎn)。下方的云臺(tái)俯角可達(dá)60°，底盤下方配置了12路10A導(dǎo)電滑環(huán)。云臺(tái)由2mm和3mm碳纖維板和PC板材拼接而成，極大減輕了云臺(tái)的重量，通過利用SolidWorks的多實(shí)體和布爾運(yùn)算功能計(jì)算，每個(gè)云臺(tái)的重心分配平衡。

4 總結(jié)

在目前電機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了新型的軌道機(jī)器人底盤，通過改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其同時(shí)具備優(yōu)秀的直線速度和加速度，挖掘了底盤性能的潛在能力。采用了模塊化設(shè)計(jì)，方便后期的維護(hù)和檢修。雙云臺(tái)設(shè)計(jì)增大其掃描半徑，雙云臺(tái)之間可相互通信，完成數(shù)據(jù)的傳輸。該機(jī)器人的研發(fā)攻克了十分多的技術(shù)點(diǎn)，且運(yùn)用了仿真技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)和優(yōu)化，為了讓實(shí)際更接近于理論，各研發(fā)人員不斷地努力完成，在實(shí)踐中激發(fā)了創(chuàng)新思維，培養(yǎng)了一絲不茍的工匠精神，為今后學(xué)習(xí)以及工作奠定了良好的基礎(chǔ)。

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