防爆電纜管廊巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 濤 呂 偉 郭 強(qiáng) 菅 磊 武國(guó)旺 潘偉民 陶衛(wèi)軍

1.北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰?北京 100041；2.北京京能能源技術(shù)研究有限責(zé)任公司 北京 100022

3.北京能工薈智機(jī)器人有限責(zé)任公司 北京 100176；4.南京理工大學(xué) 江蘇 南京 210014

1 引言

因近些年響應(yīng)政府市容市貌整頓計(jì)劃,同時(shí)促進(jìn)電纜電線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化工作,諸多電纜電線(xiàn)均采用地下綜合管廊布線(xiàn),這種人為制作的電線(xiàn)隧道其內(nèi)部容納了多種市政管線(xiàn)。通過(guò)這種設(shè)計(jì),大大美化了城市的市容市貌,同時(shí)因電纜管廊隧道內(nèi)布置的各種電氣管線(xiàn)數(shù)量多影響大,因此一旦內(nèi)部管廊內(nèi)部產(chǎn)生電氣故障或動(dòng)物入侵破壞電纜等,若不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)檢修,極其容易影響相關(guān)居民企業(yè)的日常生活生產(chǎn),而電纜管廊隧道因其空間狹小,人為檢測(cè)及其不便,因此通過(guò)智能機(jī)械化機(jī)器人進(jìn)行日常巡檢工作可大大提高便利性。

當(dāng)前市面上常規(guī)巡檢機(jī)器人于電纜管廊隧道因尺寸限制而存在檢測(cè)覆蓋率覆蓋率低的問(wèn)題,因此采用對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器人追加伸縮桿加旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人檢測(cè)空間,通過(guò)豎直移動(dòng)和云臺(tái)擺動(dòng)結(jié)合的方式來(lái)提高空間檢測(cè)范圍,可以在保障機(jī)器人尺寸前提下,大大增加其巡檢范圍。

2 當(dāng)前研究現(xiàn)狀

當(dāng)前市面上常規(guī)巡檢機(jī)器人主要有兩種,一種是通過(guò)垂直和水平旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的云臺(tái)攝像機(jī)來(lái)提高檢測(cè)范圍,這種巡檢機(jī)器人通過(guò)雙云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的檢測(cè)需求,但是遇到管線(xiàn)密集的空隙部分,無(wú)法對(duì)空隙部分進(jìn)行完善的檢測(cè),因此具有諸多檢測(cè)盲點(diǎn),但因其負(fù)載較低,可追加多種功能,另一種則是通過(guò)搭載折疊機(jī)械臂的方式,但是這種機(jī)器人因搭載了折疊機(jī)械臂,導(dǎo)致其負(fù)載較大,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)其他功能諸如危險(xiǎn)氣體檢測(cè),安全防爆等功能的加載。因此,在綜合上述產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)后,本文所闡述巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)采用伸縮桿加旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的結(jié)合設(shè)計(jì)可以解決在有限的機(jī)器人尺寸下增加其檢測(cè)范圍之目的,開(kāi)發(fā)出一款實(shí)現(xiàn)大范圍檢測(cè)的多功能防爆特種機(jī)器人。

3 設(shè)計(jì)思路

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢防爆功能,需考慮到巡檢機(jī)器人工作原理,即通過(guò)巡檢軌道的行進(jìn)完成水平位移拍攝,隨后通過(guò)伸縮桿的伸縮與檢測(cè)云臺(tái)翻轉(zhuǎn)完成整個(gè)區(qū)域的巡檢工作,而防爆功能則只需要設(shè)計(jì)上附加充電倉(cāng)、防爆電動(dòng)伸縮桿與電池電氣防爆倉(cāng)即可。因此本設(shè)計(jì)主要由三部分組成,分別是行走與定位機(jī)構(gòu)、電池電氣防爆艙與云臺(tái)升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),分別負(fù)責(zé)機(jī)器人軌道行進(jìn),電池與電氣器件收納與防爆、攝像監(jiān)測(cè)等功能。

4 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)行走與定位結(jié)構(gòu)。首先是負(fù)責(zé)機(jī)器人移動(dòng)定位功能的行走定位部分,該機(jī)器人在軌道上的行走與導(dǎo)向功能主要由行走輪、支架與導(dǎo)向模塊等部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。該部分由左右對(duì)稱(chēng)分布的4個(gè)行走輪與8個(gè)導(dǎo)向模塊、固定行走輪的兩套支架、上方固定板、驅(qū)動(dòng)輪軸系、浮動(dòng)板、彈簧機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器等部位構(gòu)成。負(fù)責(zé)提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)輪中間通過(guò)彈簧機(jī)構(gòu)壓在導(dǎo)軌底部,為了保證穩(wěn)定性,則需要在驅(qū)動(dòng)輪軸系的中間部分安裝有驅(qū)動(dòng)用同步輪,由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器驅(qū)動(dòng),并通過(guò)與軌道底面的摩擦力與同步輪與同步帶之間的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體在軌道上的行走,行走輪與導(dǎo)向模塊都固定在支架上,支架底部通過(guò)轉(zhuǎn)軸固定在固定板,通過(guò)導(dǎo)向模塊中的導(dǎo)向輪來(lái)限制機(jī)器人本體沿著軌道方向行走。

而整體機(jī)器人定位設(shè)置則是通過(guò)直流伺服電機(jī)所帶的絕對(duì)式編碼器與導(dǎo)軌頂面安裝的感應(yīng)鋼片、行走與定位機(jī)構(gòu)上的防爆接近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在每個(gè)電纜接頭所對(duì)的導(dǎo)軌處安裝一個(gè)感應(yīng)鋼片,配合行走與定位機(jī)構(gòu)上的防爆接近開(kāi)關(guān)與絕對(duì)式編碼器信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在每個(gè)接頭處的精準(zhǔn)定位與位置標(biāo)定。

圖1-行走與定位機(jī)構(gòu)

(2)云臺(tái)升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。云臺(tái)升降機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)在高度方向上的調(diào)整,來(lái)完成對(duì)堆到內(nèi)三層電纜結(jié)構(gòu)及隧道底部小動(dòng)物傾入檢測(cè)。主要由防爆電動(dòng)伸縮桿與云臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中防爆電動(dòng)伸縮桿安裝在固定板上,而云臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的支撐架固定安裝在防爆電動(dòng)伸縮桿的頂端。在檢測(cè)隧道上層時(shí),云臺(tái)及攝像機(jī)處于當(dāng)前位置不變,其高度能滿(mǎn)足檢測(cè)上層電纜接頭的需要；當(dāng)需要檢測(cè)中層電纜時(shí),防爆電動(dòng)伸縮桿向下伸出,推動(dòng)云臺(tái)及攝像機(jī)向下運(yùn)動(dòng),下降200-300mm的行程至合適位置,檢測(cè)中層電纜接頭；當(dāng)需要檢測(cè)下層電纜接頭時(shí),防爆電動(dòng)伸縮桿行程回到零位,此時(shí)固定安裝在防爆艙內(nèi)的電動(dòng)推桿勝出,推動(dòng)下方滑塊移動(dòng),通過(guò)一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)90°,使小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)180°帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),從而使固定在托板上的云臺(tái)翻轉(zhuǎn)180°,使得攝像機(jī)翻轉(zhuǎn)靠下,其高度能夠檢測(cè)到下層電纜。在此基礎(chǔ)上,讓防爆電動(dòng)伸縮桿伸出行程達(dá)到最大的300mm,并讓攝像頭向下40度左右俯仰,能夠觀察到隧道墻根的位置,再配合云臺(tái)的360度水平轉(zhuǎn)動(dòng),可讓紅外攝像頭拍到并設(shè)別隧道底部任何位置的侵入小動(dòng)物。

圖2-云臺(tái)升降翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(3)電氣防爆結(jié)構(gòu)。防爆設(shè)計(jì)主要包括防爆充電倉(cāng)與電池電氣防爆倉(cāng)的設(shè)計(jì)。在防爆充電倉(cāng)內(nèi)分為兩層,上層防爆倉(cāng)裝有充電用的繼電器、充電插頭等器件,下層防爆倉(cāng)放置光纖轉(zhuǎn)換器件等。防爆電動(dòng)伸縮桿通過(guò)改造現(xiàn)有的電動(dòng)伸縮桿來(lái)實(shí)現(xiàn)其在行程范圍內(nèi)的定位,電池與電氣防爆倉(cāng)里放置有鋰電池、工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、車(chē)載無(wú)線(xiàn)AP、電源管理模塊、繼電器、電動(dòng)推桿等元器件。

圖3-電氣防爆結(jié)構(gòu)

5 總結(jié)

管廊電纜電氣安全監(jiān)測(cè),是我國(guó)當(dāng)前城市化建設(shè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題,是保障人民生活生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn),本文所設(shè)計(jì)的電纜管廊巡檢機(jī)器人,通過(guò)伸縮桿和翻轉(zhuǎn)式云臺(tái),可以具有針對(duì)性的解決當(dāng)前主流巡檢機(jī)器人負(fù)載與多功能及防爆型無(wú)法兼顧的問(wèn)題,同時(shí)在保證尺寸的前提下,具有極高巡檢范圍,因此極具實(shí)用性,可以提高管廊電纜電氣安全監(jiān)測(cè)的便利性和準(zhǔn)確率,為管廊電纜電氣安全監(jiān)測(cè)工作提供巨大的方便,為現(xiàn)代城市化建設(shè)作出貢獻(xiàn)。