軌道交通巡檢移動(dòng)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

王曦鳴, 周虎

軌道交通巡檢移動(dòng)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)

王曦鳴1, 周虎2

(1. 湖南科技職業(yè)學(xué)院 智能裝備技術(shù)學(xué)院, 湖南 長沙, 410004; 2. 長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司, 湖南 長沙, 410019)

為適應(yīng)軌道交通系統(tǒng)設(shè)備多、復(fù)雜多變的環(huán)境, 提出了一種適用于軌道交通領(lǐng)域的巡檢移動(dòng)平臺(tái)。它具有兩足, 能夠兩足交替抬離地面實(shí)現(xiàn)類似步行的步態(tài)。進(jìn)行了巡檢移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及穩(wěn)定性分析, 為平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件中建立該兩足巡檢移動(dòng)平臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型, 進(jìn)行了步行仿真。在此基礎(chǔ)上, 制作了1臺(tái)樣機(jī), 實(shí)現(xiàn)了期望的移動(dòng)。該巡檢移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈巧, 控制簡單, 具有一定的實(shí)用價(jià)值。

軌道交通; 巡檢; 移動(dòng)平臺(tái); 研究與設(shè)計(jì)

城市軌道交通具有節(jié)能環(huán)保、方便快捷、運(yùn)量大等特點(diǎn), 是城市綜合交通運(yùn)輸體系的重要組成部分。車輛、通信、信號(hào)、電力、機(jī)電、線路、隧道等各專業(yè)設(shè)備設(shè)施是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分, 其技術(shù)狀態(tài)直接影響城市軌道交通運(yùn)營的安全性和可靠性。因此, 各軌道交通運(yùn)營單位會(huì)安排檢修人員定期對(duì)各專業(yè)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行日常巡檢作業(yè), 以期及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障苗頭并妥善處理, 保證各專業(yè)設(shè)備設(shè)施安全可靠。

受限于檢修人員的業(yè)務(wù)技能及身體狀態(tài), 人工巡檢經(jīng)常存在漏檢、誤檢。同時(shí)隨著人力成本增長, 越來越多的軌道交通運(yùn)營單位及相關(guān)科研院所開展了軌道交通巡檢機(jī)器人的研究。中國鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所研制了一種動(dòng)車組車底故障檢修機(jī)器人。該機(jī)器人主要包括智能輪式行走小車和一個(gè)6軸機(jī)械臂, 能對(duì)動(dòng)車組車底底板、氣液管路、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)等可視部位及人工無法到達(dá)的關(guān)鍵位置進(jìn)行近距離觀察[1]。秦昌[2]等提出一種軌道交通底部檢測裝置, 由底部檢測單元和遙控器組成, 底部檢測單元主要包括履帶機(jī)器人小車和圖像采集設(shè)備。陳榮順[3]等研制了一種中低速磁浮線路F型軌道巡檢機(jī)器人, 采用輪軌接觸式走行系統(tǒng)。通過相關(guān)文獻(xiàn)的研究, 發(fā)現(xiàn)軌道交通巡檢機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)多為輪式、履帶式、軌道式等類型[4–10]。這些類型的移動(dòng)平臺(tái)越障能力較弱或移動(dòng)不夠靈活, 而軌道交通機(jī)器人巡檢作業(yè)需要跨越門檻(擋鼠板)、臺(tái)階、水溝、軌道等障礙物。因此, 為了更好地適應(yīng)軌道交通系統(tǒng)設(shè)備多、環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn), 本文進(jìn)行了足式巡檢移動(dòng)平臺(tái)的研究。

1 巡檢移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該軌道交通巡檢移動(dòng)平臺(tái)是一種空間閉鏈四桿機(jī)構(gòu), 由4個(gè)機(jī)械構(gòu)件組成, 如圖1所示。其中, 構(gòu)件1、3為左、右足, 構(gòu)件2、4為中間連桿。兩足的結(jié)構(gòu)相同, 分別通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與連桿1、連桿2連接。該巡檢移動(dòng)平臺(tái)上的4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸線相互平行。安裝在其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副上的電動(dòng)機(jī), 作為驅(qū)動(dòng)中間連桿轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。不妨設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在左足上, 于是左腳為驅(qū)動(dòng)足, 右腳為從動(dòng)足。

圖1 雙足巡檢移動(dòng)平臺(tái)

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

該巡檢移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)兩足交替抬起、落地的類人步行。其移動(dòng)的基本方式為: 初始時(shí)刻, 驅(qū)動(dòng)足、從動(dòng)足完全接觸地面, 電機(jī)驅(qū)動(dòng)中間連桿轉(zhuǎn)動(dòng), 從動(dòng)足在中間連桿的作用下抬起并向前運(yùn)動(dòng); 當(dāng)從動(dòng)足完全接觸地面之后, 電機(jī)轉(zhuǎn)矩仍然作用于中間連桿, 驅(qū)動(dòng)足在中間連桿的作用下抬離地面, 并向前運(yùn)動(dòng), 完成一個(gè)步行移動(dòng)周期。

當(dāng)邁步足抬起并向前移動(dòng)時(shí), 如果邁步腳重心沒有落入由支撐腳形成的支撐平面內(nèi), 整個(gè)平臺(tái)會(huì)向邁步足一側(cè)傾斜, 并以類似文獻(xiàn)[11]中提到的另一種爬行步態(tài)移動(dòng)。因此, 兩足被設(shè)計(jì)為相互嵌入的結(jié)構(gòu)形式, 以獲得穩(wěn)定的行走。

圖2 坐標(biāo)系及幾何參數(shù)示意圖

如圖2所示, 在支撐足的底板中心建立參考坐標(biāo)系∑000, 坐標(biāo)系∑111、∑222分別固結(jié)于兩足質(zhì)心。

已知左足、右足的機(jī)械結(jié)構(gòu)相同, 假設(shè)足底長為、寬為。兩足相互嵌入部分的寬度為, 兩足的質(zhì)心距離足底板距離均為c, 距離足內(nèi)側(cè)為c。兩足在足的長度方向上為對(duì)稱結(jié)構(gòu), 不妨假設(shè)兩足的質(zhì)心分別位于其長度方向的幾何中心。兩足之間橫向距離為, 縱向間距為, 均由中間連桿的結(jié)構(gòu)尺寸決定。時(shí)刻中間連桿的轉(zhuǎn)角為。不妨設(shè)兩足的質(zhì)量相同(1=2=), 又中間連桿的質(zhì)量相對(duì)于足的質(zhì)量來說很小, 忽略不計(jì)(3=0)。

在一個(gè)步行周期以內(nèi), 中間連桿的轉(zhuǎn)角由0變化至2p。當(dāng)∈[0,p]時(shí), 左、右足質(zhì)心在坐標(biāo)系000中分別為

當(dāng)∈[p, 2p]時(shí), 左、右足質(zhì)心在坐標(biāo)系000中分別為

3 穩(wěn)定性分析

在移動(dòng)過程中, 該雙足巡檢移動(dòng)平臺(tái)能保持動(dòng)作協(xié)調(diào)連續(xù)且整體處于不失穩(wěn)狀態(tài)的條件是系統(tǒng)的ZMP[12]點(diǎn)必須始終位于由支撐足決定的支撐平面內(nèi)。

將式(1)~(4)代入ZMP點(diǎn)的計(jì)算式(5)、(6), 計(jì)算該兩足巡檢移動(dòng)平臺(tái)的ZMP。

x()、y()、z()為第個(gè)構(gòu)件重心坐標(biāo),g、g、g為重力加速度在基坐標(biāo)系下的分量。

通過計(jì)算得到, 當(dāng)∈[0,p]時(shí), 在不同電機(jī)角速度(rad/s)下, 該兩足巡檢移動(dòng)平臺(tái)的ZMP為

當(dāng)∈[p, 2p]時(shí), 該兩足巡檢移動(dòng)平臺(tái)的ZMP為

由式(7)~(10)可知, 該雙足巡檢移動(dòng)平臺(tái)zmp與中間連桿長度, 足的質(zhì)心高度c、中間連桿的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相關(guān)。zmp與中間連桿長度, 兩足之間的橫向間距, 足的質(zhì)心距離足內(nèi)側(cè)距離c, 中間連桿的角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)角速度相關(guān)。

由運(yùn)動(dòng)和幾何關(guān)系可得該雙足巡檢移動(dòng)平臺(tái)zmp允許的變化范圍為

-/2 ∈[0,p], (11)

-/2-∈[p, 2p]。 (12)

zmp允許的變化范圍為

-/2 ∈[0,p], (13)

/2 +-∈[p, 2p]。 (14)

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走, 該兩足巡檢移動(dòng)平臺(tái)的ZMP要滿足式(11)~(14)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中建立了該2足步行巡檢移動(dòng)平臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型, 并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。如圖3所示為該2足步行巡檢移動(dòng)平臺(tái)的1個(gè)步行周期。

圖3 巡檢移動(dòng)平臺(tái)虛擬樣機(jī)及其步行周期

在運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)上, 研制了巡檢移動(dòng)平臺(tái)的第1代樣機(jī), 實(shí)現(xiàn)了2足交替抬起、接地行走的步態(tài), 如圖4所示。

圖4 巡檢移動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)

5 總結(jié)

提出了一種新型軌道交通巡檢移動(dòng)平臺(tái), 分析了其結(jié)構(gòu)組成、步態(tài)以及穩(wěn)定性, 在Adams環(huán)境下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真, 并制作了模型樣機(jī)。通過仿真及樣機(jī)試驗(yàn), 證明該2足步行巡檢移動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)兩足交替行走步態(tài)。

該巡檢移動(dòng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)類人行走, 運(yùn)動(dòng)靈活, 易于控制。在該平臺(tái)上可搭載傳感器、攝像頭、定位器、天線等設(shè)備, 代替工人進(jìn)行城市軌道交通車輛、通信、信號(hào)、電力、機(jī)電、線路、隧道等專業(yè)設(shè)備設(shè)施巡檢作業(yè), 可為今后巡檢機(jī)器人的研究提供參考。

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Research and design of mobile platform for rail transit inspection

Wang Ximing1, Zhou Hu2

(1. Hunan Vocational College of Science and Technology, Changsha 410004, China; 2. Changsha Metro Group Co Ltd, Changsha 410019, China)

A mobile platform that can be used in the inspection field of rail transit is proposed, in order to adapt to the multi-equipment , complex and changeable environment. It has two feet, which can be lifted off and touch the ground alternately to achieve a gait similar to walk. The structure design, kinematics analysis and stability analysis of the mobile platform are carried out, which provide theoretical support for the design of the platform. A virtual prototype of the mobile platform is modeled in ADAMS, and a simulation is carried out. On this basis, a prototype is made to realize the desired gait similar to walk. The mobile platform has a certain practical value, which has a smart structure design, and is easy to control.

rail transit; inspection; mobile platform; study and design

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.01.014

TP 24

A

1672–6146(2021)01–0064–05

王曦鳴,ximingw@126.com。

2020–06–22

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(18C1430)。

(責(zé)任編校: 劉剛毅)