一種無(wú)人值守巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

常微，于福龍，盧元利，樵永鋒，張偉

（丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東 118002）

隨著國(guó)家數(shù)字礦山到智慧礦山的推進(jìn)，圖像識(shí)別技術(shù)及環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山生產(chǎn)中得到了新的發(fā)展。尤其智能巡檢機(jī)器人在礦山中的應(yīng)用得到了廣泛的推廣。以國(guó)家戰(zhàn)略性需求為導(dǎo)向推進(jìn)創(chuàng)新體系優(yōu)化組合，工業(yè)4.0 時(shí)代不僅僅會(huì)給全球各行各業(yè)帶來(lái)新發(fā)展和新的變革，也勢(shì)必給我們礦業(yè)行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，無(wú)人化和智能化，正在將人類社會(huì)快速的推向智能化時(shí)代，國(guó)家大力發(fā)展5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在5G 和智能制造的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)人化。智能巡檢系統(tǒng)立足解決皮帶巡檢工作存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣等問(wèn)題，產(chǎn)品技術(shù)附加值高，融合了5G 通訊技術(shù)及AI 智能算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶系統(tǒng)運(yùn)行狀況、人員工作狀態(tài)、潛在故障等進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，智能巡檢系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)提上日程，助力“中國(guó)制造2025”，為智能礦山持續(xù)助力指日可待。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)人值守巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，整體機(jī)構(gòu)方案如圖1所示。其組成包括從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)、主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)、承重導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)方案圖

圖2 從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)示意圖

1.1 從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)

根據(jù)從動(dòng)輪所需壓緊力、摩擦力計(jì)算，輪體選用邵氏硬度65 ～70 橡膠制成，在保證摩擦力需求的情況下，兼顧耐久性，實(shí)現(xiàn)較低的維護(hù)量。端蓋為減輕設(shè)備整體重量及配重采用鋁合金材質(zhì)，同時(shí)，為保證輪系的可靠性在輪座螺紋孔內(nèi)加入鋼絲螺套防止螺紋反復(fù)使用導(dǎo)致失效。在機(jī)器人經(jīng)過(guò)導(dǎo)軌縫隙或轉(zhuǎn)彎時(shí)，星形把手配合低壓縮量彈簧（48.8N/mm）可以使機(jī)器人從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)夾緊軌道，這樣就有足夠的摩擦力防止從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)打滑，同時(shí)，保證從動(dòng)輪與主動(dòng)輪以相同的角速度平順過(guò)彎。連接套起到防塵、防水的作用，采用三防布材質(zhì)在從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)過(guò)彎時(shí)允許有5 ～10mm 的竄動(dòng)量，以保證編碼器接線不被折彎。

旋轉(zhuǎn)軸與輪座連接處使用塑料軸承連接，機(jī)器人巡檢時(shí)，整體會(huì)暴露在充滿粉塵的空氣中，塑料軸承避免了常規(guī)軸承易進(jìn)灰塵，維護(hù)拆修困難、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等弊端，從而降低維護(hù)量，節(jié)約成本。從動(dòng)輪行走過(guò)程中主要受到徑向力，整臺(tái)機(jī)器人重25kg，最快行走速度0.5m/s，因此選用深溝球軸承。在旋轉(zhuǎn)軸、連接套、支座與轉(zhuǎn)接板裝配時(shí)，要安裝密封圈，以達(dá)到巡檢機(jī)器人整機(jī)IP65防水、防塵的設(shè)計(jì)要求。

1.2 主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)

根據(jù)主輪所需啟動(dòng)的摩擦力，輪體采用與從動(dòng)輪一致的橡膠（邵氏硬度65 ～70）制成。輪轂、端蓋、輪座均采用鋁合金材質(zhì)以減輕設(shè)備整體重量。在常規(guī)巡檢中，連接軸只受徑向力作用，因此，與主動(dòng)輪座配合使用深溝球軸承連接。主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)選用抱閘伺服電機(jī)為整臺(tái)機(jī)器人提供動(dòng)力輸出，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)安裝或調(diào)試時(shí)，出現(xiàn)斷電情況，機(jī)器人的整個(gè)輪系是無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的，25kg 的機(jī)器人依靠人工送回充電樁或維修點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如圖3 設(shè)計(jì)的離合機(jī)構(gòu)就可以解決上述問(wèn)題。旋動(dòng)定位銷上端螺堵，使離合套推動(dòng)彈簧向下移動(dòng)，定位銷完全脫離聯(lián)軸器后，主動(dòng)輪可以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人維修或者調(diào)試時(shí)，可以在軌道上自由滑動(dòng)。

圖3 自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置示意圖

圖4 承重輪機(jī)構(gòu)

1.3 承重導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)

承重輪需要在粉塵、低溫（工作溫度/濕度：-40～60℃/RH ≤90）等惡劣工況下保證跨越斷軌、提升爬坡及同步轉(zhuǎn)彎功能。因此，承重輪采用聚氨酯材質(zhì)，邵氏硬度55 ～60，配合密封軸承，這種設(shè)計(jì)可以應(yīng)對(duì)各種工況同時(shí)降低維護(hù)量。下導(dǎo)向輪的作用是在機(jī)器人爬升時(shí)（最大爬坡角度20°），保證機(jī)器人時(shí)刻與導(dǎo)軌貼合，同時(shí)，也避免機(jī)器人高速行駛至爬升區(qū)域，離心力及慣性對(duì)電氣元件沖擊及機(jī)器人本體的沖擊。使整個(gè)爬升過(guò)程流暢穩(wěn)定。設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)時(shí)需要注意彈簧預(yù)緊力要適中，過(guò)緊則摩擦力增大，增加電機(jī)負(fù)載，減少機(jī)器人續(xù)航時(shí)間。相反，預(yù)緊力較小時(shí)，則起不到對(duì)機(jī)器人的保護(hù)作用。轉(zhuǎn)向軸與行走機(jī)構(gòu)底座連接時(shí)要安裝止推墊片防止轉(zhuǎn)向軸的軸向竄動(dòng)，安裝銅滑套使導(dǎo)向輪支架旋轉(zhuǎn)順滑，保證行走機(jī)構(gòu)在過(guò)彎時(shí)起到導(dǎo)向的作用（轉(zhuǎn)彎半徑：水平≥1.5m，垂直≥2m），減小轉(zhuǎn)彎時(shí)的摩擦力，引導(dǎo)機(jī)器人的前進(jìn)方向。

導(dǎo)向輪由尼龍輪轂配合不銹鋼輪套及密封軸承組成，尼龍輪轂起到減輕重量的作用，不銹鋼輪套可以減少機(jī)器人行走時(shí)的滑動(dòng)摩擦力，同時(shí)，降低機(jī)器人在常規(guī)巡航狀態(tài)下的維護(hù)量。導(dǎo)向輪支架與墊塊配合時(shí)要考慮到定位精準(zhǔn)，使板簧安裝后與承重輪架保持平行。板簧是整個(gè)導(dǎo)向輪組件的核心，其原理類似汽車懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，由若干片等寬但不等長(zhǎng)、厚度可以相等也可以不相等的合金彈簧片組合而成的一根近似等強(qiáng)度的彈性梁。在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，主片卷耳受力嚴(yán)重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第二片末端也彎成卷耳，包在主片卷耳的外面，稱為包耳。為了使得在彈性變形時(shí)各片有相對(duì)滑動(dòng)的可能，在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。這種結(jié)構(gòu)就解決了轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)器人卡頓，轉(zhuǎn)向遲鈍，有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)，延長(zhǎng)了整套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的使用壽命，節(jié)約了成本。

1.4 電機(jī)選型

伺服電機(jī)為巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，其精度高，可實(shí)現(xiàn)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問(wèn)題；高速性能好，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到2000 ～3000 轉(zhuǎn)；適應(yīng)性強(qiáng)，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)的和快速啟動(dòng)的場(chǎng)合特別合適，電機(jī)加減速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒內(nèi)，同步進(jìn)電機(jī)相比發(fā)熱和噪音明顯降低。

主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)所需有效功率：

傳動(dòng)裝置總效率η=η2齒輪·η2承·η 輪·η 聯(lián)。

齒輪嚙合效率η齒輪=0.97(齒輪精度為8 級(jí))。

軸承效率承η承=0.99。

聯(lián)軸器效率聯(lián)η聯(lián)=0.99。

橡膠輪輪η輪=0.96。

傳動(dòng)總效率η=0.972×0.992×0.99×0.99=0.904。

所需電機(jī)功率：

連接軸橡膠輪端P3=P0·η 齒輪2·η 承2·η 聯(lián)·η=180·0.972·0.992·0.99·0.99=0.163kW。

減速器速比i=30。

主動(dòng)輪扭矩

本研發(fā)項(xiàng)目選擇的是自制電機(jī)，型號(hào)為DFMC62-24-B，其技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 電機(jī)參數(shù)表

1.5 結(jié)合TRIZ 創(chuàng)新理論優(yōu)化設(shè)計(jì)

矛盾分析：

（1）根據(jù)因果鏈分析原理，解決頂輪夾緊力不足，如果要提升頂輪夾緊力，那么就要增加頂輪的預(yù)緊壓力，但輪系整體能耗增加。將問(wèn)題模型標(biāo)準(zhǔn)化為對(duì)應(yīng)的39個(gè)通用工程參數(shù)：改善的是壓力，惡化的參數(shù)動(dòng)物能耗。通過(guò)查矛盾矩陣表得出可使用的發(fā)明原理有：曲面化原理、中介物原理、預(yù)操作原理，熱膨脹原理。根據(jù)矛盾分析，可使用曲面化原理，將物體的直線部分用曲線或球面代替。

（2）運(yùn)用物理矛盾原理，頂輪夾緊力既要小又要大。頂輪夾緊力不足，會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中打滑、晃動(dòng)，夾緊力特別大會(huì)出現(xiàn)摩擦增大，電機(jī)負(fù)載、能耗增加。

（3）根據(jù)因果鏈分析原理，解決機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)承重輪摩擦阻力大,如果要解決轉(zhuǎn)向時(shí)承重輪滑動(dòng)摩擦阻力大，那么可以增加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)降低輪系阻力，但裝置復(fù)雜性增加。將問(wèn)題模型標(biāo)準(zhǔn)化為對(duì)應(yīng)的39 個(gè)通用工程參數(shù)：改善的是力，惡化的參數(shù)裝置復(fù)雜性，通過(guò)查矛盾矩陣表得出可使用的發(fā)明原理有：復(fù)制、參數(shù)變化、預(yù)操作、振動(dòng)，根據(jù)矛盾分析，可使用預(yù)先作用，預(yù)置必要的動(dòng)作、機(jī)能。

（4）運(yùn)用物理矛盾原理，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的導(dǎo)向輪距離軌道既要近又要遠(yuǎn)。由于增加回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，導(dǎo)向輪要根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑不同，提供不同的壓緊力，彈簧鋼材質(zhì)可根據(jù)軌道形狀自適應(yīng)壓緊軌道。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）巡檢機(jī)器人配合行走機(jī)構(gòu)，可以適應(yīng)惡劣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)跨斷軌，多自由度行走，提高了工作效率，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，外露部分零部件定制了相應(yīng)的防水、防塵措施，可以杜絕樣料粉末機(jī)器人的磨損，降低維護(hù)量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

（3）主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)的離合組件，從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)的彈簧壓緊組件，承重輪機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向組件，既保障了機(jī)器人在巡檢時(shí)的可靠性與穩(wěn)定性，也降低了企業(yè)的運(yùn)維成本。

（4）利用TRIZ 創(chuàng)新方法，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以降低成本，縮小整機(jī)結(jié)構(gòu)空間，減少整套輪系重量，更好地適應(yīng)惡劣的極端環(huán)境。