巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李坤全，文睿

（河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李坤全，文睿

（河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

隨著科技的不斷發(fā)展和社會的進(jìn)步，科技廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，其中典型的例子如機(jī)器人的應(yīng)用，用機(jī)器人代替人工進(jìn)行作業(yè)，不僅節(jié)約了大量的勞動力，在一定程度上還保障了人們的生命安全。對于機(jī)器人而言，不同的行業(yè)，其作用也不同，例如有服務(wù)行業(yè)專用機(jī)器人，工業(yè)生產(chǎn)專用機(jī)器人以及進(jìn)行巡檢的機(jī)器人。本文從不同的方面對巡檢機(jī)械人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

巡檢機(jī)器人；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要想將機(jī)械和機(jī)構(gòu)的功能充分發(fā)揮出來，就必須以機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，而在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時是根據(jù)機(jī)械和機(jī)構(gòu)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對于機(jī)械結(jié)構(gòu)，在一定的程度上，我們可以將其看成圖紙的復(fù)制粘貼，以原理設(shè)計(jì)方案為底板，將各個零件進(jìn)行組裝，通過輸入一定的指令，進(jìn)而實(shí)行特有的功能。對于整個機(jī)械人系統(tǒng)而言，巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)工作，只有做好這項(xiàng)工作，整個機(jī)器人的系統(tǒng)的完成才有可能實(shí)現(xiàn)。這也是機(jī)器人朝著工程使用轉(zhuǎn)型的一大難題。基于以上種種原因，對巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有一定的實(shí)際意義。

1 巡檢機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

和機(jī)器人的基本機(jī)構(gòu)相比較，巡檢機(jī)器人的基本機(jī)構(gòu)較為簡單，在對巡檢機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，我們僅考慮運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)，而對于各個零部件的布局執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)等都不在總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮范圍之內(nèi)，提出了不同機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建立在關(guān)節(jié)組合的自由度較少的基礎(chǔ)上的。在這一理論的支持下，我國科研人員做了大量的實(shí)驗(yàn)，并按照相關(guān)的要求制作出相關(guān)模型。

對于七自由度機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求而言，在對空間不進(jìn)行干涉和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)可以對所有位姿進(jìn)行調(diào)整，換句話講，就是在進(jìn)行巡檢的過程中機(jī)器人可以自主的完成所有的巡檢工作，此外，在巡檢的過程中，對于一些障礙也會及時的躲避和跨越。

對于巡檢機(jī)器人而言，由于工作需求，除了要考慮各個關(guān)節(jié)的自由度，以及躲避障礙工程所需的其他條件之外，對于一些技術(shù)問題也要進(jìn)行充分考慮，例如像機(jī)器人在線路上固定的問題、機(jī)器關(guān)節(jié)行走自由度的控制的問題，為了使機(jī)器人可以進(jìn)行自由作業(yè)，在其兩臂安裝行走機(jī)構(gòu)是十分有必要的，行走機(jī)構(gòu)上的行走輪的滾動進(jìn)而帶動巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)，在長時間的作業(yè)的狀況下，滾動輪會出現(xiàn)行走打滑的現(xiàn)象，極大的降低了工作效率。為減少這一現(xiàn)象的發(fā)生，工作人員在每個主動輪下安裝壓緊輪，其作用有二，其主要作用是增加摩擦，降低滾動輪打滑幾率，此外，以主動輪為參考對象，實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動。在進(jìn)行巡檢的過程中，機(jī)器人的雙臂還要具備蠕動爬行和單臂加持并跨越障礙物的能力，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的這一能力，工作人員在兩臂中安裝夾爪；在跨越障礙物的過程中，機(jī)器人會出現(xiàn)左右搖動的現(xiàn)象，機(jī)器人還要具備自我調(diào)節(jié)重力的能力，因而在機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中還安裝了一個重力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對受重狀況進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)工作原理，該機(jī)構(gòu)可以完成不同的運(yùn)動，例如在機(jī)器人的雙臂懸掛時，整個機(jī)器人行走的動力支持是行走輪提供的滾動；由于工作需求，在進(jìn)行作業(yè)時，機(jī)器人的兩個機(jī)器臂不同時作業(yè)，可能是一個機(jī)械臂固定在線路上，另一機(jī)械臂脫地線跨越障礙物，這時的越障機(jī)械臂的空間運(yùn)動動力支持是由壓緊關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)共同提供的，擺動關(guān)節(jié)的主要作用是確保機(jī)械人在越障時機(jī)體和地線保持平衡，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動關(guān)機(jī)的主要作用是保證機(jī)械臂轉(zhuǎn)離或者是轉(zhuǎn)回地線以及機(jī)械臂的相對運(yùn)動。

2 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，它的設(shè)計(jì)主要包括四個方面：一是對機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；二是對機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；四是機(jī)器人總體模型。下面就對三種設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單的分析。

2.1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的主要功能就是代替人完成相關(guān)作業(yè)，因而不僅要完成相關(guān)的動作，對一些突事件，還能進(jìn)行處理， 因而其研制過程是一個相對較為復(fù)雜的過程。通過上文對巡檢機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并對其機(jī)械人總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)歸納，對于機(jī)械人的功能可分為三個層面。下面就對不同的層面進(jìn)行簡單的分析：首先是對于機(jī)器人的總體而言的，它的主要作用是可以實(shí)現(xiàn)行使、跨越。這一功能的完成要求機(jī)器人在運(yùn)行軌道上高速行駛，并在行使的過程避開所有的障礙物。其次是對機(jī)器人進(jìn)行“分割”，將機(jī)器人分為兩個部分：機(jī)體部分和機(jī)械臂部分，機(jī)械臂在進(jìn)行作業(yè)時，一個機(jī)械臂越障，進(jìn)行位姿的固定和調(diào)整，另一機(jī)械臂的作用在以機(jī)體為調(diào)整平臺進(jìn)而夾持目標(biāo)線路進(jìn)行調(diào)整。這一過程中，機(jī)體可實(shí)現(xiàn)鏈機(jī)械臂的交錯運(yùn)動。第三個功能層就是更為細(xì)致的對機(jī)器人機(jī)構(gòu)的功能進(jìn)行劃分：各個關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)層面，對于機(jī)體的構(gòu)成而言，其由兩個機(jī)構(gòu)組成，一是運(yùn)動關(guān)節(jié)移動機(jī)構(gòu)，二是輔助機(jī)構(gòu)重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。另外，對于機(jī)械臂而言，主要有五部分構(gòu)成；其分別是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)以及運(yùn)動關(guān)節(jié)等。之外，機(jī)器人還有一個裝置，就是機(jī)器人控制箱，它的主要作用是儲存電源、控制系統(tǒng)以及各種處理設(shè)備。之外其還有一大作用，就是對作用重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)碼使用，它的工作原理十分簡單，將其連接到重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上即可。

在一定的程度上我們可以講巡檢機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)模塊是各個零部件的有機(jī)整合，其各個關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)模塊包括兩個四和一個一，具體而言，兩個四是指上述我們描述過的四種關(guān)節(jié)以及四種輔助機(jī)構(gòu)；一個一是指一個控制箱。之外，各個模塊零部件的安裝都是相互獨(dú)立的，各個零部件組裝之后，對各個模塊進(jìn)行有機(jī)的整合，就完成了整個機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.2 機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先機(jī)器人兩個機(jī)械臂的載體是機(jī)器人機(jī)體，其次是機(jī)械臂要想正常工作，就必須要依附于機(jī)器人的機(jī)構(gòu)中，對于機(jī)器人的機(jī)構(gòu)而言，它由三部分組成：移動機(jī)構(gòu)、中心機(jī)構(gòu)以及控制箱。另外，由于機(jī)器人機(jī)體的質(zhì)量越大，消耗的能量就越大，因而為了盡可能的減輕其質(zhì)量，其機(jī)體機(jī)構(gòu)成為最重要重力承載體。在重力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，其機(jī)構(gòu)支架是移動機(jī)構(gòu)，控制箱和重力機(jī)制像連接，它的主要作用在于對各個輔助系統(tǒng)作業(yè)正常進(jìn)行監(jiān)測，之外，還有一個重要的作用，就是作為重力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)塊使用。

2.3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為機(jī)器人整個機(jī)構(gòu)的最為重要的組成部分，機(jī)械臂是機(jī)器人行使和越障的重要關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的有機(jī)集合。對于機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，我們可以將其大致分為五個部分，首先是行走機(jī)構(gòu)，其次是夾爪機(jī)構(gòu)，再次是伸縮開關(guān)，有的機(jī)器人中是壓縮機(jī)構(gòu)，第四是擺動機(jī)構(gòu)，第五就是會轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上有一個固定移動滑塊，它的主要作用就是和移動關(guān)節(jié)的導(dǎo)軌相連接。

2.4 機(jī)器人總體模型

在各個系統(tǒng)，各個關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)完成之后，對其進(jìn)行組裝，進(jìn)入對機(jī)器人進(jìn)行總體模型設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，要注意將控制箱和重心調(diào)節(jié)滑塊相連接，機(jī)體部件的形成不是各個關(guān)節(jié)的累加，而是重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)兩者的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械臂部件是由行走機(jī)構(gòu)、夾爪機(jī)構(gòu)、機(jī)械外臂、擺動座以及蝸輪固定桿等組成。另外，移動滑塊進(jìn)行工作的前提是和移動導(dǎo)軌結(jié)合。再者，回轉(zhuǎn)滑塊臺要和移動鋼絲繩上的兩個滑塊連接，以上便構(gòu)成機(jī)械人總體模型。

3 結(jié)語

綜上所述，本用總分的形式對巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究：首先對巡檢機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，其次從機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)器人總體模型等四個方面對巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

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1671-0711（2017）03（下）-0043-02