新型電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與軌道優(yōu)化仿真

黃雙得 許保瑜 王勝偉

摘要：伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的顯著提高，許多行業(yè)都有了飛躍式的進(jìn)步，其中，以智能機(jī)器人制造為主的新興行業(yè)越來(lái)越受到人們的重視，不僅給人們的日常工作帶來(lái)了很大便利，同時(shí)也避免了人工工作過(guò)程中的危險(xiǎn)隱患?；诖耍疚尼槍?duì)新型電纜隧道巡檢機(jī)器人，結(jié)合電纜隧道巡檢機(jī)器人的應(yīng)用背景和應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)現(xiàn)有電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)該類機(jī)器人軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元優(yōu)化仿真分析，以希冀給予相關(guān)機(jī)器人設(shè)計(jì)工作者一些可行的幫助和建議，進(jìn)而促進(jìn)電纜隧道巡檢機(jī)器人的有效應(yīng)用，為保障電纜隧道巡檢人員人身安全作出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電纜隧道;巡檢機(jī)器人;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);軌道設(shè)計(jì);仿真優(yōu)化;模型分析

引言：進(jìn)入二十一世紀(jì)后，城市建設(shè)進(jìn)程逐漸推進(jìn)，日益擴(kuò)大的城市規(guī)模使人們的生活質(zhì)量有了顯著改善，在此背景下，城市電線、電纜的重要性越來(lái)越高，而電纜作為現(xiàn)代城市線路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其日常巡視和檢修工作，已經(jīng)不容忽視。但是，從以往電纜人工巡檢的現(xiàn)狀來(lái)看，實(shí)際巡檢工作往往存在很大的危險(xiǎn)隱患，尤其是電纜本身所帶有的高溫和強(qiáng)磁場(chǎng)，很容易給巡檢人員的生命健康帶來(lái)威脅。由此可見，電纜隧道巡檢機(jī)器人在電纜巡檢工作中具有舉足輕重的重要意義，對(duì)現(xiàn)有電纜隧道巡檢機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將直接關(guān)系到是否能保障基礎(chǔ)電纜巡檢人員的生命安全。

一、電纜隧道巡檢機(jī)器人應(yīng)用的背景

1.電纜隧道巡檢工作現(xiàn)狀

從目前來(lái)看，我國(guó)電纜鋪設(shè)工作發(fā)展迅速，絕大多數(shù)城市已經(jīng)初步形成地下電纜網(wǎng)絡(luò)。但是，由于多數(shù)城市對(duì)于電纜鋪設(shè)工作仍不具備較為規(guī)范和嚴(yán)格的管理，使得電纜在鋪設(shè)完成后往往需要定期的巡視和檢修，而經(jīng)過(guò)調(diào)查可以看出，多數(shù)城市的電纜巡檢工作仍由專門的巡視人員人工完成，而這無(wú)疑給負(fù)責(zé)巡視的人員帶來(lái)了一定的生命健康威脅。一方面，由于輸電電纜常年處于高壓、高溫下，其周圍絕緣材料很容易在化學(xué)變化或物理變化影響下絕緣水平下降;另一方面，多數(shù)電纜隧道內(nèi)部環(huán)境較為惡劣，不僅存有很多放射性物質(zhì)或有毒氣體，還往往具有一定的高溫和較強(qiáng)的磁場(chǎng)，因此給巡檢人員的日常巡檢工作帶來(lái)了很大阻礙，一旦巡檢人員未按照規(guī)范要求進(jìn)行巡視，很容易受到不良外界因素帶來(lái)的生命健康威脅。

2.電纜隧道巡檢機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

以目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電纜隧道巡檢機(jī)器人的研究應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，雖然在理論研究上已經(jīng)取得了較為不錯(cuò)的成果，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電纜隧道內(nèi)部往往存在較為惡劣的地面情況，因此機(jī)器人的履帶很容易受到損壞。其中，于2005年研制的“巡游者”地下檢測(cè)機(jī)器人采用了沿電纜爬行的行動(dòng)方式進(jìn)行巡視工作，但翻越障礙的能力相對(duì)較弱，在用于我國(guó)大多數(shù)碎石較多、積水較多的電纜隧道時(shí)，并不具有較強(qiáng)的適用性;此外，由我國(guó)研究的履帶式電纜巡檢機(jī)器人雖解決了翻越碎石的難題，但整個(gè)機(jī)器人相對(duì)尺寸較大，只能適用于直徑較大的電纜管道，并不具備推廣性;最后，與履帶式機(jī)器人和爬行式機(jī)器人有所不同，軌道式機(jī)電纜隧道巡檢機(jī)器人運(yùn)行速度較快，維護(hù)難度較低，但目前已經(jīng)研發(fā)出的軌道式機(jī)器人相對(duì)負(fù)載能力較低，并不能順利完成全部巡視工作，而我們本文研究的對(duì)象便為該種軌道式巡檢機(jī)器人。綜上可見，現(xiàn)有電纜隧道巡檢機(jī)器人雖然已經(jīng)十分先進(jìn)，但仍無(wú)法滿足我國(guó)的電纜隧道巡檢需求，設(shè)計(jì)更加合理的巡檢機(jī)器人不僅符合整個(gè)行業(yè)的需求，更是具體巡檢工作的要求所在。

二、新型電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常來(lái)說(shuō)，新型電纜隧道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)的最終目的主要在于三點(diǎn)：其一需具有較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，要便于拆卸和維修;其二要具有比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，要具有較長(zhǎng)的使用壽命;其三要具有一定的平穩(wěn)性，要能夠穩(wěn)定的完成整項(xiàng)巡檢工作。針對(duì)此三點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖一的行走機(jī)構(gòu)，其中，整個(gè)機(jī)構(gòu)借助齒輪齒條間的相互交合來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞，具體能源來(lái)源依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，導(dǎo)向軌道采取V形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并借助兩組V形輪實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定約束，其中需注意的是，由于隧道本身具有高低變化，因此在直軌道拼接時(shí)該機(jī)構(gòu)允許存在一定傾角。

除上述外，該設(shè)計(jì)優(yōu)化中對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具體如圖二所示。其中，整個(gè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)依靠導(dǎo)向輪軸完成機(jī)器人導(dǎo)向，同時(shí)在導(dǎo)向輪軸上裝有圓弧槽，借助圓弧槽上的螺釘將轉(zhuǎn)向盤和導(dǎo)向輪軸固定在一起，進(jìn)而可以在很大程度上防止因?qū)蜉嗇S松動(dòng)而導(dǎo)致的穩(wěn)定性問(wèn)題，能夠極大的提高整個(gè)行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.制動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于新興電纜隧道巡檢機(jī)器人的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)過(guò)程需遵循兩點(diǎn)原則，一是要確保機(jī)器人的制動(dòng)性能，二是要確保機(jī)器人的定為精度，即要能夠在遭遇電纜損壞時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)制動(dòng)，對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖三的制動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中，借助制動(dòng)爪進(jìn)行物理制動(dòng)，當(dāng)后臺(tái)發(fā)出制動(dòng)命令后，電機(jī)會(huì)控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)螺母移動(dòng)，同時(shí)便可驅(qū)動(dòng)滑塊以及制動(dòng)爪向行走機(jī)構(gòu)中的V形軌道施壓，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果。

3.主參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合軌道與導(dǎo)向輪間的摩擦系數(shù)以及常用機(jī)器人的能量損耗，并根據(jù)新型電纜隧道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性原則和安全性原則進(jìn)行主參數(shù)設(shè)計(jì)，形成表一的主參數(shù)設(shè)計(jì)表。其中，根據(jù)力學(xué)公式得出機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的所需功率為250P/W，根據(jù)安全性原則計(jì)算出機(jī)器人的最小轉(zhuǎn)彎半徑為0.4m。

三、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化有限元分析及設(shè)計(jì)

1.參數(shù)建模

針對(duì)新型電纜隧道巡檢機(jī)器人所需的固定軌道，我們借助ANSYS Workbench進(jìn)行軌道建模，其中基于軌道的左右對(duì)稱性，可截取軌道的1/2截面來(lái)實(shí)現(xiàn)建模。同時(shí)，借助建立好的軌道模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，其中需注意兩點(diǎn)：一方面，由于軌道上端會(huì)受到軌道基座的約束，且軌道高度會(huì)受制于導(dǎo)向輪，因此在具體參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮豎直板筋位置對(duì)軌道的應(yīng)力影響;另一方面，在板筋發(fā)生位置變更時(shí)，要重點(diǎn)針對(duì)軌道的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變，并以兩者最小為最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，可確定目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為F（p1）=min（p2*p3），其中p1為板筋位置，p2為最大等效應(yīng)變，p3為最大等效應(yīng)力。

2.優(yōu)化分析

根據(jù)參數(shù)建模和具體觀測(cè)結(jié)果形成軌道最大應(yīng)變變化曲線和最大應(yīng)力變化曲線，經(jīng)過(guò)觀察和分析，可發(fā)現(xiàn)在板筋靠近邊緣的過(guò)程中，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)下井趨勢(shì)。同時(shí)根據(jù)最大等效應(yīng)變?cè)茍D和最大等效應(yīng)力云圖，可確定板筋位置變更對(duì)軌道整體不會(huì)產(chǎn)生較大影響。

結(jié)束語(yǔ)：綜上，本文結(jié)合當(dāng)前我國(guó)電纜隧道巡檢工作的現(xiàn)狀和電纜隧道巡檢機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀分析了新型電纜隧道巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并針對(duì)原有電纜隧道巡檢機(jī)器人存在的問(wèn)題重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確保了機(jī)器人傳動(dòng)的穩(wěn)定性和制動(dòng)的精準(zhǔn)性。但是，本文只著重介紹了新型電纜隧道巡檢機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)，且在軌道優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)上并沒(méi)有進(jìn)行展開探究，因此相關(guān)專家還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究和實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，只有進(jìn)一步加深對(duì)于電纜隧道巡檢工作危險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)，逐步提高電纜隧道巡檢機(jī)器人的研究力度，才能有效提高巡檢機(jī)器人的應(yīng)有可行性，才能促進(jìn)巡檢工作質(zhì)量的改善。

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