一種具有越障功能爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)*

李詩(shī)朕，周揚(yáng)理，王國(guó)棟，丁 睿，賀連升

（中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

在現(xiàn)代生活中，電纜網(wǎng)絡(luò)分布已覆蓋全球各個(gè)地方，而高空檢修作業(yè)也在不斷增加。檢修工人攀爬到電線桿上方檢修線路，環(huán)境惡劣，危險(xiǎn)性極高，容易發(fā)生意外事故。而爬桿機(jī)器人可以代替人工，方便高效地完成高空線路檢修作業(yè)。爬桿機(jī)器人在城市桿狀建筑清潔、路燈檢修等方面也起到了重要的作用，因此國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展研究。

目前爬桿機(jī)器人研究相對(duì)比較成熟，如浙江工業(yè)大學(xué)陳國(guó)達(dá)等[1]從機(jī)器人工況環(huán)境和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，將爬桿機(jī)器人分為滾動(dòng)式爬桿機(jī)器人、夾持式爬桿機(jī)器人、仿生式爬桿機(jī)器人、吸附式爬桿機(jī)器人4類，對(duì)現(xiàn)有爬桿機(jī)器人進(jìn)行了準(zhǔn)確分析。江南大學(xué)的李楠等[2]研制的適應(yīng)不同導(dǎo)軌直徑的多姿態(tài)爬桿機(jī)器人，是一種滾動(dòng)式爬桿機(jī)器人；北京航空航天大學(xué)的王揚(yáng)等[3]使用氣缸設(shè)計(jì)了一種輪式攀爬機(jī)器人；國(guó)網(wǎng)浙江新昌縣供電公司的任新新等[4]研制了純機(jī)械結(jié)構(gòu)的夾持式爬桿機(jī)器人；哈爾濱石油學(xué)院的王妍瑋[5]設(shè)計(jì)了水泥桿攀爬機(jī)器人；李晨景等[6]設(shè)計(jì)了利用雙作用氣缸為主要執(zhí)行元件的新型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人；浙江工業(yè)大學(xué)徐生等[7]提出了一種以氣壓驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)爬桿機(jī)器人；太原理工大學(xué)岳一領(lǐng)等[8]設(shè)計(jì)的一種具有變形機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)性的多功能攀爬機(jī)器人等。這些機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，且均無(wú)法跨越障礙物，攜帶任何檢修設(shè)備。

為了克服機(jī)器人無(wú)法越障、攜帶檢修設(shè)備等問(wèn)題，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制器控制相互配合，設(shè)計(jì)了一種具有越障功能的爬桿機(jī)器人。

1 設(shè)計(jì)要求

爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)要求

2 工作原理

當(dāng)爬桿機(jī)器人爬升過(guò)程中探測(cè)到障礙物時(shí)，爬桿機(jī)器人切換到越障模式。

首先，上、下部分夾緊裝置保持夾緊狀態(tài)，中部夾緊裝置松開(kāi)，上升一定距離；然后，中部夾緊裝置夾緊，上、下部分夾緊裝置同時(shí)松開(kāi)，上升一段距離；之后，由上、下部分夾緊裝置夾緊，中部夾緊裝置松開(kāi)，上升一段距離；隨后，中部夾緊裝置夾緊，上、下部分夾緊裝置松開(kāi)，上升一段距離；最后，上、下部分夾緊裝置夾緊，中部夾緊裝置松開(kāi)，上升一段距離。重復(fù)此動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)爬升越障功能。具體操作流程如圖1所示。

圖1 越障動(dòng)作示意圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬桿機(jī)器人由上部夾緊裝置、中部夾緊裝置、下部夾緊裝置、爬升裝置組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 越障爬桿機(jī)器人整機(jī)模型

通過(guò)上、中、下三個(gè)部分夾緊裝置的交替夾緊、張開(kāi)動(dòng)作，爬桿機(jī)器人實(shí)現(xiàn)整體爬升。當(dāng)上部夾緊裝置上端傳感器探測(cè)到障礙物時(shí)，爬升機(jī)器人切換到越障模式。此時(shí)，夾緊爪張開(kāi)幅度變大，上、中、下三個(gè)部分夾緊裝置依次越過(guò)障礙物。

3.1 夾緊裝置

夾緊裝置分為上部夾緊裝置、中部夾緊裝置和下部夾緊裝置部分。夾緊裝置由支撐框架、步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、連桿機(jī)構(gòu)、夾緊手臂、夾緊手爪等組成。夾緊裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中中部夾緊裝置含有第二夾緊手臂和4個(gè)夾緊手爪，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在步進(jìn)電機(jī)作用下，通過(guò)減速器帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊手爪的夾緊或松開(kāi)。

圖3 夾緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 中部夾緊裝置

夾緊手爪包括夾緊爪和橡膠墊，為增大夾緊手爪與桿體的摩擦力，將手爪設(shè)計(jì)為曲面狀，內(nèi)凹一面固定橡膠墊。為確定夾緊力，保證夾持穩(wěn)定性，安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)反饋夾緊力。

機(jī)械手臂有效張開(kāi)直徑為530 mm，可跨越障礙物的橫向尺寸為110 mm，采用橡膠作為夾持提供摩擦力，摩擦因數(shù)約為0.64，最大提供250 N摩擦力，整機(jī)質(zhì)量為11 kg，可搭載檢修設(shè)備，最大承載能力15 kg。

3.2 爬升裝置

為了簡(jiǎn)單、高效的跨越障礙物，在上、中、下三部分夾緊裝置相互配合工作下，設(shè)計(jì)了爬升裝置。

爬升裝置結(jié)構(gòu)采用雙光軸滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)向桿、絲桿、上部連接塊、中部連接塊、下部連接塊等組成。結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過(guò)三部分夾緊裝置與之連接，相互協(xié)調(diào)、配合，從而完成爬升越障功能。

圖5 爬升裝置

爬桿機(jī)器人爬升速度最大約為6 m/min，跨越障礙物最大縱向跨度為0.4 m，較人工爬桿效率高。

4 控制程序設(shè)計(jì)

越障爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主要是控制夾緊裝置與爬升裝置的電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過(guò)兩者相互協(xié)調(diào)、配合實(shí)現(xiàn)爬升與越障功能。控制功能流程圖如圖6所示。

圖6 控制功能圖

5 關(guān)鍵部件有限元分析

5.1 夾緊裝置

將夾緊裝置本體在SolidWorks軟件中建模并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由SolidWorks Simulation進(jìn)行靜應(yīng)力有限元分析。夾緊裝置采用45號(hào)鋼材質(zhì)，許用應(yīng)力120 MPa（考慮安全系數(shù)）使用默認(rèn)網(wǎng)格劃分。施加條件時(shí)，將夾緊裝置箱體固定，夾緊爪與桿狀物體配合固定。對(duì)導(dǎo)向塊施加向后的拉力，使夾緊爪夾緊。完成后提交作業(yè)，最終獲得上下部分應(yīng)力分析圖如圖7所示，位移分析圖如圖8所示，中間部分應(yīng)力分析圖如圖9所示，位移分析圖如圖10所示。

圖7 上、下部分-應(yīng)力

圖8 上、下部分-位移

由分析結(jié)果可知，兩種夾緊裝置機(jī)械手爪中部全部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且發(fā)生形變。上、下部分夾緊裝置機(jī)械手爪的最大位移量1.431×10-3mm，最大應(yīng)力5.513 MPa；中部夾緊裝置機(jī)械手爪的最大位移量1.225×10-3mm，最大應(yīng)力4.027 MPa。在此夾持過(guò)程中機(jī)械手爪的最大應(yīng)力、應(yīng)變以及變形量等全部都在計(jì)算范圍內(nèi)。因此，此夾緊裝置符合作業(yè)要求。

圖9 中間部分-應(yīng)力

圖10 中間部分-位移

5.2 爬升裝置

將爬升裝置本體在SolidWorks軟件中建模并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，由SolidWorks Simulation進(jìn)行靜應(yīng)力有限元分析。爬升裝置采用45號(hào)鋼材質(zhì)，許用應(yīng)力120 MPa（考慮安全系數(shù)）使用默認(rèn)網(wǎng)格劃分。施加條件時(shí)，將夾緊裝置上下部分連接塊固定。對(duì)中部連接塊施加向上與向外的面載荷。隨后提交作業(yè)，最終獲得爬升裝置應(yīng)力分析圖如圖11所示，位移分析圖如圖12所示。

圖11 爬升裝置-應(yīng)力

圖12 爬升裝置-位移

由分析結(jié)果可知，由于上、下兩部分夾緊桿狀物體表面，中部夾緊裝置松開(kāi)，應(yīng)力相對(duì)集中于中部連接塊與雙光桿、絲桿的接觸位置，并且發(fā)生形變。爬升裝置最大位移量1.813×10-2mm，最大應(yīng)力8.13 MPa。在此爬升過(guò)程中雙光桿、絲桿的最大應(yīng)力、應(yīng)變和變形量等都在計(jì)算范圍內(nèi)，因此爬升裝置符合作業(yè)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人，其主要功能是可靠地?cái)y帶相關(guān)檢修設(shè)備，克服重力作用依附于電線桿等桿狀物表面進(jìn)行爬升并跨越其表面障礙物，能夠代替人工安全、高效、低成本地完成檢修、維護(hù)等任務(wù)，有效預(yù)防意外事故的發(fā)生。爬桿機(jī)器人的使用消除了人工維護(hù)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境。而且低耗能、綠色環(huán)保符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，符合可持續(xù)發(fā)展理念。