爬樹桿機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

郝時忠

（江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211316）

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的升級，綠化樹、電燈桿在大街小巷比較常見，國內(nèi)針對綠化樹、電燈桿等維修作業(yè)采用人工或者高空運(yùn)載機(jī)進(jìn)行檢修和施工，已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程發(fā)展的要求，主要表現(xiàn)在：綠化樹、電燈桿在進(jìn)行作業(yè)過程中人工風(fēng)險較大，如采用市政高空機(jī)則會阻礙地下的交通，在一些特殊場合，即便采用了自動化機(jī)械手進(jìn)行爬行，但是機(jī)械手的裝置設(shè)計方案很局限，無法根據(jù)綠化樹、電燈桿不同尺寸以及不同速度進(jìn)行上下攀爬和傳送工具，導(dǎo)致該攀爬設(shè)備的傳送效率低下，而且傳送相關(guān)綠化樹攀爬機(jī)器人的PLC 系統(tǒng)控制系統(tǒng)依賴進(jìn)口、手爪關(guān)節(jié)活動的壽命以及潤滑等運(yùn)行精度穩(wěn)定性不足，使得綠化樹、電燈桿自動上下攀爬機(jī)械手的裝置的自動化程度以及精度無法滿足不同直徑和工況的綠化樹、電燈桿的使用現(xiàn)狀[1-2]。

當(dāng)前許多學(xué)者針對爬樹機(jī)械手通過理論和仿真實(shí)驗(yàn)[3]，在傳動形式、手腕關(guān)節(jié)、手爪自由度以及材料性能、摩擦磨損以及熱處理方面進(jìn)行了研究，所得成果應(yīng)用到各大國家電網(wǎng)的維修部門，尤其是主要采用限元分析軟件，分析其攀爬過程中存在的不足和缺點(diǎn)，建立手腕關(guān)節(jié)、手爪自由度的動力學(xué)仿真模型，模擬自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人不同路況或功率下的動力和傳動效率，找出存在的風(fēng)險因素并進(jìn)行改進(jìn)，能夠降低自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人開發(fā)周期和費(fèi)用[4]。

1 爬桿機(jī)器人方案設(shè)計

1.1 自動爬綠化樹機(jī)器人方案設(shè)計

本設(shè)計的自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人根據(jù)仿生爬綠化樹的現(xiàn)象，考慮的自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的額定載荷為5 kg，能夠在Φ120 ～Φ200 mm 的變徑桿上爬行。設(shè)計的機(jī)器人采用兩個手爪1，依靠盤形凸輪5 的運(yùn)動軌跡帶動連桿機(jī)構(gòu)3 進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，在工作過程中一個手爪松開，一個夾緊進(jìn)行爬行運(yùn)動，在實(shí)現(xiàn)上下攀爬移動的進(jìn)給夾緊載荷方面，下手抓通過彈簧4 收縮力提供預(yù)緊力使手抓收縮夾緊和松開直桿。如圖1 所示。

圖1 爬桿機(jī)器人方案

1.2 夾緊裝置設(shè)計

自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪的夾緊方案可以考慮電機(jī)驅(qū)動連桿往復(fù)運(yùn)動，在機(jī)械手的工作過程中，考慮彈簧與傳動連桿配合實(shí)現(xiàn)手爪開合的作用。在設(shè)計過程中還需要其具有自鎖功能，確保了在開合過程中當(dāng)自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪傳動連桿與彈簧失效時不會下墜，此外傳感器檢測自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪的抓取壓力信號，通過壓力信號的識別可將正常夾緊與松開的工況的信息反饋給PLC 控制器，從而做出是否進(jìn)行進(jìn)給往復(fù)的目的，驅(qū)動自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)出一系列的操作，而為了確保自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人夾緊裝置在接觸電桿過程中因?yàn)槟Σ聊p導(dǎo)致的表面劃傷，或者當(dāng)負(fù)載載荷超過其額定重量時候，為了確定其抓緊力產(chǎn)生的摩擦系數(shù)，這里考慮采用橡膠墊塊，在滿足工況的前提下能夠進(jìn)行靈活的更換。如圖2 所示。

圖2 夾緊裝置

1.3 運(yùn)動狀態(tài)分析

設(shè)計的自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人長度L=260 mm，寬B= 150 mm，高度H= 430 mm，在初始狀態(tài)下手爪夾緊直桿，上手爪在彈簧作用下松開。當(dāng)壓力信號將正常夾緊與松開的工況的信息反饋給PLC控制器時，電機(jī)通過減速箱連接帶動曲柄運(yùn)動，曲柄一起固定在下手爪處的兩個盤形凸輪機(jī)構(gòu)順時鐘轉(zhuǎn)動，因此自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的合理性對傳動系統(tǒng)的運(yùn)行精度有著重要的影響，盤形凸輪推動下機(jī)械臂想外擺動，機(jī)械手爪向外松開，手爪一方面需要滿足結(jié)構(gòu)功能性要求，另一方面還需要滿足經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)盤形凸輪轉(zhuǎn)過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時移動凸輪向下運(yùn)動，此時上方手爪夾緊直桿。

當(dāng)自動爬綠化樹下部的盤形凸輪轉(zhuǎn)過最大半徑的圓弧后，下機(jī)械手爪開始收縮，并夾緊；手爪和連桿在受力過程中，還承受夾緊力加載導(dǎo)致的彎矩。當(dāng)移動凸輪向上運(yùn)動走過空行程，在凸輪運(yùn)動時，自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的上機(jī)械手爪開始松開，在設(shè)計過程中需要對自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的變形剛度進(jìn)行考慮，避免在爬行進(jìn)給過程中產(chǎn)生沖擊振動和位移，同時需要對自動爬綠化樹手臂等結(jié)構(gòu)的管線預(yù)埋走向進(jìn)行考慮。避免當(dāng)曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達(dá)的最大行程時因?yàn)檫B桿的極限位置造成管線的干涉。

2 攀爬機(jī)械手爪設(shè)計

本自動爬綠化樹的手爪的抓取對象為綠化樹以及電線桿，其接觸面為圓柱體，在對手爪設(shè)計過程中，首先是滿足其功能性，手臂手指特征、攀爬過程中的接觸應(yīng)力、攀爬速度等因素，同時還考慮一定的仿生學(xué)，其中手爪的重點(diǎn)在于手指的自由度，如混合并聯(lián)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動的斜面杠桿式、采用往復(fù)直線運(yùn)動的滑槽杠桿式等，此外還有應(yīng)用在其他場所的絲杠螺母彈簧式，以及利用自身重力的結(jié)構(gòu)形式抓取等。本設(shè)計考慮的自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的額定載荷為5 kg，能夠在Φ120 mm ～Φ200 mm的變徑桿上爬行。

在尺寸設(shè)計過程中，自動爬綠化樹的手爪的旋轉(zhuǎn)中心跟直桿X方向長度為67 mm，Z方向長度為129 mm，橡膠塊的厚度d= 5 mm，自動爬綠化樹的手爪在工作過程中的擺動θ= 10°。手爪的厚度d= 10 mm。采用5032 的鋁合金材料，如圖3 所示。

圖3 機(jī)械手爪設(shè)計尺寸圖

自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪驅(qū)動電動機(jī)的型號有許多，電動機(jī)的使用場合往往通過現(xiàn)場不同的負(fù)載類型來選型，本設(shè)計選擇的型號為60YR25DV11的電機(jī)。該電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)見表1。

表1 60YR25DV11 電機(jī)參數(shù)

3 爬桿機(jī)器人三維建模設(shè)計

3.1 三維建模思路

自動爬桿機(jī)器人的主要部件包括上下機(jī)械手抓、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，其設(shè)計的結(jié)構(gòu)在功能上是否滿足設(shè)計要求，還需要對其進(jìn)行檢查。一般來說采用三維軟件建?？梢灾庇^形象的查看自動爬桿機(jī)器人設(shè)計的缺陷，同時方便后期的設(shè)計變更。隨著當(dāng)前機(jī)器人行業(yè)的飛速發(fā)展，基于CAD/CAE 計算的設(shè)計開始廣泛應(yīng)用，基于特征的三維建模技術(shù)對自動爬桿機(jī)器人的上下機(jī)械手抓右、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)建立完成后，可采用CAD 的輔助菜單對其尺寸聯(lián)系、配合形式以及是否存在空間運(yùn)動干涉進(jìn)行檢查，還可以采用CAE仿真分析軟件對自動爬桿機(jī)器人受力過程中的結(jié)構(gòu)動力學(xué)進(jìn)行仿真，找到自動爬桿機(jī)器人傳動過程中的失穩(wěn)和變形干涉現(xiàn)象，還可以對單個部件的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行計算，為后期的部件優(yōu)化提高理論依據(jù)，上下機(jī)械手抓右、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)之間的裝配尺寸鏈和參數(shù)化關(guān)聯(lián)都可以在三維建模器中進(jìn)行顯示，極大程度地降低了設(shè)計的周期。

3.2 主要部件的建模和運(yùn)動仿真

3.2.1 運(yùn)動仿真設(shè)置

采用UG 軟件在對自動爬綠化樹機(jī)器人進(jìn)行三維建模，主要包括上下機(jī)械手抓、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)等，在建模過程中當(dāng)某個特征之前發(fā)生變更時，如果相關(guān)部件在裝配過程中存在配合約束，則相關(guān)的部件特征也會發(fā)生相應(yīng)的更新，圖4 為基于特征建立的自動爬桿機(jī)器人上下機(jī)械手抓結(jié)構(gòu)裝配。

圖4 自動爬桿機(jī)器人上下機(jī)械手抓

當(dāng)創(chuàng)建完成自動爬桿機(jī)器人整體的三維模型后，為了驗(yàn)證自動爬電線桿機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計合理性，需要采用運(yùn)動仿真的形式進(jìn)行仿真，尤其是裝配約束，如盤形凸輪、輸入軸之間的接觸關(guān)系、尺寸和位置等，下面采用UG 軟件進(jìn)行仿真分析，對自動爬桿機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動仿真。

首先，選擇自動爬桿機(jī)器人的立柱為固定連桿，其次，建立上下機(jī)械手抓旋轉(zhuǎn)部件，創(chuàng)建運(yùn)動副。定義自動爬桿機(jī)器人手抓、盤形凸輪和連桿等主要部件的運(yùn)動副，創(chuàng)建完畢后點(diǎn)擊“解算方案”，完成攀爬電線桿運(yùn)動仿真的創(chuàng)建，得到圖5 運(yùn)動仿真設(shè)置分析。

圖5 自動爬桿機(jī)器人運(yùn)動仿真設(shè)置分析

3.2.2 爬升運(yùn)動過程

（1）首先爬桿機(jī)器人處于初始狀態(tài)，該狀態(tài)的下部夾爪處于抓緊、上部夾爪松開。上部夾爪的電機(jī)正轉(zhuǎn)時，上手爪夾緊電線桿；反之當(dāng)電機(jī)處于反轉(zhuǎn)時，手爪松開。其爬桿動作示意如圖6 所示。

圖6 爬桿動作示意圖

（2）當(dāng)圖5 中的曲柄連桿控制電機(jī)，從0°轉(zhuǎn)到180°時，下手爪向上攀爬行半個步距，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的爬行高度h/2；持續(xù)時間為5 s；在爬行步態(tài)周期內(nèi)，其爬行速度在半個步距范圍內(nèi)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，其中在90°時，攀爬速度達(dá)到最大100 mm/s，如圖7 所示，當(dāng)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)達(dá)到180°時，此時上下手爪的夾緊狀態(tài)改變。曲柄連桿驅(qū)動電機(jī)從180° ～360°時，上手爪向上爬行半個步距，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的爬行高度h/2。

圖7 下手爪0°~180°持續(xù)5s 的爬行速度曲線

（3）當(dāng)驅(qū)動電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時，上下爪處于夾緊狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)高空懸停檢修；當(dāng)重復(fù)步驟1～2 時，爬桿機(jī)器人按照預(yù)定的速度進(jìn)行攀爬，此時配備的清潔或者噴涂裝置可實(shí)現(xiàn)對樹桿或桿進(jìn)行清潔或者防腐作業(yè)。當(dāng)作業(yè)完成后，通過遠(yuǎn)端后臺的操作改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)順序，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的下降爬行。

4 結(jié)論

近年來針對在不同長度、不同直徑、不同剛度的綠化樹、電燈桿等的修剪和檢修需求，除了滿足功能結(jié)構(gòu)外，手爪抓取電桿連接部件之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度需要較高的安全系數(shù)來抵擋極端沖擊載荷的影響，以及避免攀爬過程中電力中斷造成成機(jī)器人掉落地面。本設(shè)計的自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人根據(jù)仿生爬樹的現(xiàn)象，考慮的自動爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的額定載荷，設(shè)計的機(jī)器人采用兩個手爪，依靠盤形凸輪的運(yùn)動軌跡帶動連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，在工作過程中一個手爪松開，一個夾緊進(jìn)行爬行運(yùn)動，采用三維軟件建立了爬電燈桿機(jī)器人的三維模型，并進(jìn)行了運(yùn)動仿真分析，能夠查看設(shè)計缺陷和優(yōu)化，顯著降低了爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人開發(fā)周期和費(fèi)用。