轨道式巡检机器人的机械结构设计

轨道式巡检机器人的机械结构设计

王湖北

山东保蓝环保有限公司山东省淄博市255000

摘要：在科学技术不断发展下，智能生活、智能生产、智能管理已经成为必然发展趋势，越来越多的机器人取代人工开展巡检工作，有效减少了人力物力投入，降低了巡检工作强度。对于轨道式巡检机器人来说，其机械结构设计会直接影响机器人的使用功能。因此，加强巡检机器人的机械结构设计有着重要意义。本文首先分析目前轨道式巡检机器人设计中的不足，采用模块化设计思路设计一种带有行走、升降功能的轨道式巡检机器人，旨在提升轨道式机器人的整体性能。

关键词：轨道式；巡检；机器人；机械结构；设计

引言

从第一次工业革命开始，人们就已经开始展开了机器人的研究与开发，但初期机器人只能进行简单的机械动作，距离将其转变为生产力还有很长一段路要走。在科学技术不断发展下，计算机技术、AI技术、编程技术为提升机器人性能提供巨大助力，机器人在城市管理、工业生产领域的应用愈加广泛。巡检机器人搭载了各类传感器、摄像头、检测仪，可以实现全线巡检，具备信息识别、故障分析、精准定位、警报等功能，最大程度上减少事故发生率。常见的巡检机器人有地面轮式机器人、悬挂轨道式机器人，由于地面轮式机器人移动存在不确定性，而轨道式巡检机器人设计简单、移动可控，非常适用于较为固定巡检路线的领域。

1. 轨道式巡检机器人的不足

1.1机械性能不足

轨道式巡检机器人顾名思义是悬挂在固定轨道上运行的机器人，由于是悬挂形式，所以车轮会直接受到本体重量影响，部分驱动系统动力不足，导致轨道式机器人爬坡性能不足，容易出现爬坡慢、爬坡打滑等问题。部分单位使用齿轮齿条传动的机器人，此类机器人的生产成本高、设计难度大、结构繁琐复杂、适应性差，已经不符合当代生产需求[1]。

1.2升降稳定性差

部分生产企业的生产设备分布广、范围大，为了提高巡检精度一般都会设置升降结构，特别是大型设备巡检，需要大行程的升降结构，这也导致机器人结构稳定性不足，升降安全性、稳定性难以保证。

2. 轨道式巡检机器人设计要求和总体设计方案

2.1设计要求

（1）巡检机器人机械设计不能有硬件矛盾情况，并且可以适应工作环境需求。

（2）在轨道上，机器人可以完成行走、转弯、爬坡等功能，并且动力符合使用标准，不能出现打滑、动力不足情况。

（3）考虑到室内环境有限，因此转弯半径不得过大，需要在较小转弯半径下完成转弯。

（4）有升降机械结构且具有良好的升降性能，覆盖更大的巡检空间。

（5）具有满足巡检规范标准的续航能力。

（6）内部机械结构紧凑，强度符合设计标准，并且内部各个装置布置合理，如今传感器、电池、控制器等，并尽可能降低机器人自身的重量，实现轻量化设计目标[2]。

2.2总体设计方案

结合巡检机器人所使用的工作环境特点、使用要求，提出机器人的设计方案、设计要求，确定机器人各项运行参数标准。采用模块化设计方案，让机器人的机械结构调整更加灵活。本文所设计的巡检机器人有三大系统，包括控制系统、机械系统、检测系统。机械结构整体有四大模块，包括行走模块、升降模块、本体模块、电源模块。

（1）行走模块。行走模块主要包括机器人的行走机构以及轨道，根据巡检要求设置轨道，机器人在轨道上平稳运行。要求行走机构为整个机器人结构提供充足动力，轨道可满足机器人巡检要求。

（2）升降模块。升降模块主要扩大机器人纵向空间的巡检范围，因此升降机构设计应满足巡检纵向要求。

（3）本体模块。本体模块作为其他模块的框架，内部设有多个元器件，包括控制舱、电源、动力装置等，此外还负责联动行走模块、升降模块，对各个机械精准定位[3]。

（4）电源模块。为整个机器人各个模块、各个系统提供电能。

3. 轨道式巡检机器人机械结构设计

3.1行走模块设计

3.1.1驱动机构设计

为了加强巡检机器人在轨道上运行动能，本次设计采用了对称驱动方案，也就是在轨道两侧对称设置驱动机构，每侧驱动机构中都设有电机、减速器、驱动轮、驱动支架、制动器等设施[4]。电机是整个系统的核心，负责为驱动机构提供动力，通过减速器带动动力传递给轮轴，使其可以转动。制动器可以让轮轴停止运行，实现刹车功能，在紧急制动下，借助轨道、轮轴之间的摩擦力使机器人停留在轨道上，爬坡时也可以直接停止在运行位置，不会出现滑坡情况。这就需要合理选择驱动轮材料，应确保摩擦力可以让机器人在制动条件直接停止运行，橡胶材料相比其他材料摩擦系数更高，静摩擦大、动摩擦小。

3.1.2行驶轨道设计

轨道与驱动轮配合才能够实现机器人行走功能，需要承载机器人整个结构的重量，同时也要保证机器人在轨道上可以平稳运行。轨道设计应根据室内空间情况且满足巡检要求，具备较高的机械强度，可以承载机械人结构整体重量，不会产生或产生微小变形，轨道表面足够平整。轨道式巡检机器人轨道有两种形式，一种是“工”型轨道，另一种是“H”型的轨道，二者最大的差异就是翼缘位置是否有坡度（“工”型轨道有坡度），由于“H”型轨道设计简单、承载性强，因此本次设计选择“H”型轨道

[5]。在轨道材料选择中，考虑到高耐腐性、重量轻等要求，本次设计选择6063铝合金材料轨道，不仅耐腐性强、重量轻、强度大，并且加工性能良好。

3.1.3夹紧机构

夹紧机构可以让驱动轮紧贴在轨道上，让轨道内部和驱动轮充分接触，从而保持二者之间有较强的摩擦力。设计中应考虑保持对称两轮的夹紧力度相同，且在夹紧后处在锁定状态。本次设计采取手动调节丝杠的夹紧方案。夹紧机构主要包括电机、减速器、夹紧驱动、夹紧支架、压力弹簧、同步带、丝杠、导向槽板等[6]。在实际运行中，夹紧支架连接螺帽，调节丝杠即可带动两侧螺帽以及夹紧支架向内部移动，弹簧受到压缩生成反向作用力，推动连接块连接驱动轮支架，这样通过两侧向内移动即可将驱动轮夹紧。

为了满足30°坡度下机器人依然可以稳定运行的要求，要求系统可以自动调节夹紧力度，在爬坡情况下增大摩擦力。本次设计采用的是调节丝杠实现摩擦力调节，连接块和弹簧盘之间增设压力传感器，可以检测两侧的实时压力情况，根据实时检测压力情况调节压力，也可根据具体工况调节驱动力压力，保证机器人的运行效率。

3.1.4转向结构设计

转向机构可以起到机器人转弯行走的作用，同时也是承载机器人重量的部件。转向结构主要包括导向轮、转弯架、转动机构组成。支撑轮与转弯架连接，可以起到机器人支撑作用以及辅助行走作用。导向轮紧贴轨道内侧，在转弯运行中发挥导向功能，保持支撑轮紧贴轨道内壁。转动机构让转弯家架具备旋转功能，通过旋转即可让机器人更好的转弯。

3.1.5行走模块定位

上述行走模块设计主要是实现机器人的行走功能，而行走机构控制需要精准的定位，从而判定机器人的行程或是否达到指定位置。如果只采用步进电机在实际运行中可能会出现行程不足或过多情况，增加了定位误差和影响巡检精准度。巡检机器人的性能指标之一就是定位精度，因此可以采用霍尔传感器辅助进行测距定位。该传感器可以在车轮转动中使霍尔元件磁力线密度产生变化，进而使电压发生变化，实时测定压力变化即可得到车轮转速，也就是行程。

3.2升降模块设计

3.2.1升降方案选择

为了达到巡检工况要求，巡检机器人应具备升降功能，通过设计升降机构实现巡检的全方位覆盖。检测平台在升降机构上实现上下运动，扩大了机器人的巡检范围，避免出现巡检遗漏，并且升降机构还可以减少轨道铺设量，降低材料投入，可有效控制后期的运维成本。常见的巡检机器人升降机构有剪叉式、丝杠式、柔式（钢丝绳升降）三个种类。而巡检机器人设计要求升降机构运行稳定、可控性强、结构紧凑、升降行程长，可以满足纵向空间巡检要求。剪叉式升降机构结构紧凑、初始长度大、行程长，但下降速度不稳定，且在较长行程下难以保证平台稳定性。丝杠式升降机构使用更加安全、稳定，但由于初始长度大，行程较小。柔性升降机构通过卷筒可以保证行程满足要求，收回绳索时可缩小初始尺寸，结构紧凑，但升降稳定性有待进一步提升。通过对上述三种方案权衡分析，本次设计采用了柔性钢丝绳升降方案，并作出相应优化设计提高升降的稳定性。

3.2.2升降模块结构设计

本次设计采用了单驱动、双绳索的升降模式，系统主要包括电机、联轴器、导向孔轴、传动轴、底座、云台等，该设计方案可以让双边绳索按照相同路径收方，双绳索可以保证升降结构运行稳定[7]。在实际运行中，电机为整个系统提供电力动能，联轴器驱动卷筒转动，转动方向不同其内部绳索也呈现为收、放状态，导向孔另一侧绳索连接升降台，这样即可实现升降台的升降功能。每个套筒都设置了限位环，采用摩擦滑动连接方式，一级升降套筒、末级升降套筒分别连接底座、云台，这样在云台升、降过程时套筒组件也会伸、缩。

3.2.3升降模块定位

采用以上的升降模块设计方案，可以有效提升升降稳定性、减少定位误差量，但实际应用依然会有误差，通过检测分析得知在绳索收放时会因为卷筒内绳索缠绕高度不同而产生左右误差。如果升降左右误差较大，会造成机器人倾斜，无法满足巡检要求。因此可以采用测距传感器对升降结构定位，本次设计采用了激光测距传感器，通过测量激光往返数据得出运行距离，根据传感器检测的距离量，可以调整套筒内部绳索提高升降精度。

3.3本体模块设计

本体模块也是机械结构基础框架，不仅要可以精准装配，还要安装一系列的传感设备、动力设备、电源，因此对承重性有一定要求。本次采用结构一体化设计方案，包括主机架、护罩、侧板、盖板。根据行走模块连接要求提前在盖板上打好孔位，根据电池充电连接器位置在侧板设置孔洞安装充电座，根据升降机构连接要求在底板位置预留孔洞。主机与侧板、底板、盖板使用螺栓连接。为了减少结构本体的重量，主体结构依然采用综合性能较好的6061铝合金，但盖板主要会承受结构整体重量，对材料强度要求很高，6061铝合金材料强度相对差一些，因此盖板最终决定选择Q235钢。

3.4电源模块

电源模块负责对整个机器人系统提供电能，其续航要求满足机器人的巡检要求。电源选择应从多个方面考量，例如续航是否达标、是否满足内部空间安装要求、重量是否较轻等等。结合这些要求，目前技术较为成熟的只有锂电池，虽然铅酸电池、镍氢电池在机器人领域也有应用，但锂电池具备重量轻 、体积小、寿命长、自放率低等优势。本次设计要求电池应满足巡检3h/次的要求，结合行走驱动电机额定功率、升降驱动电机额定功率、其他电气设备额定功率，即可得到每次巡检所需的电能，也可以计算出每次巡检所需的电池容量，根据所得参数选择对应容量的锂电池即可。

4. 轨道式巡检机器人运动性能分析

本次设计的轨道式巡检机器人在某变电站得到了应用，对机器人运动性能进行检测和计算，其主要表现在：

4.1水平直线运动性能

通过对巡检机器人初步检测，其基本运行参数为：（1）整个机器人体系重量为68kg（包含机器人及其相关部件）；（2）运行速度为0.5m/s（可按需求降速）；（3）驱动轮半径为8cm；（4）重力加速度为10.2m/s2；（5）轨道与滑轮摩擦系数为0.1（滚动摩擦阻力）。由于本次设计的巡检机器人在室内运行，再加上运行速度较慢，空气阻力极小，因此在测速中无需考虑空气阻力。结合基本参数计算机器人标准运行理论值为（设计标准值）：机器人驱动力为115N、驱动功率为27W、驱动轮扭矩为4.0N·m。

通过检测机器人水平运动受力参数，计算机器人驱动力为138.3N、驱动功率为35.2W、驱动轮扭矩为5.0N·m。可以满足室内正常工况的使用要求。

4.2爬坡运动性能

变电站巡检因为室内结构、设备结构等限制，因此巡检路线会有上下坡情况，按照最大爬坡30°计算铺设轨道，要求巡检机器人可以在30°坡的情况下依然保持较好的行驶性能。结合基本参数计算机器人标准运行理论值为（设计标准值）：爬坡堵轨道分力为330N、车轮与轨道滚动摩擦为50N、夹紧力为320N，爬坡驱动力为460N，电机输出功率为105W，单轮扭矩为15.5N·m。

通过数据检测和计算，结合爬坡受力情况，得出爬坡堵轨道分力为351N、车轮与轨道滚动摩擦为60.2N，驱动轮对轨道压力的大小可以根据夹紧机构调节压力大小。为了避免在下坡时受到重力影响出现滑坡现象，此时系统会自动加大夹紧压力，增加车轮和轨道之间的滚动摩擦系数。进一步检测计算得出，夹紧力为349N，爬坡驱动力为483.4N，电机输出功率为122.3W，单轮扭矩为16.68N·m。可以满足爬坡工况使用要求。

4.3转弯运动性能

巡检机器人在运行中有转弯的情况，保证机器人转弯的稳定性是有效开展巡检的基本要求。结合本次设计中变电站室内环境情况以及机器人结构布局、规格尺寸，将最小转弯半径设定为800mm。机器人转弯是否顺畅、稳定取决于导向机构、驱动轮的应用性能，导向机构可以调整机器人的转弯度、驱动轮为机器人转弯提供动能，这两项均满足800mm半径转弯要求才可以实现机器人平稳转弯目标。在机器人运行到转弯处时，系统会加大车轮和轨道侧之间的夹紧力，同时提升驱动轮动力，从而保证顺畅、稳定转弯，并且导轮作用在转向架上，沿着转向轴转动，起到调节转向架角度的作用[8]。

机器人转弯除了要考虑能够满足转动角度理论值（标准值），还要考虑机器人及其零部件不能接触轨道，这就需要在转弯时计算机器人几何关系。由于转弯时，随着进入弯道逐渐向转弯中心移动，驱动机构套筒和轨道翼缘外侧距离也会拉进，达到转弯中心处打到距离最小值，如果距离为0，则会发生碰撞事故。所以，设计重点就是在转弯达到弯道中心点时驱动机构套筒不与轨道翼缘外侧碰撞，此时也是转弯半径的极限值（最小值）。本次设计轨道宽度为80mm，通过弯道测量，机器人最小转弯半径为721mm（＜800mm），可以满足顺利转弯的要求。

结束语

综上所述，本文提出了一套轨道式巡检机器人机械结构设计方案，主要包括行走模块、升降模块、本体模块、电源模块，通过模块化设计可以方便后续改造升级，功能调节更加灵活。在实际使用中，轨道式巡检机器人可以满足直线、转弯、上下坡的工况要求。

参考文献

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[8] 孙元元.巡检机器人机械结构设计探究[J].中国设备工程, 2020(6):269-270.