智能伸缩型监控机器人

智能伸缩型监控机器人

郑胜利1    王志远1   何明2

深圳华屹物联网技术有限公司 深圳供电局有限公司罗湖供电局   广东深圳  050000

【摘要】：本文提出了智能伸缩监控机器人，能够在大空间中工作，借鉴现有的伸缩臂机构与驱动的方式，对伸缩臂最佳的构型进行设计。对智能伸缩监控机器人运动自由度分析，并且实现运动学仿真。通过结果表示，本文设计监控机器人的结构合理，质量轻，并且运动稳定可靠。

【关键词】：智能化；伸缩型；监控机器人

伸缩臂为智能伸缩机器人受力的主要部件，在一定约束空间中能够伸缩一定距离。目前，伸缩机构的重点为器械机构设计，比如智能控制、运动协调等。Kin Yuen等人设计了多层圆筒嵌套伸缩式捕捉机构TSCCM，利用齿轮齿条能够实现相邻圆筒的驱动，伸展之后构成伸缩臂。现有机器人一般使用关节臂类，自由度比较高，能够在复杂轨迹工作中应用。但是，在实际应用中还存在部分问题，比如肘关节比较多，在运动中因为各关节臂折叠导致夹坏物品或者手。所以，本文设计了智能伸缩型监控机器人，能够帮助抓取物品[1]。

1智能伸缩型监控机器人的架构

为了对机器人的运动性能进行分析，对机器人载体结构介绍。提出了链式伸缩服务架构，包括伸缩臂、末端器、预埋箱、伸缩机构等构成。伸缩臂为伸缩机构主要核心，包括链式、折叠式、可存储管式、套筒式等。链式伸缩臂的伸缩距离比较长，并且截面小，能够实现狭窄异形空间的存储。以人异形空间抓取的方法进行设计，所以本文使用链式伸缩臂。

链式伸缩臂主要包括齿轮齿条、蜗杆、链轮、摩擦轮等驱动方式，链轮传动过程中的工作可靠，并且能够在有污染、多尘、潮湿等环境下工作，但是在传动过程中会存在冲击、振动、噪声。蜗杆驱动方式的噪声和冲击载荷比较小，制造成本高。齿轮齿条传动会有齿隙，导致啮合冲击。摩擦轮的结构比较简单，并且噪声小，成本低。充分考虑伸缩臂运动性能和成本，本文使用摩擦轮驱动。

图1为智能伸缩型监控机器人的架构，包括：

（1）预埋箱，预埋箱预埋在地面内；

（2）采集模块，由顶部插入到预埋箱内部；

（3）伸缩装置，伸缩装置作为前段动力驱动采集模块移出预埋箱；

（4）升降机构，升降机构作为后段动力驱动采集模块移出预埋箱。

本文升降机构能实现采集模块的快速伸出和收入，并在外力撞击时能使采集模块下降一定的距离，能实现对采集模块和预埋箱的锁定，避免移动过程中采集模块在预埋箱内部移动[2]。

图1  智能伸缩型监控机器人的架构

（1.预埋箱 2.采集模块 3.对电机 4.齿轮 9.固定柱 10.固定孔 11.固定杆 13.底座）

2智能伸缩型监控机器人的详细设计

2.1可伸缩臂杆机构的设计

要求伸缩臂杆能够精准定位、重复伸缩，利用等截面伸缩机构，不会改变伸展时机械臂的臂杆截面刚度，使机械伸缩臂能够提高。图2为等截面臂杆的成型原理，竖直板带为扁平金属带状结构，在矩形孔周围分布。竖直板带的厚度小于宽度，所以能够提高其柔韧性，从而缩小了相关占比空间。水平板带是一种等厚螺旋状的叶片，以水平板带的外缘螺旋线能够分布在齿状结构中。在水平带结构自由放置过程中，能够叠放每个圈。如果存在轴向拉力，水平板带和螺旋管柱的螺距是一样的。根据直径螺旋缠绕，竖直板存在重叠，水平板和竖直板能够实现啮合锁紧，从而构成螺旋管柱[3]。

图2  等截面臂杆的成型原理

2.2伸缩机构方案的设计

以臂杆成型的原理，使用螺旋式滚轮的方式实现板带啮合。利用电机通过1级齿轮使转子能够转动，在逆时针旋转的过程中能够朝着水平板带竖直的移动。在臂杆为收缩状态的时候，在存储槽中能够设置板带盘，占据空间比较小。

臂杆在转子旋转后，会有一个螺距范围的伸展空间，说明旋转和伸展存在一定的线性关系。那么，为了对转子和支柱的角度进行测量，可以通过角度传感器实现。在上位机存储器中设置旋转的圈数，能够避免控制器在存在问题的时候提高数据安全性。在系统通电后对旋转圈数进行读取，然后对转子角度测量，实现臂杆伸展位置的计算。根据电缆能够实现机械臂的通电，在臂杆伸缩的时候，电缆也会持续的收缩，要求柔性螺旋板带能够连接移动端和支柱端。电缆在机械臂伸缩时，能够根据螺旋板带进行收缩。

2.3升降机构的设计

在升降机构使用的过程中，伸缩装置驱动采集模块上升到升降机构工作范围内时，即采集模块侧面的导向板带动铁质件到达电磁铁的吸附范围内时，电磁铁产生的磁性吸引力能够对铁质件有向上的吸引力，从而能够带动采集模块快速的上升，而当采集模块收到外界的力时，磁性间的不完全固定效果又能使采集模块向下运动，从而对伸出的采集模块起到一定的保护作用，提高了使用寿命，而当需要采集模块下降时，只需将电磁铁断电，使磁性消失，采集模块受重力作用而自然下降[4]。

2.4预埋机构的设计         

在使用时，将预埋箱埋在地面内部，采集模块通过伸缩装置和升降机构进行升降，当需要进行监控采集时，伸缩装置能给采集模块初始的驱动力，当伸缩装置驱动采集模块上升到升降机构的工作距离范围内时，升降机构能工作而带动采集模块快速上升，实现更快的响应效率，而当需要收回采集模块时，升降机构断电，采集模块受自身重力而下降，直至采集模块下降至伸缩装置的工作范围内，此时伸缩装置工作，进行最后的收尾工作，不仅收起速率快，而且伸缩装置能在收尾阶段进行工作，降低最后的下落速度，从而对采集模块起到一定的保护作用。采集模块在伸出工作时，四面的四个摄像头能进行四周的摄像采集工作，而喇叭可以发出声音，可以利用现有的语音提醒模块，预设一定的语音提示音经过喇叭发出，而提醒人员。

3机构ADAMS的仿真分析

为了对机构运行过程中的实际情况进行分析，利用SolidWorks创建相关模型，然后偶将虚拟样机接口设置到ADAMS中仿真研究。另外，在伸缩机构上升过程中，要充分考虑到相关载重力，并且针对此过程开展仿真。使仿真的运行速度得到提高，能够使仿真更加的方便，并且对仿真模型简化。将滑动块的运行速度设置为每秒30mm，并且设置驱动参数后的仿真时间为5s，设置仿真的步数一般可以为2500。要想使仿真速度得到提高，能够提高仿真的精准度。仿真结果详见图3，机构在上升的过程中也会增加滑动块驱动力。因为机械运动过程中有所振动，所以在增加驱动力时也会出现波动。另外检测平台运行也存在波动，但是为线性变化。所以，伸缩机构的伸缩运动比较平稳，满足伸缩机构的运行需求[5]。

图3  仿真结果

4结束语

本文设计智能伸缩型监控机器人，尺寸结构合理，能够满足用户远距离抓取的需求，能够在航天、军事和仓储取货等领域中应用。智能伸缩型监控机器人包括驱动机构和伸缩臂机构，利用运动学仿真实现自由度计算，实现了机器人的运动灵活性评价。表示本文设计的机器人能够在异形空间中工作，结构紧凑，并且安全性高，能够满足实际应用需求。

参考文献

[1]姚海峰,刘伟,郑晓雯,等. 矿用腕部偏置伸缩型Pieper机器人新算法数值解研究[J]. 矿业科学学报,2020,5(6):672-680.

[2]邹欣桐,王晓媛,彭辰,等. 复杂地形下无人机搭载的智能垃圾拾取机器人设计[J]. 机电工程技术,2023,52(2):159-162,181.

[3]彭汉修,赵建国,王菊,等. 伸缩式井下机器人电液控制系统研制与性能评价[J]. 石油钻探技术,2023,51(3):66-72.

[4]史婷婷,薛迪,郭建康,等. 基于空间自主感知的全地形智能田间除草机器人分析[J]. 集成电路应用,2022,39(5):86-87.

[5]卢明旭,唐德文. 新型核电机器人伸缩臂的设计和有限元分析[J]. 现代制造技术与装备,2023,59(1):75-77,118.