巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李坤全，文睿

（河南工程學院，河南 鄭州 451191）

巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李坤全，文睿

（河南工程學院，河南 鄭州 451191）

隨著科技的不斷發(fā)展和社會的進步，科技廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，其中典型的例子如機器人的應(yīng)用，用機器人代替人工進行作業(yè)，不僅節(jié)約了大量的勞動力，在一定程度上還保障了人們的生命安全。對于機器人而言，不同的行業(yè)，其作用也不同，例如有服務(wù)行業(yè)專用機器人，工業(yè)生產(chǎn)專用機器人以及進行巡檢的機器人。本文從不同的方面對巡檢機械人的機械結(jié)構(gòu)進行研究。

巡檢機器人；總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；機體結(jié)構(gòu)設(shè)計

要想將機械和機構(gòu)的功能充分發(fā)揮出來，就必須以機械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，而在對機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時是根據(jù)機械和機構(gòu)的功能進行設(shè)計的。對于機械結(jié)構(gòu)，在一定的程度上，我們可以將其看成圖紙的復(fù)制粘貼，以原理設(shè)計方案為底板，將各個零件進行組裝，通過輸入一定的指令，進而實行特有的功能。對于整個機械人系統(tǒng)而言，巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)工作，只有做好這項工作，整個機器人的系統(tǒng)的完成才有可能實現(xiàn)。這也是機器人朝著工程使用轉(zhuǎn)型的一大難題。基于以上種種原因，對巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究具有一定的實際意義。

1 巡檢機器人總體機構(gòu)設(shè)計

和機器人的基本機構(gòu)相比較，巡檢機器人的基本機構(gòu)較為簡單，在對巡檢機器人的基本結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，我們僅考慮運動學結(jié)構(gòu)，而對于各個零部件的布局執(zhí)行機構(gòu)的具體設(shè)計等都不在總體機構(gòu)設(shè)計的考慮范圍之內(nèi)，提出了不同機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)是建立在關(guān)節(jié)組合的自由度較少的基礎(chǔ)上的。在這一理論的支持下，我國科研人員做了大量的實驗，并按照相關(guān)的要求制作出相關(guān)模型。

對于七自由度機器人設(shè)計的要求而言，在對空間不進行干涉和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)可以對所有位姿進行調(diào)整，換句話講，就是在進行巡檢的過程中機器人可以自主的完成所有的巡檢工作，此外，在巡檢的過程中，對于一些障礙也會及時的躲避和跨越。

對于巡檢機器人而言，由于工作需求，除了要考慮各個關(guān)節(jié)的自由度，以及躲避障礙工程所需的其他條件之外，對于一些技術(shù)問題也要進行充分考慮，例如像機器人在線路上固定的問題、機器關(guān)節(jié)行走自由度的控制的問題，為了使機器人可以進行自由作業(yè)，在其兩臂安裝行走機構(gòu)是十分有必要的，行走機構(gòu)上的行走輪的滾動進而帶動巡檢機器人進行巡檢作業(yè)，在長時間的作業(yè)的狀況下，滾動輪會出現(xiàn)行走打滑的現(xiàn)象，極大的降低了工作效率。為減少這一現(xiàn)象的發(fā)生，工作人員在每個主動輪下安裝壓緊輪，其作用有二，其主要作用是增加摩擦，降低滾動輪打滑幾率，此外，以主動輪為參考對象，實現(xiàn)升降運動。在進行巡檢的過程中，機器人的雙臂還要具備蠕動爬行和單臂加持并跨越障礙物的能力，為實現(xiàn)機器人的這一能力，工作人員在兩臂中安裝夾爪；在跨越障礙物的過程中，機器人會出現(xiàn)左右搖動的現(xiàn)象，機器人還要具備自我調(diào)節(jié)重力的能力，因而在機器人的機構(gòu)中還安裝了一個重力調(diào)節(jié)機構(gòu)，對受重狀況進行分析，并對其進行調(diào)整。

根據(jù)工作原理，該機構(gòu)可以完成不同的運動，例如在機器人的雙臂懸掛時，整個機器人行走的動力支持是行走輪提供的滾動；由于工作需求，在進行作業(yè)時，機器人的兩個機器臂不同時作業(yè)，可能是一個機械臂固定在線路上，另一機械臂脫地線跨越障礙物，這時的越障機械臂的空間運動動力支持是由壓緊關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)共同提供的，擺動關(guān)節(jié)的主要作用是確保機械人在越障時機體和地線保持平衡，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動關(guān)機的主要作用是保證機械臂轉(zhuǎn)離或者是轉(zhuǎn)回地線以及機械臂的相對運動。

2 巡檢機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于巡檢機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，它的設(shè)計主要包括四個方面：一是對機器人總體機構(gòu)進行設(shè)計；二是對機體結(jié)構(gòu)設(shè)計；三是機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計；四是機器人總體模型。下面就對三種設(shè)計進行簡單的分析。

2.1 機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

巡檢機器人的主要功能就是代替人完成相關(guān)作業(yè)，因而不僅要完成相關(guān)的動作，對一些突事件，還能進行處理， 因而其研制過程是一個相對較為復(fù)雜的過程。通過上文對巡檢機器人總體機構(gòu)設(shè)計進行研究，并對其機械人總體機構(gòu)設(shè)計進行總結(jié)歸納，對于機械人的功能可分為三個層面。下面就對不同的層面進行簡單的分析：首先是對于機器人的總體而言的，它的主要作用是可以實現(xiàn)行使、跨越。這一功能的完成要求機器人在運行軌道上高速行駛，并在行使的過程避開所有的障礙物。其次是對機器人進行“分割”，將機器人分為兩個部分：機體部分和機械臂部分，機械臂在進行作業(yè)時，一個機械臂越障，進行位姿的固定和調(diào)整，另一機械臂的作用在以機體為調(diào)整平臺進而夾持目標線路進行調(diào)整。這一過程中，機體可實現(xiàn)鏈機械臂的交錯運動。第三個功能層就是更為細致的對機器人機構(gòu)的功能進行劃分：各個關(guān)節(jié)機構(gòu)層面，對于機體的構(gòu)成而言，其由兩個機構(gòu)組成，一是運動關(guān)節(jié)移動機構(gòu)，二是輔助機構(gòu)重心調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。另外，對于機械臂而言，主要有五部分構(gòu)成；其分別是回轉(zhuǎn)機構(gòu)、擺動機構(gòu)、伸縮機構(gòu)以及運動關(guān)節(jié)等。之外，機器人還有一個裝置，就是機器人控制箱，它的主要作用是儲存電源、控制系統(tǒng)以及各種處理設(shè)備。之外其還有一大作用，就是對作用重心調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)碼使用，它的工作原理十分簡單，將其連接到重心調(diào)節(jié)機構(gòu)上即可。

在一定的程度上我們可以講巡檢機器人整體機構(gòu)模塊是各個零部件的有機整合，其各個關(guān)節(jié)機構(gòu)模塊包括兩個四和一個一，具體而言，兩個四是指上述我們描述過的四種關(guān)節(jié)以及四種輔助機構(gòu)；一個一是指一個控制箱。之外，各個模塊零部件的安裝都是相互獨立的，各個零部件組裝之后，對各個模塊進行有機的整合，就完成了整個機器人的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2.2 機體結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先機器人兩個機械臂的載體是機器人機體，其次是機械臂要想正常工作，就必須要依附于機器人的機構(gòu)中，對于機器人的機構(gòu)而言，它由三部分組成：移動機構(gòu)、中心機構(gòu)以及控制箱。另外，由于機器人機體的質(zhì)量越大，消耗的能量就越大，因而為了盡可能的減輕其質(zhì)量，其機體機構(gòu)成為最重要重力承載體。在重力調(diào)節(jié)機構(gòu)中，其機構(gòu)支架是移動機構(gòu)，控制箱和重力機制像連接，它的主要作用在于對各個輔助系統(tǒng)作業(yè)正常進行監(jiān)測，之外，還有一個重要的作用，就是作為重力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)塊使用。

2.3 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

作為機器人整個機構(gòu)的最為重要的組成部分，機械臂是機器人行使和越障的重要關(guān)節(jié)機構(gòu)的有機集合。對于機械臂機構(gòu)，我們可以將其大致分為五個部分，首先是行走機構(gòu)，其次是夾爪機構(gòu)，再次是伸縮開關(guān)，有的機器人中是壓縮機構(gòu)，第四是擺動機構(gòu)，第五就是會轉(zhuǎn)機構(gòu)，在機械臂的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上有一個固定移動滑塊，它的主要作用就是和移動關(guān)節(jié)的導軌相連接。

2.4 機器人總體模型

在各個系統(tǒng)，各個關(guān)節(jié)的設(shè)計完成之后，對其進行組裝，進入對機器人進行總體模型設(shè)計的環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，要注意將控制箱和重心調(diào)節(jié)滑塊相連接，機體部件的形成不是各個關(guān)節(jié)的累加，而是重心調(diào)節(jié)機構(gòu)和移動機構(gòu)兩者的有機結(jié)合。機械臂部件是由行走機構(gòu)、夾爪機構(gòu)、機械外臂、擺動座以及蝸輪固定桿等組成。另外，移動滑塊進行工作的前提是和移動導軌結(jié)合。再者，回轉(zhuǎn)滑塊臺要和移動鋼絲繩上的兩個滑塊連接，以上便構(gòu)成機械人總體模型。

3 結(jié)語

綜上所述，本用總分的形式對巡檢機器人結(jié)構(gòu)進行研究：首先對巡檢機器人總體機構(gòu)設(shè)計進行分析，其次從機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、機體結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計以及機器人總體模型等四個方面對巡檢機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析。

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