絲桿移動型爬桿機器人的機構設計與分析

張兆龍，孫金風，胡亮

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絲桿移動型爬桿機器人的機構設計與分析

張兆龍，孫金風*，胡亮

（湖北工業大學 機械工程學院，湖北 武漢 430068）

夾持式機器人已成為主要的攀爬機器人，其兩端手臂對攀爬對象夾持的安全性與可靠性是機器人重要的前提條件。絲桿移動型爬桿機器人的攀爬過程分為手臂臺升降、身體復位和繞桿檢測三個階段。首先對機器人前兩個階段的絲桿進行受力分析，確定整機設計參數；再通過ADAMS對機械臂與桿的夾持過程進行動力學分析，根據機械手加速度曲線優選最佳受力時間，進一步分析各桿的角加速度，確定整機的可靠性；最后將機械臂簡化為梁單元，進行有限元非線性屈曲分析，驗證梁的安全性，并對攜帶傳感器的機械臂進行優化，減輕重量。

爬桿機器人；絲桿；動力學分析；有限元分析

隨著社會的發展，高空作業成為越來越普遍的工作。各種桿或管體在人們生活中的應用越來越廣泛，如水、天然氣管道和電線、路燈桿等[1]。當前需要一種能夠在桿上爬行的機器人來代替人工攀爬來完成高空作業。其一方面，可以提高工作效率；另一方面，也使人們從危險、惡劣的工作環境中解脫出來。現在已有一些爬桿設備是通過氣或液壓傳動來提供動力[7]，但兩者都需要控制線路來傳遞動力，受到工作條件和能源輸送的極大限制。隨著機器人技術的發展，設計一款能在各種桿件上實現上桿、抱桿固定、下桿運動且能對桿壁進行檢測、維修的機器人是十分迫切的[5-6]。

1 爬桿機器人的結構

現有機器人的運動方式中，腿式機器人越障能力強，承載能力大，機動性好，具有很強的壁面適應能力[8-9]，但其同樣有結構復雜的缺點。如圖1所示，研究設計出的一種絲桿移動型爬桿機器人通過絲桿傳動來實現機器人的各個腿部間歇移動，完成往復爬桿的功能，且結構十分簡單。

1.支撐架 2.絲桿 3.外齒輪 4.內齒輪 5.手臂臺 6.機械臂組 7.機械手 8.光桿

本結構采用模塊化設計，分為上中下三個模塊，各模塊之間具有自身的獨立性，而且更換方便，降低了維修成本，保證了模塊的經濟性。三個模塊之間共同協作，確保了機器人穩定的工作。

機器人上下模塊都包含左右兩個支撐架1，支撐架的軸承座上分別安裝絲桿2和光桿8，手臂臺5通過直線軸承和絲桿螺母分別安裝在兩桿上，機械臂組6由連桿連接齒輪臂和機械手7，調節桿一端安裝在手臂臺上另一端固定在連桿上，且中間滑槽上安裝滑桿，滑桿另外一端連接機械手7。機器人的上、下兩個模塊采用左右交錯安裝，三個模塊都含有手臂臺，且中間模塊放置主控和內嚙合齒輪的檢測裝置。

機器人放置在桿上時，電機控制不完全齒輪的傳動，使中間和下部模塊的手臂抱緊桿壁，這時主控驅動上部電機帶動絲桿旋轉，上部模塊的手臂臺在另一端光桿的導向作用下實現穩定向上平動，當上升至最高行程點時，上部手臂臺抱緊桿壁，然后下部模塊的手臂臺通過相同的方式向上移動。當上下模塊的手臂臺分別到達最高的行程點且抱緊桿壁時，中間模塊的機械臂張開，通過上、下兩電機反向旋轉，使機器人身體復位（相對手臂臺回到起初位置），行成一個向上爬行的運動周期。在上述反向控制下同理完成機器人的反向爬行。

機器人在運動階段可以通過中間模塊的外齒輪帶動嚙合的內齒輪轉動，內齒輪上的傳感器繞桿實現圓周檢測，通過主控將數據傳回操作者計算機。

2 爬桿機器人設計分析

機器人運動行程＝130 mm，為了更好地實現手臂臺的移動，避免工況下外界的干擾[3]，增加抗壓能力15%，則整體機器人的質量為＝10 kg，其中手臂臺的質量0＝2.1 kg。機器人工作時手臂臺在絲桿上運動，絲桿副受到軸向載荷作用，在絲桿公稱直徑0處產生螺紋力矩M。當機械手臂臺中絲桿螺母無預緊情況下，即有：

式中：0為絲桿受到總力矩，N·m；M為在絲桿公稱直徑0處產生螺紋力矩，N·m；0為絲桿公稱直徑，mm；F為絲桿副受到的軸向載荷，N；0為絲桿導程，mm；為螺紋傳動效率。

圖2 絲桿與工作臺受力圖

由式（1）可知，電機對絲桿產生的扭矩轉化到手臂臺上的力1，得：

根據螺紋副的計算，圖2（a）和（b）兩種方式分別是螺母A對絲桿B的壓力和絲桿B對螺母A的壓力。兩物體之間摩擦系數相同，則ρ1＝ρ2。

機器人運動的主動力為電機驅動絲桿轉動，當絲桿順時針運動時，螺母相對于絲桿有向上運動的趨勢，其受力為式（2）。而當身體上升時，絲桿則與螺母上端面接觸，產生壓力，由式（3）可知，其產生的軸向力相對于前者，需要產生的驅動力更大，即需要的轉動扭矩更大。手臂臺作用到絲桿的力F為：

由受力分析確定整機尺寸為325×260×520 mm，結合式（1），1＜2，由后架總重量選擇電機為57步進電機。而電機運動時，絲桿對手臂臺承載的作用力分解為水平分力和豎直分力，電機驅動絲桿，對手臂臺產生的水平分力是對系統有害的分力，則采用光桿作為導向，和絲桿的配合，使手臂臺平穩地上升。

3 手臂臺工作的運動分析

為滿足機器人在桿上穩定地升降運動，機械手對桿壁的夾持力滿足其在桿上產生的摩擦力與機器人身體重力相互平衡[4]。因此需要在機械手弧面上添加一層橡膠，增大機械手與桿壁面之間的摩擦因數，進而增大摩擦力。防止機器人在攀爬過程中受到傾覆作用，設計的三組機械手臂臺在每個工作階段都有兩組夾持桿臂，實現手臂臺和機器人身體交替式上下移動。

3.1 機械手臂的優化

機器人對桿壁面產生的作用力為機械手對桿的擠壓力，因而兩者都會產生一定的變形，這種形變根據ADAMS進行優化分析得到最優值[2]，以實現機器人對桿壁施加不破壞兩者之間的壓力，且滿足機器人在桿壁上爬行的作用。基于拉格朗日方程式對機械手的各個零件運算得到各自的運動曲線。

式中：＝－，為拉格朗日函數；為系統總動能；為系統總勢能；q為廣義坐標；Q為廣義坐標下對應q的慣性力，N。

機械手對壁面產生力的方向，集中指向桿截面圓的圓心時，對壁面的夾持力為最佳范圍，如圖3，但不同時刻產生的形變是不同的。如圖4，通過ADAMS實驗仿真多個不同時刻，來確定加速度得到機械手不同受力情況，求解得到產生的作用影響最小，即確定機械手產生夾持力最佳的情況。

1.桿 2.機械手 3.連接桿 4.調節桿 5.滑桿 6.齒輪臂 7.機械手臂臺

圖4 不同時刻機械手加速度變化曲線

由圖數據可知，當齒輪臂產生1.5 rad/s的轉速，機械手臂的加速度變化，由多個時刻的動力學測試，得到6.08 s時壁面產生的壓力為最合適值，其上下浮動值都會產生過大的加速度，發生顯著振動，影響機器人整體的運行。

根據上述的最優解，測量齒輪臂的角加速度，如圖5所示，其中起伏較大的兩處為開始接觸桿壁和對桿壁施加最大作用力時候的狀態，兩者中間的部分產生的平穩波動為機械手靠近桿的狀態，其切向加速度由于在接觸過程中，產生阻礙機械手運動的作用反力，隨著機械手與壁面的接觸面逐漸增大，因而表現波動。其前后兩個狀態的最大值不超過1.5×10-7rad/s2，運動緩慢，確保了機器人夾持桿的安全性。

結合圖6，滑桿為了適應機械手靠近桿時的加速度，與調節桿產生相對運動，將其傳遞給手臂臺，降低機械手夾持桿的擠壓力。開始階段，滑桿推動機械手靠近桿，表現為正方向；而在結束階段約束滑桿，產生作用反力，作用在調節桿上，則其加速度曲線上表現出一正一反兩個方向的加速度。且整個分析過程中各零件加速度曲線浮動穩定，無過大受力波動，滿足實際要求。

圖5 齒輪臂運動的角加速度變化曲線

圖6 調節桿的加速度變化曲線

3.2 機械手臂的校核

每個機械臂含有上下疊加的兩個機械手，且每次工作有兩組機械手夾持桿壁。考慮到機械手與桿之間采用面接觸,夾持產生的摩擦力需要支撐機器人身體的重力，即有：

手臂臺移動時，電機的輸出功需克服手臂臺與絲桿的摩擦損耗和機器人身體的重力勢能。

結合式（4），電動機驅動絲桿，使機器人到達預定位置所需的時間＝13 s；摩擦耗為w，J；電動機的功率為0，W；轉矩為0，N·m；為移動的高度，mm。則有：

結合式（5）～式（8）計算得到需要驅動絲桿運動的電極轉矩0＝6 kg·cm。

4 機械手結構的有限元分析

上述手臂臺的動力學分析滿足機器人正常工作，能夠承載對壁面施加一定的力，本節整體分析機器人的夾持后的狀態，來驗算機械臂對整體的支撐。

4.1 機械手非線性屈曲分析

機器人在運行過程中一直存在機械臂與桿接觸狀態，當機器人夾持桿件準備運動時受力最大，且連接臂變形量最大，運用有限元分析軟件ANSYS對此進行承載受力分析[5]，根據得到的機械臂變形的撓度判斷合理性。

從機構所能容納的空間考慮，機械臂在除了沿著手臂的方向，其他方向上的變化很小，可以將其簡化為一個等截面懸臂梁的受力情況。簡化后，得：

1＝100，＝12，＝8

式中：1為機械臂的長度，mm；為截面的長，mm；為截面的寬，mm；I為矩形截面對軸的截面慣性矩，cm4；W為長方形截面對軸的抗彎截面系數，cm3。

弧形的機械臂是為了更加節省空間，使得機器人結構顯得更加緊湊。從屈曲分析結果可知，在多個的機械臂抱緊桿壁的狀態下，產生形變量十分微小。

結合式（9）、式（10）可知機械臂的端點處撓度為：

結合圖7，當連接臂末端承受最大承載力＝25 N時，機械手臂處于懸臂狀態，最大撓度值＝0.23181 mm，兩者計算符合實際的誤差范圍，滿足要求。

圖7 機械手臂受力加載云圖

非線性屈曲分析時，首先對簡化梁進行靜力學結構分析，通過屈曲分析得到負載因子，然后利用ANSYS中UPGEOM命令對模型施加初始缺陷，再根據零件受到的靜態載荷，將其線性屈曲模態變形乘以因子0.0001后，更新機械手臂的幾何形狀，通過繪制力與位移的曲線，得到手臂的非線性臨界載荷為0.5×104N。

4.2 機械手結構的優化設計

機器人手臂采用多個梁單元組成，為得到真實的截面應力和變形，在ANSYS中采用Beam188單元進行優化。當機械臂上攜帶大量傳感器，增大了機械手臂的負載，因此可將其等效為一個變截面梁。

優化過程中，輸入參數1、2、3分別為梁第一、二、三截面寬度，輸出參數4、5、6分別為梁質量、總變形結果、等效應力。

由圖8（a）可知，參數2超過17.6后，再進一步增加對5（最大應力）產生的影響較小，可知2變化范圍在16.5～18 mm之間。而圖8（b）中1、2和3在總變形0.128～0.145 mm之間，變形范圍小，具有優化空間。

圖8 參數之間的響應圖

根據候選設計點，插入到設計空間后，由原來的0.15 kg，在不影響機械臂的等效應力的情況下，優化各個截面的寬度，減輕重量到0.13124 kg，而整機中安裝有3組手臂臺，共6個機械臂，總重量減輕了0.11256 kg，減輕手臂的重量。

5 結論

（1）機器人整體設計采用三個自主獨立模塊，三個模塊之間交替工作，完成攀爬的三個工作狀態：手臂臺升降、身體復位和繞桿檢測。且每個工作過程中都具有兩組機械手臂臺夾持桿壁，來實現穩定地攀爬過程。

（2）利用絲桿與光桿共同作用對爬桿機器人進行結構設計，并對不同階段絲桿與機械手臂臺上螺母之間進行受力分析，進而調整整機的結構，并確定設計參數。

（3）利用ADAMS對機械手臂夾持過程進行了動力學分析，確保機械手在對桿壁均勻施加壓力區段內獲得最大有效值，檢測機械手各桿的角加速度，其結果滿足整機工作要求，并存在很大的優化空間。

（4）采用ANSYS對機械臂進行非線性屈曲分析，施加初始缺陷，多次試驗運算得到機械臂的臨界載荷。對于復雜工況下，機械臂上攜帶傳感器時，進行優化設計，減輕結構重量，使機械臂負載得到了優化。

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Mechanism Design and Analysis of Screw Climbing Robot

ZHANG Zhaolong，SUN Jinfeng，HU Liang

( School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China )

The clamping way has become a major climbing robot,and it is an important prerequisite for the robot to satisfy the safety and reliability of the arms when climbing. The climbing process of the screw climbing robot is divided into three stages: arm movements, body reset and detect around. Firstly, the force analysis of the screw in the robot first two stages is carried out to determine the design parameters of the whole robot. Then the kinetics analysis of the clamping process of the arm and the pipe is carried out by ADAMS, according to the acceleration. The optimal time is obtained according to the acceleration curve of the manipulator, and the angular acceleration of each rod is further analyzed to determine the reliability of the whole robot. Finally, the finite element nonlinear buckling analysis is carried out to verify the safety of the beam, and the arm carried the sensor is optimized to reduce the weight of the robot.

climbing robot；screw；dynamic analysis；finite element analysis

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.014

1006－0316 (2018) 01－0066－06

2017－05－15

國家級大學生創新創業訓練計劃項目經費資助（201510500002）

張兆龍（1995－），男，湖北武漢人，本科，主要研究方向為機械設計及其自動化。

通訊作者：孫金風（1979－），男，湖北鄂州人，工學碩士，副教授，主要研究方向為機器人技術、機械設計及理論。