新型電纜隧道巡檢機器人機構設計與軌道優化仿真

趙　暉，錢瑞明

(東南大學機械工程學院，江蘇 南京　211189)

電纜隧道巡檢機器人是指代替人在地下電纜隧道進行巡檢的智能機器人。機器人作為一個移動平臺，當其搭載有關傳感器及專用裝置后，即可檢測電纜隧道內部空氣成分和溫度等電纜工況，以及是否存在其他安全隱患[1]，并將檢測數據記錄和傳至監控中心。

現代城市正朝著綠色、簡約和智能方向發展。一些老舊城市在城市改造過程中也開始將原先的地上電線、電纜轉移至地下。目前，全國電纜運行管理方式大多屬于粗放式的管理模式，電纜線路的運行巡視和檢修工作大部分都由人工完成。統計歷年來地下電纜的故障發現，導致輸電電纜故障的主要原因是導線絕緣材料長期工作在高壓、高溫下，引起物理、化學變化，發展到一定程度或在外部條件 (雷電、短路等)激發下，造成絕緣性能下降。這些隧道內部環境惡劣，存在地下放射性物質、微生物釋放的有毒氣體，及高壓電纜在工作時產生的高溫和強磁場，這些都會對在隧道內部的工作人員的人身安全造成威脅，對人工巡視造成非常大的阻礙[2]，因此電纜隧道巡檢機器人應運而生。目前，電纜隧道巡檢機器人主要分為地面式和軌道式。地面式機器人又以履帶式為主，但是在實際應用中發現電纜隧道地面情況往往十分惡劣，地面碎石很多，而且有較多的積水，這些都給履帶機器人的行走帶來了較大困難，導致履帶磨損嚴重，機器容易進水。相比較而言軌道式機器人則沒有這些困擾，軌道懸吊在隧道頂部，機器人在軌道上行走，地面情況對機器人完全沒有影響，同時還保證了機器人的行走速度和精度。

國外也有針對電纜隧道巡檢機器人的研究，但是由于一些西方發達國家地下隧道建設起步較早，隧道環境比我國好很多，像我國電纜隧道的惡劣環境幾乎不存在，因此他們使用的巡檢機器人主要以履帶式為主，機器人運動比較靈活，并且可以攜帶機械臂完成比較復雜的動作[3]。國內針對電纜隧道巡檢機器人的研究走在前沿的是朗馳科技公司，他們研究的主要是軌道式巡檢機器人，運動速度快，維護成本低，但是由于他們使用的是輪式驅動的軌道機器人，機器人的負載能力較低，并且運動及定位精度不高[4]。

本文針對我國電纜隧道的實際情況，以及國內外研究情況，提出并設計一種新型軌道式巡檢機器人行走機構和軌道機構，以期為機器人的產品化和實際應用提供理論依據。

1　機構設計

1.1　行走機構設計

針對巡檢機器人的工作環境特點和功能要求，以裝拆方便、結構緊湊、運動平穩為目標，本文設計了一種新型電纜隧道巡檢機器人行走機構。如圖1所示：最上層為固定于隧道頂面的基座1和V形導向軌道2，機器人導向機構3與導軌V形面配合。軌道下端側面貼有齒條4，驅動電機7輸出軸上固定有齒輪，齒輪齒條相互嚙合實現運動傳遞。電機下端和直線滑軌6相連。該行走機構的導向結構簡單，運動平穩精確，并且負載能力高。

1—基座；2—導向軌道；3—導向機構；4—齒條；5—制動機構；6—滑軌；7—驅動電機與齒輪圖1　行走機構結構組成

導向軌道2采用雙V形對稱結構(圖2)，通過異形型材固定于隧道頂部。兩組V形輪與V形軌道接觸，形成精確、穩定的導向約束。導向軌道為分段拼接而成，包括直軌和彎軌。由于隧道走向存在高低變化，所以直軌在拼接時允許有一定的傾角。

圖2　V形軌道結構

導向機構如圖3所示。導向輪軸采用旁軸設計，上下兩段軸之間設有偏心距e。通過轉動導向輪軸可以調節V形輪與軌道之間的間隙，同時也可以使得導向機構整體脫離V形軌道。在導向輪軸上設有圓弧槽，圓弧槽上配有螺釘，在調整到理想間隙時，擰動螺釘將導向輪軸和自適應轉向盤固定在一起，防止松動。

1—導向輪軸；2—導向輪；3—圓弧槽；4—螺釘；5—自適應轉盤；6—轉向軸承圖3　導向機構原理圖

為消除導向輪與導軌之間間隙的變化對齒輪齒條嚙合的影響，將電機2安裝在滑軌6上，借助壓縮彈簧5使電機軸上的齒輪1以一定的壓力壓向齒條，由此可提高整個行走機構的運動平穩性和傳動精度，如圖4所示。

1.2　制動機構設計

為提高機器人的制動性能和定位精度，除電機帶有制動裝置外，在行走機構中另設一套制動機構。如圖5所示，制動機構由兩套雙滑塊機構組成，由電機6帶動絲杠5轉動使螺母4上下移動，從而驅動滑塊2和制動爪1水平壓向或遠離V形軌道。

1—制動爪；2—滑塊；3—連桿；4—滑塊螺母；5—絲桿；6—電機；7—機架圖5　制動機構

1.3　主參數設計計算

機器人直線運動最大速度為vmax=0.8m/s，總重(整個行走機構加負載)不超過50kg。查機械手冊可得導向輪和軌道之間的摩擦系數μ(彈膠體-鋼)為0.45～0.60，這里μ取0.50。巡檢機器人驅動電機所需功率計算如下：

Fμ=μFN=250N

(1)

P=Fμvmax=200W

(2)

式中：Fμ為摩擦力；FN為導向輪對軌道的壓力；P為巡檢機器人驅動電機額定功率。

FN2×cos45°+FN1×cos45°=G

(3)

FN1×sin45°-FN2×sin45°=Fr

(4)

(5)

聯立式(3)、(4)、(5)可求得r=0.2m，安全系數取2，則最小轉彎半徑為0.4m。

綜合以上分析計算，得到的巡檢機器人主參數見表1。

圖6　轉向機構受力示意圖

表1　機器人主參數

2　軌道結構參數優化有限元分析

2.1　參數化建模

在ANSYS Workbench中對軌道進行參數化建模。軌道前后延伸方向上截面沒有發生變化，因此對軌道應力應變分析時只要建立其任一截面模型。同時考慮到軌道左右對稱，為了簡化分析，縮短分析時間，只需對軌道1/2截面進行建模分析即可[5]，參數化模型如圖7所示。

圖7　軌道參數化模型

優化參數：在軌道模型中，上端固定連接結構尺寸受軌道基座約束，而軌道高度受導向輪約束，因此豎直板筋的位置對軌道的應力應變有著決定性影響。以板筋位置(h1)作為變量，用p1來表示。

p1=h1

目標函數：在板筋位置改變過程中，以軌道上最大應力和最大應變最小為目標。確定目標函數為：

F(p1)=min(p2×p3)

(6)

式中：p2為最大等效應變，mm·mm-1；p3為最大等效應力，MPa。

2.2　約束條件

板筋位置主要受軌道寬度尺寸約束，約束條件為

10

(7)

軌道模型邊界條件如圖8所示。

在對稱軸上約束x方向的位移，在上方和軌道基座接觸處設置為無摩擦約束，左端上斜面處施加載荷，這里考慮載荷為均勻分布，每個導向輪承受總重的1/4。

2.3　優化分析

豎直板筋位置(p1)以步長2取值，分析結果如圖9和圖10所示。

圖9　最大應變變化圖

從圖9和圖10中可以看到，無論是最大應力還是最大應變都隨著板筋從中間位置(p1=10)向邊緣(p1=50)移動過程中呈現波動下降趨勢，在p1=46處同時達到最低，最大應變從0.008 6mm·mm-1降為0.004 0mm·mm-1，最大應力從1 727.20MPa降為804.29MPa。軌道材料使用45Cr，查表可得材料的許用應力為1 000MPa，因此最優解滿足材料的應力要求。從軌道變形圖可以看出軌道上最大的點位移為1.5mm，x軸方向為0.005 4mm，變形率為0.005%，y軸方向為-1.500 0mm，變形率為3.750%，因此對軌道整體變形基本沒有影響。

在最優解情況下模型的最大等效應變云圖、最大等效應力云圖和變形圖如圖11～13所示。

圖11　最優解應變圖

圖12　最優解應力圖

圖13　最優解變形圖

2.4　最優解模態分析

在上述最優解情況下對模型的6階模態進行分析，結果見表2和圖14。

表2　模態階數及其模態頻率

圖14　6階模態振型

由表2可知軌道的1階模態頻率較低，由圖14可知軌道1階模態振型中間對稱面上豎直位移最大，因此在實際工作中要避免受到該頻率及附近頻率的影響，同時可以考慮在中間對稱面添加加強筋來降低軌道變形。

3　結論

1)針對目前電纜隧道巡檢機器人行走機構存在的缺陷，本文重新設計了一種新型行走機構并且設計了相應的導向軌道，保證了傳動的平穩性和定位的精確性。

2)本文創新性地設計了電纜隧道巡檢機器人制動機構，使得機器人在遇到突發情況(如高速運動到目標附近)時能夠快速減速，避免單純使用電機制動帶來的齒輪齒條的高速碰撞。

3)針對本文設計的導向軌道進行了參數化優化，使得導向軌道在相同邊界條件下最大等效應力和最大等效應變最小，同時建立了最優解模型。

4)在最優解導向軌道模型下求解了其6階模態頻率和模態振型，對在工作過程中如何避免軌道共振具有指導意義。

參考文獻：

[1]萬紫陽.智能機器人在電纜隧道巡檢的研究與應用[J].中國新技術新產品，2014(18)：14-15.

[2]李團結.機器人技術[M].北京:電子工業出版社，2009.

[4]李應,馬磊,王曉東,等.變電站巡檢機器人組合導航實驗[J].測控技術，2015，34(6)：37-40.

[5]段進,倪棟,王國業.ANSYS10.0結構分析[M].北京：兵器工業出版社，2006.