巡檢機器人機械結構設計探究

孫元元

（山東金惠新達智能制造科技有限公司，山東 濟南 250000）

1 綜合管廊巡檢機器人國內外現狀

早在21世紀初（2005年），美國、日本以及歐洲等發達國家就已經創建了服務城市管廊建設的“巡游者”地下電纜檢測機器人，它正式開啟了綜合管廊巡檢機器人的技術先河。2010年后，我國也開始深入研究綜合管廊巡檢機器人，對其內部精密結構進行有效設計，目前，我國設計出的機器人在結構上更為緊湊，運動上更為靈活且穩定，是符合國家綜合管廊巡檢要求的先進機器人技術類型。下文就結合我國的綜合管廊巡檢機器人結構設計展開相關案例分析。

2 某管廊環境分析

某城市有綜合管廊，它集約度較高，且科學性表現強，屬于城市中的綜合管線工程。伴隨著城市化建設腳步的不斷加速，綜合管廊數量也在逐漸增多。為了保證該管廊建設安全穩定性，確保其未來運行安全可靠，需要對其綜合管廊的鋪設、排水、通信、電力線路設計應用展開分析。考慮到城市綜合管廊環境復雜多變，為保證其管廊安全運行，就必須展開嚴格監測工作，例如，對管廊中的溫濕度、有害氣體成分變化等進行監測。如果采用傳統人工巡檢方法，不但危險系數頗高，且容易出現各種疏漏。如果采用綜合管廊巡檢機器人，則可以利用它的高清攝像頭與傳感系統，采取全天候不間斷的設備巡檢計劃展開綜合管廊巡檢工作，隨時隨地將巡檢異常報告數據結果呈報給后方中心，配合運維人員、消防系統人員、通風系統人員，及時快速地消除管廊中的所有安全問題隱患。

3 綜合管廊巡檢機器人的結構設計分析

3．1 基本工作原理

巡檢機器人的基本工作原理復雜，它主要通過不同機構不同的原理完成不同的運動動作。當機器人在軌道上懸掛行走時，其行走動力就會為行走輪提供滾動動力，同時，考慮到工作環境需要，機器人要兼顧小轉彎、大爬坡、直線快速行走，大扭矩減速爬坡行走、機器人需要在軌道任意位置取下等多種功能。

為了防止發生火災，管廊內有很多的防火分區，而一臺機器人的巡檢任務不止一個防火分區，因此，需要機器人能夠有精準穿越防火門的能力。而且要保證防火門自動關閉后，滿足管廊防火要求。

在高管廊應用中，為了全方位無死角地巡檢，紅外攝像頭與高清攝像頭需要有伸縮要求，伸縮行程往往要求在1.8m以上，同時，還要保證比較小的基礎高度。

防護性能要求，管廊內陰暗潮濕環境惡劣，內部電氣設備都需要滿足防護等級IP65以上的要求，同樣，巡檢機器人也不例外。機器人外殼設計時，需要全方位考慮防護性能。

3．2 結構設計思路

針對巡檢機器人的結構設計，需要圍繞以上這4個方面展開：首先，是針對巡檢機器人的行走驅動結構展開設計；其次，是針對巡檢機器人探測設備伸縮性能展開設計；再者，是機器人的外殼防護設計；最后，是機器人總體模型設計。結合這4種設計形成一套完整的思路，就以巡檢機器人的驅動結構設計與防護結構設計為例。

（1）驅動結構設計。驅動結構設計要求所設計的巡檢機器人其主要行走功能依附于軌道，除常規的直線行走功能外，也要求機器人能夠實現大爬坡與小轉彎，所以，這一總體結構設計過程相對復雜，需要結合巡檢機器人的不同結構功能展開分析，驅動結構設計如圖1所示。

圖1 巡檢機器人軌道驅動機構總體設計

第一步，要求巡檢機器人的總體設計滿足機器人正常行駛、跨越等要求，保證機器人在直線運行軌道上能夠高速行駛。驅動電機為驅動輪提供滾動動力，滾動動力通過驅動輪與軌道之間通過彈簧壓力而產生的摩擦力實現機器人的行走運動。

第二步，要求機器人實現小的轉彎半徑，通常要求能夠達到的最小轉彎半徑為R300mm，滿足管廊內緊湊的空間環境。如圖1所示，軌道兩側分別有4個導向輪，兩個導向輪是可以沿著一定的中心軸旋轉的，從而適應軌道不同的彎曲半徑，實現小轉彎運行。

第三步，通過鏈輪鏈條實現大扭矩減速爬坡行走，驅動電機將驅動動力傳遞給驅動輪的同時，驅動輪與鏈輪之間經過一定的行星減速結構，使其鏈輪速度減小的同時驅動力加大，滿足爬坡慢速大扭矩的需求。爬坡的同時，上支輪與下支輪夾緊軌道，保證機器人姿態穩定，從而實現90°爬坡。

最后，實現在軌道任意位置滿足機器人的快拆功能，軌道在整個管廊內的路徑會很長，首尾跨度能達到4～5km，在這么大的跨度下，如果機器人出現故障，機器人無法從軌道上取出，將會給后續的施工與檢修帶來不便。圖1中的自鎖式快拆機構，機器人正常運行時，由于重力的受力方向，快拆機構處于死點狀態，下支輪能很好地起到支撐作用。當只有撥動快拆機構的把手時，死點狀態解除，機器人即可從軌道上卸下。

（2）機器人防護結構設計。機器人防護結構設計，如圖2所示。迷宮式的防水槽，能夠減緩水流的沖擊壓力。內置車用防水膠條，提供了更大范圍的壓縮量，為防水設計提供了雙重保障。

圖2 迷宮式防水結構設計

圖3 巡檢機器人總體模型

（3）機器人總體模型設計。當各個控制部件、各個機械模塊功能設計完成后，需要對其進行組裝，進入對機器人的總體模塊設計階段，在這一階段，需要考慮機器人的重心、各應用模塊布局與走線以及重要零部件的檢修性能。此時，工業設計工程師根據其檢修性與布局，開始對機器人進行外觀設計。以上構成了巡檢機器人總體模型，如圖3所示。

3 管廊巡檢機器人應用分析

考慮到綜合管廊環境具有一定的特殊性，需要結合巡檢機器人的本身固有特征結構展開分析。首先，明確城市綜合管廊的基本長度、有多少防火分區、考察機器人的長距離巡檢能力，以及所需要的安裝的巡檢防火門的個數。由于采用軌道式掛載結構，因此，軌道在管廊內的路徑布局以及施工是要著重考慮的，以下結合該巡檢機器人的軌道結構設計及技術展開分析。

巡檢機器人本體可以達到300mm的轉彎半徑，但是，城市管廊一般長度跨度大，因此，軌道采用R2m轉彎軌道拼接即可。另外，軌道施工路徑一定不能妨礙管廊內吊裝口、下料口、通風口、人員出入口以及出線口的正常使用。考慮綜合管廊巡檢機器人掛載在軌道上，整個機器人的重量由軌道承擔，同時，需要考慮設計軌道力學特性是否滿足要求，必要時要展開仿真驗證。在經過初步的仿真驗證測算后，發現管廊機器人的本體重量應該可控制在25～30kg，可選取30kg最大值，保證每根軌道吊裝間距在1.5～2m，如此可以保證巡檢機器人在軌道中點行駛時軌道上出現的最大應力形變,滿足軌道強度的設計要求。

4 結語

對于城市建設而言，綜合管廊巡檢機器人的設計與應用是非常必要的，而通過全文所論述的一系列設計，可保證機器人在軌道運行上穩定有效，同時，滿足作業強度要求。無論是直線軌道或是彎道，要確保設計到位，使機器人能夠勝任各種巡檢任務，體現機器人精確的檢測能力，提高其城市化建設實用價值。