氣動步進蠕動式水閘鋼絲繩攀爬機器人研制

方貴盛，張 港，鄭高安，姚林曉

(1.浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018；2.華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045；3.浙江省先進水利裝備工程研究中心機器人研究所，浙江 杭州 310018)

引言

鋼絲繩作為卷揚式水閘主要連接件之一，對水閘的安全運行起著至關重要的作用。由于長期暴露在室外，受到風吹雨打、日曬雨淋，以及承載作業的影響，水閘鋼絲繩會出現油脂硬化、銹蝕、斷絲、磨損等現象，對水閘的安全運行造成很大影響，因此需要對其進行定期檢查和養護。目前常用的水閘鋼絲繩養護方法有人工方法和機械方法2種。人工方法是通過搭建腳手架或通過安裝吊籃由人工攜帶清洗、檢測和涂油等工具進行作業，勞動強度大、工作效率低、安全性能差。機械方法是利用卷揚機懸吊清洗養護設備對鋼絲繩進行養護作業，與人工方法相比，這種方法工作效率有一定的提高，但是仍然存在安裝控制麻煩、油污污染等問題，使其應用受到一定限制。

隨著科學技術的進步，特別是移動機器人技術的高速發展，使得在水利行業實現“機器換人”成為可能。本研究根據使用單位的要求，設計了一種結構簡單、裝卸方便、功能性好、適應性強的鋼絲繩攀爬機器人，用于搭載檢測、清洗和涂油等作業裝置對水閘鋼絲繩進行養護。

1 水閘鋼絲繩攀爬機器人結構設計與工作原理

攀爬機器人作為移動機器人一個重要分支，具有較強的實用價值，受到了眾多學者的關注。目前研究比較多的主要有爬桿機器人[1-2]、爬壁機器人[3-5]、爬管機器人[6-7]、爬樹機器人[8]、爬纜索機器人[9-10]等。相比于剛性桿狀物，鋼絲繩具有直徑尺寸小，存在一定撓度、表面有油脂等特點，其攀爬機器人設計難度更大，目前只有少數學者對其進行研究報道[11-13]。

本研究根據浙江省某水閘運行管理部門所提供的技術資料和設計任務要求，開展鋼絲繩攀爬作業機器人研制工作。具體工作場景如圖1所示，鋼絲繩直徑范圍為10～48 mm，攀爬高度為10～20 m，2根鋼絲繩間的距離為15～50 mm。

圖1 水閘鋼絲繩工作現場圖

1.1 結構設計

由于水閘鋼絲繩上涂有油脂，常規的輪式結構攀爬機器人很難適應水閘鋼絲繩的攀爬場合，因此本研究設計了一種氣動步進蠕動式攀爬機器人，其總體結構如圖2所示。氣動結構由于夾緊力大、具有緩沖功能、成本低廉、工作速度快、無污染等優點，在機器人結構設計中得到了廣泛應用。

圖2 水閘鋼絲繩攀爬機器人三維結構模型

整個水閘鋼絲繩攀爬機器人由機械結構和控制系統2部分組成。機械部分采用分體式結構，由上部裝置和下部裝置2部分構成。兩裝置主體結構均由氣缸構成，通過驅動氣缸實現機器人夾緊、移動和導向功能。上部裝置由伸縮氣缸、伸縮桿、V形夾緊氣爪、導向氣爪、氣爪安裝板等部分組成；下部裝置由伸縮氣缸主體、2個夾緊氣爪及氣缸安裝板所組成。通過改變氣缸直徑的大小和夾緊氣爪的行程，可實現機器人在不同直徑鋼絲繩上帶不同負載攀爬作業。通過調節節流閥進出氣大小，可控制機器人的攀爬速度。機器人控制系統采用PLC進行控制，通過電磁閥的通電斷電實現氣缸的伸縮與松緊，從而控制機器人沿鋼絲繩上行、下行和懸停等動作。

1.2 工作步態分析

本研究機器人采用仿生學原理，通過步進蠕動方式實現機器人的攀爬動作。其基本動作過程描述如下：

(1) 初始狀態：機器人各夾緊氣爪和導向氣爪均呈張開狀態，伸縮氣缸處于縮回狀態，如圖3a所示，這樣可以由人工將機器人安放在鋼絲繩上，然后按下啟動按鈕，控制各氣爪處于夾緊與導向狀態，機器人被牢牢固定在鋼絲繩上；

圖3 機器人上行工作狀態分解圖

(2) 上行狀態：上氣爪放松，下氣爪夾緊→伸縮氣缸伸出，上部裝置上行→上氣爪夾緊，下氣爪松開→伸縮氣缸縮回，下部裝置上行→下氣爪夾緊，上氣爪放松→……，如此循環，直至機器人運行到鋼絲繩頂端，導向氣爪在工作過程中一直處于夾緊狀態，防止機器人在行走過程中脫離鋼絲繩，具體分解動作如圖3b～圖3h 所示；

(3) 下行狀態：上氣爪夾緊，下氣爪放松→伸縮氣缸伸出，下部裝置下行→下氣爪夾緊，上氣爪松開→伸縮氣缸縮回，上部裝置下行→上氣爪夾緊，下氣爪放松→……，如此循環，直至機器人運行到鋼絲繩底端；

(4) 懸停狀態：當按下停止按鈕時，機器人在確保下部2個夾緊氣爪呈夾緊狀態時停在鋼絲繩上;

(5) 結束狀態：按下復位按鈕，全部夾緊氣爪和導向氣爪松開，氣缸呈縮回狀態，此時可以由人工將機器人卸下鋼絲繩；

(6) 斷電狀態：當系統遭遇斷電時，由于二位五通電磁閥具有自鎖功能，上部夾緊氣爪和下部夾緊氣爪中至少有一個處于夾緊狀態，避免機器人快速下降而摔壞。此時由操作人員通過手動放氣方式引導機器人緩慢下滑，從而保證機器人安全回收。

2 氣動控制系統設計

氣動控制系統設計需要考慮電氣原理圖的設計，以及過濾器、調壓閥、電磁閥、氣缸等所組成元件的選型[14]。氣源由空氣壓縮機產生；過濾器對壓縮空氣進行清潔過濾；調壓閥用于調節氣壓的大小，一般調節范圍為0～0.7 MPa；調速閥用于調節氣缸進出氣的大小，從而控制氣缸伸縮的速度；電磁閥用于控制氣缸的動作；氣缸用于控制機器人上下2部分動作，以及鋼絲繩的夾緊和放松等動作。

2.1 氣動控制原理圖設計

根據工作要求，設計的氣動控制原理圖如圖4所示。壓縮空氣從空壓機產生后，通過單向閥、儲氣罐、氣動二聯件、匯流板后分成4路。第1路為上氣爪控制回路，經二位五通電磁閥、調速閥，到達上夾緊氣爪處。通過電磁閥的換向，實現上氣爪的夾緊與放松控制；第2路為上導向氣爪控制回路，到達導向氣爪處，實現導向氣爪的夾緊與放松控制；第3路為下氣爪控制回路，到達2個下夾緊氣爪處，實現2個下氣爪的同時夾緊與松開控制；第4路為伸縮氣缸控制回路，到達伸縮氣缸處，實現伸縮氣缸的伸出與縮回控制。

圖4 氣動控制原理圖

2.2 機器人力學分析與氣缸選型

1) 夾緊力分析與氣爪選型

機器人在鋼絲繩上爬行，依靠氣爪的夾緊力保持機器人不往下滑動。最極端的情況是上氣爪夾緊，下氣爪放松，此時只有1個氣爪受力。機器人氣爪受力情況如圖5a所示。圖中，G為機器人自身的重量和所搭載設備的重量,自重質量約為1.5 kg，搭載的設備質量約為3 kg；Ff為氣爪與鋼絲繩之間的摩擦力；Fq為氣爪對鋼絲繩的夾緊力；Fn為鋼絲繩對氣爪的反作用力。

圖5 機器人氣缸受力情況分析

在靜止狀態下，根據力平衡條件和氣缸輸出力理論值計算公式可得：

Fq=Fn，Ff=G，Ff=μFq，Fq=πD2p/4

(1)

式中,μ為鋼絲繩與氣爪的摩擦系數，氣爪采用橡膠制成，考慮到鋼絲繩上涂有潤滑油，其摩擦系數設為0.3；D為氣缸缸徑，mm；p為工作壓強，MPa，此處設定為0.6 MPa。要使機器人在靜止狀態下不滑動，氣爪缸徑必須滿足的條件是：

(2)

對于實際氣爪選型，由于上氣爪在夾緊過程中會受到伸縮氣缸縮回時所產生的沖擊作用，此時應該考慮一定的安全系數。另外，還需要考慮氣爪的開閉行程，以適應不同鋼絲繩直徑大小的需要。根據前述計算與分析，本研究選用的夾緊氣爪為MHZL2-20D雙作用氣爪，其缸徑為20 mm，開閉行程為18 mm，滿足設計要求。

2) 伸縮力分析與伸縮氣缸選型

機器人伸縮氣缸受力情況如圖5b所示。圖中G′為機器人上部裝置的重量和所搭載設備的重量，Fp為伸縮氣缸的輸出力。根據力平衡條件和氣缸輸出力理論值計算公式，以及考慮移動部件所受氣動沖擊影響，可得伸縮氣缸缸徑必須滿足的條件是：

(3)

式中,η為考慮移動部件的質量和加速度時所受沖擊的安全系數，此處取1.5。

根據前述計算與分析，本研究選用的伸縮氣缸型號為ACEJ12x30-30SB，其缸徑為12 mm，具有30～60 mm 的可調行程范圍，滿足設計要求，用戶可以根據機器人動作的需要調節其行程大小。

3 PLC控制系統設計

水閘鋼絲繩攀爬機器人PLC控制系統由電源、PLC、按鈕、行程開關、磁性開關、電磁閥等所組成。PLC作為系統的主控單元，根據各按鈕、行程開關，以及磁性開關的工作狀態控制電磁閥的通斷，從而控制機器人的行走和停止。

3.1 輸入/輸出口分配

根據系統的控制要求和PLC的選型原則[15-16]，攀爬機器人PLC控制系統需要20個輸入端口，9個輸出端口，因此選用S7-200 CPU224 DC/DC/DC型號PLC，其具有14個輸入點和10個輸出點。由于輸入點數不夠，需要外加EM221 8點數字量輸入擴展模塊。具體I/O點分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2 PLC控制原理圖設計

PLC控制原理圖的設計需要考慮PLC的供電電源接線、PLC輸入端按鈕、磁性開關與接線開關的接線，以及PLC輸出端電磁閥與指示燈的接線等。根據前述PLC的選型，以及電磁閥作為主要控制對象，因此本研究選用直流24 V電源供電，具體PLC控制原理圖如圖6所示。

圖6 PLC控制原理圖

3.3 PLC控制程序設計

機器人攀爬鋼絲繩的過程遵循順序控制的基本規律，因此采用順序功能圖設計法進行PLC梯形圖程序設計，并通過S7-200 STEP7 MicroWIN V4.0編程軟件進行程序編制和調試。為便于PLC程序的編寫，根據機器人攀爬步驟設計了如圖7所示的程序控制流程圖。

圖7 PLC程序控制流程圖

剛開始時，系統根據按鈕的輸入狀態確定是執行手動狀態還是自動狀態。如果是手動控制，則執行相應的手動控制程序；如果是自動控制，則系統根據按鈕的輸入狀態判斷是上行還是下行。如果是上行，則執行上行的相關動作，其PLC程序段如圖8所示；如果是下行，則執行下行相關動作，直到機器人到達頂部或底部為止。

圖8 上行部分PLC程序段

4 樣機試驗

本研究根據前述設計思想制作而成的機器人樣機如圖9所示。該機器人結構小巧，本體尺寸僅為220 mm×110 mm×80 mm，重約1.5 kg，能夠攜帶超過3 kg的負載，在直徑10～16 mm的垂直鋼絲繩上進行穩定攀爬，攀爬速度為0.4～1.6 m/min。

圖9 機器人樣機及試驗臺架

為了測試樣機的性能，制作了鋼絲繩攀爬模擬試驗臺架，由試驗門架和2根可調鋼絲繩組成，鋼絲繩的直徑大小為10 mm。鋼絲繩的撓度可由下方的調節裝置進行調節，以模擬不同鋼絲繩松緊狀態。試驗時，主要對機器人攀爬的可行性和所規劃的步態進行驗證。圖10所示為機器人在豎直鋼絲繩上攀爬動作圖，分別為不帶負載和帶負載情況下機器人的攀爬狀態。從機器人攀爬動作來看，總體步態協調，能夠攜帶3 kg左右作業負載完成鋼絲繩上爬和下行任務，達到了預期的效果。

圖10 機器人在豎直鋼絲繩上攀爬動作圖

5 結論

本研究針對水閘鋼絲繩在線養護的需要，設計了一種能夠攜帶相關作業工具的氣動步進蠕動式攀爬機器人結構，闡述了其工作步態，提出了氣動控制系統與PLC控制系統的詳細設計方案，分析了氣缸的受力情況和選型條件，通過試驗驗證了所提方案的合理性。主要結論如下：

(1) 相比于輪式結構，氣動步進蠕動式結構對于涂有油脂的鋼絲繩來說，其攀爬穩定性和可靠性更好；

(2) 通過調節伸縮氣缸的行程和調速閥的大小，可以控制機器人攀爬的速度；

(3) 通過更換不同型號的氣動夾爪，可以滿足不同鋼絲繩直徑大小和不同作業負載的需要，從而形成產品的系列化；

(4) 下一步努力的方向將在現有攀爬機器人的基礎上，深入研究鋼絲繩清洗機構、安全檢測機構、自動涂油機構，以實現水閘鋼絲繩養護的自動化和智能化。