聲屏障巡檢機器人本體結構及動力學分析

鄧 斌， 左 榮， 王 奇， 何沛恒

(西南交通大學先進驅動節能技術教育部工程研究中心， 成都 610031)

聲屏障主要用于鐵路、高速公路等交通領域，實現噪聲源的隔聲降噪和安全防護功能[1]。聲屏障主要由鋼結構的立柱和吸隔聲屏板兩部分組成。高速鐵路聲屏障分為插板式聲屏障和整體式聲屏障，其中從單元板的材質上又可分為金屬聲屏障和非金屬聲屏障。主要從京滬高速鐵路采用插板式金屬聲屏障進行展開，需要定期對螺栓、焊縫及構件安全性等進行檢測，防范不必要的危險[2]。

中國高速鐵路聲屏障檢查維護主要采用夜間入網巡視、人工實地觀測的方法進行，檢查維護手段主要包括目測、垂球、卷尺測量、敲擊等，工作效率較低[3-4]。但是多數聲屏障存在于高鐵線路的高架橋上與全封閉路基段，由于橋面未預留檢修通道，很難實現聲屏障外側的人工檢測和螺栓緊固。檢查維護難度很大，危險系數高，檢查維護工作人員的工作強度大。

國外對聲屏障巡檢機器人的研究較少，國內劉賀堅等[5]針對目前高速鐵路聲屏障的安全檢測問題研究出了一套圖片采集裝置。裝置優勢是適合室外作業，體積小，質量輕，便于攜帶操作簡單，且定位準確。能很好地對聲屏障的螺栓、插板脫落，焊接部位失效等進行清晰全面的檢查。但是其需要人工進行操作在聲屏障上移動，不能實現全自動化的作業。

李慶云[6]提出一種聲屏障智能檢修設備，該設備是中國的首臺智能化聲屏障檢修一體機，重點解決了鐵路兩側聲屏障立柱的固定螺栓檢測。其優勢主要是機械設備智能化較高，操作連續性較好，作業的效率較高，且不存在勞動者的人身安全問題。還能檢測聲屏障外側的立柱、螺栓的狀態，并進行記錄和存儲，采用信息化管理，將檢測的狀態傳輸到電腦終端，便于分析和解決處理。其設備也存在一定的局限性，需行走于高鐵軌道上，通用性較弱，且會和鐵路的運行產生沖突，需進行一定的調整。

現設計一種新型結構的巡檢機器人，通過依附聲屏障爬行越障巡檢，提高巡檢的效率并保證巡檢工作的安全性。結合智能化的數據采集裝置，可進行快速準確地采集聲屏障的信息并進行分析，加強巡檢能力，保證巡檢的安全性。

1 巡檢機器人整體設計方案

分析聲屏障巡檢機器人的工作環境，結合現有聲屏障檢測機器人的優點及不足，得到巡檢機器人在爬行時不僅需要具備很強的越障能力和適應能力，所以在設計時還需滿足如下幾點要求。

(1)不同聲屏障的屏體形狀差別較大，巡檢機器人應能適應部分的聲屏障結構。

(2)聲屏障的屏體和立柱連接處有階梯，巡檢機器需具有良好越障性能。

(3)機器在鐵路聲屏障巡檢，安全可靠性高。

巡檢機器人的工作過程是機器人攜帶圖像采集設備或檢測裝置，克服自身的重力，前進的摩擦阻力，實現在聲屏障上連續前進的功能，并進行數據的采集，將數據傳輸到電腦終端。考慮機器人的設計成本，其應進行模塊化[7]設計，便于機器人的運輸和裝卸；機器人的運行速度最快為2 m/min，圖像采集裝置能實現數據拍攝；具有良好的越障性和安全可靠性；對零件實現輕量化設計，聲屏障屏體能較好地承載巡檢裝置。

圖1是根據以上要求所設計的聲屏障巡檢機器人示意圖。機器人主要分為關節桿串聯部分，驅動部分和行進越障組，通過氣缸的伸縮給關節桿部分提供張緊力，使得行進越障組[8]前進輪始終緊貼聲屏障。步進電機提供驅動力，通過萬向節傳遞到各個行進越障組，驅動機器人前進。

圖1 聲屏障巡檢機器人示意圖

1.1 結構設計

圖2所示為巡檢機器人的整體結構。結構設計是其最大創新點之一，機器人框架[9]采用關節桿串聯的方式，在關節桿頂部用氣缸和關節桿連接，通過氣缸的伸縮來改變關節桿的狀態，以適應聲屏障的不同形狀。關節桿的設計采用三角形結構，雙層設計，具有較好的強度。驅動電機采用步進電機，通過齒輪將驅動力傳遞到頂部前進輪，通過萬向節將驅動力傳遞到兩側面前進輪。機器人正常行進時只需要一組串聯關節桿，現采用雙排關節桿串聯，再采用空間剪叉機構并聯，使得機器在聲屏障上爬行具有較好的穩定性。

1為氣缸；2為關節桿；3為聲屏障屏體；4為隨從輪部分；5為剪叉機構；6為驅動部分；7為電機；8為頂部驅動輪；9為聲屏障立柱；10為前進越障組

1.2 剪叉機構

在兩組串聯關節桿之間采用空間剪叉機構，如圖3所示，設計15個模塊化運動單元，可根據運動行程的需要任意添加單元組數，輸出構件做平行移動，具有良好的空間伸展特性，運動范圍大，剛度高，穩定性好。各個單元的幾何尺寸完全相同，可實現等比例的縮放，根據剪叉機構展開和收縮狀態的比較，得出剪叉構機構的展開長度是第一組運動單元輸出位移的整數倍，該機構可由原180 mm伸長到372 mm，伸長量192 mm。

圖3 聲屏障空間剪叉機構

對剪叉機構進行靜力學分析，一端固定，在另一端施加100 N載荷，得到最大應力60.2 MPa，最大變形1.2 mm，其強度和剛度滿足設計要求。分析結果如圖4所示。

圖4 聲屏障空間剪叉機構靜力學分析

1.3 越障

在行進過程中，機器人遇到聲屏障和立柱階梯時，可通過前進輪的自適應性，在驅動力的作用下順利通過。但是如果階梯較高，前進輪無法直接越障，則需要行進越障組繞軸旋轉實現翻越階梯。采用三輪三角形結構，如圖5所示，既可以增加越障組行進的穩定性，也可以提高越障的高度[10]。

1為軸固定座；2為傳遞軸；3為萬向節；4為軸承；5為大齒輪；6為輪子；7為小齒輪

如圖6所示，電機提供的驅動力矩為T，前進輪B和聲屏障屏體之間的摩擦力為Ff 8，聲屏障屏給前進輪C的支持力為N9；前進輪C和聲屏障屏體之間的摩擦力為Ff 9，聲屏障屏給前進輪B的支持力為N8；前進輪C和聲屏障立柱之間的摩擦力為Ff10，聲屏障屏給前進輪C的支持力為N10。則單個越障組實現越障驅動須滿足的條件是:

圖6 聲屏障巡檢機器人越障組受力圖

T-Ff8L1-N8L2-Ff9L1+N9L3/2+

Ff10L3-N10L1/2>0

(1)

即

T>Ff8L1+N8L2+Ff9L1-N9L3/2-

Ff10L3+N10L1/2

(2)

式中:L1為越障組中心到聲屏障屏體表面的垂直距離；L2為輪B到越障組中心的垂直距離；L3為越障組中心到聲屏障立柱前端面的垂直距離。

2 巡檢機器人的靜力學分析

機器人在巡檢過程中需要實現連續的在聲屏障上行進:在屏體上勻速前進，越過立柱的小階梯，攜帶機器人在巡檢過程中需要實現連續在聲屏障上勻速前進，越過立柱的小階梯，攜帶圖像采集裝置。目前中國的聲屏障形狀各異，為了滿足巡檢機器人能在較多數的聲屏障上實現巡檢功能，此處所選聲屏障為彎形聲屏障，具有一定的代表性。

圖7所示為巡檢機器人在聲屏障上靜止時，受到自身重力G，聲屏障給前進輪的支持力Ni(i=1，2,…，7)，氣缸給前進輪的壓力FNi(i=1，2,…，7)，整個機器人的重量小于20 kg，滿足聲屏障的強度支撐條件。

圖7 聲屏障巡檢機器人靜止受力圖

結合巡檢裝置的實際工作狀況，只需考慮在靜載情況下的應力、應變情況，巡檢裝置所受載荷主要來源為整體結構上的牽引力及自身重量載荷。

從圖8、圖9中可以看出，巡檢裝置在靜止狀態下的最大應力為7.96 MPa，最大變形為0.12 mm。巡檢裝置在工況下的最大應力為18.37 MPa，最大變形為 1.72 mm。在工況下的最大應力都是在巡檢裝置的上端，和實際情況也是吻合的。

圖8 靜態下巡檢裝置應力分布與變形

圖9 牽引力作用下巡檢裝置應力分布與變形

3 巡檢機器人的動力學分析

巡檢機器人行進時受力分析如圖10所示。巡檢機器人受到自身重力G，聲屏障給前進輪的支持力分別為Ni(i=1，2，…，7)，聲屏障與前進輪之間的摩擦力Ffi(i=1，2，…，7)，電機給前進輪驅動力Fi(i=1，2，…，7)，氣缸給前進輪的壓力FNi(i=1，2，…，7)。前進輪和聲屏障之間的摩擦系數為μ，機器人低速前進，可忽略空氣阻力對其的影響[11]。機器爬行的動力驅動方程:

圖10 聲屏障巡檢機器人運動受力圖

(3)

Ffi=μNi

(4)

Ni=FNi+Gi

(5)

由式(3)～式(5)得到:

(6)

(7)

由式(6)和式(7)得到電機為巡檢機器人提供的驅動力條件為

(8)

根據式(8)可以看出，當氣缸為前進輪提供的壓緊力在可允許范圍內選擇較小的，則可減小巡檢機器人對驅動力的要求，進而可以減低驅動電機的功率選擇[13]。

將聲屏障的模型進行簡化，導入ADAMS軟件中進行動力學分析。由于巡檢裝置在階梯高度大于星輪半徑時采用行星架翻轉進行前進，故需要控制系統對其驅動進行改變，來實現模擬真實的越障情況。在ADAMS中用采用if函數來實現對巡檢裝置的仿真，驅動函數為

if(time-0.5:0，0，if(time-3:150，0，0))*1d

(9)

式(9)中:time-0.5:0為控制變量；if(time-3:150，0，0)為表達式。

圖11是巡檢裝置行星架越障仿真的軌跡圖，雖然其主要的進行過程是合理的，但是在越障過程中有較大的波動，可能會造成一定的負面影響，所以還需在后面的設計中進行一定的優化。

圖11 巡檢裝置行星架越障軌跡圖

4 結論

對巡檢機器人進行了分析，聲屏障巡檢結構滿足設計要求，實現模塊化裝配，拆裝方便，在原有的檢修方式上，提高了工作效率，并且更加的安全可靠。采用關節桿的新型結構方式，使得機器人具有較好的適應能力。對機器人進行靜力學和動力學分析，得到機器人的驅動條件，給氣缸的選型和參數計算提供了可靠的支撐條件。