單電機驅動的四輪軌道巡檢機器人的最小轉彎半徑研究

傅光彩

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

目前市面主流的巡檢機器人主要包括地面行走機器人和軌道機器人兩大類，其中，軌道巡檢機器人以其運行更穩定，故障率更低的特性得到了快速的發展和廣泛的應用[1]。

對于軌道巡檢機器人來說，機器人本體與軌道之間的契合設計十分重要。由于巡檢機器人的工作環境比較復雜，因此軌道對機器人本體的轉彎和爬坡能力會有嚴格的要求。為了進一步提升軌道機器人的應用靈活性及機動性，對其轉彎半徑的研究十分必要[2-3]。

本文通過對單電機驅動的四輪軌道巡檢機器人的建模理論分析，得出一種單電機四驅軌道機器人最小轉彎半徑的計算方法。同時，還引入機器人導向輪的材質物理參數，對計算結果進行了范圍修正，進一步為未來智能巡檢項目中的軌道機器人及配套結構設計提供量化參考。

1 單電機四驅軌道機器人系統設計

1.1 機器人結構設計

本文的研究對象為一種單電機驅動的四輪（簡稱單電機四驅）軌道巡檢機器人。機器人本體為掛軌式機構，整體通過行走轉向機構掛置于軌道上，可沿軌道行進。機器人上部設有除塵模塊，可將機器人前進方向軌道上的粉塵預先清掃。充電模塊固定于車體側邊，同時機器人本體下部搭載可見光高清攝像機和紅外熱成像儀，組合作為互補監控攝像平臺，同時配合云臺模塊和升降機構可實現不同高度、不同角度的巡檢任務。

為了滿足機器人本體的爬坡需求，對機器人驅動機構做特殊設計：為機器人設下支輪及驅動輪，其中驅動輪固定，下支輪可上下活動，下支輪及驅動輪上下夾緊軌道翼板，通過鎖緊螺釘可以提高下支輪的正壓力，通過預壓機構可以提高驅動輪的正壓力，從而提高驅動輪和軌道之間的最大靜摩擦力，為機器人爬坡提供更大的驅動力。單臺電機通過皮帶傳動機構實現四個單向輪的驅動，與傳統的兩輪驅動結構（單側兩輪驅動或前/后兩輪驅動）對比，該結構能夠保證足夠的驅動力，同時四輪驅動結構也更加穩定，上軌后運行更加平穩，晃動幅度更小。與其他雙電機四輪驅動結構對比，該設計則能夠有效降低結構體積和質量。

在單電機四驅的傳動系統中，四個驅動輪相對機器人本體的位置不會轉動，另有四個導向輪輔助機器人進行轉彎。具體位置布局尺寸如圖1所示，根據該結構設計，本文所研究的機器人運動全局坐標系為X-O-Y，局部[3-7]坐標系為X1-O1-Y1。速度V代表驅動電機傳動作用下的平行驅動速度。

圖1 機器人運動坐標系平面尺寸定位示意圖

1.2 機器人電氣系統設計

巡檢機器人的電氣系統框主要包括電池、電機驅動器、電機、底盤控制板、傳感器、急停開關等部件。機器人電氣系統主要實現運動及信息采集的功能，根據巡檢任務，在運動過程或者固定巡檢點進行信息采集，并且通過無線通信網絡接受監控平臺的調度并將獲取的信息傳輸到后臺。

機器人的動力系統源為電池，通過穩壓器將電池電源轉換成各個外設所需的供電電壓，實現機器人整體的供電。其中主控板和電機驅動器直接通過電池供電，智能運算單元及語音采集模塊采用穩壓DC5V供電，AP交換機、傳感器外設、云臺等采用穩壓DC12V供電[4]。

電池組內置智能電池管理系統，支持過充保護、過放保護、過流保護、短路保護，過溫保護，SOC估算及RS-485通信等。電池內部有庫侖計，通過RS-485與底盤控制板通信。通過庫侖計可以獲取電池的工作狀態以及參數，包括電池處于充放電、電池總容量、電池當前容量、電池當前電壓、電池工作電流等。電池可以支持20 A的充電電流的充電器實現快速充電。

機器人驅動系統主要包括控制部分、驅動器、電機，主控板通過CAN接口與驅動器通信，實現對電機的控制。本系統采用的調速驅動器通過參數可調的PI調節器實現對電機的調速控制。電機轉速由所配的傳感器系統或電機工作電流（無傳感器時）測定，具體由不同版本驅動器的設置確定。目標轉速由輸入的模擬電壓或PWM信號設定。電機轉向由單獨的輸入端控制，轉速值可從頻率信號輸出端讀取。驅動器還支持以純功放或恒速模式驅動電機[5]。

在機器人選件過程中能夠實現運行速度分級，能最大限度地發揮機器人的作用。在巡檢目標區域時，采用較小的速度，避免攝像區域變化過快影響成像質量；對于非重點巡檢區域或在應急情況下，可采用較大速度。如此便能有針對性地提高巡檢效率，同時提升應急反應能力。

1.3 軌道結構設計

本文研究的巡檢機器人其配套懸掛軌道橫截面尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 軌道橫截面示意圖（單位：毫米）

考慮到軌道防腐及使用壽命，一般選擇定制鋁合金型材，表面需做氧化及耐磨處理，最大承重可達200 kg。

2 單電機四驅軌道機器人系統最小過彎 半徑計算

本文主要研究單電機四驅軌道巡檢機器人過彎情況，軌道轉彎連接處俯視界面均視為同心圓弧，因此根據幾何分析可以得到該結構的最小過彎半徑軌道示意圖，如圖3所示，該軌道位置與機器人形成軸對稱，因此主要關注局部坐標系右半部即可。

圖3中，R為最小過彎半徑條件下的彎軌同心圓圓心，由于局部坐標系原點O1是機器人的幾何中心，因此在該示意中R點坐標可設為(0,-y)，其中y是R距離局部坐標系原點O1的距離。另外A點為右下導向輪邊緣距離R點最遠的位置，RA即為本系統的最小軌道內徑；B點為右上驅動輪邊緣距離R點最近的位置，在過最小彎時B點不應擠壓工字軌道靠近該輪的立面；C點為右上導向輪邊緣距離R點最近的位置，在過最小彎時C點不應擠壓軌道外徑邊緣。

圖3 軌道最小彎設計示意圖

根據所建立的局部坐標系和機器人設計尺寸可以得出：

聯立以上不等式可以求得y的最小值為476.70，代入RA計算公式可得，本文設計的機器人系統可通過的彎軌最小內徑為450.90 mm。

3 系統最小過彎半徑計算結果的補充修正

工業場景中的軌道巡檢機器人，其工作環境往往相對比較惡劣，整體結構設計需要充分考慮耐高溫、耐腐蝕等特性。其中，導向輪和驅動輪作為非常重要的行走機構，也是整個軌道巡檢機器人中十分易耗的一個結構。而聚氨酯彈性體恰好具備耐磨耗、耐化學侵蝕、高強度、高彈性、耐低壓、吸震性強、耐撕裂、耐輻射、高承載和減震緩沖等良好性能，是目前軌道巡檢機器人行走輪的主要材料之一。同時，聚氨酯輪還具備優良的吸音特性，輪子在運動過程中不產生噪音，可達到靜音結果。

因此本文研究對象采用硬質聚氨酯作為導向輪的主要材質。在實際的機器人運動過程中，實驗觀察到聚氨酯導向輪的材料彈性能夠允許導向輪在一定范圍內擠壓軌道，進而對理論彎軌最小內徑存在一定的修正空間[6]。

彈性模量是工程材料重要的性能參數，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等。因此考慮本文研究的硬質聚氨酯材質參數，取輪外緣材質厚度t=3.5 mm，材質彈性模量根據相應的參數對照可取E=20 Mpa，同時將本文機器人最大載荷重量設計為150 kg，理論運行最大速度設定為3 m/s。因此，根據基本運動學方程可知，當瞬時轉彎半徑為RA時，其向心力因按下式計算：

可得向心力為1930.87 N，同時設∠O1RA=α，則有徑向壓力計算公式如下：

進而可以根據該受力點位置計算出徑向壓力為472.59 N，再根據彈性模量的計算公式可以推導得出形變量的計算方式如下：

可以計算出本文所研究的系統最大的擠壓距離為0.35 mm。將該值引入式（1）、式（2）、式（3），可得本文設計的機器人系統，在極端情況下可通過的彎軌最小內徑為414.32 mm。

綜上所述，本文研究的單電機四驅軌道機器人系統理論可通過的彎軌最小內徑為450.90 mm，在該彎軌半徑條件下，機器人仍能夠在電機驅動下平滑轉彎運行。同時，由于機器人系統導向輪材質具備可靠的硬度和彈性，在極端情況下，系統的理論可通過彎軌最小內徑為414.32 mm。相比于平滑運行條件，內徑可再縮小36.58 mm。但是，在該情況下，在過彎時導向輪會與軌道之間產生明顯的擠壓，長期運行在此狀態下會造成機器人導向輪與軌道的故障率升高，使用壽命下降。建議該理論值僅作為部分產品零件誤差或軌道建設安裝誤差的閾值計算參考，或作為個別彎度較大的極端場景中短時短距離內的運行應用[7]。

4 結束語

本文對單電機驅動的四輪軌道巡檢機器人的應用現狀進行了概述，并對該系統進行了建模理論分析，提出了一種基于機械幾何結構計算最小轉彎半徑的方法。采用該方法可以快速計算出常規的運行最小過彎半徑。同時，考慮到在實際生產過程中，部分產品零件存在誤差、軌道建設安裝也可能存在誤差，以及個別彎度較大的極端場景中需要短時短距離極小內徑運行，本文對現有結構下的常規最小運行半徑進行了范圍修正，該修正主要依賴于機器人導向輪材質物理參數，尤其是彈性參數的引入。修正后，可以精確地計算出短時極限過彎內徑值，通過這一綜合極限半徑數值的計算，可以為未來智能巡檢項目中的軌道機器人及配套結構的設計提供更有指導性的設計方法及數值參考。■