李立偉，史 榮，董振華，郭志成

（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 051530）

0 引言

纜索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，但是由于其長期暴露在空氣之中，纜索的鋼絲會(huì)受到嚴(yán)重的破壞[1]。本文設(shè)計(jì)的輕型纜索機(jī)器人是通過攜帶檢測儀器在纜索上爬行來完成對纜索的斷絲檢測任務(wù)。機(jī)器人整體采用框架式的結(jié)構(gòu)，其最主要的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人爬行狀態(tài)下調(diào)節(jié)抱纜力的功能，大大提高了機(jī)器人的越障能力和適應(yīng)纜索直徑變化的能力。

1 纜索檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

纜索機(jī)器人必須穩(wěn)定地抱掛在纜索上。由于機(jī)器人自身重量較大，加上所攜帶的檢測設(shè)備的重量，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率過大，這時(shí)使用電池為機(jī)器人供電效果不太理想，考慮到高能電池的成本以及電池重量問題，本機(jī)器人設(shè)計(jì)采用纜線供電。當(dāng)機(jī)器人在高空檢測纜索時(shí)，供電纜線的重量也會(huì)隨著工作高度的增加而增加。因此纜索機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重量輕、結(jié)構(gòu)可靠是首要要求[2]。

大多數(shù)已有的纜索爬行設(shè)備都是利用滾輪抱緊纜索，依靠纜索與滾輪之間產(chǎn)生的摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)沿纜索的上下運(yùn)動(dòng)[3]。但是當(dāng)機(jī)器人的抱緊力過大時(shí)會(huì)對纜索表面的PE保護(hù)套造成損害，抱緊力過小時(shí)又會(huì)因?yàn)樘峁┑淖鳛轵?qū)動(dòng)力的摩擦力過小而使機(jī)器人產(chǎn)生車輪打滑現(xiàn)象，甚至快速墜落。另外，一些斜拉橋的纜索上安裝有裝飾物，機(jī)器人沿這樣的纜索爬行時(shí)遇到裝飾物便會(huì)卡死。為了適應(yīng)這些情況，纜索機(jī)器人必須要設(shè)計(jì)有抱纜力調(diào)節(jié)裝置，并且可以在工作狀態(tài)下調(diào)節(jié)抱纜力。因此本纜索爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)的第二個(gè)要求是實(shí)現(xiàn)纜索機(jī)器人工作狀態(tài)下的抱纜力調(diào)節(jié)，使其能夠可靠地抱緊纜索并且具備一定的越障能力。

工作在高空的纜索機(jī)器人容易受到風(fēng)力的影響。當(dāng)風(fēng)力作用在機(jī)器人表面時(shí)，纜索機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生往復(fù)擺動(dòng)的現(xiàn)象，這極大地增大了爬行過程中的危險(xiǎn)性。如何減輕風(fēng)力的作用，機(jī)器人爬行時(shí)保持什么樣的空間姿態(tài)也是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2 纜索爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，本文提出了如圖1所示的纜索爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了抱緊力的遠(yuǎn)程遙控調(diào)節(jié)，并且具有框架式結(jié)構(gòu)、重量輕、體積小，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等特點(diǎn)。

圖1 纜索機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

整體成框架式的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人由三個(gè)小車（15、18）和連接小車的六個(gè)連接板（13、14）組成。三個(gè)小車兩兩相差120°，均布圍繞在纜索周圍，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上對纜索的包圍，使爬行過程更為安全可靠。其中兩臺(tái)小車為壓緊小車（18），通過彈簧（12）提供的彈力將四個(gè)從動(dòng)輪緊緊的壓在纜索表面。彈簧一端的一個(gè)連接板有螺紋調(diào)節(jié)裝置，可以通過它來調(diào)節(jié)抱緊力的大小。另外的一個(gè)小車為驅(qū)動(dòng)小車（15），驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1）固定在小車的一側(cè)，通過同步帶傳動(dòng)將轉(zhuǎn)矩傳遞給大帶輪（20），最終傳遞給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪（3、19）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上行和下行。驅(qū)動(dòng)輪的另一側(cè)設(shè)有一個(gè)電磁制動(dòng)裝置（7、8），在機(jī)器人突然斷電的的情況下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)小車上還裝有另外一臺(tái)電機(jī)（6），通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)器工作狀態(tài)中變換抱緊力，提高了纜索機(jī)器人的越障能力和適應(yīng)性。

3 抱纜力調(diào)節(jié)原理

在連接小車的三對連接架（13、14）上均打有四個(gè)通孔，每對連接架用螺栓固定。通過調(diào)節(jié)穿過螺栓的兩個(gè)孔的次序可以對機(jī)器人的適應(yīng)直徑進(jìn)行粗調(diào)。將機(jī)器人安裝到纜索上時(shí)必須要將機(jī)器人拆開，此結(jié)構(gòu)安裝時(shí)只需將兩個(gè)螺栓旋開，將機(jī)器人打開后使纜索軸徑與機(jī)器人軸心對中安裝即可。因此該連接架有連接三個(gè)小車和粗調(diào)適應(yīng)直徑的功能，使得安裝和粗調(diào)一次完成。安裝完成后就要根據(jù)機(jī)器人的負(fù)重情況調(diào)節(jié)抱緊力的大小，彈簧一端的一個(gè)連接板有螺紋調(diào)節(jié)裝置，通過旋轉(zhuǎn)螺母可以改變彈簧的長度，從而對彈簧進(jìn)行預(yù)緊。

圖2 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置

機(jī)器人工作狀態(tài)下沿著纜索軸向爬行時(shí)，通常情況下抱緊力不需要調(diào)節(jié)。當(dāng)遇到比較小的障礙物時(shí)可以依靠慣性以及彈簧的緩沖作用越過障礙物。但當(dāng)遇到較大的障礙物時(shí)就容易造成卡死現(xiàn)象，此時(shí)可以通過絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置來改變抱緊力的大小。絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，和它配合的螺母就會(huì)沿絲杠上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿和擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)被壓緊或松開。當(dāng)纜索的直徑突然變小，機(jī)器人抱緊力不足以克服重力時(shí)，此裝置可以使其重新獲取足夠的抱緊力。絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置克服了現(xiàn)有纜索機(jī)器人運(yùn)行時(shí)容易卡死的問題，提高了機(jī)器人的越障能力、安全性和適應(yīng)性。

4 機(jī)器人運(yùn)行姿勢的重錘效應(yīng)

纜索爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)重心的布置也是很關(guān)鍵的問題，布置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人工作時(shí)搖擺或者螺旋爬升。機(jī)器人與檢測儀器之間若是剛性連接，機(jī)器人的螺旋爬升勢必會(huì)導(dǎo)致檢測儀器沿螺旋軌跡檢測，這將對檢測信號(hào)的識(shí)別以及檢測缺陷的具體定位造成負(fù)面的影響。如若纜索機(jī)器人與檢測儀器之間是柔性連接的，機(jī)器人螺旋爬升將導(dǎo)致柔性連接件的纏繞打結(jié)，嚴(yán)重影響纜索機(jī)器人的正常工作。因此螺旋爬升在纜索檢測時(shí)應(yīng)該盡量避免。

此機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)由于電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電磁制動(dòng)系統(tǒng)和絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)小車上，所以重心偏向于驅(qū)動(dòng)小車一側(cè)。使用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks建模分析機(jī)器人的質(zhì)量屬性，機(jī)器人的重心距離纜索軸線43.601 mm，重心位置如圖3所示。當(dāng)機(jī)器人在纜索上爬行時(shí)，在重力的作用下重心會(huì)在纜索軸線的正下方，機(jī)器人會(huì)保持這個(gè)空間姿勢行走。當(dāng)遇到風(fēng)吹或振動(dòng)時(shí)，機(jī)身會(huì)發(fā)生搖擺，但在重力作用下，機(jī)器人會(huì)恢復(fù)回穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這就很好的避免了纜索機(jī)器人在爬升時(shí)的螺旋爬升問題。

圖3 纜索機(jī)器人重心位置示意圖

5 電磁制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜索機(jī)器人是在高空中作業(yè)的一種特種機(jī)器人，由于工作環(huán)境的特殊性，一旦發(fā)生斷電故障，機(jī)器人將會(huì)從幾十米的高空墜落，造成嚴(yán)重的安全事故。因此有必要在纜索機(jī)器人上安裝安全返回裝置。發(fā)生斷電故障時(shí)，要求安全裝置自動(dòng)啟動(dòng)，避免機(jī)器人加速下墜[4]。

在機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上各裝有一個(gè)電磁制動(dòng)裝置，制動(dòng)輪安裝在驅(qū)動(dòng)輪一側(cè)，如圖4所示。電磁鐵斷電狀態(tài)下，彈簧片會(huì)壓緊制動(dòng)輪，電磁鐵通電時(shí)，在電磁力的作用下，彈簧片受到吸力和制動(dòng)輪分離。機(jī)器人正常工作時(shí)，電磁鐵處在通電狀態(tài)。當(dāng)遇到緊急情況，例如機(jī)器人突然停止供電，機(jī)器人會(huì)在重力作用下加速下降。此時(shí)電磁鐵斷電，彈簧片壓緊制動(dòng)輪，在制動(dòng)輪上產(chǎn)生一個(gè)反向的轉(zhuǎn)矩，從而使機(jī)器人停止墜落停在半空中。此時(shí)工作人員拉動(dòng)系在機(jī)器人上的纜繩將其收回。

圖4 電磁制動(dòng)裝置

6 絲杠螺母力學(xué)模型建立

圖5 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意

如圖5所示，圖中N為纜索的聚乙烯套對車輪的正壓力，F(xiàn)為絲杠螺母對連桿的推力，T為作用在絲杠軸上的有效扭矩，T0為電機(jī)的輸出扭矩，連桿AE長為L，AC長為L2，CH長為L1，A點(diǎn)與H點(diǎn)的水平距離為L3，α為連桿AE與水平向左方向的夾角，β為連桿CH與水平向左方向的夾角。

由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是左右對稱的，故只對左邊一側(cè)進(jìn)行分析。一固定鉸支座A為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)方向如圖5所示。以(xE，yE)表示E點(diǎn)的坐標(biāo)，以（xH，yH）表示H點(diǎn)的坐標(biāo)。由圖5的幾何關(guān)系可得：

對上式兩邊分別取微分得：

對上式進(jìn)行簡化，導(dǎo)出ΔyE和ΔyH之間的關(guān)系：

用P表示絲杠螺母副的導(dǎo)程，θ表示絲杠和螺母之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，絲杠螺母的位移可表示為：

引入虛功原理：

將公式（7）代入得公式（9），得：

分析絲杠螺母副的受力狀態(tài)，根據(jù)虛功原理得：

其中，η為絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。

將公式（9）、（11）代入公式（12）中，得：

上式取微分得到：

式（13）即為推導(dǎo)出的絲杠螺母副調(diào)節(jié)裝置的力學(xué)模型。

將cotβ用含有L1的公式表示：

將公式（14）代入絲杠螺母副調(diào)節(jié)裝置的力學(xué)模型中，得到絲杠上有效扭矩與車輪正壓力之間的關(guān)系：

7 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置的動(dòng)力學(xué)仿真

對機(jī)器人的絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，取P=3 mm， η=0.5， L=123 mm， L1=173 mm， L2=61.5 mm， L3=117.5 mm，N=460 N。以搖桿AE與水平方向的夾角α的變化反應(yīng)機(jī)器人適應(yīng)纜索直徑的變化，用Matlab模擬得到絲杠扭矩T與α的變化曲線圖，如圖6所示。

圖6 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置仿真曲線

從圖6中可以看出，當(dāng)α=0.45rad時(shí)，此時(shí)機(jī)器人車輪的高度最大，為一個(gè)極限位置，CH、HG、GD處在一條直線上，在這個(gè)位置F幾乎為0 N，故此刻螺桿的扭矩也為0 N?mm，隨著角度的增大，絲杠的扭矩在不斷的上升，但增速越來越小，最后平衡在500 N?mm附近。此時(shí)適應(yīng)纜索的最小直徑，α的取值為26°～45.5°。由于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較小，一般的步進(jìn)電機(jī)都可滿足要求。

8 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，此結(jié)構(gòu)是否可以使纜索爬行機(jī)器人順利平穩(wěn)的在纜索上運(yùn)行，還需要仿真技術(shù)的驗(yàn)證。通過動(dòng)力學(xué)仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。

在機(jī)器人上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上加以力矩：

T=IF（TIME-0.02:0，5 000，IF（TIME-2.7:5 000，5 000，0））

上式扭矩T是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，即在0～0.002秒時(shí)間不加扭矩，0.002～2.7秒內(nèi)加一個(gè)5 N?m的扭矩。仿真時(shí)間為3 s，仿真步長為100步。仿真結(jié)束后輸出位移、速度、加速度曲線如圖7所示。

圖7 位移、速度和加速度仿真曲線圖

從圖7中可以看出來，在0～0.02秒，速度從0降到負(fù)值，位移為負(fù)，此時(shí)機(jī)器人在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，之后驅(qū)動(dòng)輪上加上5 N?m的驅(qū)動(dòng)力矩，機(jī)器人加速度為正，但由于慣性的原因，速度仍然為負(fù)值，但向下運(yùn)動(dòng)的速度在減小，在1.3 s附近速度為正，然后機(jī)器人開始向上爬行，在2.7 s去掉驅(qū)動(dòng)力，加速度瞬間變?yōu)樨?fù)值，速度快速下降。3 s結(jié)束時(shí)，速度達(dá)到負(fù)的1 m/s。由于仿真過程中整個(gè)模型都被定義為剛體，故加速度曲線中可以看出存在明顯的剛性沖擊，且速度越大剛性沖擊就越嚴(yán)重。

兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪受到兩個(gè)向前的摩擦力作用，這兩個(gè)摩擦力提供機(jī)器人爬行的動(dòng)力，其實(shí)是爬升裝置的驅(qū)動(dòng)力。前驅(qū)動(dòng)輪和后驅(qū)動(dòng)輪受到纜索的摩擦力如圖8、9所示。

圖8 前驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力曲線圖

圖9 前驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力曲線圖

可以看出在未加驅(qū)動(dòng)力矩的0～0.02 s，驅(qū)動(dòng)輪受到的摩擦力非常小，之后快速上到125 N附近，2.7 s之后又快速回落至0附近。這和位移、速度、加速度的趨勢正好吻合。但由于接觸是剛性的，而且從三維軟件中導(dǎo)入的模型都存在一些退化，因此運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力的幅值存在明顯的振動(dòng)，并且速度越快振動(dòng)越明顯。

9 結(jié)論

本論文在大量研究現(xiàn)有纜索機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型、輕型、框架式結(jié)構(gòu)的纜索爬行機(jī)器人。并詳細(xì)闡述了纜索機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。結(jié)合纜索機(jī)器人的特點(diǎn)，對抱纜力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行分析。運(yùn)用ADAMS軟件建立的纜索機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，獲得的動(dòng)力學(xué)特性曲線表明機(jī)器人可以安全平穩(wěn)的運(yùn)行。由于沒有對纜索機(jī)器人進(jìn)行加工裝配，論文所做工作為前期基礎(chǔ)性的研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制方面都有很大的完善空間。

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