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(nèi)外現(xiàn)狀

早在21世紀初（2005年），美國、日本以及歐洲等發(fā)達國家就已經(jīng)創(chuàng)建了服務(wù)城市管廊建設(shè)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(shù)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(nèi)部精密結(jié)構(gòu)進行有效設(shè)計，目前，我國設(shè)計出的機器人在結(jié)構(gòu)上更為緊湊，運動上更為靈活且穩(wěn)定，是符合國家綜合管廊巡檢要求的先進機器人技術(shù)類型。下文就結(jié)合我國的綜合管廊巡檢機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計展開相關(guān)案例分析。

2 某管廊環(huán)境分析

某城市有綜合管廊，它集約度較高，且科學性表現(xiàn)強，屬于城市中的綜合管線工程。伴隨著城市化建設(shè)腳步的不斷加速，綜合管廊數(shù)量也在逐漸增多。為了保證該管廊建設(shè)安全穩(wěn)定性，確保其未來運行安全可靠，需要對其綜合管廊的鋪設(shè)、排水、通信、電力線路設(shè)計應(yīng)用展開分析。考慮到城市綜合管廊環(huán)境復(fù)雜多變，為保證其管廊安全運行，就必須展開嚴格監(jiān)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(jiān)測。如果采用傳統(tǒng)人工巡檢方法，不但危險系數(shù)頗高，且容易出現(xiàn)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(tǒng)，采取全天候不間斷的設(shè)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(shù)據(jù)結(jié)果呈報給后方中心，配合運維人員、消防系統(tǒng)人員、通風系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計分析

3．1 基本工作原理

巡檢機器人的基本工作原理復(fù)雜，它主要通過不同機構(gòu)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(huán)境需要，機器人要兼顧小轉(zhuǎn)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(fā)生火災(zāi)，管廊內(nèi)有很多的防火分區(qū)，而一臺機器人的巡檢任務(wù)不止一個防火分區(qū)，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(guān)閉后，滿足管廊防火要求。

在高管廊應(yīng)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(chǔ)高度。

防護性能要求，管廊內(nèi)陰暗潮濕環(huán)境惡劣，內(nèi)部電氣設(shè)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(shè)計時，需要全方位考慮防護性能。

3．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

針對巡檢機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)動結(jié)構(gòu)展開設(shè)計；其次，是針對巡檢機器人探測設(shè)備伸縮性能展開設(shè)計；再者，是機器人的外殼防護設(shè)計；最后，是機器人總體模型設(shè)計。結(jié)合這4種設(shè)計形成一套完整的思路，就以巡檢機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計與防護結(jié)構(gòu)設(shè)計為例。

（1）驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計。驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計要求所設(shè)計的巡檢機器人其主要行走功能依附于軌道，除常規(guī)的直線行走功能外，也要求機器人能夠?qū)崿F(xiàn)大爬坡與小轉(zhuǎn)彎，所以，這一總體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程相對復(fù)雜，需要結(jié)合巡檢機器人的不同結(jié)構(gòu)功能展開分析，驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 巡檢機器人軌道驅(qū)動機構(gòu)總體設(shè)計

第一步，要求巡檢機器人的總體設(shè)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(qū)動電機為驅(qū)動輪提供滾動動力，滾動動力通過驅(qū)動輪與軌道之間通過彈簧壓力而產(chǎn)生的摩擦力實現(xiàn)機器人的行走運動。

第二步，要求機器人實現(xiàn)小的轉(zhuǎn)彎半徑，通常要求能夠達到的最小轉(zhuǎn)彎半徑為R300mm，滿足管廊內(nèi)緊湊的空間環(huán)境。如圖1所示，軌道兩側(cè)分別有4個導(dǎo)向輪，兩個導(dǎo)向輪是可以沿著一定的中心軸旋轉(zhuǎn)的，從而適應(yīng)軌道不同的彎曲半徑，實現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎運行。

第三步，通過鏈輪鏈條實現(xiàn)大扭矩減速爬坡行走，驅(qū)動電機將驅(qū)動動力傳遞給驅(qū)動輪的同時，驅(qū)動輪與鏈輪之間經(jīng)過一定的行星減速結(jié)構(gòu)，使其鏈輪速度減小的同時驅(qū)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(tài)穩(wěn)定，從而實現(xiàn)90°爬坡。

最后，實現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)故障，機器人無法從軌道上取出，將會給后續(xù)的施工與檢修帶來不便。圖1中的自鎖式快拆機構(gòu)，機器人正常運行時，由于重力的受力方向，快拆機構(gòu)處于死點狀態(tài)，下支輪能很好地起到支撐作用。當只有撥動快拆機構(gòu)的把手時，死點狀態(tài)解除，機器人即可從軌道上卸下。

（2）機器人防護結(jié)構(gòu)設(shè)計。機器人防護結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)置車用防水膠條，提供了更大范圍的壓縮量，為防水設(shè)計提供了雙重保障。

圖2 迷宮式防水結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 巡檢機器人總體模型

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

考慮到綜合管廊環(huán)境具有一定的特殊性，需要結(jié)合巡檢機器人的本身固有特征結(jié)構(gòu)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(qū)、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(shù)。由于采用軌道式掛載結(jié)構(gòu)，因此，軌道在管廊內(nèi)的路徑布局以及施工是要著重考慮的，以下結(jié)合該巡檢機器人的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)展開分析。

巡檢機器人本體可以達到300mm的轉(zhuǎn)彎半徑，但是，城市管廊一般長度跨度大，因此，軌道采用R2m轉(zhuǎn)彎軌道拼接即可。另外，軌道施工路徑一定不能妨礙管廊內(nèi)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(shè)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(jīng)過初步的仿真驗證測算后，發(fā)現(xiàn)管廊機器人的本體重量應(yīng)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(xiàn)的最大應(yīng)力形變,滿足軌道強度的設(shè)計要求。

4 結(jié)語

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