葉日鴻，周梓達(dá)，林澤潤，汪朋飛

一種軌道式巡檢機器人底盤的設(shè)計與實現(xiàn)

葉日鴻，周梓達(dá)，林澤潤，汪朋飛*

（深圳大學(xué) 機電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

針對矩形軌道連接產(chǎn)生的臺階縫隙以及機器人通過彎道時運行方向發(fā)生變化會影響運行穩(wěn)定性的現(xiàn)象，設(shè)計了一種快拆軌道式巡檢機器人底盤。該機器人底盤主要由承載主框、驅(qū)動輪懸掛裝置、定位裝置、彎道懸掛裝置、云臺承載裝置等組成。通過合理布置的懸掛結(jié)構(gòu)減小連接縫隙及彎道速度變化對機器人運行穩(wěn)定性的影響。采用ANSYS校核分析和實物測試的方式，提出并驗證了軌道式巡檢機器人底盤能夠迅速掛載到軌道上、利用自身的結(jié)構(gòu)減小軌道連接誤差，并且能平穩(wěn)通過彎道。

軌道式；巡檢機器人；底盤；結(jié)構(gòu)設(shè)計；快拆

隨著工業(yè)技術(shù)及人工智能的迅速發(fā)展，巡檢機器人在各領(lǐng)域中被大規(guī)模應(yīng)用。例如變電站、礦井、監(jiān)獄、地下管廊等地方都開始使用軌道式巡檢機器人輔助或代替人工進(jìn)行機械性、枯燥的巡檢工作[1-3]。軌道式巡檢機器人可以顯著提升巡檢安全性和質(zhì)量，降低人工勞動強度和成本[4]。

軌道式巡檢機器人的最大特點是“有軌”。軌道截面形狀包括雙V形、T形、矩形等。其中，雙V形結(jié)構(gòu)能形成精確、穩(wěn)定的導(dǎo)向約束[5]，T形結(jié)構(gòu)能減輕軌道本身的重量[6]，矩形結(jié)構(gòu)能較大程度地降低制造成本。對于軌道的拼接，兩段軌道交界的位置易出現(xiàn)拼接帶來的縫隙。拼接軌道的連接突變及軌道曲率的變化都會影響巡檢機器人的運行精度和穩(wěn)定性。本研究針對矩形軌道的拼接縫隙和曲率變化，提出一種能夠自適應(yīng)軌道連接縫隙及曲率變化的軌道式巡檢機器人底盤。通過自動化控制，該機器人底盤能在軌道上平穩(wěn)運行，自適應(yīng)軌道連接臺階縫隙的突變，快速通過彎道。精準(zhǔn)定位系統(tǒng)能實時反饋機器人位置信息，便于后臺監(jiān)測及信息統(tǒng)計。快拆結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證機器人強度的前提下使機器人更快速的掛載到軌道上，縮短工作附加時間。

1 方案研究分析

1.1 需求分析

軌道巡檢機器人作為一款掛載在軌道上運行的機器人，其結(jié)構(gòu)強度是首要保證的一個參數(shù)，結(jié)構(gòu)強度不僅影響到運行穩(wěn)定性，對附近作業(yè)的人員產(chǎn)生潛在安全威脅。軌道巡檢機器人通常作為一款監(jiān)控機器出現(xiàn)，用于搭載精密傳感器監(jiān)測沿途設(shè)備的運行狀態(tài)，因此機器人的定位精度及控制穩(wěn)定性也是需要保障的重要參數(shù)。軌道的沿途分布為全直軌的可能性較小，因此軌道巡檢機器人仍需要滿足能平穩(wěn)通過既定的彎道。綜合考慮，本研究設(shè)計一款能夠平穩(wěn)通過彎道、定位精度高、結(jié)構(gòu)強度高的軌道式巡檢機器人。

1.2 方案設(shè)計

為了保證機器人在軌運行具有足夠的強度且減少軌道誤差對其運動的影響，本文提出采用懸掛系統(tǒng)驅(qū)動的一體化底盤。奧迪A8系列車型采用鋁合金空間框架結(jié)構(gòu)，能極大程度的降低車身重量，同時提升碰撞安全性[7]。巡檢機器人底盤在滿足快拆需求的同時亦需要保證足夠的強度與剛度，因此考慮采用類似汽車空間框架一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合鉸鏈打開、搭扣固定連接的方式進(jìn)行快速拆裝，通過減少鉸鏈的數(shù)量保證運動的確定性，從而保證機構(gòu)運行的穩(wěn)定性。

隨著路面不平整度的增加，整車系統(tǒng)的振動增強，車輛的平順性明顯降低[8]。機器人運行與車輛運行相同，受軌道不平整度影響較大。增加驅(qū)動輪懸掛系統(tǒng)，通過懸掛系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)保證驅(qū)動輪始終接觸軌道表面，從而減小軌道連接臺階面高度變化對機器人運動的影響。機器人側(cè)面同樣引入懸掛系統(tǒng)，通過懸掛系統(tǒng)的調(diào)節(jié)降低機器人過彎瞬時速度方向的變化，減小對機器人運行穩(wěn)定性的影響。

2 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為快拆軌道式巡檢機器人底盤整體結(jié)構(gòu)，主要由承載主框、懸掛系統(tǒng)、云臺承載系統(tǒng)等組成。

1.電池2.快拆門3.定位裝置4.搭扣5.云臺承載裝置 6.側(cè)懸掛裝置7.承載主框8.驅(qū)動輪懸掛裝置

2.1 驅(qū)動輪懸掛裝置設(shè)計

驅(qū)動輪主要用于給機器人提供運動動力。軌道由于連接誤差導(dǎo)致的臺階縫隙會對驅(qū)動輪接觸軌道的面積產(chǎn)生影響，增大軌道機器人運動的不穩(wěn)定性。如圖2所示，本設(shè)計的機器人采用了燭式懸架結(jié)構(gòu)，在臺階面高度變化的位置，驅(qū)動輪沿著既定軌道豎直上下移動，懸掛僅彌補臺階面高度上的變化，因運動方向是豎直上下移動，故不會對機器人的運行產(chǎn)生附加影響。通過將滑塊固定在機器人主框上，拉簧牽動滑軌、帶動驅(qū)動輪向下貼緊軌道上表面，從而保證運動的任意時刻、任意位置驅(qū)動輪不脫離軌道上表面。通過懸掛的豎直運動抵消臺階面縫隙的影響，減小對機器人運行穩(wěn)定性的影響。

1.電機2.拉簧3.滑軌4.滑塊5.傳動件6.驅(qū)動輪

2.2 側(cè)懸掛裝置設(shè)計

如圖3所示，側(cè)懸掛裝置主要由彈簧、軸套和軸承組成。通過軸承轉(zhuǎn)動減小機器人與軌道接觸產(chǎn)生的摩擦能量損失。石墨軸套自帶潤滑功能，與軸、彈簧組成的側(cè)懸掛裝置，能減小由于彎道突變導(dǎo)致的機器人速度突變，從而減少能量損失，平穩(wěn)地通過彎道，降低彎道導(dǎo)致的機器人運行穩(wěn)定性的變化。

1.機架2.軸承3.彈簧4.軸套

3 設(shè)計分析與校核

3.1 承載主框受力選材分析

為了實現(xiàn)機器人車身輕量化與結(jié)構(gòu)一體化，首要考慮的是從材料及截面的改進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。鋁合金的密度是2.75 g/cm3，而不銹鋼合金的密度是7.84 g/cm3，等體積材料鋁結(jié)構(gòu)幫助減輕65%的重量[9]。因此使用鋁合金可有效的實現(xiàn)輕量化。此外，鋁合金與不銹鋼相比耐腐蝕性更強，并且具有非磁性[10]。耐腐蝕性強可以確保機器人框架不發(fā)生氧化、壽命更長。非磁性材料對于信號的傳輸不產(chǎn)生干擾，不會對機器內(nèi)部的傳感器及控制元件的信號傳輸產(chǎn)生影響，故綜合比較采用鋁合金作為承載主框。

鋁合金用于型材的截面形狀主要分為矩形、圓形、槽鋼、工字鋼。綜合考慮框架的連接及受力，常用于框架設(shè)計的主要有矩形和圓形。截面的形狀不同，其抗彎截面系數(shù)Z也就不同，比值Z/是用來衡量截面形狀的合理性與經(jīng)濟性的重要指標(biāo)[11]?；跇O限情況對問題進(jìn)行簡化：假設(shè)型材壁厚足夠，以至于型材為實心，則圓管抗彎截面系數(shù)與面積比值為：

方管抗彎截面系數(shù)與面積比值為：

為實現(xiàn)車身輕量化，故考慮使用等截面面積的鋁合金以尋找性能較佳者，故：

當(dāng)b＝時，有＝0.886，此時：

即等質(zhì)量鋁合金方管抗彎性能較圓管好，且隨著寬高比/的減小方管的抗彎性能增加?？紤]機器人的尺寸及連接的可靠性，經(jīng)計算后選擇機器人承載主框截面為15 mm×15 mm×1 mm的鋁合金方管。

3.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

軌道式巡檢機器人的運行路徑取決于軌道形狀，而長距離軌道的布置通常也伴隨著彎道的存在?？紤]在軌運行過程中需要通過彎道，故軌道式機器人底盤尺寸設(shè)計需要滿足一定的要求。圖4所示為機器人寬度設(shè)計所需的基本尺寸。

圖4 寬度尺寸關(guān)系圖

圖中：為機器人底盤長度尺寸；為機器人底盤貼軌寬度尺寸（最小寬度）；為軌道寬度；為側(cè)輔助輪布置基本尺寸，考慮機器人運行的對稱布置，?。剑?；＋為底盤總寬度尺寸；為彎軌半徑。上述參數(shù)單位均為mm。機器人由直軌進(jìn)入彎軌，會伴隨著自身結(jié)構(gòu)的調(diào)整，但運行過程中必須保證機體與軌道無干涉和碰撞，即需滿足：

式中：為底盤最小寬度外邊緣與彎軌圓心距離，mm。

對尺寸S，由圖中幾何關(guān)系有：

聯(lián)立式（5）和式（6），需滿足以下條件：

對于側(cè)懸掛裝置，因其作用為適應(yīng)軌道連接側(cè)壁誤差及緩沖通過彎道時候的速度變化，在通過彎軌過程中行程不大，故只需保持行程大于等于10 mm即可滿足要求。

3.3 驅(qū)動輪直徑設(shè)計

驅(qū)動輪作為機器人的動力來源，其直徑大小影響機器人穩(wěn)定運行的最大速度。通過對電機特性函數(shù)的推導(dǎo)分析，總結(jié)出直徑尺寸與速度的函數(shù)關(guān)系。軌道式巡檢機器人底盤采用便攜性電源，驅(qū)動電機選用直流無刷電機。選取RoboMaster M3508直流無刷電機，搭配C620電調(diào)控制的性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計分析介紹。

查取說明書電機性能曲線[12]可知該電機采取的勵磁方式為他勵，當(dāng)輸出扭矩1＜4.5 N·m時，其機械特性函數(shù)為[13]：

式中：為電樞轉(zhuǎn)速，r/min；為電樞電壓，V；K為與電機有關(guān)的常數(shù)；K為與電機有關(guān)的常數(shù)，K＝9.55K；為一對磁極的磁通，Wb；為電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；R為電樞電路中的電阻，Ω。

且滿足轉(zhuǎn)速和角速度為：

式中：ω為電樞角速度，rad/s。

因該電機減速比為i＝19∶1，故：

式中：2為驅(qū)動輪角速度，rad/s；為驅(qū)動輪線速度，m/s；為驅(qū)動輪半徑，m。

因式（8）中為電磁轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)定運行時輸出軸轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，則有：

式中：為底盤移動摩擦力，N。

將式（9）～式（11）代入式（8），得：

由式（8）分析可知，為曲線截距，即空載轉(zhuǎn)速，查電機說明書[12]得：空載轉(zhuǎn)速＝482 r/min，額定轉(zhuǎn)速N＝469 r/min，額定電壓＝24 V，額定電流N＝10 A。

由電樞回路中電壓平衡方程得：

故式（13）可化簡為：

由前提條件T＜4.5 N·m，代入式（11）可算得此時＜1.16m。

故當(dāng)＜1.16m時，式（15）成立。即當(dāng)0＜＜1.16時，隨著驅(qū)動輪半徑增大，穩(wěn)定運行最大速度也隨之增大，即綜合性能隨之增加。綜合考慮設(shè)計尺寸，本文實物測試中選取半徑為＝0.034 m的驅(qū)動輪，能實現(xiàn)巡檢機器人在軌道上的快速移動。

3.4 ANSYS強度校核

主框作為機器人主要的承載體，其強度決定著機器人運行的穩(wěn)定性。在模型建立完成后，通過設(shè)定參數(shù)，導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行校核分析。考慮材料重量及電機等元件重量，設(shè)定機器人云臺負(fù)載為15 kg，設(shè)置邊界條件后，等效應(yīng)力云圖和等效位移云圖結(jié)果分別如圖5和圖6所示。模擬分析中整體變形量最大為0.28 mm，出現(xiàn)在底盤中心與云臺連接位置，其余位置形變量基本維持在0.15 mm及以下，均處于變形許可范圍內(nèi)?？蚣茏畲髴?yīng)力45.94 MPa出現(xiàn)在底盤中心與云臺連接位置。最大應(yīng)力低于6061鋁合金受壓屈服強度55.2 MPa，故結(jié)構(gòu)合理，使用強度滿足。

圖5 承載主框等效應(yīng)力云圖

圖6 承載主框等效位移云圖

4 控制程序設(shè)計

軌道式巡檢機器人選擇STM32作為主控制器，采用嵌入式C語言在Keil MDK5平臺上開發(fā)。圖7為巡檢機器人的主程序系統(tǒng)流程圖。機器人上電之后，會進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)的復(fù)位，保證機械結(jié)構(gòu)回復(fù)到初始位置，防止人為因素等導(dǎo)致的機械結(jié)構(gòu)運作損失。在自檢和軌道定位初始化之后，巡檢機器人進(jìn)入自動工作模式。自動模式下，云臺在沒有識別到目標(biāo)的時候處于360°勻速巡航狀態(tài)；在識別到目標(biāo)后，云臺的控制由云臺系統(tǒng)搭乘的圖像傳感器控制，可以在底盤運動的情況下始終自動跟隨算法識別的目標(biāo)，也可以根據(jù)需求反饋識別目標(biāo)的坐標(biāo)位置。結(jié)合軌道定位、云臺陀螺儀及電機機械角度等參數(shù)，可以在未識別到特定目標(biāo)的情況下將巡航范圍劃分為若等分區(qū)域并在控制下將云臺精準(zhǔn)對向目標(biāo)區(qū)域。結(jié)合算法完成識別任務(wù)，增大巡檢機器人識別的靈活性與適應(yīng)度。

圖7 系統(tǒng)流程圖

5 實物測試與分析

為了驗證理論分析及仿真研究的正確性，本研究采用1:1實物模型驗證的方式進(jìn)行測試，圖8所示為巡檢機器人實物。采用截面為180×60 mm的矩形型材，通過內(nèi)嵌連接板的形式搭建了全長為4.79 m、包含兩個60°半徑為0.5 m彎道的S形模擬軌道。其中軌道連接位置處縫隙高度差約為1 mm，軌道材料為鋼，表面采用灰綠色烤漆工藝。為更準(zhǔn)確模擬巡檢機器人的運行狀態(tài)，在底盤下方加載一質(zhì)量為4.2 kg的可控云臺，限制底盤功率為20 W進(jìn)行測試。通過記錄全軌運行時間折算得到平均速度，圖9所示為速度測試折線圖，平均速度為1.18 m/s，且數(shù)據(jù)上下波動較小。

編碼器定位誤差的測量通過控制編碼器轉(zhuǎn)動固定角度，且限制轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn)速，記錄往返運動后標(biāo)定點的偏離距離作為編碼器定位誤差。圖10所示為恒定最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min時標(biāo)定點的偏移距離測試結(jié)果。圖11所示為標(biāo)定點偏移距離與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。測試結(jié)果顯示定位誤差存在小幅度波動，但出現(xiàn)的誤差為＋5 mm居多，且測試誤差均值接近5 mm。

圖8 實物測試模型

圖9 軌道運行速度測試

圖10 恒定轉(zhuǎn)速下定位誤差測量

圖11 定位誤差與最高轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

各項測試參數(shù)結(jié)果如表1所示。測試中機器人能滿足原設(shè)計需求，能夠適應(yīng)由于軌道連接誤差引起的臺階縫隙及安全平穩(wěn)通過彎道。編碼器定位系統(tǒng)獲得定位效果也較為準(zhǔn)確，但考慮性能的優(yōu)化提高，對該矩形軌道式巡檢機器人底盤提出改進(jìn)方案：

（1）承載主框上框改進(jìn)為非封閉型，可適應(yīng)長距離的吊裝軌道，適用環(huán)境可由當(dāng)前的短距離立裝軌道擴大為長距離吊裝軌道。

（2）結(jié)合鋼鋁一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對承重主框下方與云臺連接部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改良，減小等效應(yīng)力及最大等效位移，提高機器人壽命。

表1 測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本研究提出一種軌道式巡檢機器人底盤結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計、校核和實物測試，結(jié)果表明所提出的承載主框和懸掛系統(tǒng)的矩形軌道式巡檢機器人底盤形式合理，懸掛與驅(qū)動輪、側(cè)輪、定位裝置的結(jié)合能夠消除因軌道連接誤差引起的臺階縫隙對軌道機器人運行的影響，保證驅(qū)動輪在運行的任意時刻不失效，安全平穩(wěn)地通過彎道。

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Design and Realization of an Orbital Inspection Robot Chassis

YE Rihong，ZHOU Zida，LIN Zerun，WANG Pengfei

(College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

The connection of rectangular orbit will produce gap at connecting step, and the movement direction will change when the robot passes through the curve, which will affect the operation stability. Aiming at solving the problem, a quick release orbital inspection robot chassis is designed. The robot chassis is mainly composed of a load-bearing frame, a driving wheel suspension device, a positioning device, a curve suspension device, and a pan load-bearing device. The influences of joint gap and curve speed variation on the robot operation stability is greatly reduced by a reasonable arrangement of the suspension structures. ANSYS analysis and physical verification is used to verify that the proposed orbital inspection robot chassis can be mounted on the track quickly, reduce the orbit connection errors, and pass through the curve smoothly.

orbital；inspection robot；chassis；structural design；quick release

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.012

1006－0316 (2020) 10－0074－07

2020－04－20

深圳大學(xué)青年教師教改項目（JG2018095）；聚徒教學(xué)項目（2020016）

葉日鴻（1999－），男，廣東湛江人，主要研究方向為機械工程及自動化研究。

汪朋飛（1983－），男，湖北天門人，博士，副研究員，主要研究方向為機械創(chuàng)新設(shè)計與摩擦學(xué)，E-mail：wangpf@szu.edu.cn。