郭煒民，陳新元

（武漢科技大學 機械自動化學院，武漢 430081）

0 引言

三峽大壩永久船閘，是全世界最大的船閘。而船閘的啟停升降，是通過一邊一個共計兩個超大液壓缸完成的，船閘活塞桿是船閘啟停升降的關(guān)鍵[1～4]。因此，定期的對活塞桿表面進行檢修就極為重要。目前，船閘活塞桿的表面檢測主要是通過人工檢測，在液壓缸旁建立桁架，通過肉眼仔細檢測活塞桿表面是否有缺陷，不僅費時費力，且人工檢測存在偏差和遺漏。因此設(shè)計一個自動化的船閘活塞桿表面檢測裝置，具有十分重要的意義[5]。

國外對攀爬機器人的研究很多，如西班牙的Juan Carlos Grieco*，Manuel Prieto等[6]成功研制了一種能夠在鐵磁壁面上攀爬的機器人，實現(xiàn)工業(yè)環(huán)境中的檢測、維護，但其攀爬面為平面，現(xiàn)場可利用空間受限，滿足不了攜帶檢測裝置的要求。國內(nèi)山東建筑大學張連濱、魯守銀、曹正彬等[7,8]研發(fā)了一種負重爬樹機器人，該機器人既可實現(xiàn)攀爬運動，又可控制夾緊機構(gòu)對樹干的夾持力。但活塞桿表面光滑，其夾緊機構(gòu)難以夾住活塞桿，完成一端夾緊另一端升降的工作，且控制三個氣缸同步運動難度大。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學，同濟大學等高校在攀爬機器人的研究方向上也做了很多工作，為后續(xù)攀爬機器人的研究工作積累了豐富的經(jīng)驗。但以上機器人的承載能力有限，不能夠攜帶檢測裝置，滿足不了對活塞桿表面信息的采樣需求。

本文提出一種大型船閘活塞桿表面缺陷檢測機器人，通過磁力吸附步進裝置來實現(xiàn)對活塞桿的吸附、松弛，由主體電推桿來實現(xiàn)攀爬動作，通過直流編碼電機來控制相機位于活塞桿表面的不同方位，從而將活塞桿表面的三維信息進行二維展開。設(shè)計出的機器人可攜帶拍照裝置完成檢測工作，對活塞桿表面無損檢測等工業(yè)信息的采集具有重要意義。

1 機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在船閘活塞桿表面檢測機器人的設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)對活塞桿全方位的檢測，必須設(shè)計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)沿著活塞桿表面攀爬并圍繞活塞桿表面旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)，使得檢測裝置位于活塞桿表面的不同方位，以實現(xiàn)對活塞桿表面的檢測。

大型船閘活塞桿表面檢測機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，包括主體、磁力吸附步進裝置、檢測裝置、相機載體、齒輪齒條機構(gòu)。主體上下側(cè)固定聯(lián)結(jié)磁力吸附裝置，主體的上端裝備有檢測裝置、相機載體、齒輪齒條機構(gòu)。主體上下側(cè)磁力吸附裝置可獨立控制，完成對活塞桿的吸附、松弛。主體為攀爬裝置，由改進的電推桿構(gòu)成，通過主體電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)在活塞桿表面上攀爬。

圖1 大型船閘活塞桿表面檢測機器人

磁力吸附步進裝置[9]機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。主體部分由2個吊裝磁鐵通過聯(lián)結(jié)軸組合在一起，聯(lián)結(jié)軸上有順時針轉(zhuǎn)動90°，逆時針轉(zhuǎn)動90°的限位開關(guān)。步進電機通過減速器帶動磁鐵正反轉(zhuǎn)90°，從而控制磁力吸附步進裝置的吸附、松弛狀態(tài)，兩個吊裝磁鐵分別固定在電推桿上部的上下兩端，既能在一定程度糾偏，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

檢測裝置如圖1所示，電機控制相機載體沿著活塞桿表面做圓周運動，相機在活塞桿的不同方位拍照。為減少滑動過程中的摩擦力，相機載體與齒條之間通過滾珠連接，絲桿電機可以調(diào)整相機與活塞桿的物距，從而改變所獲取圖像的檢測范圍。

2 機器人的控制與工作原理

2.1 控制界面設(shè)計

圖2 人機參數(shù)界面設(shè)置

大型船閘活塞桿表面檢測機器人參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示。通過設(shè)定攀爬機器人的升降步長、旋轉(zhuǎn)角度等相關(guān)參數(shù)，控制器通過分別控制電機的正反轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)吸附、攀爬、拍照、調(diào)距等動作，控制器通過無線路由器接收PC機發(fā)送的控制指令，將活塞桿表面的取樣信息傳給上位機，對所獲取的圖像進行處理，拼接，從而獲取活塞桿的表面信息。

2.2 工作原理

操作人員把環(huán)形齒圈環(huán)繞在大型船閘活塞桿的外側(cè)后，通過肉眼檢測機器人的盲區(qū)，也即是活塞桿底部位于相機下端處。通過上下磁力吸附電機的交替工作，實現(xiàn)對活塞桿表面的吸附、松弛；通過主體推桿電機實現(xiàn)對活塞桿表面的攀爬動作；通過直流編碼電機來控制相機位于活塞桿表面的不同方位，進而將活塞桿表面的三維信息進行二維展開。

圖3 船閘活塞桿二維信息展開圖

3 機器人的有限元分析

由于機器人是進行高空作業(yè)，因此，必須保證對活塞桿表面有足夠的吸附力，以免發(fā)生危險。機器人的總重量約為50kg，所選磁力裝置的額定拉力為200kg，磁力裝置與活塞桿表面之間的摩擦系數(shù)為0.15[10]。

3.1 有限元模型的建立

在SoildWorks中建立大型船閘活塞桿表面檢測機器人的三維圖實體，將其進行簡化，而后導入Workbench中。

3.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

建立有限元模型時，上齒圈底座為45號鋼，其彈性模量為2.09×1011，泊松0.269，其余材料均為鋁，其彈性模量為7.1×1010。下端均設(shè)為45號鋼，磁力步進吸附裝置與活塞桿表面設(shè)為摩擦接觸，摩擦因素為0.15，其余均設(shè)為bonded，并在受力處進行網(wǎng)格細分。

圖4 機器人整體受力圖

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)所建立的有限元模型，進行靜力學分析，得到大型船閘活塞桿表面檢測機器人的應(yīng)變圖和應(yīng)力圖。

圖5 大型船閘活塞桿表面檢測機器人的應(yīng)力應(yīng)變圖

1）誤差大小評價

從圖5(a)、圖5(b)中可以看出，在2000N吸附力，摩擦系數(shù)f為0.15情況下，船閘活塞桿表面檢測機器人并未出現(xiàn)滑動，從圖5(a)可知機器人上部最大變形約為14.2mm，在允許的誤差范圍內(nèi)。

2）材料安全性評價

從圖5(b)可以看出，機器人上部環(huán)形齒圈的最大應(yīng)力為68.5MPa，小于124Mpa，固材料符合安全要求。

4 結(jié)語

針對船閘活塞桿缺陷檢測的具體工況，設(shè)計一種自動化的檢測機器人來替代人工操作。重點放在對機器人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新上，利用改進的電推桿實現(xiàn)在活塞桿表面的攀爬動作，利用磁力吸附步進裝置實現(xiàn)對活塞桿表面的吸附、松弛動作，利用齒輪齒條機構(gòu)使相機位于活塞桿表面的不同方位，將活塞桿表面的三維信息進行二維展開，從而獲取缺陷所在的位置。并對所設(shè)計的大型船閘活塞桿表面檢測機器人進行有限元分析，結(jié)果表面，磁力吸附步進裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對活塞桿表面的吸附。檢測裝置運動過程中的最大擾度14.2mm，符合表面檢測誤差預期。齒圈承載最大應(yīng)力為68.5Mpa，符合材料安全性要求。