王曦鳴, 周虎

軌道交通巡檢移動平臺研究與設計

王曦鳴1, 周虎2

(1. 湖南科技職業(yè)學院 智能裝備技術(shù)學院, 湖南 長沙, 410004; 2. 長沙市軌道交通集團有限公司, 湖南 長沙, 410019)

為適應軌道交通系統(tǒng)設備多、復雜多變的環(huán)境, 提出了一種適用于軌道交通領(lǐng)域的巡檢移動平臺。它具有兩足, 能夠兩足交替抬離地面實現(xiàn)類似步行的步態(tài)。進行了巡檢移動平臺的結(jié)構(gòu)設計、運動學分析以及穩(wěn)定性分析, 為平臺設計提供了理論支撐。在多體動力學仿真軟件中建立該兩足巡檢移動平臺的虛擬樣機模型, 進行了步行仿真。在此基礎(chǔ)上, 制作了1臺樣機, 實現(xiàn)了期望的移動。該巡檢移動平臺結(jié)構(gòu)設計靈巧, 控制簡單, 具有一定的實用價值。

軌道交通; 巡檢; 移動平臺; 研究與設計

城市軌道交通具有節(jié)能環(huán)保、方便快捷、運量大等特點, 是城市綜合交通運輸體系的重要組成部分。車輛、通信、信號、電力、機電、線路、隧道等各專業(yè)設備設施是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分, 其技術(shù)狀態(tài)直接影響城市軌道交通運營的安全性和可靠性。因此, 各軌道交通運營單位會安排檢修人員定期對各專業(yè)設備設施進行日常巡檢作業(yè), 以期及時發(fā)現(xiàn)故障苗頭并妥善處理, 保證各專業(yè)設備設施安全可靠。

受限于檢修人員的業(yè)務技能及身體狀態(tài), 人工巡檢經(jīng)常存在漏檢、誤檢。同時隨著人力成本增長, 越來越多的軌道交通運營單位及相關(guān)科研院所開展了軌道交通巡檢機器人的研究。中國鐵道科學研究院電子計算技術(shù)研究所研制了一種動車組車底故障檢修機器人。該機器人主要包括智能輪式行走小車和一個6軸機械臂, 能對動車組車底底板、氣液管路、轉(zhuǎn)向架、輪對等可視部位及人工無法到達的關(guān)鍵位置進行近距離觀察[1]。秦昌[2]等提出一種軌道交通底部檢測裝置, 由底部檢測單元和遙控器組成, 底部檢測單元主要包括履帶機器人小車和圖像采集設備。陳榮順[3]等研制了一種中低速磁浮線路F型軌道巡檢機器人, 采用輪軌接觸式走行系統(tǒng)。通過相關(guān)文獻的研究, 發(fā)現(xiàn)軌道交通巡檢機器人的移動平臺結(jié)構(gòu)多為輪式、履帶式、軌道式等類型[4–10]。這些類型的移動平臺越障能力較弱或移動不夠靈活, 而軌道交通機器人巡檢作業(yè)需要跨越門檻(擋鼠板)、臺階、水溝、軌道等障礙物。因此, 為了更好地適應軌道交通系統(tǒng)設備多、環(huán)境復雜多變的特點, 本文進行了足式巡檢移動平臺的研究。

1 巡檢移動平臺結(jié)構(gòu)設計

該軌道交通巡檢移動平臺是一種空間閉鏈四桿機構(gòu), 由4個機械構(gòu)件組成, 如圖1所示。其中, 構(gòu)件1、3為左、右足, 構(gòu)件2、4為中間連桿。兩足的結(jié)構(gòu)相同, 分別通過兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與連桿1、連桿2連接。該巡檢移動平臺上的4個轉(zhuǎn)動副的軸線相互平行。安裝在其中一個轉(zhuǎn)動副上的電動機, 作為驅(qū)動中間連桿轉(zhuǎn)動的動力。不妨設發(fā)動機安裝在左足上, 于是左腳為驅(qū)動足, 右腳為從動足。

圖1 雙足巡檢移動平臺

2 運動學分析

該巡檢移動平臺能夠?qū)崿F(xiàn)兩足交替抬起、落地的類人步行。其移動的基本方式為: 初始時刻, 驅(qū)動足、從動足完全接觸地面, 電機驅(qū)動中間連桿轉(zhuǎn)動, 從動足在中間連桿的作用下抬起并向前運動; 當從動足完全接觸地面之后, 電機轉(zhuǎn)矩仍然作用于中間連桿, 驅(qū)動足在中間連桿的作用下抬離地面, 并向前運動, 完成一個步行移動周期。

當邁步足抬起并向前移動時, 如果邁步腳重心沒有落入由支撐腳形成的支撐平面內(nèi), 整個平臺會向邁步足一側(cè)傾斜, 并以類似文獻[11]中提到的另一種爬行步態(tài)移動。因此, 兩足被設計為相互嵌入的結(jié)構(gòu)形式, 以獲得穩(wěn)定的行走。

圖2 坐標系及幾何參數(shù)示意圖

如圖2所示, 在支撐足的底板中心建立參考坐標系∑000, 坐標系∑111、∑222分別固結(jié)于兩足質(zhì)心。

已知左足、右足的機械結(jié)構(gòu)相同, 假設足底長為、寬為。兩足相互嵌入部分的寬度為, 兩足的質(zhì)心距離足底板距離均為c, 距離足內(nèi)側(cè)為c。兩足在足的長度方向上為對稱結(jié)構(gòu), 不妨假設兩足的質(zhì)心分別位于其長度方向的幾何中心。兩足之間橫向距離為, 縱向間距為, 均由中間連桿的結(jié)構(gòu)尺寸決定。時刻中間連桿的轉(zhuǎn)角為。不妨設兩足的質(zhì)量相同(1=2=), 又中間連桿的質(zhì)量相對于足的質(zhì)量來說很小, 忽略不計(3=0)。

在一個步行周期以內(nèi), 中間連桿的轉(zhuǎn)角由0變化至2p。當∈[0,p]時, 左、右足質(zhì)心在坐標系000中分別為

當∈[p, 2p]時, 左、右足質(zhì)心在坐標系000中分別為

3 穩(wěn)定性分析

在移動過程中, 該雙足巡檢移動平臺能保持動作協(xié)調(diào)連續(xù)且整體處于不失穩(wěn)狀態(tài)的條件是系統(tǒng)的ZMP[12]點必須始終位于由支撐足決定的支撐平面內(nèi)。

將式(1)~(4)代入ZMP點的計算式(5)、(6), 計算該兩足巡檢移動平臺的ZMP。

x()、y()、z()為第個構(gòu)件重心坐標,g、g、g為重力加速度在基坐標系下的分量。

通過計算得到, 當∈[0,p]時, 在不同電機角速度(rad/s)下, 該兩足巡檢移動平臺的ZMP為

當∈[p, 2p]時, 該兩足巡檢移動平臺的ZMP為

由式(7)~(10)可知, 該雙足巡檢移動平臺zmp與中間連桿長度, 足的質(zhì)心高度c、中間連桿的角度以及轉(zhuǎn)動角速度相關(guān)。zmp與中間連桿長度, 兩足之間的橫向間距, 足的質(zhì)心距離足內(nèi)側(cè)距離c, 中間連桿的角度以及轉(zhuǎn)動角速度相關(guān)。

由運動和幾何關(guān)系可得該雙足巡檢移動平臺zmp允許的變化范圍為

-/2 ∈[0,p], (11)

-/2-∈[p, 2p]。 (12)

zmp允許的變化范圍為

-/2 ∈[0,p], (13)

/2 +-∈[p, 2p]。 (14)

為了實現(xiàn)穩(wěn)定行走, 該兩足巡檢移動平臺的ZMP要滿足式(11)~(14)。

4 仿真與實驗

在多體動力學仿真軟件ADAMS中建立了該2足步行巡檢移動平臺的虛擬樣機模型, 并進行了運動仿真。如圖3所示為該2足步行巡檢移動平臺的1個步行周期。

圖3 巡檢移動平臺虛擬樣機及其步行周期

在運動仿真的基礎(chǔ)上, 研制了巡檢移動平臺的第1代樣機, 實現(xiàn)了2足交替抬起、接地行走的步態(tài), 如圖4所示。

圖4 巡檢移動平臺樣機

5 總結(jié)

提出了一種新型軌道交通巡檢移動平臺, 分析了其結(jié)構(gòu)組成、步態(tài)以及穩(wěn)定性, 在Adams環(huán)境下進行了運動仿真, 并制作了模型樣機。通過仿真及樣機試驗, 證明該2足步行巡檢移動平臺可實現(xiàn)兩足交替行走步態(tài)。

該巡檢移動平臺可實現(xiàn)類人行走, 運動靈活, 易于控制。在該平臺上可搭載傳感器、攝像頭、定位器、天線等設備, 代替工人進行城市軌道交通車輛、通信、信號、電力、機電、線路、隧道等專業(yè)設備設施巡檢作業(yè), 可為今后巡檢機器人的研究提供參考。

[1] 李卓. 動車組故障檢測機器人系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 鐵路計算機應用, 2017(7): 24–26, 36.

[2] 陳晨宗. 動車組車底檢修機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 輕工科技, 2020(3): 63–64.

[3] 陳榮順. 中低速磁浮線路巡檢機器人概述[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 2019(12): 183–185.

[4] 王健. 鐵路機輛車底智能巡檢機器人的設計研究[J]. 工程技術(shù)研究, 2018(8): 210–211.

[5] 董龍飛, 陶衛(wèi)軍. 變電站巡檢機器人結(jié)構(gòu)設計與分析[J]. 兵工自動化, 2019, 38(9): 78–81.

[6] 朱宇昌. 防爆輪式巡檢機器人設計及應用[J]. 制造業(yè)自動化, 2019, 41(2): 39–40.

[7] 侯娜. 地鐵站機房職能巡檢機器人系統(tǒng)設計與應用[J]. 河南科技, 2018(11): 29–31.

[8] 高亮, 孫翠玲, 張志成. 高速鐵路信號中繼站智能巡檢系統(tǒng)[J]. 中國鐵路, 2019(11): 39–43.

[9] 李恒. 鐵路信號中繼站懸掛軌道式智能巡檢機器人系統(tǒng)分析[J]. 大眾標準化, 2020(3): 113–114.

[10] 田俊. 申城地鐵線路全自動巡檢探索[J]. 都市快軌交通, 2019, 32(5): 19–24.

[11] 王曦鳴, 姚燕安. 一種單動力三桿兩足移動機構(gòu)[J]. 機器人, 2009, 31(3): 262–269.[

[12] 伍科布拉托維奇, 馬培蓀, 沈乃勛. 步行機器人和動力型假肢[M]. 北京: 科學出版社, 1983.

Research and design of mobile platform for rail transit inspection

Wang Ximing1, Zhou Hu2

(1. Hunan Vocational College of Science and Technology, Changsha 410004, China; 2. Changsha Metro Group Co Ltd, Changsha 410019, China)

A mobile platform that can be used in the inspection field of rail transit is proposed, in order to adapt to the multi-equipment , complex and changeable environment. It has two feet, which can be lifted off and touch the ground alternately to achieve a gait similar to walk. The structure design, kinematics analysis and stability analysis of the mobile platform are carried out, which provide theoretical support for the design of the platform. A virtual prototype of the mobile platform is modeled in ADAMS, and a simulation is carried out. On this basis, a prototype is made to realize the desired gait similar to walk. The mobile platform has a certain practical value, which has a smart structure design, and is easy to control.

rail transit; inspection; mobile platform; study and design

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.01.014

TP 24

A

1672–6146(2021)01–0064–05

王曦鳴,ximingw@126.com。

2020–06–22

湖南省教育廳科學研究項目(18C1430)。

(責任編校: 劉剛毅)