龔 楠，張敏良，謝 浩，史春光，柴寧生

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)和自動化水平的高速發(fā)展，許多具有高空危險性作業(yè)，對于“機(jī)器代人”的需求日益明顯［1］。例如，高空電線桿的維護(hù)、路邊燈的維修、樹木的修剪等工作。目前，傳統(tǒng)檢測工作主要是由人工觀察以及無人機(jī)進(jìn)行圖像采集。而維修工作需要工作人員攀爬到相應(yīng)位置進(jìn)行維修和檢測，這對于人身安全產(chǎn)生較大的危害。為此，許多學(xué)者對攀爬機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。爬桿機(jī)器人爬升機(jī)構(gòu)的原理主要分為行星輪式、履帶式、足腿式等［2－4］。行星輪爬升載體波動較大，在沒有外力的輔助時會降低安全性；履帶式機(jī)構(gòu)，在攀爬過程中對壁面損害較大；足腿式機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，穩(wěn)定性差，價格昂貴?，F(xiàn)有的攀爬機(jī)器人大部分采用多個驅(qū)動機(jī)構(gòu)分別對上升、下降交替夾持單獨(dú)控制，成本較高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜［5－6］。基于上述考慮，本文提出一種基于間歇齒輪的爬升機(jī)構(gòu)，使其通過一個齒輪驅(qū)動，完成對爬升和抓取功能的實(shí)現(xiàn)。

1 攀爬機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該研究設(shè)計(jì)的攀爬機(jī)器人，使用蠕動式爬行的運(yùn)動形式，主要由間歇齒輪、升降凸輪和平移桿3 部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。使用第一個間歇機(jī)構(gòu)（如圖3）與升降凸輪實(shí)現(xiàn)上升與下降的功能；使用第二個間歇機(jī)構(gòu)（如圖4）與往復(fù)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾持的功能。通過間歇齒輪齒數(shù)的設(shè)計(jì)來協(xié)調(diào)兩功能的連貫運(yùn)動，并且能夠調(diào)節(jié)上下夾持的順序。

圖1 攀爬機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of climbing robot

在設(shè)計(jì)時，通過改變間歇機(jī)構(gòu)中兩齒輪的外緣尺寸和齒數(shù)的修整，來控制夾持機(jī)構(gòu)和爬升機(jī)構(gòu)的交替運(yùn)作，同時調(diào)整與上下夾持機(jī)構(gòu)配合的間歇機(jī)構(gòu)初始位置，來進(jìn)行交替夾持的動作。為了避免機(jī)器人在運(yùn)動過程中掉落，上下夾持手中至少有一個處于夾緊狀態(tài)。考慮到機(jī)器人質(zhì)量，選擇機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)來夾持。

1.2 各部位運(yùn)動狀態(tài)圖

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將一個運(yùn)動周期分成7 份，機(jī)器人在攀爬時處于6 種不同的運(yùn)動狀態(tài)，如圖2 所示。

圖2 攀爬機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)圖Fig.2 Movement state diagram of climbing robot

從中可以看出，攀爬機(jī)構(gòu)一個周期占據(jù)夾持機(jī)構(gòu)的4／7，則夾持機(jī)構(gòu)與攀爬機(jī)構(gòu)的傳動比為4∶7。其中，狀態(tài)1 為初始狀態(tài)，此時下夾持機(jī)構(gòu)夾緊在燈桿上，上夾持機(jī)構(gòu)處于松開狀態(tài)，兩夾持手的軸向距離最短；狀態(tài)2 啟動電機(jī)，在1／7 周期內(nèi)，使得電機(jī)帶動凸輪旋轉(zhuǎn)180°，此時兩夾持爪距離隨之增加；狀態(tài)3 電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，間歇齒輪使得爬升運(yùn)動停止，配合齒輪帶動上夾持爪的間歇機(jī)構(gòu)在1／7 周期內(nèi)夾持物體，并保持夾持動作；狀態(tài)4 時，當(dāng)上夾持爪抓緊燈桿后收回下夾持爪，并且維持一定時間；狀態(tài)5 時，當(dāng)下夾持爪收回后，攀爬機(jī)構(gòu)間歇齒輪使得凸輪旋轉(zhuǎn)180°，下夾持爪上升一定的行程；狀態(tài)6，機(jī)構(gòu)穩(wěn)定后，在1／7 周期內(nèi)伸出下夾持爪夾緊燈桿，此時上夾持手與下夾持手都處于夾緊狀態(tài)，且縱向距離最短。上述動作重復(fù)循環(huán)，爬桿機(jī)器人能夠自動進(jìn)行向上爬桿動作，并且使用一個電機(jī)和齒輪實(shí)現(xiàn)夾持和上升的動作。

1.3 間歇齒輪設(shè)計(jì)

為了滿足上述運(yùn)動配合，爬升機(jī)構(gòu)需要在1／7周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)爬升，在3／7 周期內(nèi)停止運(yùn)動。考慮180°的間歇機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，爬升機(jī)構(gòu)齒輪的形狀如圖3所示。在設(shè)計(jì)時，選擇齒輪1 原齒輪數(shù)為10，齒輪2原齒輪數(shù)為16。齒輪1 旋轉(zhuǎn)180°時經(jīng)過的齒數(shù)為3。

圖3 攀爬機(jī)構(gòu)間歇齒輪Fig.3 Intermittent gear of climbing mechanism

夾持機(jī)構(gòu)的間歇機(jī)構(gòu)與攀爬機(jī)構(gòu)類似，根據(jù)需求上夾持機(jī)構(gòu)初始處于未夾持狀態(tài)。按照上述狀態(tài)的描述來設(shè)計(jì)如圖4 所示的3 齒輪的齒形，將上夾持手與爬升機(jī)構(gòu)相互配合。

圖4 上夾持機(jī)構(gòu)間歇齒輪Fig.4 Intermittent gear of upper clamping mechanism

下夾持機(jī)構(gòu)初始處于夾持狀態(tài)，設(shè)計(jì)如圖5 所示的4 齒輪齒形。將上下夾持手夾持節(jié)奏集中到一個運(yùn)動周期不同節(jié)拍中，實(shí)現(xiàn)在相同轉(zhuǎn)速情況下，合理配合夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動并保證在運(yùn)動過程中至少有一端處于加緊狀態(tài)。

圖5 下夾持機(jī)構(gòu)間歇齒輪Fig.5 Intermittent gear of lower clamping mechanism

齒輪1 選用與爬升機(jī)構(gòu)相同的齒輪，設(shè)計(jì)齒輪3與齒輪4 的齒數(shù)為28 齒。根據(jù)齒輪嚙合的條件，具體參數(shù)見表1。

表1 間歇齒輪參數(shù)Tab.1 Intermittent gear parameters

1.4 往復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使得180°間歇機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾持功能，在1 齒輪中加入回轉(zhuǎn)往復(fù)機(jī)構(gòu)，如圖6 所示。為了保證夾持機(jī)構(gòu)平穩(wěn)的夾持壁面，要求對直線型往復(fù)機(jī)構(gòu)偏心距尺寸大小進(jìn)行設(shè)定。

圖6 夾持手往復(fù)機(jī)構(gòu)Fig.6 Gripper reciprocating mechanism

如圖7 所示，基于實(shí)際情況，夾持爪夾持橫向跨度h的最小值應(yīng)略小于0，這里?。?.12 mm，其目的使得機(jī)構(gòu)更加緊實(shí)，并且不會破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)能較好的完成夾持工作需要滿足以下條件：

圖7 夾持手結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of gripper

因此，將往復(fù)機(jī)構(gòu)偏心距取4.05 mm。當(dāng)1 齒輪旋轉(zhuǎn)半周時，使得夾持手牢固夾持壁面。

2 運(yùn)動學(xué)仿真分析

對攀爬機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，可以檢測爬升動作是否存在干涉，并且檢查其穩(wěn)定性和可靠性。將SolidWorks 建立簡化模型導(dǎo)入Adams 軟件，進(jìn)行步態(tài)分析，檢驗(yàn)爬升機(jī)構(gòu)是否滿足爬升的要求。燈桿材質(zhì)選為冷鍍鋅鋼；爬桿機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)材料選用鋼，重量為150 kg；兩者接觸摩擦因子設(shè)置為0.45。

2.1 攀爬過程位移分析

通過對爬桿機(jī)器人爬桿動作進(jìn)行仿真，測得爬桿機(jī)器人上夾持機(jī)構(gòu)質(zhì)心縱向位移變化曲線如圖8 所示。

圖8 上夾持爪縱向位移變化曲線Fig.8 Longitudinal displacement curve of upper clamping claw

由圖8 可知，由于偏心凸輪使機(jī)器人的攀爬距離固定，攀爬機(jī)器人在一個周期內(nèi)爬行了14 mm，并且曲線較為平滑。說明該機(jī)器人攀爬過程較為平穩(wěn)，能夠使其在預(yù)定的方向進(jìn)行攀爬。由圖9 可知，瞬時速度最大為11.1 mm／s。在仿真過程中，爬桿機(jī)器人上升過程的平均速度約為6.4 mm／s，并且未出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

圖9 上夾持爪縱向速度變化曲線Fig.9 Longitudinal velocity change curve of upper clamping claw

2.2 夾持手夾持力分析

通過對爬桿機(jī)器人攀爬過程中夾持動作仿真分析，測得單側(cè)夾持力與桿件平均接觸力約為200 N。如圖10 所示，由于受間歇凸輪的影響，夾持機(jī)構(gòu)會在接觸之后受到整體收緊，所以圖像在接觸瞬間會受到輕微的波動，但整體保持穩(wěn)定的狀態(tài)。最大夾持力為417.7 N。

圖10 上夾持爪單側(cè)夾持力變化曲線Fig.10 Variation curve of unilateral clamping force of upper clamping claw

2.3 攀爬機(jī)器人可靠性分析

爬桿機(jī)器人通過齒輪的配合，能確保上下夾持機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，始終保持有一端夾緊。180°的往復(fù)機(jī)構(gòu)可以盡可能確保在設(shè)備故障之后能達(dá)到夾持的作用，避免掉落之后損壞。由圖8、9 可知，根據(jù)爬桿機(jī)器人運(yùn)動仿真分析，攀爬運(yùn)動軌跡平滑，并沒有劇烈的震動，保證各零件的使用期限。

3 結(jié)束語

本文提出的新型爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)，采用間歇齒輪與往復(fù)機(jī)構(gòu)的配合，達(dá)到依靠簡單驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)爬桿的效果。對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真分析，結(jié)果表明：

（1）該結(jié)構(gòu)參數(shù)合理。通過3 個間歇齒輪的相互配合能完成爬升動作，設(shè)計(jì)第一個間歇機(jī)構(gòu)與凸輪的配合實(shí)現(xiàn)爬升效果，設(shè)計(jì)第二個間歇齒輪與往復(fù)機(jī)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)夾持效果。設(shè)計(jì)第三個間歇齒輪與第二個間歇齒輪實(shí)現(xiàn)夾持手的開合。

（2）爬升過程運(yùn)動平穩(wěn)。通過對爬桿機(jī)器人運(yùn)動仿真后，對其爬升行程、速度及夾持力進(jìn)行分析，爬桿機(jī)器人能夠按照預(yù)定方向完成平穩(wěn)的運(yùn)動，夾持力也沒有產(chǎn)生較大的波動。