門勝強(qiáng),錢利軍

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0 引言

軌道巡檢機(jī)器人在軌道上作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)軌道的走勢而上升或者下降。對于角度較小的坡度(<30°)，一般采取增加軌道與機(jī)器人驅(qū)動輪之間的摩擦來實(shí)現(xiàn)爬坡，但如果角度繼續(xù)增加，甚至近乎垂直上升的情況，單純地靠增加驅(qū)動輪與軌道之間的摩擦力就不能實(shí)現(xiàn)爬坡要求[2]。針對這一問題，現(xiàn)設(shè)計(jì)出一種新的升降軌道，它可以適應(yīng)0～90°角度的坡度。同時(shí)有防止墜落，防止巡檢機(jī)器人從軌道脫落的機(jī)構(gòu)，安全系數(shù)較高。

1 設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)一段可升降軌道(動軌)，一段與地面成任意角度的固定導(dǎo)軌。導(dǎo)軌與動軌上的兩組限位輪限制動軌的運(yùn)動方向，使其只能沿著導(dǎo)軌運(yùn)動。動軌導(dǎo)向輪組與動軌軌道之間的角度可調(diào)，在運(yùn)動過程中動軌軌道始終保持水平狀態(tài)。動軌運(yùn)動在絞盤牽引下，實(shí)現(xiàn)與上下軌道(對接軌道)對接。

如圖1所示。當(dāng)巡檢機(jī)器人需要上坡時(shí)：升降軌道下降與下軌道對接→巡檢機(jī)器人駛?cè)肷弟壍馈弟壍涝诮g盤的牽引下上升→升降軌道與上軌道對接→巡檢機(jī)器人駛?cè)肷宪壍馈?/p>

圖1 任意角度軌道升降

同理，當(dāng)巡檢機(jī)器人需要下降時(shí)：升降軌道上升與上軌道對接→巡檢機(jī)器人駛?cè)肷弟壍馈弟壍涝诮g盤的牽引下靠重力下降→升降軌道與下軌道對接→巡檢機(jī)器人駛?cè)胂萝壍繹3]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 對接軌道設(shè)計(jì)

在動軌兩端裝有導(dǎo)向塊，在上下對接軌道端面都安裝有導(dǎo)向槽。如圖2所示，導(dǎo)向槽呈靠口喇叭狀，當(dāng)動軌靠近對接軌道時(shí)，導(dǎo)向槽能夠引導(dǎo)動軌順利對接。這種設(shè)計(jì)能夠允許動軌在運(yùn)動過程中產(chǎn)生一定的位置誤差，從而降低了制造和安裝的要求，提高了對接的可靠性。

圖2 軌道對接

2.2 動軌設(shè)計(jì)

動軌是本方案的核心機(jī)構(gòu)，包含導(dǎo)向功能、剎車功能、緩沖功能、角度調(diào)整功能及限位功能。動軌如圖3所示。

圖3 動軌

導(dǎo)向功能：導(dǎo)向功能由對稱的兩組導(dǎo)向輪卡在導(dǎo)軌上，保證動軌的運(yùn)動姿態(tài)。

圖4 受力分析

剎車功能：動軌在正常上下運(yùn)動時(shí)，絞盤拉動緩沖彈簧，通過拉環(huán)、連桿給剎車片以拉力，使剎車片不與導(dǎo)軌接觸，此時(shí)剎車片與導(dǎo)軌之間無摩擦力。當(dāng)出現(xiàn)意外(比如鋼絲繩斷裂)時(shí)，剎車彈簧收縮，使剎車片緊貼在導(dǎo)軌上，從而阻止動軌進(jìn)一步下降。

要實(shí)現(xiàn)以上功能，絞盤牽引力Fg與剎車彈簧的拉力Fs之間必須滿足以下條件(圖4)[4]：

(1)

由于動軌勻速上下時(shí)，絞盤拉力等于動軌重力G1，即：

Fs=G1

所以式(1)可以寫成：

(2)

即：

(3)

其中，α、β、γ為剎車片剛好接觸導(dǎo)軌時(shí)的角度。

同時(shí)，剎車片與軌道之間的摩擦系數(shù)μ與剎車彈簧的彈性系數(shù)、動軌的總重量G1、巡檢機(jī)器人總質(zhì)量G2應(yīng)該滿足以下調(diào)節(jié)，以保證能夠起到剎車作用：

f1x1μ>G1+G2

緩沖功能：緩沖功能是當(dāng)動軌拉升到既定位置，與軌道對接后，為防止絞盤動作沒有及時(shí)停止損壞動軌及軌道而添加的功能，它由一個(gè)緩沖彈簧實(shí)現(xiàn)。

緩沖彈簧的彈性系數(shù)f2與動軌的總重量G1、巡檢機(jī)器人總質(zhì)量G2之間應(yīng)滿足：

F2x2>G1+G2

其中，x2為允許絞盤誤動作的距離。

角度調(diào)整功能：為適應(yīng)各種角度的坡道情況下動軌始終保持水平，動軌軌道與導(dǎo)向之間的角度必須可調(diào)整。在本方案中，動軌軌道部分與導(dǎo)向部分用鏈接軸鏈接，兩部分可以以鏈接軸為中心旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)至適當(dāng)角度時(shí)用鎖緊螺栓鎖緊即可。如圖5所示[5]。

圖5 角度調(diào)整

限位功能：當(dāng)巡檢機(jī)器人駛?cè)雱榆墪r(shí)，應(yīng)保證動軌在上下運(yùn)動時(shí)不因巡檢機(jī)器人的誤動作或其他因素使得巡檢機(jī)器人從動軌駛出，從而保護(hù)巡檢機(jī)器人。為達(dá)到此目的，必須在動軌上設(shè)置限位[5]。

具體方式如圖6所示。當(dāng)動軌與軌道分離時(shí)，動軌和軌道的限位塊在彈簧作用下升起，阻止巡檢機(jī)器人；當(dāng)動軌和軌道對接后，在杠桿作用下，彈簧被壓縮，擋塊下降，從而巡檢機(jī)器人可以通過。需要指出，當(dāng)動軌向下對接時(shí)，壓縮彈簧的力由動軌重力提供；當(dāng)動軌向上對接時(shí)，壓縮彈簧的力由絞盤的拉力提供。為了保證擋塊能夠擋住巡檢機(jī)器人，擋塊升起的高度應(yīng)大于巡檢機(jī)器人輪子的半徑。

圖6 限位功能

3 測試

經(jīng)過對樣機(jī)的反復(fù)測試(圖7)。證明：1)動軌和對接軌道能夠順利對接；導(dǎo)向功能符合預(yù)期；2)在鋼絲繩突然松開后，在剎車彈簧的作用下，摩擦片能夠阻止動軌繼續(xù)下降，確保設(shè)備和人員安全；3)向上拉升到位后緩沖彈簧能夠起到緩沖作用，從而避免動軌對接不到位或絞盤過度牽引造成的設(shè)備損壞；4)角度調(diào)整滿足設(shè)計(jì)要求；5)限位塊可以阻擋巡檢機(jī)器人越過，對巡檢機(jī)器人起到限位保護(hù)作用。

圖7 測試

綜上，本升降軌道技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)巡檢機(jī)器人任意角度爬坡。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)0～90°坡度的軌道升降，巡檢機(jī)器人可順利通過動軌與對接軌道的對接處，進(jìn)入動軌后，在絞盤的牽引下實(shí)現(xiàn)升降動作；在升降過程中動軌上的限位塊能夠保證巡檢機(jī)器人不因自身誤動作而出現(xiàn)墜落的事故；剎車機(jī)構(gòu)能夠保證在絞盤和繩索出現(xiàn)故障時(shí)起到防墜作用，保證巡檢機(jī)器人的安全。

本設(shè)計(jì)除了動軌拉升動力來自絞盤外，其余功能都由純機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單，故障率低。經(jīng)過多次樣機(jī)測試，均符合設(shè)計(jì)要求，證明本方案可行。