楊 昊，汪 威，湯 亮，董 欣，邊云鵬，顧 杰，郭雨宏

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

隨著我國西電東送工程、橋梁建設(shè)、罐道建設(shè)等基建事業(yè)的發(fā)展，輸電桿塔、橋梁纜索、罐道鋼絲繩等豎直桿體得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行定期檢測(cè)維修是保障此類基礎(chǔ)設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施。目前大多采用人工高空攀爬作業(yè)維護(hù)法，工作效率低且危險(xiǎn)系數(shù)高，工人檢測(cè)維修的速度也逐漸跟不上我國基建事業(yè)在全國范圍內(nèi)發(fā)展的速度，大量豎直桿體設(shè)施普遍存在年久失修的情況。而國內(nèi)外對(duì)豎直桿體進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)的裝置研究較少，且種類駁雜，缺少穩(wěn)定的功能模塊化設(shè)計(jì)。

針對(duì)豎直桿體檢測(cè)維護(hù)大多需要高空作業(yè)的統(tǒng)一特點(diǎn)，本文確立了爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)，作為豎直桿體高空檢測(cè)維護(hù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，可通過搭載各類作業(yè)模塊實(shí)現(xiàn)包括輸電桿塔、橋梁纜索、罐道鋼絲繩等多種豎直桿體的施工維護(hù)等作業(yè)，取代人工維護(hù)以降低各類高空檢測(cè)維護(hù)作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)。

該爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的目的是設(shè)計(jì)一種可沿豎直桿體軸向運(yùn)動(dòng)與繞桿周向運(yùn)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抱柱與自鎖；可通過搭載各類檢測(cè)維護(hù)裝置代替人工作業(yè)。其不僅可以承受惡劣的工作環(huán)境，降低高空作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，還可通過程序遠(yuǎn)程控制其自動(dòng)抱柱并攀爬以進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，大幅提升檢測(cè)維護(hù)作業(yè)的效率。為爬桿機(jī)器人的攀爬模塊提供一種選擇。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者和機(jī)構(gòu)針對(duì)不同需求設(shè)計(jì)了不同攀爬方式的爬桿機(jī)器人。山東建筑大學(xué)的耿亞麗[1-2]設(shè)計(jì)了一種九自由度的輸電桿塔攀爬機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)上下兩夾持機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)控制兩夾持機(jī)構(gòu)間距從而模仿猿類爬樹的姿勢(shì)。其拆裝簡單，作業(yè)靈活，越障能力強(qiáng)。韓國成均館大學(xué)的Ho Moon Kim等[3-5]設(shè)計(jì)了一種六輪式橋梁纜索檢測(cè)機(jī)器人，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿控制壓緊力以適應(yīng)纜索小范圍內(nèi)直徑變化。之后他們將輪式結(jié)構(gòu)改成了履帶式結(jié)構(gòu)[5]，保證了機(jī)器人爬桿的平穩(wěn)性的同時(shí)損失了一定機(jī)動(dòng)性，且每次更換檢測(cè)纜索時(shí)都需要手動(dòng)拆裝?？紤]到橋梁纜索數(shù)量眾多，檢測(cè)整座橋梁仍需耗費(fèi)大量人工。北京交通大學(xué)的陳月強(qiáng)[6]設(shè)計(jì)了一種磁吸附履帶式攀爬鋼纜機(jī)器人，采用磁力吸附的方式克服重力。中國礦業(yè)大學(xué)的張崗[7]設(shè)計(jì)了一種可沿鋼絲繩股捻向快速攀爬的六輪式機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，可通過多個(gè)攀爬模塊協(xié)同作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)了模塊間自動(dòng)對(duì)接和分離。華南理工大學(xué)的魏武[8]設(shè)計(jì)了一種蛇形纜索攀爬機(jī)器人，模仿蛇類通過螺旋攀爬沿纜索上下運(yùn)動(dòng)，可將小型檢測(cè)裝置放置在蛇形機(jī)器人體內(nèi)。

總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，爬桿機(jī)器人根據(jù)攀爬方式主要分為3種：仿生式、履帶式、滾輪式。3種攀爬方式的特點(diǎn)如表1所示。

表1 爬桿機(jī)器人攀爬方式對(duì)比

考慮到自動(dòng)化檢測(cè)維護(hù)目標(biāo)的一致特點(diǎn)，該爬桿機(jī)器人不需要過強(qiáng)的越障能力而需要靈活的機(jī)動(dòng)性，故選擇滾輪式作為爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的攀爬方式。

2 裝置整體技術(shù)方案

2.1 自鎖抱柱裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)成

爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置由兩個(gè)弧形臂裝置連接箱體平臺(tái)構(gòu)成，每套裝置上設(shè)有4套升降系統(tǒng)和4套轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示?；⌒伪劢Y(jié)構(gòu)包括爪夾、固定軸、連桿、立式軸承座、絲桿、絲桿螺母、絲桿鋁板和電機(jī)等器件，弧形臂的通過立式軸承座中和固定軸與箱體連接；升降機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪、摩擦輪墊片、固定軸和電機(jī)等器件，是爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置進(jìn)行實(shí)施工作的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。裝置在工作時(shí)，具有兩種工作模式：一種是升降模式，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)將重物進(jìn)行升降爬桿運(yùn)輸裝備；另一種是轉(zhuǎn)動(dòng)模式，在升降進(jìn)行或結(jié)束時(shí)，可以合理設(shè)定裝置爬桿的角度，從而完成任務(wù)。設(shè)計(jì)該裝置時(shí)，升降及轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和弧形臂結(jié)構(gòu)是該裝置最為關(guān)鍵的部分，直接影響裝置的工作效率[9]。

圖1 自鎖抱柱裝置總體結(jié)構(gòu)

2.2 升降及轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算

2.2.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每套裝置設(shè)有4套升降機(jī)構(gòu)和4套轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)裝置的各種爬柱所需的高度和角度。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要將橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪安裝在每個(gè)弧形臂的中爪夾和下爪夾之間，橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪的兩端通過上爪夾和下爪夾的定位孔實(shí)現(xiàn)固定連接；升降機(jī)構(gòu)主要將縱向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪與支撐柱連接，支撐柱的兩端部分別坐落在中爪夾和下爪夾的定位孔處。將4套升降機(jī)構(gòu)及4套轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行合理布置，即同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的各套摩擦輪沿抱合管道軸的水平方向均勻間隔布置，從而實(shí)現(xiàn)裝置的運(yùn)動(dòng)效果。

轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪、摩擦輪墊片、固定軸和電機(jī)組成，橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪的兩端均設(shè)有摩擦輪墊片，橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪和摩擦輪墊片均通過固定軸裝在弧形臂的中爪夾和下爪夾之間，且固定軸的一段穿過上爪夾上的定位孔，另一端則穿過下爪夾上的定位孔與電機(jī)的一端連接。升降機(jī)構(gòu)由縱向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪、電機(jī)和支撐柱組成，縱向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪固定在電機(jī)上，且電機(jī)一端與中爪夾和下爪夾之間的支撐柱通過定位孔相連接。兩種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2～3所示。

圖2 升降結(jié)構(gòu)

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能力的選型計(jì)算，主要結(jié)合考慮工程實(shí)踐中對(duì)于豎直桿體定期檢測(cè)維修所需裝備的重量要求。在箱體平臺(tái)上能夠安裝針對(duì)豎直桿體進(jìn)行檢修的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)維護(hù)的模塊化需求，將極大方便檢修工作的開展，同時(shí)也對(duì)爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的驅(qū)動(dòng)能力方面滿足各類檢修設(shè)備的承載提出了更高的要求[10-11]。本文運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所使用的主要的驅(qū)動(dòng)裝置為3510電機(jī)，其具體參數(shù)如表2所示。根據(jù)各參數(shù)數(shù)值可以初步估算得出，選擇使用3510電機(jī)符合裝置實(shí)際的工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)需求。

表2 3510電機(jī)參數(shù)數(shù)值

2.3 弧形臂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算

2.3.1 弧形臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

弧形臂設(shè)有三片爪夾，該三片爪夾通過固定軸固定并相互平行。而固定軸采用鋼管制造，3爪夾采用鋁合金制造。根據(jù)裝置設(shè)計(jì)的要求，該裝置自鎖抱柱的對(duì)象主要為直徑134 mm的桿式物體，在設(shè)計(jì)弧形臂的爪夾尺寸時(shí)，應(yīng)滿足抱柱對(duì)象的尺寸要求。

每一片爪夾上均開設(shè)有多個(gè)沿固定軸的延伸方向間隔布置的定位孔；3爪夾共同組成一個(gè)弧形臂，兩個(gè)弧形臂的一端連接固定軸，而固定軸兩端通過立式軸承座進(jìn)行固定，且連桿一端通定位孔安裝在該固定軸上，而立式軸承座使用緊固螺釘固定在箱體平臺(tái)的一端。兩個(gè)連桿的另一端與絲桿鋁板使用固定軸進(jìn)行連接，并用菱形軸承座固定，并保持連桿與絲桿鋁板相平行。絲桿螺母固定在絲桿鋁板的中間，絲桿套入絲桿螺母同時(shí)與所述電機(jī)相連接。其中，絲桿螺母相連接的底面安裝有牛眼輪。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以使絲桿帶動(dòng)絲桿鋁板平移，并通過固定軸傳動(dòng)到弧形臂實(shí)現(xiàn)張開和閉合的運(yùn)動(dòng)功能。

弧形臂之間的閉合卡扣機(jī)構(gòu)由舵機(jī)、齒輪、固定軸和卡扣組成。舵機(jī)通過固定軸與齒輪連接，且一端固定在爪夾上；固定軸的一端穿過一塊爪夾的定位孔?？酃潭ㄔ谝惶邹D(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦輪墊片上，卡扣的齒輪部分與齒輪相嚙合，舵機(jī)控制閉合卡扣的開合，閉合卡扣和弧形臂共同構(gòu)成整個(gè)弧形臂抱柱自鎖結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)效果如圖4所示。

圖4 閉合卡扣機(jī)構(gòu)

2.3.2 弧形臂機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算

對(duì)于弧形臂機(jī)構(gòu)各項(xiàng)能力的選型計(jì)算，首先分析機(jī)構(gòu)實(shí)際工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性，并結(jié)合前文對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置完成選型后的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)弧形臂機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作時(shí)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)的各項(xiàng)參數(shù)，得出裝置的平面連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖5所示。該機(jī)構(gòu)為平面七桿機(jī)構(gòu)，由機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式可以算出機(jī)構(gòu)自由度，即：

圖5 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

式中：n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；PL為低副數(shù)；PH為高副數(shù)。

由此可算出該機(jī)構(gòu)自由度為F=3×7-2×10-0=1，即該機(jī)構(gòu)是自由度為1的平面七桿機(jī)構(gòu)，有一個(gè)主動(dòng)件，故機(jī)構(gòu)具有唯一確定運(yùn)動(dòng)。

通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算絲桿傳動(dòng)方向的推力，計(jì)算式如下：

式中：η為絲桿傳動(dòng)效率，范圍為0.9～0.95；L為絲桿導(dǎo)程。

其中，T=3 510；電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為0.14 N·m；裝置使用的為梯形絲桿，直徑為12 mm；導(dǎo)程L=2 mm；η=0.9。

將上述數(shù)據(jù)代入式（2），可以求得絲桿的軸向推力P，即夾緊力大小為：P=395.64 N。

由于該機(jī)構(gòu)左右基本對(duì)稱，故只對(duì)左側(cè)進(jìn)行初始狀態(tài)受力分析，對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

圖6 單側(cè)受力分析

對(duì)于弧形臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行力的分解，設(shè)結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O建立坐標(biāo)系XOY，列出弧形臂上的力和力矩平衡方程組：

由此，可求得分配到每個(gè)滾輪壓力大小分別為110.78 N、89 N、110.78 N，89 N。

根據(jù)摩擦力公式f=μFN，求得整個(gè)裝置的最大負(fù)重為239.74 N。結(jié)合安全需要考慮，乘以安全系數(shù)0.85，求得實(shí)際最大負(fù)重203.8 N，即得額定載重為20 kg。符合當(dāng)前多數(shù)檢測(cè)維護(hù)設(shè)備的重量要求[12]。

3 具體實(shí)施方式

每一套爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置，設(shè)有4套升降結(jié)構(gòu)、4套轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、一個(gè)箱體平臺(tái)和一個(gè)自動(dòng)卡扣機(jī)構(gòu)，卡扣安裝在兩個(gè)弧形臂之間。驅(qū)動(dòng)動(dòng)力主要由升降和轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)提供，可以使裝置運(yùn)動(dòng)到指定位置進(jìn)行施工操作。

3.1 抱柱自鎖裝置的實(shí)施方式

首先，由于卡扣固定在橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪的摩擦輪墊片上，卡扣的從動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合。舵機(jī)通過控制驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來控制卡扣的開合。打開自動(dòng)卡扣機(jī)構(gòu)相連的舵機(jī)，舵機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪，將自動(dòng)卡扣打開。

再打開電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿帶動(dòng)絲桿鋁板平移，與絲桿鋁板相連接的連桿同時(shí)帶動(dòng)左右弧形臂張開。將弧形臂調(diào)整到合理的開口弧度安裝至所需的檢測(cè)的豎直桿體?；⌒伪劢Y(jié)構(gòu)中絲桿螺母相連接的底面安裝有光桿，以增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長裝置使用壽命。

接著，電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)弧形臂的閉合。在完成閉合后，舵機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)自動(dòng)卡扣機(jī)構(gòu)，使卡扣閉合，從而實(shí)現(xiàn)抱柱自鎖的效果。將檢測(cè)維護(hù)所需的設(shè)備固定安放在箱體平臺(tái)處，并進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試。一切準(zhǔn)備完成，將裝置開機(jī)進(jìn)行升降和轉(zhuǎn)動(dòng)操作。

3.2 升降與轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)施方式

升降機(jī)構(gòu)中的縱向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪固定在3510電機(jī)上，且3510電機(jī)一端與弧形臂之間的縱向摩擦輪支撐架通過定位孔相連接。每個(gè)3510電機(jī)帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的縱向摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，4套升降機(jī)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得相應(yīng)規(guī)格的箱體平臺(tái)被抬升到合適的高度以待使用，其中，箱體平臺(tái)可以搭載不同的儀器來實(shí)現(xiàn)多種多樣的桿體檢測(cè)維修等多種功能，成本低且拆卸和安裝方便,能夠提高工作效率。

而滾動(dòng)機(jī)構(gòu)的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪的兩端均安裝有摩擦輪墊片，兩者通過摩擦輪階梯軸安裝在弧形臂的上爪夾和中爪夾之間，且摩擦輪階梯軸的一端通過爪夾上的定位孔進(jìn)行固定，另一端則穿過下爪夾上的定位孔與3510電機(jī)相連接。每個(gè)3510電機(jī)帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的橫向摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，4套轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，由于同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的各套橫向轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪沿著抱合管道軸的水平方向均勻間隔布置，有利于加快機(jī)器人繞柱運(yùn)動(dòng)速度，并保證機(jī)器人抱柱的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

通過對(duì)現(xiàn)有不同攀爬方式的爬桿機(jī)器人中存在問題的研究，分析了豎直桿體自動(dòng)化檢測(cè)維護(hù)目標(biāo)的特征，并根據(jù)該特征，選擇滾輪式作為爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的攀爬方式。并將具體目標(biāo)定為常見維護(hù)的直徑為134 mm的豎直桿體，設(shè)計(jì)合理的裝置機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到方便檢測(cè)維修的目的，具體測(cè)試裝置如圖7所示。

圖7 爬桿機(jī)器人抱柱自鎖裝置強(qiáng)度測(cè)試

在設(shè)計(jì)過程中，通過負(fù)載35 kg重物實(shí)驗(yàn)對(duì)裝置的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合具體實(shí)施方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，不斷完善其穩(wěn)定性和可靠性，提高實(shí)際的工作效率，取得了令人滿意的結(jié)果。而對(duì)于該裝置多種環(huán)境場(chǎng)景運(yùn)用的拓展，可以對(duì)機(jī)構(gòu)的模塊化方面做進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)階段輸電桿塔、橋梁纜索、罐道鋼絲繩等豎直桿體的高空檢測(cè)維護(hù)困難的問題，提出了一種用于大量重復(fù)檢測(cè)維護(hù)高空豎直桿體的爬桿機(jī)器人攀爬系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)的爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)自由度低，自動(dòng)化程度不足的問題，基于SolidWorks設(shè)計(jì)了一種爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置，在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上制作樣機(jī)，驗(yàn)證了爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的穩(wěn)定性和可靠性。本文的主要研究內(nèi)容和相關(guān)結(jié)論如下。

（1）根據(jù)國內(nèi)豎直桿體高空檢測(cè)維護(hù)現(xiàn)狀引入對(duì)爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置進(jìn)行研究的必要性和可行性。

（2）分析比較不同爬桿機(jī)器人的爬桿方式，決定犧牲越障能力而提高機(jī)動(dòng)性，故選擇滾輪式作為爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置的攀爬方式。

（3）對(duì)爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出多組輪系獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的攀爬方案，對(duì)裝置主要受力機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到該裝置額定負(fù)載為20 kg。

（4）制作爬桿機(jī)器人自鎖抱柱裝置樣機(jī)，其適用性廣，成本低廉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該裝置的穩(wěn)定性與可靠性。