孟娜娜，鐘鵬程，雷 超，江 帆，楊 龍，李柱江

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 大學(xué)科技園，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

帶式輸送機(jī)作為散料運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，具有輸送距離長(zhǎng)、連續(xù)性好和運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于煤礦、冶金和建材等行業(yè)[1-3]。在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，帶式輸送機(jī)會(huì)發(fā)生輸送帶打滑、跑偏、縱向撕裂、橫向斷裂和托輥損壞等故障，甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)勢(shì)在必行[4-7]。傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)監(jiān)測(cè)分為人工巡檢和定點(diǎn)監(jiān)測(cè)2種。人工巡檢效率低、實(shí)時(shí)性差、巡檢時(shí)間長(zhǎng)，并且巡檢人員易出現(xiàn)疲勞、漏檢和人身安全等問(wèn)題；定點(diǎn)監(jiān)測(cè)通常在固定位置安裝攝像頭、和各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，存在所需傳感器數(shù)量多、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸難度大、布線多、維護(hù)困難、成本高等不足[8-9]。針對(duì)上述問(wèn)題，巡檢機(jī)器人為帶式輸送機(jī)無(wú)人化監(jiān)測(cè)提供了途徑。國(guó)外學(xué)者對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行了廣泛研究[10-12]，但面向帶式輸送機(jī)的巡檢機(jī)器人的研究較少。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人開(kāi)展了大量研究工作。北京工業(yè)大學(xué)的劉毅[13]研制了一套皮帶運(yùn)輸機(jī)自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，通過(guò)有軌運(yùn)行方式進(jìn)行巡檢。寧夏大學(xué)的郝洪濤等[14]和倪凡凡[15]研制了一種單軌道巡檢裝置，能滿足長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的巡檢。西安科技大學(xué)的張傳偉等[16]和張俊男[17]研發(fā)出一種無(wú)線供電和導(dǎo)軌摩擦式驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的曹軍[18]和龔桂榮[19]研制了一種采用齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化巡檢和實(shí)時(shí)事故預(yù)警。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的張行等[20]研制了一種新型礦用帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，采用無(wú)極繩自動(dòng)牽引單軌吊，實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有：行走輪和軌道的摩擦式驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)。輪軌摩擦式驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，成本低，但爬坡能力弱且易打滑。齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)方式爬坡能力強(qiáng)、上下坡不打滑、運(yùn)動(dòng)可靠，但鋪設(shè)齒條成本高。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人，并提出了一種基于軌道摩擦式驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)混合的巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式。

1 基于功能分析的機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

煤礦帶式輸送機(jī)分為露天和井下2種工作環(huán)境。通常工作于露天的煤礦帶式輸送機(jī)向著長(zhǎng)距離、大運(yùn)載和高帶速方向發(fā)展，人工巡檢時(shí)間更長(zhǎng)，快速檢測(cè)出故障點(diǎn)的需求更加迫切，為此，主要針對(duì)露天運(yùn)輸情況下的長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)的自動(dòng)巡檢機(jī)器人進(jìn)行研究。

基于功能分析法設(shè)計(jì)的基本原理是通過(guò)建立起系統(tǒng)論思維方式下的裝置總功能和特定零部件的子功能或者功能元的總分關(guān)系，實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)對(duì)象的總功能分解為若干個(gè)子功能或者功能元的組合。然后在子功能維度上，通過(guò)分析找到若干種有效的解決方案或途徑，進(jìn)而建立起總功能和子功能的解決方案組合圖譜，通過(guò)圖解法分析最優(yōu)解的組合，形成產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的最佳設(shè)計(jì)方案。

1.1 巡檢機(jī)器人總功能分析

帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人通過(guò)自主行走、自動(dòng)采集帶式輸送機(jī)關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，檢測(cè)出沿線具有潛在或者早期故障的危險(xiǎn)點(diǎn)，并將檢測(cè)的關(guān)鍵狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，為帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的無(wú)人化巡檢提供支撐。為快速確定帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人的總體功能，為下一步的子功能分解提供依據(jù)，借助黑箱法的設(shè)計(jì)思維：將功能定義為能量、物質(zhì)和信息輸入輸出之間組合關(guān)系，反之，知道了物質(zhì)、能量和信息之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系后，便于確定總功能。通過(guò)分析可得：帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人的輸入量為監(jiān)控中心的控制指令和自身自動(dòng)按鈕的信號(hào)，輸出量為復(fù)雜環(huán)境下的帶式輸送機(jī)自動(dòng)往復(fù)行走和數(shù)據(jù)采集，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢這一最終目標(biāo)，即機(jī)器人的總功能，如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人總功能Fig.1 General function of inspection robot

1.2 巡檢機(jī)器人的子功能分解

機(jī)器人自動(dòng)巡檢是一個(gè)抽象的模糊概念，其包含的子功能不夠明確，難以直接用于指導(dǎo)總體方案設(shè)計(jì)。通過(guò)綜合考慮露天背景下的煤礦帶式輸送機(jī)存在轉(zhuǎn)彎、上下坡和長(zhǎng)距離等復(fù)雜環(huán)境因素以及機(jī)械零部件設(shè)計(jì)方法和制造工藝現(xiàn)狀，在功能分析法和黑箱法的基本設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，對(duì)上述總功能進(jìn)行分解。根據(jù)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自動(dòng)巡檢機(jī)器人總功能分解出的子功能主要包括：自動(dòng)行駛功能、數(shù)據(jù)采集功能和控制功能。進(jìn)一步對(duì)這3個(gè)子功能包含的功能塊進(jìn)行再次分解，形成如圖2所示的煤礦帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人功能樹(shù)。

圖2 巡檢機(jī)器人功能樹(shù)Fig.2 Functional tree of inspection robot

進(jìn)一步地，按照功能分析法的基本原理，對(duì)圖2中的子功能的解決方案進(jìn)行分析，形成了如圖3所示的煤礦帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人的子功能-解決方案組合圖譜。通過(guò)構(gòu)建圖3中圖譜的功能元形態(tài)學(xué)矩陣可以得出可能的系統(tǒng)方案的數(shù)量為：3×4×6×2×4×3×3×3×1=15 552。

圖3 巡檢機(jī)器人子功能-解決方案Fig.3 Subfunctions-solutions of inspection robot

由于帶式輸送機(jī)的工作環(huán)境，巡檢機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在上坡、下坡和隧道等地形。在前期調(diào)研已有煤礦帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比分析可知：行走輪和軌道的摩擦式驅(qū)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，成本低，但存在上下坡打滑和爬坡能力弱等不足；齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)爬坡能力強(qiáng)、上下坡不打滑、運(yùn)動(dòng)可靠，但鋪設(shè)齒條成本高，平穩(wěn)性稍弱。同時(shí)為了豐富巡檢機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集能力，全方位實(shí)現(xiàn)對(duì)帶輸送機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)，需要采集溫度、圖像、噪聲、位置和障礙物距離等信息。圖像采集的時(shí)候，考慮到移動(dòng)存儲(chǔ)的問(wèn)題，無(wú)線通信能夠覆蓋帶式輸送機(jī)全程。考慮到露天帶式輸送機(jī)通常具有長(zhǎng)距離運(yùn)輸特點(diǎn)，為避免布線困難，提高信息采集的連續(xù)性，采用鋰電池供電、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)線和有線兩種數(shù)據(jù)傳輸接口、機(jī)頭機(jī)尾自動(dòng)返航以及遇到障礙物自動(dòng)避障功能。為方便現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控室對(duì)巡檢機(jī)器人的操作，啟停方式設(shè)定為無(wú)線遙控和機(jī)載按鈕2種啟停方式。在上述分析的基礎(chǔ)上，提出的巡檢機(jī)器人功能的解決方案為：A3+B2+C6+D1+E4+F2+G3+H1+I1(圖3中方案組合)。

2 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)分布，降低側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)；爬坡平穩(wěn)，防止打滑；密封性能良好，能夠在惡劣的礦山環(huán)境中防塵防水；輕量化和緊湊化設(shè)計(jì)，對(duì)帶式輸送機(jī)運(yùn)行的影響盡量小。巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和底板、殼體和密封蓋等部分組成。

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人的動(dòng)力來(lái)源，主要包括：電機(jī)、傳動(dòng)齒輪、高速軸、低速軸、軸承、聯(lián)軸器和鍵等組成。電機(jī)是提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的核心，通過(guò)對(duì)水平運(yùn)動(dòng)和上下坡運(yùn)動(dòng)的巡檢機(jī)器人進(jìn)行受力分析，確定電機(jī)所需的最大輸出轉(zhuǎn)矩。以質(zhì)量為50 kg、爬坡最大坡度為16°的巡檢機(jī)器人為例，選用型號(hào)為86BYG250BS-SAKSML-0551的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

為增加爬坡能力，巡檢機(jī)器人采用2個(gè)電機(jī)分散驅(qū)動(dòng)的方式。高速軸為齒輪軸，通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)連接，低速軸上安裝行走輪和行走齒輪，高速軸和低速軸之間通過(guò)1對(duì)傳動(dòng)齒輪來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩?？紤]到巡檢機(jī)器人會(huì)受到軸向的風(fēng)力，軸承選用角接觸球軸承。聯(lián)軸器選用型號(hào)為GY1的凸緣聯(lián)軸器，鍵選用圓頭普通平鍵(A型)。經(jīng)過(guò)校核，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力作用下，行走系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)沿著帶式輸送機(jī)巡檢的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要由行走輪、行走齒輪、齒條、軌道和托架等組成。

行走輪由輪轂和橡膠套組成，橡膠套通過(guò)螺釘固定在輪轂表面，行走輪滾動(dòng)過(guò)程中螺釘不與軌道接觸。輪轂的形狀為T(mén)形，分為內(nèi)圈和外緣。橡膠套用于緩沖和減少振動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾。行走齒輪和齒條的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。軌道采用牌號(hào)為45SiMnP的輕軌，托架采用角鋼焊接而成。

2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。底板是巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵承載零件，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)基于底板緊密集成，結(jié)構(gòu)緊湊。底板表面有多個(gè)矩形的凹槽，用于軸承座和電機(jī)支座的安裝定位，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軸承座和電機(jī)支座與底板通過(guò)螺栓和螺母連接。底板上設(shè)有2個(gè)矩形孔，傳動(dòng)大齒輪從中穿過(guò)與傳動(dòng)小齒輪嚙合。底板邊緣設(shè)置凹槽，密封條在凹槽中緊貼內(nèi)側(cè)的擋板。

1—底板；2—電機(jī)支座；3—軸承座；4—齒輪軸；5—聯(lián)軸器；6—電機(jī)；7—行走輪；8—傳動(dòng)大齒輪；9—行走齒輪；10—低速軸圖4 巡檢機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Internal structure of inspection robot

采用Creo 5.0軟件對(duì)帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人的各個(gè)零件進(jìn)行三維建模，其裝配圖如圖5所示。巡檢機(jī)器人的中央放置鋰電池，殼體與底板通過(guò)螺栓連接。殼體邊緣設(shè)置凹槽，密封條在凹槽中緊貼內(nèi)側(cè)的擋板。巡檢機(jī)器人頂部安裝了密封蓋，密封蓋與殼體通過(guò)螺栓連接。殼體左右兩側(cè)矩形的孔安裝了鋼化玻璃，保證了攝像頭模塊、溫度傳感器和聲光報(bào)警模塊等傳感器的正常工作。殼體前后兩側(cè)的圓孔放置了防水型超聲波傳感器的超聲波探頭，殼體一側(cè)的圓孔安裝有防水拾音器。

1—超聲波傳感器；2—密封蓋；3—鋼化玻璃；4—?dú)んw；5—拾音器圖5 巡檢機(jī)器人三維模型裝配Fig.5 Assembly of three-dimensional model of inspection robot

軌道、齒條和托架的安裝示意如圖6所示，軌道和齒條與托架通過(guò)螺栓和螺母連接，托架與壓板通過(guò)螺栓和螺母連接，使托架和壓板與帶式輸送機(jī)側(cè)面的立柱緊固，從而實(shí)現(xiàn)了托架與立柱的連接。

1—軌道；2—巡檢機(jī)器人；3—齒條；4—立柱；5—托架圖6 軌道、齒條和托架的安裝示意Fig.6 Installation schematic of track,rack and bracket

3 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煤礦帶式輸送機(jī)的托輥、輸送帶等出現(xiàn)故障后，通常會(huì)出現(xiàn)聲音、溫度等異常信號(hào)，分別通過(guò)拾音器和溫度傳感器來(lái)檢測(cè)。此外，通過(guò)攝像頭模塊可以檢測(cè)出輸送帶跑偏、縱向撕裂和橫向斷裂等故障。為提高巡檢機(jī)器人工作的安全性，需要配備超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障。為提高巡檢機(jī)器人運(yùn)行的連續(xù)性，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾自動(dòng)返航。巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)框圖如圖7所示，其硬件選型如下：

圖7 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)方案Fig.7 Control system scheme of inspection robot

1)主控模塊：選用STM32F767IGT6單片機(jī)。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：選用型號(hào)為SD-20806的數(shù)字式兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，與選用的型號(hào)為86BYG250BS-SAKSML-0551的步進(jìn)電機(jī)適配。

3)攝像頭模塊：選用型號(hào)為ATK-OV5640-V11的攝像頭模塊，可以檢測(cè)帶式輸送機(jī)是否出現(xiàn)輸送帶跑偏、縱向撕裂和橫向斷裂等故障。

4)溫度傳感器：選用型號(hào)為GY-MCU90615的紅外溫度模塊，可以檢測(cè)帶式輸送機(jī)是否出現(xiàn)輸送帶打滑和托輥損壞等故障。

5)拾音器：選用品牌為輝聲樂(lè)的F51拾音器，可以檢測(cè)帶式輸送機(jī)是否出現(xiàn)托輥損壞等故障。

6)超聲波傳感器：選用型號(hào)為AJ-SR04M-T-X的一體化超聲波測(cè)距模塊，可以檢測(cè)前方是否出現(xiàn)人、動(dòng)物或者物體。

7)無(wú)線通信模塊：選用型號(hào)為ATK-M750的4G模塊，可以實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)通信的功能。

8)定位模塊：選用型號(hào)為ATK-S1216F8-BD的GPS/北斗雙模定位模塊，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位功能。

9)聲光報(bào)警模塊：選用蜂鳴器和報(bào)警燈，選用型號(hào)為SFB-55的蜂鳴器，報(bào)警燈選用ALIENTEK推出的型號(hào)為ATK-RGB LED-V12的高性能RGB全彩LED模塊。

10)電源：選用品牌為九紀(jì)的鋰電池，基本參數(shù)為：48 V，50 Ah。

通過(guò)電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可以算出單個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的功率大約為104 W，通過(guò)各硬件的工作電流和工作電壓可以算出它們的功率之和大約為4 W，那么總功率大約為212 W。已知鋰電池的基本參數(shù)為：48 V，50 Ah，則巡檢機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間t=48 V×50 Ah/212 W=11.321 h。因此，在煤礦現(xiàn)場(chǎng)提供備用電池一套，或者提供備用巡檢機(jī)器人一套，即可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)巡檢機(jī)器人/鋰電池在工作，另一臺(tái)備用巡檢機(jī)器人/鋰電池在充電中，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)巡檢。

控制系統(tǒng)程序流程如圖8所示。上電后巡檢機(jī)器人首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，接收機(jī)載按鈕或無(wú)線通信傳輸?shù)膯?dòng)指令后，步進(jìn)電機(jī)、攝像頭模塊、溫度傳感器、拾音器和超聲波傳感器等開(kāi)始啟動(dòng)，巡檢機(jī)器人開(kāi)始對(duì)煤礦帶式輸送機(jī)進(jìn)行巡檢，采集沿線的傳感信息。如果出現(xiàn)明顯溫度過(guò)高的地方，可能出現(xiàn)托輥損壞或輸送帶打滑等故障；如果出現(xiàn)輸送帶跑偏、輸送帶縱向撕裂、輸送帶橫向斷裂等故障可以通過(guò)攝像頭模塊的圖像進(jìn)行分析得到；巡檢機(jī)器人攜帶的拾音器采集托輥的音頻信號(hào)，判斷是否發(fā)生托輥故障。如果巡檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)上述異常，巡檢機(jī)器人發(fā)出聲光報(bào)警，其攜帶的定位模塊確定此時(shí)機(jī)器人的位置，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將故障位置和故障類(lèi)型等信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。巡檢機(jī)器人巡檢的過(guò)程中，如果超聲波傳感器探測(cè)到前方有人、動(dòng)物或者物體等障礙物，巡檢機(jī)器人將立即停止移動(dòng)并發(fā)出聲光報(bào)警。如果前方還有障礙物，判斷是否接收到返航指令，如果接收到返航指令，電機(jī)反轉(zhuǎn)開(kāi)始返航。當(dāng)值巡檢機(jī)器人接受到停止巡航指令后，立即停止，反之則繼續(xù)重復(fù)上述流程。

圖8 控制系統(tǒng)程序流程Fig.8 Flow of control system program

4 關(guān)鍵承載零件有限元分析

4.1 底板有限元分析

采用Creo 5.0軟件對(duì)底板進(jìn)行三維建模，并對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，然后轉(zhuǎn)為Parasolid(.x_t)文件，導(dǎo)入ANSYS 19.0軟件中。單元類(lèi)型選擇3D實(shí)體單元，采用Solid187單元。底板采用自由網(wǎng)格劃分，單元形狀為四面體。底板網(wǎng)格劃分如圖9a所示。

圖9 底板有限元分析結(jié)果Fig.9 Finite element analysis results of baseplate

底板受到的載荷包括DOF約束和面載荷。底板下側(cè)與底板下方的4個(gè)軸承座接觸的表面受到DOF約束，約束方向?yàn)閥方向。底板上側(cè)與2個(gè)電機(jī)支座接觸的表面、底板上側(cè)與底板上方的4個(gè)軸承座接觸的表面和底板中間與鋰電池接觸的表面受到面載荷，即方向向下的壓力。底板與2個(gè)電機(jī)支座接觸的表面受到的壓力為9 248.941 Pa，底板與底板上方的4個(gè)軸承座接觸的表面受到的壓力為5 075.605 Pa，底板與鋰電池接觸的表面受到的壓力為1 972.926 Pa。底板載荷施加如圖9b所示。

對(duì)底板有限元分析的求解采用稀疏矩陣直接求解法，后處理采用通用后處理器POST1，底板的等效應(yīng)力分布如圖9c所示，底板受到的最大應(yīng)力為0.183×108Pa。底板的材料選用牌號(hào)為06Cr19Ni9NbN的奧氏體不銹鋼，抗拉強(qiáng)度為6.85×108Pa，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度為3.45×108Pa。0.183×108Pa<6.85×108Pa且0.183×108Pa<3.45×108Pa，所以底板的強(qiáng)度滿足要求。由于此時(shí)最大等效應(yīng)力較小，所以可以對(duì)底板的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將底板的厚度減少1 mm，然后再對(duì)其進(jìn)行有限元分析，改進(jìn)后底板的等效應(yīng)力分布如圖9d所示，底板受到的最大應(yīng)力為0.245×108Pa。0.245×108Pa<6.85×108Pa且0.245×108Pa<3.45×108Pa，所以改進(jìn)后底板的強(qiáng)度滿足要求。因此，底板既滿足強(qiáng)度要求又實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

4.2 托架有限元分析

采用Creo 5.0軟件對(duì)托架進(jìn)行三維建模，并對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，然后轉(zhuǎn)為Parasolid(.x_t)文件，導(dǎo)入ANSYS 19.0軟件中。單元類(lèi)型選擇3D實(shí)體單元，采用Solid187單元。托架采用自由網(wǎng)格劃分，單元形狀為四面體。

托架受到的載荷包括DOF約束和面載荷。托架與壓板、立柱接觸的表面受到DOF約束，且為全自由度約束。托架上側(cè)與軌道接觸的表面和托架上側(cè)與齒條接觸的表面受到面載荷，即方向向下的壓力。托架與軌道接觸的表面受到的壓力為166 372.834 Pa，托架與齒條接觸的表面受到的壓力為64 897.674 Pa。托架載荷施加如圖10a所示。

圖10 托架應(yīng)力有限元分析結(jié)果Fig.10 Finite element analysis results of bracket

對(duì)托架有限元分析的求解采用直接求解法，后處理采用通用后處理器POST1，托架的等效應(yīng)力分布圖如圖10b所示，托架受到的最大應(yīng)力為2.18×108Pa。托架的材料選用45號(hào)鋼板，抗拉強(qiáng)度為6×108Pa，屈服強(qiáng)度為3.55×108Pa。2.18×108Pa<6×108Pa且2.18×108Pa<3.55×108Pa，所以托架的強(qiáng)度滿足要求。

5 巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

將帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型由機(jī)器人本體、2套運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、2根軌道和2根齒條組成。在Creo 5.0中將簡(jiǎn)化后的三維模型轉(zhuǎn)為Parasolid(.x_t)文件，導(dǎo)入ADAMS 2018軟件中，對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

仿真后得到巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)畫(huà)，巡檢機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)如圖11a所示，上坡運(yùn)動(dòng)如圖11b所示，下坡運(yùn)動(dòng)如圖11c所示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為上坡運(yùn)動(dòng)，再由上坡運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)，然后由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為下坡運(yùn)動(dòng)，最后由下坡運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)。

圖11 巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)Fig.11 Movement of inspection robot

如圖12a所示，巡檢機(jī)器人即將由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為上坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人位于水平軌道與坡度軌道的交界處，可以看出巡檢機(jī)器人的前端與坡度軌道的上面不會(huì)干涉，巡檢機(jī)器人的后端與水平軌道的上面不會(huì)干涉。如圖12b所示，巡檢機(jī)器人即將由上坡運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人位于水平軌道與坡度軌道的交界處，可以看出巡檢機(jī)器人底板的下面與軌道的上面不會(huì)干涉。

圖12 水平軌道與坡度軌道的交界處Fig.12 Junction of horizontal track and slope track

仿真過(guò)程中用STEP函數(shù)設(shè)置巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩，即T=STEP(time,0.0,0,0.1,1 100)+STEP(time,2.5,0,2.6,550)+STEP(time,4.0,0,4.1,-550)+STEP(time,5.7,0,5.8,-2 200)+STEP(time,8.0,0,8.1,2 200)，如圖13所示，上坡運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩最大，下坡運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)達(dá)到剎車(chē)的目的。仿真后得到巡檢機(jī)器人的速度隨時(shí)間的變化如圖14所示，巡檢機(jī)器人的速度沒(méi)有出現(xiàn)驟變，說(shuō)明巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)干涉現(xiàn)象。

圖13 巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩Fig.13 Torque of motion systems of inspection robot

圖14 巡檢機(jī)器人的速度Fig.14 Velocity of inspection robot

0～1.2 s，巡檢機(jī)器人在水平運(yùn)動(dòng)，速度不斷增大；1.2～1.75 s，巡檢機(jī)器人前部的2個(gè)輪子在坡度軌道上滾動(dòng)，后部的2個(gè)輪子在水平軌道上滾動(dòng)，巡檢機(jī)器人重力的分力帶給機(jī)器人的阻力越來(lái)越大；1.75～2.5 s，巡檢機(jī)器人在上坡運(yùn)動(dòng)，巡檢機(jī)器人的阻力大于驅(qū)動(dòng)力，速度不斷減小；2.5～3.4 s，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩增大，速度減小得更慢；3.4～4.0 s，巡檢機(jī)器人前部的2個(gè)輪子在水平軌道上滾動(dòng)，后部的2個(gè)輪子在坡度軌道上滾動(dòng)，巡檢機(jī)器人重力的分力帶給機(jī)器人的阻力越來(lái)越小，速度不斷增大；4.0～4.7 s，巡檢機(jī)器人后部的2個(gè)輪子還在坡度軌道上滾動(dòng)，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩減小，速度略微減??；4.7～5.7 s，巡檢機(jī)器人在水平運(yùn)動(dòng)，速度不斷增大；5.7～6.45 s，電機(jī)反轉(zhuǎn)，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩的方向改變，速度不斷減??；6.45～7.2 s，巡檢機(jī)器人下坡運(yùn)動(dòng)；7.2～8.0 s，巡檢機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)，速度不斷減小；8.0～9.0 s，電機(jī)反轉(zhuǎn)，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩的方向改變，速度不斷增大。巡檢機(jī)器人即將由水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為上下坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，若齒輪和齒條沒(méi)有正好嚙合，則通過(guò)行走輪在軌道上打滑來(lái)自行調(diào)整，使齒輪和齒條嚙合。通過(guò)以上巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的結(jié)果可知，巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程正常，無(wú)干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

6 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人，提出了一種基于軌道摩擦式驅(qū)動(dòng)和齒輪齒條嚙合驅(qū)動(dòng)混合的巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式，克服了傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式存在的問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于露天煤礦的復(fù)雜地形長(zhǎng)距離煤炭運(yùn)輸?shù)膸捷斔蜋C(jī)自動(dòng)巡檢。

2)提出了基于功能分析的帶式輸送機(jī)自動(dòng)巡檢機(jī)器人總體方案，詳細(xì)設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了巡檢機(jī)器人的三維模型。完成了巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)底板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核分析，在滿足強(qiáng)度要求的前提下減小了底板的厚度和重量；對(duì)托架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了托架的強(qiáng)度滿足要求。

3)通過(guò)對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，順利實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)和上下坡運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換。