謝浩，張敏良，龔楠，柴寧生，史春光

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

0 引言

隨著城市發(fā)展，工程設(shè)施中會(huì)用到很多高桿設(shè)施，例如電線桿、路燈桿、廣告牌桿、風(fēng)力發(fā)電桿等，因此需要進(jìn)行清洗與維護(hù)[1]。目前此項(xiàng)工作多由人力完成，而人工高空作業(yè)具有效率低、成本高、安全性低等缺點(diǎn)，因此采用爬桿機(jī)器人代替人工進(jìn)行高空作業(yè)成為了今后發(fā)展的趨勢(shì)。在此類裝備方面，鮑秀蘭等[2]設(shè)計(jì)的攀升機(jī)構(gòu)采用凸輪結(jié)構(gòu)，上下平臺(tái)采用2 個(gè)不同形狀的凸輪，由2 根自由連桿聯(lián)接，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的計(jì)算可實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的上升及下平臺(tái)的拉升，但是當(dāng)凸輪出現(xiàn)磨損時(shí)會(huì)破壞計(jì)算好的兩平臺(tái)上升動(dòng)作時(shí)間，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)位移出現(xiàn)偏差；王才東等[3]的攀升機(jī)構(gòu)采用滾輪式爬升方式，依靠重力自鎖，采用鎖緊輪進(jìn)行滾動(dòng)攀升，但此機(jī)構(gòu)對(duì)鎖緊輪的消耗過(guò)大，需經(jīng)常對(duì)鎖緊輪進(jìn)行保養(yǎng)修復(fù)；楊書建等[4]的攀升機(jī)構(gòu)亦采用滾動(dòng)式攀升方式，通過(guò)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行攀升，采用1 個(gè)主動(dòng)輪、3 個(gè)從動(dòng)輪，當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)滑落現(xiàn)象，導(dǎo)致攀升機(jī)構(gòu)失去平衡。

本文設(shè)計(jì)了一種新型攀升機(jī)構(gòu)，采用雙頭電機(jī)，改變輸出軸可實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)的上升動(dòng)作。在簡(jiǎn)析攀升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)上升位移參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)攀升機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析了工作平臺(tái)位移曲線以及攀升性能和變角性能。

1 攀升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與原理

1.1 攀升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

攀升機(jī)構(gòu)采取蠕動(dòng)形式的攀升步態(tài)，自上而下可分為3 個(gè)部分：上工作平臺(tái)，中間過(guò)渡平臺(tái)，下推升平臺(tái)，整體機(jī)構(gòu)如圖1 所示。上工作平臺(tái)通過(guò)過(guò)渡平臺(tái)上的錐齒輪的配合，轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋桿，推動(dòng)螺紋滑塊，使得連桿推動(dòng)平臺(tái)的上升。居中的過(guò)渡平臺(tái)則起到串聯(lián)上下平臺(tái)作用。過(guò)渡平臺(tái)上有推動(dòng)裝置，可帶動(dòng)傳動(dòng)軸上下移動(dòng)，通過(guò)伸縮裝置連接輸出軸與下工作平臺(tái)上的齒輪，電機(jī)可以完成主動(dòng)齒輪的正、反轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪與絲杠螺母螺紋配合帶動(dòng)下平臺(tái)完成上升動(dòng)作。

圖1 攀升機(jī)構(gòu)整體示意圖Fig.1 Overall schematic diagram of climbing mechanism

本文的攀升機(jī)構(gòu)最主要的零部件均處于過(guò)渡平臺(tái)，2 根錐齒輪螺紋桿與過(guò)渡平臺(tái)左右2 個(gè)板相連接，保證錐齒輪軸可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以隨著過(guò)渡平臺(tái)進(jìn)行上下移動(dòng)。主動(dòng)錐齒輪與過(guò)渡平臺(tái)下平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)固定，主動(dòng)錐齒輪與輸出軸通過(guò)鍵連接可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。雙頭錐齒輪與過(guò)渡平臺(tái)上平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)固定，上下兩平臺(tái)與錐齒輪軸之間有軸承存在，減小錐齒輪軸的磨損。在過(guò)渡平臺(tái)右側(cè)安裝一個(gè)推進(jìn)裝置，推進(jìn)裝置外接一個(gè)惰輪，通過(guò)推進(jìn)裝置的推動(dòng)可以將惰輪與主動(dòng)錐齒輪與雙頭錐齒輪嚙合，從而進(jìn)行齒輪傳動(dòng)。根據(jù)冗余自由度理論[5～6]，下工作平臺(tái)有4 組齒輪與絲杠螺母的配合機(jī)構(gòu)，通過(guò)主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)從動(dòng)齒輪，進(jìn)而使得絲杠螺母進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。絲杠螺母與過(guò)渡平臺(tái)通過(guò)螺紋進(jìn)行配合，當(dāng)下工作平臺(tái)上的齒輪動(dòng)作時(shí)，通過(guò)過(guò)渡平臺(tái)上的氣缸伸縮裝置，推動(dòng)輸出軸與齒輪進(jìn)行鍵連接，從而推動(dòng)過(guò)渡平臺(tái)進(jìn)行上升動(dòng)作。當(dāng)過(guò)渡平臺(tái)上升至指定位置后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，在絲杠螺母的作用下帶動(dòng)下工作平臺(tái)完成上升動(dòng)作。對(duì)稱的連桿以及絲杠螺母都可以保護(hù)零部件的損壞，防止負(fù)載過(guò)大導(dǎo)致整體機(jī)構(gòu)的損壞，影響機(jī)構(gòu)攀升過(guò)程中的穩(wěn)定性。

1.2 步態(tài)分析

（1）步態(tài)1 如圖2 所示。此步態(tài)為初始狀態(tài)，雙頭錐齒輪與惰輪分離，此時(shí)上平臺(tái)處于初始位置，下工作平臺(tái)與過(guò)渡平臺(tái)處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)。

圖2 步態(tài)1Fig.2 Gait 1

（2）步態(tài)2 如圖3 所示。此步態(tài)是上工作平臺(tái)上升動(dòng)作。此時(shí)，惰輪與雙頭錐齒輪、主動(dòng)錐齒輪相嚙合，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸與主動(dòng)錐齒輪通過(guò)鍵連接，通過(guò)移動(dòng)錐齒輪的運(yùn)動(dòng)傳遞，帶動(dòng)雙頭錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)錐齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而螺紋滑塊因螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)向中心做直線運(yùn)動(dòng)，滑塊與上工作平臺(tái)通過(guò)連桿連接，會(huì)推動(dòng)平臺(tái)穩(wěn)步上升。

圖3 步態(tài)2Fig.3 Gait 2

（3）步態(tài)3 如圖4 所示。此步態(tài)為過(guò)渡平臺(tái)上升動(dòng)作，此時(shí)惰輪與雙頭錐齒輪、過(guò)渡錐齒輪分離，上、下工作平臺(tái)處于靜止?fàn)顟B(tài)，伸縮裝置推動(dòng)輸出軸與下工作臺(tái)主動(dòng)齒輪連接；電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪嚙合帶動(dòng)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母與過(guò)渡平臺(tái)螺紋孔配合，因此可以推動(dòng)過(guò)渡平臺(tái)上升。壓縮連桿，螺紋滑塊將做反向運(yùn)動(dòng)回至初始步態(tài)，便于下一個(gè)循環(huán)的開始。

圖4 步態(tài)3Fig.4 Gait 3

（4）步態(tài)4 如圖5 所示。此步態(tài)為下工作平臺(tái)上升動(dòng)作。此時(shí)惰輪與2 組錐齒輪處于分離狀態(tài)，上工作平臺(tái)與過(guò)渡平臺(tái)處于固定狀態(tài)，通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，利用絲杠螺母與過(guò)渡平臺(tái)的螺紋配合，帶動(dòng)下工作平臺(tái)上升，由4 根螺紋桿與過(guò)渡平臺(tái)的螺紋配合，保證了上升循環(huán)時(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

圖5 步態(tài)4Fig.5 Gait 4

2 參數(shù)確定

2.1 推升高度的確定

根據(jù)初始步態(tài)繪制上升示意圖，如圖6 和圖7所示，可以得到上工作平臺(tái)上升的距離公式為

圖6 初始步態(tài)示意圖Fig.6 Initial gait diagram

圖7 步態(tài)2 示意圖Fig.7 Gait 2 Schematic

根據(jù)式（1）可以通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，根據(jù)錐齒輪間的傳動(dòng)，從而改變錐齒輪螺紋桿的轉(zhuǎn)數(shù)，得到不同的進(jìn)給距離Δb，再由式（2）可得不同的上升距離Δh：

通過(guò)式（2）可以看出，對(duì)于上升距離的選取，主要影響因素為螺紋滑塊在螺紋桿上的進(jìn)給距離，而螺紋滑塊的進(jìn)給距離即是

式中：n——螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)即錐齒輪螺紋桿在上升階段的轉(zhuǎn)數(shù)；p——螺紋的螺距，本文采用的均是M16×1.5 的公制標(biāo)準(zhǔn)牙的牙距，即p=1.5。

因此影響到上升距離的主要因素又可轉(zhuǎn)化為錐齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)。由于主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)與電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)數(shù)相同，因此要通過(guò)改變錐齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)改變上升距離即需要對(duì)錐齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣既保證了輸出的固定轉(zhuǎn)數(shù)，也可以使得錐齒輪螺紋桿的轉(zhuǎn)數(shù)得到保證，因此需要對(duì)錐齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2 錐齒輪傳動(dòng)比的確定

通過(guò)圖8 中的錐齒輪傳動(dòng)示意圖可以計(jì)算出從錐齒輪1 到錐齒輪5 和6 的傳動(dòng)比i15和 i16，通過(guò)對(duì)傳動(dòng)比的計(jì)算[7]，可以計(jì)算出螺紋滑塊的進(jìn)給距離，進(jìn)一步計(jì)算出上工作平臺(tái)在一個(gè)周期內(nèi)上升的距離數(shù)值。

圖8 錐齒輪傳動(dòng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of bevel gear transmission

傳動(dòng)比公式為

式中：nx，ny——錐齒輪轉(zhuǎn)速；Zx，Zy——錐齒輪齒數(shù)。

因?yàn)殄F齒輪3 和4 在同一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，錐齒輪5 與錐齒輪軸6 在同一根軸上，即n3=n4，n5=n6，因此最終的傳動(dòng)比公式為

2.3 過(guò)渡平臺(tái)推升參數(shù)

因?yàn)檩敵鲚S要有分離與連接的時(shí)間段，所以需要保證在完成運(yùn)動(dòng)動(dòng)作后還可以完成輸出軸與齒輪、錐齒輪之間的配合關(guān)系，因此需對(duì)機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

當(dāng)過(guò)渡平臺(tái)推升時(shí)，如圖9 所示。因?yàn)檩敵鲚S的存在，主動(dòng)錐齒輪與主動(dòng)齒輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此2個(gè)齒輪有相同的轉(zhuǎn)數(shù)。在過(guò)渡平臺(tái)上升時(shí)，因?yàn)樯掀脚_(tái)固定會(huì)導(dǎo)致螺紋滑塊離心運(yùn)動(dòng)，如圖10 所示。因此為保證移動(dòng)錐齒輪可以與雙頭錐齒輪和主動(dòng)錐齒輪嚙合，需要對(duì)齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，保證齒輪嚙合穩(wěn)定性。

圖9 過(guò)渡平臺(tái)上升示意圖Fig.9 Rising diagram of transition platform

圖10 螺紋滑塊移動(dòng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of movement of threaded slider

假設(shè)當(dāng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)n 圈，螺紋桿的螺距為p，則齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)過(guò)渡平臺(tái)上升距離為c=np，則根據(jù)上平臺(tái)固定可得螺紋滑塊移動(dòng)的距離為：

根據(jù)螺紋滑塊的移動(dòng)距離可計(jì)算錐齒輪螺紋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，從而計(jì)算雙頭錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為：

由式（8）、式（9）可計(jì)算過(guò)渡平臺(tái)上升對(duì)雙頭錐齒輪初始相位的影響程度，從而通過(guò)改變齒輪轉(zhuǎn)數(shù)保證整體攀升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與連貫性。

3 攀升仿真驗(yàn)證

使用SolidWorks 軟件進(jìn)行零部件繪制，根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行裝配配合，設(shè)置零部件的材料、阻尼與摩擦系數(shù)。本文主要研究機(jī)構(gòu)的攀升性能與攀升的位移參數(shù)，因此沒(méi)有設(shè)置引力。使用SolidWorks 中的Motion 分析[8～10]插件對(duì)整體攀升機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，由機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位循環(huán)動(dòng)作，研究攀升機(jī)構(gòu)一個(gè)周期的上升位移。由于移動(dòng)錐齒輪的存在，需控制錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)為保下一周期可以繼續(xù)嚙合，因此仿真轉(zhuǎn)動(dòng)限制了轉(zhuǎn)動(dòng)的角度均為1 440 °=4 圈。

3.1 上工作平臺(tái)上升位移

使用Motion 分析插件，首先移動(dòng)錐齒輪水平與上下錐齒輪嚙合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸出軸，輸出軸與錐齒輪通過(guò)鍵聯(lián)接，完成運(yùn)動(dòng)傳遞。通過(guò)螺紋桿與螺紋滑塊的配合推升上工作平臺(tái)，位移曲線如圖11 所示。上工作平臺(tái)從原本高度的386 上升至390，上升距離為4 mm，此過(guò)程曲線光滑平穩(wěn)，未出現(xiàn)抖動(dòng)，說(shuō)明上工作平臺(tái)上升過(guò)程平穩(wěn)。

圖11 上工作平臺(tái)上升位移曲線Fig.11 Upward displacement curve of upper working platform

3.2 過(guò)渡平臺(tái)上升位移

固定上、下工作平臺(tái)，輸出軸與下工作平臺(tái)主動(dòng)齒輪通過(guò)鍵聯(lián)接，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋桿與從動(dòng)輪通過(guò)鍵配合、與過(guò)渡平臺(tái)通過(guò)螺紋配合，推動(dòng)過(guò)渡平臺(tái)的上升。位移曲線如圖12 所示，過(guò)渡平臺(tái)初始位置為277.3 mm，通過(guò)推升上升至281.3 mm，推升距離為4 mm，曲線光滑平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)。

圖12 過(guò)渡平臺(tái)上升位移曲線Fig.12 Rising displacement curve of transition platform

3.3 下工作平臺(tái)上升位移

固定上工作平臺(tái)、過(guò)渡平臺(tái)，輸出軸與下工作平臺(tái)主動(dòng)齒輪通過(guò)鍵聯(lián)接，通過(guò)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檫^(guò)渡平臺(tái)處于固定狀態(tài)，因此下工作平臺(tái)在螺紋桿的作用下向上豎直攀升。位移曲線如圖13 所示，下工作平臺(tái)初始位置為7.7 mm，推升至15.8 mm，因此下工作平臺(tái)實(shí)際的推升距離為7.8 mm，曲線光滑平穩(wěn)。

圖13 下工作平臺(tái)上升位移曲線Fig.13 Rising displacement curve of lower working platform

過(guò)渡平臺(tái)與下工作平臺(tái)的上升位移有較小差距，因此在過(guò)渡平臺(tái)上安裝伸縮裝置，伸縮裝置尾部外焊連桿用來(lái)推動(dòng)輸出軸，控制輸出軸與主動(dòng)錐齒輪、主動(dòng)齒輪的聯(lián)接，可以完成不同平臺(tái)的推升動(dòng)作。保證了攀升機(jī)構(gòu)可以循環(huán)完成攀升動(dòng)作，到達(dá)最終目標(biāo)地點(diǎn)。

3.4 攀升機(jī)構(gòu)角度變化

通過(guò)Motion 分析對(duì)上升平臺(tái)進(jìn)行變角測(cè)試，設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為10 s，轉(zhuǎn)速設(shè)定為60 r/min，觀察、測(cè)量上升平臺(tái)傾斜角度，如圖14 所示。通過(guò)對(duì)位移曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，角度偏轉(zhuǎn)最高達(dá)到9°，在進(jìn)行角度改變時(shí)，上平臺(tái)的角度變化趨勢(shì)平緩，沒(méi)有強(qiáng)烈抖動(dòng)，變角機(jī)構(gòu)性能較好，如圖15 所示。

圖14 上平臺(tái)變角測(cè)試結(jié)果圖Fig.14 Diagram of angle change test results of upper platform

圖15 角度變化曲線圖Fig.15 Angle change curve

3.5 攀升機(jī)構(gòu)可靠性分析

本文設(shè)計(jì)的攀升機(jī)構(gòu)采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸出軸可分別控制主動(dòng)錐齒輪與主動(dòng)齒輪，從而完成3組平臺(tái)的攀升任務(wù)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)均采用冗余理論，通過(guò)對(duì)稱的零部件設(shè)計(jì)保證機(jī)構(gòu)在攀升過(guò)程中的穩(wěn)定性，采用堆成的錐齒輪螺紋桿與螺紋滑塊完成上平臺(tái)的平穩(wěn)推升，4 根對(duì)稱的螺紋桿也保證了過(guò)渡平臺(tái)與下平臺(tái)的推升，采用冗余自由度是為了減少單個(gè)零部件負(fù)載過(guò)大引起零部件損傷，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)抖動(dòng)與破損。從圖11—圖13 可以看出，機(jī)構(gòu)在攀升過(guò)程中上升曲線平滑，攀升機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性較好，沒(méi)有明顯抖動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的攀升機(jī)構(gòu)使用錐齒輪螺紋桿、螺紋滑塊與連桿的配合進(jìn)行上工作平臺(tái)的推升。通過(guò)學(xué)習(xí)冗余自由度理論，設(shè)計(jì)4 組齒輪-螺紋桿結(jié)構(gòu)，與過(guò)渡平臺(tái)使用螺紋配合，轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋桿推升過(guò)渡平臺(tái)上升。下工作平臺(tái)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，過(guò)渡平臺(tái)此時(shí)處于固定狀態(tài)，因螺紋配合的存在，螺紋桿做豎直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)下平臺(tái)上升，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)攀升機(jī)構(gòu)的上升與下降。

根據(jù)對(duì)攀升機(jī)構(gòu)各部分參數(shù)的計(jì)算，可以得到各個(gè)平臺(tái)在攀升過(guò)程中的位移參數(shù)以及各平臺(tái)之間的位移關(guān)系，防止各平臺(tái)推升時(shí)產(chǎn)生干涉。對(duì)攀升機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到3 個(gè)平臺(tái)的位移運(yùn)動(dòng)曲線。仿真結(jié)果表明，攀升機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)完成攀升動(dòng)作，各平臺(tái)之間無(wú)干涉，運(yùn)動(dòng)連貫性較好，可以完成指定的攀升動(dòng)作。變角機(jī)構(gòu)仿真測(cè)試顯示，上平臺(tái)可完成10°以內(nèi)的左右傾斜，偏轉(zhuǎn)性能較好，穩(wěn)定性較高，可滿足一些特殊工作場(chǎng)景的需求。