孫翔宇，劉剛峰*，楊清閣，孫才紅，趙杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2.中國科學院國家天文臺，北京 100012)

五百米口徑球面射電望遠鏡(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)，又被稱為“中國天眼”，是世界上最大的單口徑射電望遠鏡，它為中國開展暗物質和暗能量性質、宇宙起源和演化、太空生命起源和外星文明探索等研究活動提供了重要支持[1]。FAST系統(tǒng)通過饋源艙接收反射面收集的宇宙信號，而饋源艙通過6根46 mm饋源支撐纜索的收放調整自身的位置和姿態(tài)。饋源支撐纜索在巨大承載力下循環(huán)收放，并與牽引裝置、轉向滑輪及其上懸掛部件產(chǎn)生摩擦，這使得其安全檢測十分重要。FAST建成前的世界最大單口徑射電望遠鏡阿雷西博于2020年12月1日因饋源支撐纜索斷裂造成反射面被徹底撞壞損毀，成為人類科技史上的重大災難[2]。有此前車之鑒，對于FAST饋源支撐纜索的安全檢測更加不容忽視。

然而，對FAST饋源支撐纜索進行檢測非常困難。饋源支撐纜索在靠近饋源艙端有280 m的索段長期暴露在空中無法回收，形成了檢測盲區(qū)，整個纜索的架空距離長、高度高、坡度大、表面摩擦系數(shù)小，人工檢測難度極大。不僅如此，纜索上各種固定索夾、固定或移動滑車等部件使得檢測環(huán)境更為復雜。因此，需要專門設計能夠進行自主檢測的機器人系統(tǒng)來進行饋源支撐纜索各部件的缺陷檢測。目前國內外對于工作條件如此苛刻的支撐纜索自主檢測工作尚未開展。

與此相關的，在斜拉橋纜索檢測機器人方面，廣東承信公路工程檢驗有限公司研制了由一臺主動小車與兩臺被動小車組成的輪式纜索檢測機器人[3]，該機器人通過三個模塊夾緊纜索。季云峰等[4]也設計一種輪式纜索檢測機器人，該機器人通過前后雙輪驅動，能適應不同直徑和螺旋線分布的纜索。何鴻宇等[5-6]還研究了三組輪系驅動的纜索檢測機器人，機器人能夠通過彈簧預緊抱緊纜索。聶小春等[7]設計的纜索檢測機器人通過雙層三爪的方案保證了爬升的穩(wěn)定性。東南大學則設計了一種雙邊車架對稱夾持式的纜索檢測機器人[8]。其他進行斜拉橋纜索檢測機器人研究機構的還有哈爾濱理工大學[9]、中國石油大學[10]、中國計量大學[11]與吉林大學[12]。

另外，在高壓輸電線巡檢機器人研究方面，余斌等[13]研制了具有多曲面夾爪的四臂電線巡檢機器人，高源等[14]則研制了一種由探傷模塊、行走模塊與視覺模塊焊接一體成型的高壓線巡檢機器人，機器人依靠聚氨酯包膠輪驅動。楊蔚華等[15]所設計的輸電線機器人則采用雙凹槽論懸掛式結構，前后行走輪對稱布置。蔡光柱等[16]研制了一種大跨距的輸電線巡檢機器人，機器人可通過越障裝置從塔頭跨越到底線。侯建國等[17]還設計了一種前、后行走臂加輔助越障中臂組成的三抱臂式輸電線巡檢機器人。周展帆等[18]創(chuàng)新性地設計了一種磁懸浮的高壓線作業(yè)機器人。毛先胤等[19]則采用了較為常用的三臂式巡檢機器人方案，依靠三臂運動規(guī)劃越障。其他進行斜拉橋纜索檢測機器人研究的機構還有北京林業(yè)大學[20]、西南交通大學[21]與哈爾濱工業(yè)大學[22]。

綜上，國內外尚未有進行針對像FAST饋源支撐纜索這樣高度、坡度、長度大且障礙種類與數(shù)量多的纜索進行自主檢測的研究工作，為此，對斜拉橋纜索檢測機器人與高壓輸電線巡檢機器人兩個與FAST纜索檢測較為相似的研究方向進行了文獻綜述，而對于兩類線纜檢測機器人的研究也具有較為明顯的不同點。

總體上，斜拉橋纜索檢測機器人所需檢測的纜索坡度大甚至垂直于地面且纜索上無大尺寸障礙，因此這方面研究側重于選用合適的機器人驅動方式使機器人擁有大坡度攀爬能力，但通常不專門設計避障機構。相反，高壓輸電線巡檢機器人所檢測的輸電線坡度較小，大多不專門設計線纜夾緊機構且采用輪驅方案；但此類機器人一般需要跨越桿塔等大尺寸障礙，因此避障機構及流程設計是此類機器人研究的側重點。目前已有許多學者在斜拉橋纜索與高壓輸電線的檢測機器人等方向進行了大量工作，但相比之下，F(xiàn)AST饋源支撐纜索及其附件檢測更為復雜，其不但同時具備斜拉橋纜索坡度大與高壓輸電線有障礙的特點，還存在纜索摩擦系數(shù)較小、纜上滑車尺寸各異、固定索夾數(shù)量極多等檢測難點。對于這種多障礙、坡度大、待檢物多樣且表面摩擦系數(shù)小的纜索檢測任務，國內外尚未有成功開展的先例。因此，現(xiàn)緊密結合FAST設施的特點，進行針對性、創(chuàng)新性的設計，研制一套FAST饋源支撐纜索及滑車檢測機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)對FAST饋源支撐系統(tǒng)的安全檢測。

1 面向檢測任務的機器人總體設計

出于嚴格保證FAST設施自身安全的考慮，設計FAST饋源纜索及滑車檢測機器人的總體方案首先需要保證機器人在纜索上運行的可靠性，在機器人工作在纜索上時，絕不允許出現(xiàn)因為機器人的故障而產(chǎn)生對FAST望遠鏡系統(tǒng)本身造成破壞的情況出現(xiàn)，依據(jù)此原則，針對FAST饋源支撐纜索障礙多、坡度大、距離長、摩擦系數(shù)小等特點，進行機器人總體方案設計。機器人所需檢測饋源支撐系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 FAST饋源支撐系統(tǒng)Fig.1 Feed support system of FAST

1.1 機器人驅動方式設計

為使所設計的檢測機器人能夠完成檢測任務，需要驅動纜索檢測機器人沿饋源支撐纜索運動。機器人可通過自驅動或者外部牽引驅動等方式實現(xiàn)運動，機器人自驅動方案又包括蠕動式驅動、輪式驅動、履帶式驅動等形式，但是由于采用履帶式驅動方式的機器人難以通過結構設計使其具備越過FAST饋源支撐纜索上大尺寸障礙的能力。據(jù)此對比蠕動驅動、輪式驅動以及外部牽引驅動，各種驅動方式的優(yōu)劣如表1所示。

基于表1所示對比結果，由于纜索摩擦系數(shù)小且存在許多大尺寸障礙，無法單獨通過驅動輪為機器人提供動力，而同樣由于纜索表面無法提供足夠的摩擦力，單獨通過蠕動驅動難以通過手爪為機器人提供足夠多的支持力。為分析機器人自驅動的可行性，通過滾輪將機器人支撐在纜索上，通過手爪為機器人提供驅動力，并將機器人分為三節(jié)的方式優(yōu)化機器人在自驅動條件下的受力情況，機器人具體受力情況如圖2所示。

表1 機器人各種驅動方式機器人對比Table 1 Comparison of robots with various driving modes

如圖2所示，此時纜索傾角為θ，每一節(jié)機器人重量為G(包括各節(jié)間連接機構的均攤重量)，叉號代表手爪位置，圓圈代表滾輪位置，機器人手爪示意圖如圖3所示，其中手爪對纜索施加的抱緊力為F，其力臂長度為L。

圖2 自驅動受力分析Fig.2 Force analysis of self driven

圖3 機器人手爪結構Fig.3 Structure of robot gripper

承受機器人在垂直于纜索方向上所受到的力的主承力輪受力示意圖如圖4所示，主承力輪在受到纜索的支撐力后會在軸承上產(chǎn)生摩擦力。

圖4 機器人主承力輪受力分析Fig.4 Force analysis of robot main bearing wheel

(1)

式(1)中：μ為滾輪與纜索之間的摩擦系數(shù)，由于饋源支撐纜索表面附著有較厚的潤滑油脂，因此取μ=0.1；μ′為軸承摩擦系數(shù)，取μ′=0.002，取G=1 kN，傾角取極限值θ=56°，據(jù)此求得夾持力F≥6 kN，若L取100 mm，則夾緊電機經(jīng)傳動后所需要提供的轉矩為600 N·m。取手爪接觸面積為20 cm2，假設力在手掌上均勻分布，則壓強p=3 MPa。顯然，若采取自驅動的形式，需要夾緊電機產(chǎn)生的轉矩過大，因此采用自驅動方案的可行性較低。經(jīng)過計算分析，需要通過外部繩索牽引為機器人提供驅動力。但是為了增加機器人的可靠性，保證機器人即使在牽引繩索失效的情況下仍然能夠通過其他手段安全回收，將機器人的驅動方案設計為以外部牽引驅動為主，輪驅為輔的驅動方式，吸取兩種驅動方式的優(yōu)點。另外，通過驅動輪的輔助驅動，也減輕了牽引繩索所需要分擔的驅動力，尤其是可以解決機器人在靠近饋源艙端的纜索上時運動方向與牽引繩索的夾角太大所造成的驅動力不足的問題。

另外，將機器人的牽引驅動方案設計為前端與后端協(xié)同驅動，前端卷揚機控制機器人的運行速度，后端卷揚機保持牽引纜索繃緊，這樣設計是因為：一是下側牽引繩索能夠使上側牽引繩索保證一定的繃緊程度，從而使牽引驅動穩(wěn)定；二是在機器人由于慣性無法通過前端牽引穩(wěn)定快速地進行減速時，后端牽引不但能夠在必要時實現(xiàn)急停；三是防止機器人發(fā)生側向傾翻；四是提高機器人的速度控制與位置控制的精度。

1.2 機器人系統(tǒng)的總體組成

按照機器人所采取的以外部牽引驅動為主，輪驅為輔的驅動形式，進行機器人系統(tǒng)總體組成的設計。將機器人系統(tǒng)設計為主要由機器人本體、前端牽引驅動裝置、后端牽引驅動裝置三部分組成，機器人的總體組成示意圖如圖5所示。

圖5 機器人系統(tǒng)總體組成Fig.5 Overall composition of the robot system

其中，機器人本體是整個機器人系統(tǒng)的核心，這一部分完成整個機器人系統(tǒng)中最重要的沿纜索運動、避障的任務，并通過搭載磁檢測傳感器與視覺檢測傳感器來完成對饋源支撐纜索及其上滑車的缺陷檢測任務，整個機器人系統(tǒng)的控制中心也位于機器人本體中。

前端牽引裝置與后端牽引裝置主要由卷揚電機、減速器、滾筒、牽引繩索等組成，它們主要功能使為機器人提供牽引驅動力，前端牽引驅動裝置與后端牽引驅動裝置協(xié)同完成驅動機器人沿纜索運動的任務。根據(jù)所設計的機器人驅動形式，前端牽引裝置主要用于實現(xiàn)調節(jié)機器人沿纜索運行的速度，而后端牽引裝置主要用于實現(xiàn)保證機器人運行穩(wěn)定。

1.3 面向纜索障礙的機器人避障方法研究

由于FAST饋源支撐纜索上存在有滑車、索夾、光纜、電纜等多種障礙物，因此一方面，在機器人的結構上需要進行針對性設計從而在空間上避免與纜索上的障礙發(fā)生碰撞；另一方面，障礙物的存在使得機器人無法沿纜索從頭至尾按照恒定的速度移動，必須進行與FAST纜索及其上各式障礙相適應的機器人避障流程規(guī)劃。

對于纜索下方懸垂的光纜、電纜等障礙，由于它們在空間上處于饋源支撐纜索的正下方且懸垂長度較大，因此只能夠通過在將機器人的結構設計為底部開口的形式，避免機器人與光纜、電纜等障礙物發(fā)生干涉。

而對于纜索上的固定滑車、移動滑車與索夾等障礙，為了保證機器人運動的可靠性，需要保證機器人在運行時穩(wěn)定地抱緊纜索。據(jù)此，避障方案的設計的總體思路為將機器人的結構設計為多節(jié)相連的形式，當機器人在檢測到本體結構即將遇到纜索上的固定滑車、移動滑車等障礙物時，先使某一節(jié)機器人脫離纜索并在另外幾節(jié)機器人的推動下越過障礙。

機器人的節(jié)數(shù)可設計為兩節(jié)或三節(jié)，若為兩節(jié)式的結構，則機器人自由度較少，結構相對簡單，控制相對容易，但是在機器人避障過程中只能有一節(jié)機器人抱緊纜索，該節(jié)機器人不但需要為整個機器人結構提供支撐力，還需要為另一節(jié)機器人提供支撐彎矩，因此機器人的避障過程較不穩(wěn)定，兩節(jié)式方案的機器人受力分析如圖6所示。

圖6 兩節(jié)式方案受力分析Fig.6 Force analysis of two section scheme

而若是將機器人設計為三節(jié)式的結構，在機器人避障過程中則能夠保證至少有兩節(jié)機器人抱緊纜索，因此機器人的避障過程相對穩(wěn)定，各節(jié)機器人無需承受較大的彎矩，但是機器人節(jié)數(shù)增多將會導致結構變得更為復雜，控制也相對困難，三節(jié)式機器人的受力分析如圖7所示。

圖7 三節(jié)式方案受力分析Fig.7 Force analysis ofthree section scheme

由于FAST饋源支撐纜索及滑車檢測機器人的設計首先需要保證其運行的可靠性，因此將機器人設計為三節(jié)式的結構。

綜上所述，將機器人本體設計為多輪抱索、底部開口、多節(jié)串聯(lián)的形式，并通過依次開合、輪流避障的方式越過饋源支撐纜索上的障礙。

2 適應檢測環(huán)境的機器人結構與機構

基于FAST纜索檢測機器人的總體方案，通過機械結構的設計具體地對機器人功能進行實現(xiàn)。由于機器人采用三節(jié)串聯(lián)式的形式，因此需基于各節(jié)機器人在整個系統(tǒng)中的作用進行針對性的結構設計，還需設計可靠的機械結構將各節(jié)機器人進行連接，并實現(xiàn)各節(jié)機器人之間的相對位置調節(jié)。

2.1 針對避障需求的各節(jié)機器人機構設計

由于在避障過程中，如圖7所示三節(jié)機器人中的前后兩節(jié)受力情況較差，因此前后兩節(jié)機器人不能夠搭載重量較大的部件，只需要起到對整個機器人結構的支撐作用以及自身的開合避障作用，因此需要將前后兩節(jié)機器人設計為較為簡單的結構形式，前后兩節(jié)機器人結構如圖8所示，前后兩節(jié)機器人結構包括抱索機構、驅動輪、纜索梳理機構以及機器人框架。

圖8 前后兩節(jié)機器人結構Fig.8 Structure of front and rear sections of the robot

其中，機器人的抱索機構是整個機器人在FAST饋源支撐纜索上實現(xiàn)避障的主要結構，前后兩節(jié)機器人的抱索機構及驅動輪如圖9所示。抱索機構是通過電動缸驅動連桿機構，進而帶動驅動輪組支架沿水平方向運動，以實現(xiàn)纜索兩側驅動輪組抱緊或者脫離纜索的功能。如圖8與圖9所示，在抱索機構中，每一側的驅動輪組支架上的支撐軸與機器人框架側面上的通孔相配合從而將驅動輪框架的運動限制在水平方向上，形成了一個移動副，通過電動缸的運動推動與其相連的桿件旋轉，從而帶動驅動輪組支架在移動副的限制下沿水平方向運動。通過這種電動缸驅動連桿機構實現(xiàn)開合的方案而非電動缸直驅開合的方案，一方面可以將電動缸置于機器人兩側下部的位置，從而降低各節(jié)機器人的重心，減小機器人橫向的尺寸，從而避免機器人在纜索上側向傾翻，提高機器人的可靠性，另一方面，將抱索機構閉合的極限位置設計為驅動輪能夠可靠地夾緊纜索的位置，可以保證機器人在抱索機構閉合時穩(wěn)定地沿纜索運動。

圖9 前后兩節(jié)的抱索機構及驅動輪Fig.9 Opening-closing mechanism and driving wheel setof the front and rear section

每一側機器人抱索機構上通過驅動輪支架安裝有兩個驅動輪，兩側抱索機構閉合時，共4個驅動輪繞饋源支撐纜索均勻分布。為了保證驅動輪組夾緊纜索的可靠性，驅動輪與纜索接觸處的凹槽曲率半徑需稍大于饋源支撐纜索的直徑，且使4個驅動輪在互相不發(fā)生干涉的情況下盡量包圍纜索的整個圓周。在4個驅動輪中，位于上方的兩個驅動輪為主承力輪，為機器人提供主要的支撐力以及輪驅動力，而位于下方的兩個驅動輪為輔助承力輪，它們協(xié)助主承力輪可靠地夾緊纜索，從而增大驅動輪的驅動力。驅動輪的驅動電機選擇輪轂電機，這樣一方面，由于安裝在抱索機構上的輪結構、輪驅動電機、電機驅動器以及電機減速器等部件全部需要隨抱索機構運動，因此需要整個驅動輪部件的集成度較高；另一方面，由于4個驅動輪包裹了整個纜索圓周，驅動輪組的結構較為緊湊，在機器人框架內部沒有足夠的空間在驅動輪結構外部布置驅動電機、電機驅動器以及電機減速器等部件。

在每側抱索機構的前后兩端上還設計有纜索梳理機構，如圖10所示。纜索梳理機構與機器人抱索機構之間通過軸孔配合形成移動副并通過大剛度彈簧相連接，纜索梳理機構的設計是為了保證機器人上的抱索機構在閉合抱緊纜索時不會夾偏。纜索梳理機構上還裝有對射開關陣列，當纜索處于機器人抱索機構中心時，對射開關陣列的中間位置檢測不到對射信號，由此可以判斷FAST饋源支撐纜索已到達目標位置，而若對射開關陣列中的其他位置檢測不到對射信號，即可通過判斷FAST纜索相對于機器人抱索機構中心的位置調節(jié)各節(jié)機器人間的相對位置。當抱索機構閉合時，纜索梳理機構會先于驅動輪與纜索相接觸，若此時纜索未處于機器人抱索機構的中心位置，隨著抱索機構推動纜索梳理機構向內運動，饋源支撐纜索會沿纜索梳理機構上的曲線被調整至中心位置，在纜索梳理機構完全閉合后，其位置在機構上被卡死。

圖10 纜索梳理機構Fig.10 Cable sorting mechanism

各節(jié)機器人的框架主要起支撐作用，為該節(jié)機器人上的其他部件提供安裝支撐，另外，框架結構中留有與其他節(jié)機器人連接的連接機構接口。根據(jù)對于FAST饋源支撐纜索下方下垂的光纜與電纜的避障方案設計，機器人框架結構需設計為底部開口式。前后兩節(jié)機器人支架結構如圖11所示。

圖11 前后節(jié)框架結構Fig.11 Frame structure of front and rear sections

相較于前后兩節(jié)機器人，中間節(jié)機器人的受力狀況更優(yōu)，可以搭載更多的載荷，因此纜索檢測裝置以及機器人控制設備主要安裝在中間節(jié)機器人上。中間節(jié)機器人的結構主要也包括抱索機構、驅動輪、纜索梳理機構以及機器人框架四個部分。中間一節(jié)機器人結構如圖12所示。

圖12 機器人中間節(jié)構型Fig.12 Middle section of the robot

由于中間節(jié)機器人需要搭載更多設備，因此相較于先后前后兩節(jié)機器人，中間節(jié)機器人設計了兩組驅動輪，與前后兩節(jié)機器人上的驅動輪組相同，兩個驅動輪組中4個驅動輪都是繞饋源支撐纜索均勻布置，兩組驅動輪能夠為重量更大的中間節(jié)機器人提供更穩(wěn)定的支撐。中間節(jié)機器人的抱索機構上還需要搭載纜索磁檢測裝置，傳感器在機器人避障過程中跟隨抱索機構同步打開與閉合。由于磁檢測裝置的安裝及驅動輪組數(shù)量的增加，中間節(jié)機器人抱索機構較前后兩節(jié)更長。中間節(jié)機器人的抱索機構同樣通過電動缸經(jīng)連桿機構驅動，并同樣搭載了纜索梳理機構以保證機器人能夠在抱索機構閉合時夾住饋源支撐纜索。中間一節(jié)機器人的抱索機構與驅動輪組如圖13所示。

圖13 中間節(jié)的抱索機構與驅動輪組Fig.13 Opening-closing mechanisms and driving wheel sets of the middle section

中間節(jié)機器人的框架同樣主要起支撐作用并設計為底部開口的形式，但由于纜索檢測設備的安裝及驅動輪組數(shù)量的增加，中間節(jié)機器人的框架尺寸較前后兩節(jié)更長。中間節(jié)機器人結構還需要向下方延伸，并搭載足夠重量的配重，從而降低機器人的重心，提高機器人的穩(wěn)定性，用于配重的部件主要為機器人的控制箱、電源等。中間節(jié)機器人的框架結構如圖14所示。

圖14 機器人中間節(jié)框架結構Fig.14 Frame structure of robot middle section

2.2 相對姿態(tài)可調的節(jié)間連接結構

各節(jié)機器人間的連接機構能夠將機器人系統(tǒng)連接為一個協(xié)同運動的整體，并且主動調節(jié)或者被動調節(jié)各節(jié)機器人之間的相對位置。由于機器人是通過依次開合、輪流避障的方式越過饋源支撐纜索上的障礙，因此機器人連接機構的長度必須能夠使相鄰兩節(jié)機器人間的距離大于所需越過的障礙物的長度。

一方面，各節(jié)機器人間的縱向相對位置需要能夠進行被動調整，這是因為機器人在抱緊纜索并沿纜索移動時，由于懸垂的纜索是一條曲線，如果不能對各節(jié)機器人間的縱向相對位置進行微調，各節(jié)機器人間的剛性連接結構會強行將纜索拉直，若連接結構的不夠，則會產(chǎn)生較大的變形。而這種機器人節(jié)間微小的相對位置改變難以通過主動調整的方式來適應，因此需要在機器人連接機構中設計能夠被動調整各節(jié)機器人間縱向相對位置的機構，該機構如圖15所示。

如圖15所示，該框體通過8個剛度較大彈簧與前后節(jié)機器人相連，通過移動副將框體與機器人之間的相對運動限制在豎直方向上，選取剛度足夠大的彈簧并調節(jié)各彈簧的預緊力，使得在正常情況下，機器人被彈簧壓緊在相對于框體運動范圍的最下部位置，并保證機器人在正常運動過程中不會相對于外框體振動，而在受到由于饋源支撐纜索彎曲而造成的較大的彎矩時則能夠被動適應纜索曲線。

圖15 縱向相對位置被動調整結構Fig.15 Passive adjustment structure for longitudinal relative position

另一方面，各節(jié)機器人之間的縱向相對位置還必須能夠進行主動調整。這是由于懸垂的饋源支撐纜索是一條曲線，因此當機器人打開抱索機構并越過障礙后，如若不能夠主動地調整各節(jié)機器人之間的相對位置，在機器人抱索機構重新閉合時，纜索可能已不再位于機器人抱索機構的中心點，于是機器人無法重新抱緊纜索。因此，將各節(jié)機器人連接結構設計為可以由電動缸驅動調節(jié)的形式，通過主動調節(jié)電動缸的伸縮量來調整各節(jié)機器人間的縱向相對位置，調節(jié)量根據(jù)各節(jié)機器人上搭載的纜索梳理機構中對射開關的信號來進行判斷。通過機器人連接機構主動調整各節(jié)機器人間的縱向相對位置，即可保證機器人在越過障礙后能夠重新抱緊纜索。

在主動調節(jié)機器人節(jié)間相對位置的連接機構中，根據(jù)能否使各節(jié)機器人被動地調整相對俯仰角度，分別設計了四連桿式與彈簧調節(jié)式兩種機器人連接機構。兩種機構分別在剛度與適應性上進行了取舍，需要根據(jù)機器人纜上實驗判斷兩種連接機構是否適用于FAST饋源支撐纜索檢測機器人。

四連桿式連接機構通過一個四連桿機構將中間節(jié)機器人與能夠進行被動調整兩節(jié)機器人縱向相對位置的框體相連接，通過電動缸驅動四連桿中的一根桿件，帶動整個四連桿機構的運動。四連桿式連接機構的結構如圖16所示。

圖16 四連桿式連接機構Fig.16 Four-link connection mechanism

四連桿式連接機構使得相連的兩節(jié)機器人之間只能調節(jié)縱向相對位置，但是兩節(jié)機器人將始終保持互相平行，不能夠調節(jié)相對俯仰角度，這使得機器人在抱緊纜索并沿纜索運動時不能夠保證環(huán)繞饋源支撐纜索的4個驅動輪所位于的平面嚴格垂直于纜索。但這一設計的優(yōu)點是使得連接機構的剛度較大，在已經(jīng)能夠被動調整各節(jié)機器人縱向相對位置的情況下，沒有進一步降低各節(jié)機器人間的連接剛度。如若機器人在饋源支撐纜索上運行時，在連接機構不能夠調節(jié)兩節(jié)機器人間相對傾角的情況下，纜索不會使得連接機構承受過大的載荷，則可以優(yōu)先選取四連桿式連接機構來保證連接機構的剛度。

彈簧調節(jié)式連接機構則是通過一根桿件將中間節(jié)機器人與縱向相對位置被動調整結構相連接。在中間節(jié)機器人一端，在電動缸的驅動下，連接機構能夠繞中間節(jié)機器人旋轉，而連接機構另外一端通過旋轉副與框體相連接，并通過兩個大剛度彈簧被動適應連接機構與框體之間的旋轉角度。彈簧連接式連接機構的結構如圖17所示。

圖17 彈簧式連接機構Fig.17 Spring connection mechanism

采用彈簧式連接機構的設計使得機器人不但能夠主動調節(jié)兩節(jié)機器人間的縱向相對位置，還能夠通過彈簧被動地適應纜索曲線造成的兩節(jié)機器人間相對傾角的改變。在彈簧式連接機構中，需要選取剛度合適的彈簧，并調節(jié)彈簧預緊力，從而保證在機器人避障過程中，連接機構仍然能夠穩(wěn)定地為脫離纜索的一節(jié)機器人提供支撐力。與四連桿式連接機構相比，彈簧調節(jié)式連接機構能夠被動調節(jié)相對俯仰角度，但是剛度較小。如若機器人在饋源支撐纜索上運行時，在連接機構不能夠調節(jié)兩節(jié)機器人間相對傾角的情況下，纜索會使得連接機構承受過大的載荷，則需要優(yōu)先選取彈簧調節(jié)式連接機構來適應饋源支撐纜索曲線。

結合機器人節(jié)間相對位置的主動調節(jié)機構與被動調節(jié)機構，最終形成了主動調節(jié)、被動適應的各節(jié)機器人間連接方案，從而保證各節(jié)機器人能夠可靠地協(xié)同運行。

3 機器人樣機研制與模擬實驗

為驗證機器人的可靠性，建設了FAST饋源支撐系統(tǒng)的模擬實驗平臺，并通過機器人樣機制造及機器人纜上運行與越障實驗驗證本文機器人總體設計與結構機構設計的可行性與合理性。

根據(jù)懸鏈線模型分析計算饋源支撐纜索在自由懸垂時的纜索曲線函數(shù)，并基于計算結果，使用從FAST望遠鏡中使用后更換下的纜索及纜上障礙物建設機器人實驗平臺，通過高低兩座纜索支撐塔架設饋源支撐纜索，從而盡可能還原FAST現(xiàn)場環(huán)境。實驗平臺如圖18所示。

基于本文設計工作研制和裝配完成的FAST饋源支撐纜索檢測機器人樣機如圖19所示。按前文所述，機器人設計為底部開口、多輪抱索、三節(jié)串聯(lián)的形式，各節(jié)機器人之間由所設計的主動調整、彈性適應的連接機構相連。將裝配好的機器人安置在機器人實驗平臺中，進行機器人運行與避障實驗，機器人在纜索上移動及避障實驗流程如圖20所示。

圖19 FAST饋源支撐纜索檢測機器人Fig.19 Feed support cable inspection robot for FAST

如圖20(a)所示，機器人在前端牽引力的驅動下沿纜索運動，在即將遇到纜索上的索夾障礙物時，機器人接收到檢測裝置發(fā)出的信號，并控制前端牽引驅動裝置使機器人停在障礙物前。隨后如圖20(b)所示，第一節(jié)機器人的抱索機構打開，使障礙物能夠順利通過機器人，再如圖20(c)所示，通過牽引機構驅動第一節(jié)機器人繼續(xù)向前運動直至完全越過障礙。機器人越過障礙后，如20(d)所示，控制抱索機構閉合并調節(jié)姿態(tài)，至此第一節(jié)機器人完整地越過了障礙并能夠繼續(xù)沿纜索向前運動。其余兩節(jié)機器人按照相同的越障流程自主越過纜索上的障礙物。

圖20 機器人運動與越障實驗Fig.20 Robotmovement and obstacle avoiding experiment

經(jīng)實驗驗證，所研制的機器人樣機能夠通過牽引驅動的方式沿纜索運動，并能夠通過機器人抱索機構以及節(jié)間連接機構使機器人順利通過模擬平臺中FAST饋源支撐纜索上的障礙。這種牽引驅動方式和多節(jié)式機器人結構，為機器人系統(tǒng)應用于FAST設施纜索檢測提供了可行和可靠的解決方案。

4 結論

針對FAST饋源支撐纜索的苛刻檢測環(huán)境，設計了一套能夠自主運動與避障的機器人系統(tǒng)，研制了機器人系統(tǒng)樣機并開展了模擬纜索實驗驗證，得到如下結論。

(1)提出了面向纜索檢測任務的機器人總體設計方案。通過分析機器人在長陡纜索下的移動檢測需求，提出了牽引為主、自驅為輔的機器人運動方式；通過分析饋源支撐纜索上的具體障礙形式，提出了底部開口、多輪抱索、多節(jié)串聯(lián)式的機器人構型，解決了FAST饋源支撐纜索長、陡、高、多障礙、摩擦小等問題，填補了饋源支撐纜索檢測的空白。

(2)針對FAST饋源支撐纜索上存在的具體障礙，設計了抱索機構使各節(jié)機器人能夠實現(xiàn)依次開合、輪流避障；針對多節(jié)機器人間縱向位置偏移問題，設計了主動調整、彈性適應的各節(jié)機器人連接機構；針對機器人抱索機構中心與纜索相對位置偏移問題，設計了先抱緊、后彈開的纜索梳理機構。所設計的機器人結構與機構能夠完成纜索上的運行與避障任務。

(3)研制了機器人樣機，設計并建設了纜索檢測實驗平臺；基于實驗平臺與機器人樣機，開展了機器人沿纜索運動與避障的綜合實驗驗證，實驗結果表明所設計的FAST饋源支撐纜索檢測機器人能夠滿足FAST饋源支撐纜索的檢測需求。

機器人系統(tǒng)樣機將在全面完善后，依據(jù)FAST觀測日程安排，擇機深入開展FAST設施上真實纜索的檢測試驗，為FAST設施安全運行提供設施保障與技術服務。