劉 學(xué), 陳玉澤, 趙學(xué)林, 劉曉彤, 周玉成

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

傳統(tǒng)的高空作業(yè)方式存在效率低和高危險等問題,人們迫切希望能用機(jī)器代替工人完成高空作業(yè)[1-2]。機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展使得攀爬機(jī)器人在建筑表面清洗[3]、路燈養(yǎng)護(hù)[4]、高壓輸電鐵塔檢修[5-6]和管道作業(yè)[7-8]等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。攀爬機(jī)器人已成為熱點研究領(lǐng)域之一[9]。

國內(nèi)外學(xué)者針對攀爬機(jī)器人進(jìn)行了研究。Lam等[10]研制了一種攀爬樹木的機(jī)器人Treebot,如圖1(a)所示。該機(jī)器人能夠在不規(guī)則的樹木上進(jìn)行攀爬,全方位夾持器使其附著于不同直徑的樹木。鮑秀蘭等[11]提出一種燈桿攀爬機(jī)器人,如圖1(b)所示。夾持機(jī)構(gòu)主要包括彈性卡爪和連接彈簧,彈性卡爪由機(jī)械手和機(jī)械手固定裝置組成。上部和下部彈性卡爪分別固定于主、從動輪的兩側(cè),利用主動輪和從動輪外緣尺寸的變化控制彈性卡爪交替夾緊,該機(jī)器人可以適應(yīng)不同桿徑。Gui等[12]設(shè)計了一種修剪樹枝的攀爬機(jī)器人,如圖1(c)所示。夾持機(jī)構(gòu)主要由螺桿和車輪組成,通過電機(jī)驅(qū)動螺桿調(diào)節(jié)機(jī)器人車輪對樹干的壓力,該機(jī)器人適應(yīng)不同直徑的樹木,但無法躲避障礙。李紅雙等[13]設(shè)計一種躲避障礙的攀爬機(jī)器人,主要由夾持機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)和避障機(jī)構(gòu)等組成,如圖1(d)所示。夾持機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)、機(jī)械爪、弧形手臂和同步帶,通過舵機(jī)驅(qū)動同步帶實現(xiàn)兩個機(jī)械爪同時夾持。避障機(jī)構(gòu)中的同步輪帶動弧形手臂使其圍繞被攀爬桿體運(yùn)動,從而使機(jī)器人避開障礙物。Megalingam等[14]提出一種收割椰子的攀爬機(jī)器人Amaran,如圖1(e)所示。Amaran夾持機(jī)構(gòu)主要包括彈簧機(jī)構(gòu)和麥克納姆輪,利用彈簧的彈力實現(xiàn)對樹木的夾持,機(jī)器人通過控制麥克納姆輪的方向在椰樹上攀爬和旋轉(zhuǎn)。Liu等[15]提出一種爬桿和地面爬行機(jī)器人,如圖1(f)所示。該機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動方式實現(xiàn)多指持握和輪式運(yùn)動,通過欠驅(qū)動保持機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)控制器實現(xiàn)保持夾持自適應(yīng)和攀爬穩(wěn)定性。但上述攀爬機(jī)器人無法攜帶檢測設(shè)備進(jìn)行攀爬。

圖1 攀爬機(jī)器人

本文提出一種能夠搭載掃描設(shè)備對木建筑承重構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行檢測的攀爬機(jī)器人,通過夾持機(jī)構(gòu)將機(jī)器人固定在木建筑承重構(gòu)件上并支撐其上下運(yùn)動。在攀爬和掃描過程中,夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性保障攀爬機(jī)器人的工作性能。因此,根據(jù)攀爬機(jī)器人的工作要求對夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計并闡述工作原理,通過力學(xué)模擬研究夾持機(jī)構(gòu),然后對夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,最后實驗驗證夾持性能。

1 攀爬機(jī)器人及夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人在攀爬時所夾持木建筑承重構(gòu)件的直徑多變,傳統(tǒng)夾持機(jī)構(gòu)無法適應(yīng)不同尺寸物體,需要一種適應(yīng)性較強(qiáng)的夾持機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1.1 攀爬機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

攀爬機(jī)器人由下體、連接體、上體和旋轉(zhuǎn)掃描設(shè)備組成,如圖2所示。為對木建筑承重構(gòu)件進(jìn)行360°掃描,需將其置于攀爬機(jī)器人的中軸線上,因此機(jī)器人的底座是一個圓形環(huán)繞結(jié)構(gòu),一端通過銷軸連接,另一端可開合。底座下方安裝萬向輪,使機(jī)器人可以上下移動。上方的上體、下體和旋轉(zhuǎn)體可拆分為2個半圓,上體和下體各有兩對夾持機(jī)構(gòu)。上體和下體之間的連接部分由三個間隔120°的垂直關(guān)節(jié)組成,在攀爬過程中起到提升作用,每個垂直關(guān)節(jié)安裝位移傳感器用于實時監(jiān)測機(jī)器人上下體間距。為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體圍繞被測物體360°旋轉(zhuǎn),由電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)齒輪帶動滑塊沿著滑道運(yùn)動。在旋轉(zhuǎn)體上安裝角位移傳感器用于實時檢測旋轉(zhuǎn)角度,旋轉(zhuǎn)體上方平板承載掃描設(shè)備。掃描設(shè)備位于旋轉(zhuǎn)體上方,主要包括X射線發(fā)射器和X射線接收器,用于對被測物體進(jìn)行掃描。機(jī)器人在攀爬過程中通過上體和下體交替夾持,夾持機(jī)構(gòu)保障攀爬機(jī)器人的穩(wěn)定性。

圖2 攀爬機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 夾持機(jī)構(gòu)

木建筑承重構(gòu)件所能承受的壓力有限,為保護(hù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu),同時支撐旋轉(zhuǎn)體360°旋轉(zhuǎn),本文采用兩對相互垂直的夾持機(jī)構(gòu)同時夾持,每對夾持機(jī)構(gòu)有兩個能夠伸縮的水平關(guān)節(jié),夾持機(jī)構(gòu)如圖3所示。每個夾持機(jī)構(gòu)主要由蝸輪蝸桿、夾板、壓力傳感器和支撐桿組成。渦輪蝸桿傳動具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大和自鎖的特點。在夾緊過程中,若偶發(fā)斷電意外,蝸桿不會因木建筑承重構(gòu)件的反作用力而回退。為實時采集夾持力數(shù)據(jù),在蝸桿的末端安裝壓力傳感器。夾板通過螺栓與蝸桿連接,由于木建筑承重構(gòu)件外表一般為圓柱形,將夾板設(shè)計成弧形以便能夠緊密貼合。為防止夾板損傷木建筑承重構(gòu)件表面和增大摩擦系數(shù),在弧形夾板的接觸面包裹一層硫化橡膠墊。支撐桿位于蝸桿的下方,一端連接弧形夾板的下方,另一端通過螺栓連接蝸桿的末端,支撐桿、蝸桿和弧形夾板構(gòu)成三角形,提高夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3 夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)夾緊過程分兩個階段。在準(zhǔn)備階段,電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿向機(jī)器人中軸線方向運(yùn)動。在運(yùn)動過程中,根據(jù)蝸桿的進(jìn)給距離微調(diào)電機(jī)速度,所有弧形夾板均與木建筑承重構(gòu)件表面接觸后,確保木建筑承重構(gòu)件在機(jī)器人的中軸線上。在夾緊階段,蝸桿繼續(xù)帶動弧形夾板以緩慢的速度向機(jī)器人中軸線方向運(yùn)動。壓力傳感器實時檢測夾持機(jī)構(gòu)的夾持力,達(dá)到設(shè)定值后,電機(jī)停止運(yùn)行。兩對夾持機(jī)構(gòu)的壓力均達(dá)到設(shè)定值后,夾緊過程完成。

當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)開始松開時,電機(jī)驅(qū)動蝸輪蝸桿向機(jī)器人中軸線反方向運(yùn)動,位于環(huán)形空心鋼架上的限位開關(guān)檢測到弧形夾板,電機(jī)停止,兩對夾持機(jī)構(gòu)均回退到限定位置,放松過程完成。

2 夾持機(jī)構(gòu)受力分析

為保證有效夾持木建筑承重構(gòu)件,使攀爬機(jī)器人正常運(yùn)行,本文對夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析。機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)在攀爬過程中受到的作用力隨著運(yùn)動狀態(tài)不斷變化,本文以下體為例進(jìn)行靜力學(xué)分析,攀爬機(jī)器人下體有兩對相互垂直的夾持機(jī)構(gòu)。通過對機(jī)器人攀爬過程分析可知,當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)抱緊木建筑承重構(gòu)件時,各部件的受力達(dá)到最大,故對此進(jìn)行受力分析。夾持機(jī)構(gòu)的簡化受力分析如圖4所示(其中兩個力未在圖中表示)。

圖4 夾持機(jī)構(gòu)受力分析

根據(jù)力平衡條件和圖4(a)可得:

(1)

式中,F1N、F2N、F3N、F4N為木建筑承重構(gòu)件對機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)的四個壓力,f1、f2、f3和f4為夾持機(jī)構(gòu)所受到的摩擦力,G為攀爬機(jī)器人受到重力,G0是G的四分之一。θ為木建筑承重構(gòu)件與地面的夾角。

假設(shè)夾持機(jī)構(gòu)與木建筑承重構(gòu)件的摩擦系數(shù)為μ,為保證機(jī)器人在攀爬過程中不會下滑,根據(jù)摩擦定理,夾持機(jī)構(gòu)摩擦力的取值范圍為:

(2)

攀爬機(jī)器人的總體質(zhì)量為150 kg,查得木材與橡膠的摩擦系數(shù)為μ=0.8[16],根據(jù)計算公式(3)可得機(jī)器人受到的重力為:

G=mg=150×9.8=1 470 N

(3)

夾持機(jī)構(gòu)受到的摩擦力為:

f1=G0sinθ

(4)

當(dāng)θ=90°時,攀爬機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)受力分析如圖4(b)。將θ帶入公式(1)可得:

(5)

在理想條件下,f1、f2、f3和f4相等,摩擦力為367.5 N,為保證攀爬機(jī)器人對木建筑承重構(gòu)件的穩(wěn)定夾持,單夾持機(jī)構(gòu)的夾持力應(yīng)當(dāng)大于或等于459.4 N。夾持機(jī)構(gòu)選用的電機(jī)為無刷直流電機(jī),額定功率為400 W,工作電壓為220 V,額定轉(zhuǎn)矩為2.6 N·m,最大轉(zhuǎn)矩為5.2 N·m。該電機(jī)能夠驅(qū)動夾持機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對木建筑承重構(gòu)件的穩(wěn)定夾持。

3 夾持機(jī)構(gòu)有限元分析

為進(jìn)一步驗證夾持機(jī)構(gòu)的性能,保證機(jī)器人在攀爬過程中安全可靠地工作,本文利用有限元分析軟件對攀爬機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。在SolidWorks軟件中建立攀爬機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)的三維模型,并將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,定義模型的材料屬性,設(shè)置機(jī)械接觸關(guān)系并劃分網(wǎng)格,然后對模型施加約束條件和受力情況,最后求解分析結(jié)果。攀爬機(jī)器人有支撐桿夾持機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力如圖5所示。

圖5 有支撐桿夾持機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力分布

圖5表明,在重力和夾持力的雙重作用下,夾持機(jī)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為13.188 MPa,位置位于支撐桿與蝸桿連接處,與實際情況相符。由于夾持機(jī)構(gòu)對木建筑承重構(gòu)件的壓力來源于蝸輪蝸桿,夾持的過程中會受到來自木建筑承重構(gòu)件的反作用力,其中一部分反作用力經(jīng)過支撐桿作用于蝸桿末端,所以蝸桿末端的應(yīng)力最大。夾持機(jī)構(gòu)采用鋼材料,最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于所用材料的許用應(yīng)力,故本文所選取的材料和結(jié)構(gòu)滿足攀爬機(jī)器人設(shè)計的安全性能要求。為探究支撐桿對攀爬機(jī)器人夾持性能的影響,夾持機(jī)構(gòu)在無支撐桿的情況下等效應(yīng)力如圖6所示。

圖6 無支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力分布

圖6表明,無支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)在重力和夾持力作用下,最大應(yīng)力為15.826 MPa,與有支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)相比,該機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力增加了2.638 MPa。最大應(yīng)力位置在夾板與蝸桿的連接處,木建筑承重構(gòu)件對于夾持機(jī)構(gòu)的反作用力經(jīng)過夾板傳遞到蝸桿的連接處,故該位置的應(yīng)力最大。因此,夾持機(jī)構(gòu)中的支撐桿能夠有效地減小其最大應(yīng)力,提高夾持機(jī)構(gòu)的工作性能,保證機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定攀爬和旋轉(zhuǎn)掃描。夾持機(jī)構(gòu)靜力學(xué)仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 夾持機(jī)構(gòu)靜力學(xué)仿真數(shù)據(jù)

如表1所示,夾持力變化時,夾持機(jī)構(gòu)所受的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力也隨之變化。夾持力達(dá)到最大值時,有支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)最小應(yīng)力為1.056×10-3MPa,最大應(yīng)力為13.188 MPa;無支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)最小應(yīng)力為2.594×10-8MPa,最大應(yīng)力為15.826 MPa。

如圖7所示,隨著夾持力不斷增大,有支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)的最小應(yīng)力始終大于無支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)的最小應(yīng)力,但有支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力始終小于無支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力。經(jīng)過上述分析計算,有支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)同無支撐桿夾持機(jī)構(gòu)相比,機(jī)械結(jié)構(gòu)更優(yōu)。

圖7 夾持機(jī)構(gòu)夾持力與應(yīng)力曲線

4 實驗與分析

根據(jù)前文分析并結(jié)合木建筑承重構(gòu)件的特點,研制出攀爬機(jī)器人,總體質(zhì)量為150 kg。攀爬的木構(gòu)件直徑為200 mm,高2 700 mm。夾持機(jī)構(gòu)弧形表面的橡膠在保護(hù)木構(gòu)件的同時增大摩擦力。圖8是機(jī)器人在實驗室環(huán)境中夾持和攀爬木構(gòu)件的實驗。

圖8 樣機(jī)攀爬實驗

本文通過相關(guān)實驗驗證攀爬機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動能力。實驗中,上體夾持機(jī)構(gòu)夾緊木建筑承重構(gòu)件時,下體夾持機(jī)構(gòu)松開,連接體將下體穩(wěn)定提升至指定高度。當(dāng)下體夾持機(jī)構(gòu)夾緊木建筑承重構(gòu)件時,上體夾持機(jī)構(gòu)松開,連接體將上體頂升至指定高度,實驗結(jié)果滿足攀爬機(jī)器人夾持性能要求。如圖8所示,夾持機(jī)構(gòu)的夾持力足夠支撐機(jī)器人運(yùn)動。此外,夾持機(jī)構(gòu)可以控制水平關(guān)節(jié)的伸出距離適應(yīng)直徑在200～300 mm的木建筑承重構(gòu)件。

5 結(jié)論

本文針對檢測攀爬機(jī)器人設(shè)計一種夾持機(jī)構(gòu)。對夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析和靜力學(xué)仿真,從理論上證明了采用該夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行攀爬的可行性。最后在實驗室環(huán)境下進(jìn)行夾持實驗,驗證了有支撐桿的夾持機(jī)構(gòu)性能更優(yōu)。結(jié)果表明,該夾持機(jī)構(gòu)具有良好的夾持能力和穩(wěn)定性,能夠適應(yīng)不同直徑的木建筑承重構(gòu)件,滿足機(jī)器人的攀爬要求。