李立偉，史 榮，董振華，郭志成

（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 051530）

0 引言

纜索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，但是由于其長(zhǎng)期暴露在空氣之中，纜索的鋼絲會(huì)受到嚴(yán)重的破壞[1]。本文設(shè)計(jì)的輕型纜索機(jī)器人是通過(guò)攜帶檢測(cè)儀器在纜索上爬行來(lái)完成對(duì)纜索的斷絲檢測(cè)任務(wù)。機(jī)器人整體采用框架式的結(jié)構(gòu)，其最主要的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人爬行狀態(tài)下調(diào)節(jié)抱纜力的功能，大大提高了機(jī)器人的越障能力和適應(yīng)纜索直徑變化的能力。

1 纜索檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

纜索機(jī)器人必須穩(wěn)定地抱掛在纜索上。由于機(jī)器人自身重量較大，加上所攜帶的檢測(cè)設(shè)備的重量，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率過(guò)大，這時(shí)使用電池為機(jī)器人供電效果不太理想，考慮到高能電池的成本以及電池重量問(wèn)題，本機(jī)器人設(shè)計(jì)采用纜線(xiàn)供電。當(dāng)機(jī)器人在高空檢測(cè)纜索時(shí)，供電纜線(xiàn)的重量也會(huì)隨著工作高度的增加而增加。因此纜索機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，重量輕、結(jié)構(gòu)可靠是首要要求[2]。

大多數(shù)已有的纜索爬行設(shè)備都是利用滾輪抱緊纜索，依靠纜索與滾輪之間產(chǎn)生的摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)沿纜索的上下運(yùn)動(dòng)[3]。但是當(dāng)機(jī)器人的抱緊力過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)纜索表面的PE保護(hù)套造成損害，抱緊力過(guò)小時(shí)又會(huì)因?yàn)樘峁┑淖鳛轵?qū)動(dòng)力的摩擦力過(guò)小而使機(jī)器人產(chǎn)生車(chē)輪打滑現(xiàn)象，甚至快速墜落。另外，一些斜拉橋的纜索上安裝有裝飾物，機(jī)器人沿這樣的纜索爬行時(shí)遇到裝飾物便會(huì)卡死。為了適應(yīng)這些情況，纜索機(jī)器人必須要設(shè)計(jì)有抱纜力調(diào)節(jié)裝置，并且可以在工作狀態(tài)下調(diào)節(jié)抱纜力。因此本纜索爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)的第二個(gè)要求是實(shí)現(xiàn)纜索機(jī)器人工作狀態(tài)下的抱纜力調(diào)節(jié)，使其能夠可靠地抱緊纜索并且具備一定的越障能力。

工作在高空的纜索機(jī)器人容易受到風(fēng)力的影響。當(dāng)風(fēng)力作用在機(jī)器人表面時(shí)，纜索機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生往復(fù)擺動(dòng)的現(xiàn)象，這極大地增大了爬行過(guò)程中的危險(xiǎn)性。如何減輕風(fēng)力的作用，機(jī)器人爬行時(shí)保持什么樣的空間姿態(tài)也是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2 纜索爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，本文提出了如圖1所示的纜索爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了抱緊力的遠(yuǎn)程遙控調(diào)節(jié)，并且具有框架式結(jié)構(gòu)、重量輕、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)。

圖1 纜索機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

整體成框架式的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人由三個(gè)小車(chē)（15、18）和連接小車(chē)的六個(gè)連接板（13、14）組成。三個(gè)小車(chē)兩兩相差120°，均布圍繞在纜索周?chē)?，從而?shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上對(duì)纜索的包圍，使爬行過(guò)程更為安全可靠。其中兩臺(tái)小車(chē)為壓緊小車(chē)（18），通過(guò)彈簧（12）提供的彈力將四個(gè)從動(dòng)輪緊緊的壓在纜索表面。彈簧一端的一個(gè)連接板有螺紋調(diào)節(jié)裝置，可以通過(guò)它來(lái)調(diào)節(jié)抱緊力的大小。另外的一個(gè)小車(chē)為驅(qū)動(dòng)小車(chē)（15），驅(qū)動(dòng)電機(jī)（1）固定在小車(chē)的一側(cè)，通過(guò)同步帶傳動(dòng)將轉(zhuǎn)矩傳遞給大帶輪（20），最終傳遞給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪（3、19）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上行和下行。驅(qū)動(dòng)輪的另一側(cè)設(shè)有一個(gè)電磁制動(dòng)裝置（7、8），在機(jī)器人突然斷電的的情況下實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)小車(chē)上還裝有另外一臺(tái)電機(jī)（6），通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)器工作狀態(tài)中變換抱緊力，提高了纜索機(jī)器人的越障能力和適應(yīng)性。

3 抱纜力調(diào)節(jié)原理

在連接小車(chē)的三對(duì)連接架（13、14）上均打有四個(gè)通孔，每對(duì)連接架用螺栓固定。通過(guò)調(diào)節(jié)穿過(guò)螺栓的兩個(gè)孔的次序可以對(duì)機(jī)器人的適應(yīng)直徑進(jìn)行粗調(diào)。將機(jī)器人安裝到纜索上時(shí)必須要將機(jī)器人拆開(kāi)，此結(jié)構(gòu)安裝時(shí)只需將兩個(gè)螺栓旋開(kāi)，將機(jī)器人打開(kāi)后使纜索軸徑與機(jī)器人軸心對(duì)中安裝即可。因此該連接架有連接三個(gè)小車(chē)和粗調(diào)適應(yīng)直徑的功能，使得安裝和粗調(diào)一次完成。安裝完成后就要根據(jù)機(jī)器人的負(fù)重情況調(diào)節(jié)抱緊力的大小，彈簧一端的一個(gè)連接板有螺紋調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺母可以改變彈簧的長(zhǎng)度，從而對(duì)彈簧進(jìn)行預(yù)緊。

圖2 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置

機(jī)器人工作狀態(tài)下沿著纜索軸向爬行時(shí)，通常情況下抱緊力不需要調(diào)節(jié)。當(dāng)遇到比較小的障礙物時(shí)可以依靠慣性以及彈簧的緩沖作用越過(guò)障礙物。但當(dāng)遇到較大的障礙物時(shí)就容易造成卡死現(xiàn)象，此時(shí)可以通過(guò)絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置來(lái)改變抱緊力的大小。絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，和它配合的螺母就會(huì)沿絲杠上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿和擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)被壓緊或松開(kāi)。當(dāng)纜索的直徑突然變小，機(jī)器人抱緊力不足以克服重力時(shí)，此裝置可以使其重新獲取足夠的抱緊力。絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置克服了現(xiàn)有纜索機(jī)器人運(yùn)行時(shí)容易卡死的問(wèn)題，提高了機(jī)器人的越障能力、安全性和適應(yīng)性。

4 機(jī)器人運(yùn)行姿勢(shì)的重錘效應(yīng)

纜索爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)重心的布置也是很關(guān)鍵的問(wèn)題，布置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人工作時(shí)搖擺或者螺旋爬升。機(jī)器人與檢測(cè)儀器之間若是剛性連接，機(jī)器人的螺旋爬升勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)儀器沿螺旋軌跡檢測(cè)，這將對(duì)檢測(cè)信號(hào)的識(shí)別以及檢測(cè)缺陷的具體定位造成負(fù)面的影響。如若纜索機(jī)器人與檢測(cè)儀器之間是柔性連接的，機(jī)器人螺旋爬升將導(dǎo)致柔性連接件的纏繞打結(jié)，嚴(yán)重影響纜索機(jī)器人的正常工作。因此螺旋爬升在纜索檢測(cè)時(shí)應(yīng)該盡量避免。

此機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)由于電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電磁制動(dòng)系統(tǒng)和絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)小車(chē)上，所以重心偏向于驅(qū)動(dòng)小車(chē)一側(cè)。使用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks建模分析機(jī)器人的質(zhì)量屬性，機(jī)器人的重心距離纜索軸線(xiàn)43.601 mm，重心位置如圖3所示。當(dāng)機(jī)器人在纜索上爬行時(shí)，在重力的作用下重心會(huì)在纜索軸線(xiàn)的正下方，機(jī)器人會(huì)保持這個(gè)空間姿勢(shì)行走。當(dāng)遇到風(fēng)吹或振動(dòng)時(shí)，機(jī)身會(huì)發(fā)生搖擺，但在重力作用下，機(jī)器人會(huì)恢復(fù)回穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這就很好的避免了纜索機(jī)器人在爬升時(shí)的螺旋爬升問(wèn)題。

圖3 纜索機(jī)器人重心位置示意圖

5 電磁制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

纜索機(jī)器人是在高空中作業(yè)的一種特種機(jī)器人，由于工作環(huán)境的特殊性，一旦發(fā)生斷電故障，機(jī)器人將會(huì)從幾十米的高空墜落，造成嚴(yán)重的安全事故。因此有必要在纜索機(jī)器人上安裝安全返回裝置。發(fā)生斷電故障時(shí)，要求安全裝置自動(dòng)啟動(dòng)，避免機(jī)器人加速下墜[4]。

在機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上各裝有一個(gè)電磁制動(dòng)裝置，制動(dòng)輪安裝在驅(qū)動(dòng)輪一側(cè)，如圖4所示。電磁鐵斷電狀態(tài)下，彈簧片會(huì)壓緊制動(dòng)輪，電磁鐵通電時(shí)，在電磁力的作用下，彈簧片受到吸力和制動(dòng)輪分離。機(jī)器人正常工作時(shí)，電磁鐵處在通電狀態(tài)。當(dāng)遇到緊急情況，例如機(jī)器人突然停止供電，機(jī)器人會(huì)在重力作用下加速下降。此時(shí)電磁鐵斷電，彈簧片壓緊制動(dòng)輪，在制動(dòng)輪上產(chǎn)生一個(gè)反向的轉(zhuǎn)矩，從而使機(jī)器人停止墜落停在半空中。此時(shí)工作人員拉動(dòng)系在機(jī)器人上的纜繩將其收回。

圖4 電磁制動(dòng)裝置

6 絲杠螺母力學(xué)模型建立

圖5 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意

如圖5所示，圖中N為纜索的聚乙烯套對(duì)車(chē)輪的正壓力，F(xiàn)為絲杠螺母對(duì)連桿的推力，T為作用在絲杠軸上的有效扭矩，T0為電機(jī)的輸出扭矩，連桿AE長(zhǎng)為L(zhǎng)，AC長(zhǎng)為L(zhǎng)2，CH長(zhǎng)為L(zhǎng)1，A點(diǎn)與H點(diǎn)的水平距離為L(zhǎng)3，α為連桿AE與水平向左方向的夾角，β為連桿CH與水平向左方向的夾角。

由于整個(gè)結(jié)構(gòu)是左右對(duì)稱(chēng)的，故只對(duì)左邊一側(cè)進(jìn)行分析。一固定鉸支座A為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)方向如圖5所示。以(xE，yE)表示E點(diǎn)的坐標(biāo)，以（xH，yH）表示H點(diǎn)的坐標(biāo)。由圖5的幾何關(guān)系可得：

對(duì)上式兩邊分別取微分得：

對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)出ΔyE和ΔyH之間的關(guān)系：

用P表示絲杠螺母副的導(dǎo)程，θ表示絲杠和螺母之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，絲杠螺母的位移可表示為：

引入虛功原理：

將公式（7）代入得公式（9），得：

分析絲杠螺母副的受力狀態(tài)，根據(jù)虛功原理得：

其中，η為絲杠螺母副的傳動(dòng)效率。

將公式（9）、（11）代入公式（12）中，得：

上式取微分得到：

式（13）即為推導(dǎo)出的絲杠螺母副調(diào)節(jié)裝置的力學(xué)模型。

將cotβ用含有L1的公式表示：

將公式（14）代入絲杠螺母副調(diào)節(jié)裝置的力學(xué)模型中，得到絲杠上有效扭矩與車(chē)輪正壓力之間的關(guān)系：

7 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置的動(dòng)力學(xué)仿真

對(duì)機(jī)器人的絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，取P=3 mm， η=0.5， L=123 mm， L1=173 mm， L2=61.5 mm， L3=117.5 mm，N=460 N。以搖桿AE與水平方向的夾角α的變化反應(yīng)機(jī)器人適應(yīng)纜索直徑的變化，用Matlab模擬得到絲杠扭矩T與α的變化曲線(xiàn)圖，如圖6所示。

圖6 絲杠螺母調(diào)節(jié)裝置仿真曲線(xiàn)

從圖6中可以看出，當(dāng)α=0.45rad時(shí)，此時(shí)機(jī)器人車(chē)輪的高度最大，為一個(gè)極限位置，CH、HG、GD處在一條直線(xiàn)上，在這個(gè)位置F幾乎為0 N，故此刻螺桿的扭矩也為0 N?mm，隨著角度的增大，絲杠的扭矩在不斷的上升，但增速越來(lái)越小，最后平衡在500 N?mm附近。此時(shí)適應(yīng)纜索的最小直徑，α的取值為26°～45.5°。由于調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較小，一般的步進(jìn)電機(jī)都可滿(mǎn)足要求。

8 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，此結(jié)構(gòu)是否可以使纜索爬行機(jī)器人順利平穩(wěn)的在纜索上運(yùn)行，還需要仿真技術(shù)的驗(yàn)證。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

在機(jī)器人上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上加以力矩：

T=IF（TIME-0.02:0，5 000，IF（TIME-2.7:5 000，5 000，0））

上式扭矩T是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，即在0～0.002秒時(shí)間不加扭矩，0.002～2.7秒內(nèi)加一個(gè)5 N?m的扭矩。仿真時(shí)間為3 s，仿真步長(zhǎng)為100步。仿真結(jié)束后輸出位移、速度、加速度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 位移、速度和加速度仿真曲線(xiàn)圖

從圖7中可以看出來(lái)，在0～0.02秒，速度從0降到負(fù)值，位移為負(fù)，此時(shí)機(jī)器人在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，之后驅(qū)動(dòng)輪上加上5 N?m的驅(qū)動(dòng)力矩，機(jī)器人加速度為正，但由于慣性的原因，速度仍然為負(fù)值，但向下運(yùn)動(dòng)的速度在減小，在1.3 s附近速度為正，然后機(jī)器人開(kāi)始向上爬行，在2.7 s去掉驅(qū)動(dòng)力，加速度瞬間變?yōu)樨?fù)值，速度快速下降。3 s結(jié)束時(shí)，速度達(dá)到負(fù)的1 m/s。由于仿真過(guò)程中整個(gè)模型都被定義為剛體，故加速度曲線(xiàn)中可以看出存在明顯的剛性沖擊，且速度越大剛性沖擊就越嚴(yán)重。

兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪受到兩個(gè)向前的摩擦力作用，這兩個(gè)摩擦力提供機(jī)器人爬行的動(dòng)力，其實(shí)是爬升裝置的驅(qū)動(dòng)力。前驅(qū)動(dòng)輪和后驅(qū)動(dòng)輪受到纜索的摩擦力如圖8、9所示。

圖8 前驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力曲線(xiàn)圖

圖9 前驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力曲線(xiàn)圖

可以看出在未加驅(qū)動(dòng)力矩的0～0.02 s，驅(qū)動(dòng)輪受到的摩擦力非常小，之后快速上到125 N附近，2.7 s之后又快速回落至0附近。這和位移、速度、加速度的趨勢(shì)正好吻合。但由于接觸是剛性的，而且從三維軟件中導(dǎo)入的模型都存在一些退化，因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力的幅值存在明顯的振動(dòng)，并且速度越快振動(dòng)越明顯。

9 結(jié)論

本論文在大量研究現(xiàn)有纜索機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型、輕型、框架式結(jié)構(gòu)的纜索爬行機(jī)器人。并詳細(xì)闡述了纜索機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)特點(diǎn)。結(jié)合纜索機(jī)器人的特點(diǎn)，對(duì)抱纜力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行分析。運(yùn)用ADAMS軟件建立的纜索機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，獲得的動(dòng)力學(xué)特性曲線(xiàn)表明機(jī)器人可以安全平穩(wěn)的運(yùn)行。由于沒(méi)有對(duì)纜索機(jī)器人進(jìn)行加工裝配，論文所做工作為前期基礎(chǔ)性的研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制方面都有很大的完善空間。

［1］屠凱.纜索表面檢測(cè)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

［2］張家梁，呂恬生，羅均，等.管外摩擦輪自爬升機(jī)構(gòu)的研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，1999（3）：32-33.

［3］羅均，趙波，呂恬生，等.纜索I號(hào)機(jī)器人樣機(jī)爬升機(jī)構(gòu)的分析與試驗(yàn)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2001，12（2）：121-122.

［4］徐豐羽，王興松，徐家林.纜索檢測(cè)機(jī)器人安全回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)器人，2008，30（5）：447-452.

［5］袁建明，武新軍，康宜華，等.可重構(gòu)斜纜索磁性無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（3）：442-445.

［6］任蕓丹，芮延年，林杰.基于模糊灰色理論爬繩機(jī)器人可靠性評(píng)價(jià)［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（5）：13-14.

［7］Tavakoli M， Zakerzadeh M R， Vossoughi G.A hybrid pole climbing and manipulating robot with minimum DOFs for construct and service applications［J］.The In?dustrial Robot， 2005，32（2）：171-178.

［8］ Yazdani B， Nili Ahmadabadi M， Harati A.Design and development of a pole climbing robot mechanism［A］.In the proceedings ofMechatronics and Robotics［C］， Germany， Sep.2004.

［9］ Angeles J， Yang G， I-Ming Chen.Singularity analysis of three-legged，six-DOF platform manipulators with URS legs ［J］.IEEE/ASME Trans on Mechatronics，2003（11）：469-475.

［10］ Schraft R， Neugebauer M， Gernot Schmierer.A mod?ular construction system for lightweight multipurpose climbing robots［J］.Pro.Int.Conf.Field and Service Robotics， 1999（2）：353-358.