云亞文 高培源 雍明超 牛成玉 魏永強

摘要：針對城市綜合管廊的安全巡檢需求，設計了一種能夠在復雜管廊環(huán)境中穩(wěn)定運行的管廊巡檢機器人機械結構。首先詳細介紹了軌道、運動機構和本體的設計依據(jù)和思路，說明了各機構的設計原理，然后對設計軌道的強度進行仿真分析，并且對管廊機器人的行駛穩(wěn)定性進行分析。分析結果表明，軌道完全能夠滿足強度要求，整個行駛過程中管廊機器人能夠平穩(wěn)運行，驗證了管廊機器人的可行性和可靠性。

關鍵詞：管廊巡檢機器人;軌道強度;運動機構;穩(wěn)定性

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）09-0129-03

0 引言

改革開放以來，我國經濟保持高速增長，持續(xù)的經濟增長伴隨著用電量和信息量的持續(xù)增加。目前，我國用電總量已經穩(wěn)居世界第一，龐大的用電量和信息量迫使各個城市大力建設綜合管廊。目前我國的建城市綜合管廊已經超過2000多公里[1]，這么長距離的綜合管廊隧道，其安全巡檢工作是維護城市電力和信息輸送的關鍵。管廊內復雜的環(huán)境和紛雜的電力設備，使傳統(tǒng)的人工巡檢方式無法滿足安全運維和應急處理的需要[2]，所以，使用管廊巡檢機器人代替人工巡檢，實現(xiàn)城市綜合管廊的智能化高效巡檢是時代發(fā)展的必然。

日本、美國和歐洲等發(fā)達國家已有多年的城市管廊建設和管理經驗，2005年美國率先應用“巡游者”地下電纜檢測機器人[3]，開啟了管廊機器人的先河。近年來，我國的多家企業(yè)和高校也投入到管廊機器人的研發(fā)當中，但是還沒有達到全面應用階段。所以，設計結構緊湊、運動靈活穩(wěn)定的管廊機器人，對管廊機器人的推廣會有極大幫助。

1 管廊環(huán)境分析

城市綜合管廊是一種集約度高、科學性強的綜合管線工程，隨著我國城市建設步伐的加快，綜合管廊的數(shù)量越來越大，保證管廊的安全穩(wěn)定運行變得尤為重要。綜合管廊中鋪設的是整個城市的給排水、通信和電力線路等，環(huán)境復雜多變，為保證綜合管廊的安全運行，需要不間斷得對管廊中的溫度、濕度、有害氣體等進行監(jiān)測[4]。若采用傳統(tǒng)人工巡檢，不僅危險系數(shù)較高，而且難免會有疏漏。而管廊巡檢機器人則可以憑借高清攝像頭和傳感系統(tǒng)，不間斷在綜合管廊中巡檢，隨時將異常情況報告給運維人員，并結合消防系統(tǒng)、通風系統(tǒng)等，及時消除管廊中的安全隱患[5]。

不同城市的規(guī)劃布局和地理環(huán)境是不同的，這也就導致了每個城市會有自己獨有的管廊規(guī)劃和環(huán)境，例如管廊需在特定的地方拐彎或爬坡。所以為保證管廊巡檢機器人的通用型，其機械結構必須具備靈活轉彎和爬坡的能力。同時，管廊機器人結構也需要能夠掛載攝像頭和多種傳感系統(tǒng)，擴展機器人功能[6]。

2 機器人結構設計

管廊環(huán)境的特殊性，決定了管廊機器人本身特有的結構。首先城市綜合管廊的長度，要求管廊機器人必須具備長距離巡檢的能力;而綜合管廊中多樣的設施，要求機器人必須具備掛載多種監(jiān)測設備的能力。因此，本文中設計的管廊機器人采用軌道式掛載結構，主要由運行軌道、運動機構和掛載殼體組成。

2.1 軌道設計

軌道是管廊機器人巡檢的路徑，軌道的設計直接決定了機器人的運動方式和機械結構。軌道承載強度和節(jié)省材料是軌道設計的主要依據(jù)[7]，比較常見的軌道一般采用“工”字形，為進一步節(jié)省材料降低軌道成本，這里的軌道設計采用“T”字形，從材料力學的角度分析梁中部的受力很小，所以將中間制成通孔;軌道材料選用高強度鋁合金，這樣既能減輕軌道本身的重量，還能夠滿足承載強度要求;軌道兩邊各設計了圓形突起，這樣是為了限制管廊機器人輪子的行走路徑，使機器人更加平穩(wěn)的巡檢。軌道的設計圖如圖1所示。

管廊的彎度一般較大，所以軌道1m的轉彎半徑就可以滿足要求。軌道每2m會設計一組安裝孔，通過吊裝器件將軌道固定在管廊頂部，彎形軌道與直軌道的穩(wěn)固連接也主要依靠吊裝器件，軌道吊裝示意圖如圖2所示。

2.2 運動機構設計

管廊機器人的運動機構是拖動機器人運動的載體，不僅需要沿著特定的軌道行駛，還需要具有足夠的承載能力[8]。根據(jù)前文設計的軌道結構，本文設計的管廊機器人運動機構如圖3所示，主要包括主動輪組件、從動輪組件和連接底板;主動輪組件由兩個驅動電機、減速器、聯(lián)軸器、軸承和四個輪子組成，這些組件固定在鋁合金支架上，左右對稱，確保機構承載重量分布均勻，上面兩個輪子主要作用是承載重量，驅動機器人前進，下面兩個輪子的作用是限制運動機構位置和導向，保證機構能夠穩(wěn)定直行和轉彎;從動輪組件只比主動輪組件少了電機和減速器;連接底板由殼體鈑金件和兩個回轉軸承組成，鈑金件通過兩個回轉軸承分別與主動輪組件和從動輪組件連接，直線行駛時回轉軸承不工作，當遇到彎道時，兩個回轉軸承隨著主動輪組件和從動輪組件獨立轉動，在導向輪的作用下，實現(xiàn)整個運動機構的轉彎。

2.3 本體結構設計

本體主要由機械結構和各種硬件設備組成，合理的本體結構設計，不僅可以最大化節(jié)省空間，還可以節(jié)省材料，使機器人小型化輕量化?？紤]到減輕機器人重量，本文中的本體結構設計主要采用鈑金件，最上方的鈑金件與運動機構通過回轉軸承連接，四周和下方的外殼為一整塊鈑金件折彎形成，這樣可以增加整個本體結構的強度。本體中重量最大的組件電池和云臺都掛載在本體中間，電池在內云臺在外，這樣機器人在行走時重心穩(wěn)定。為進一步增加結構強度，在本體內部增加加強筋，加強筋連接上部和下部的鈑金件，不僅可以直接承受電池和云臺的重量，還可以在側面掛載硬件設備，使本體結構更加緊湊。圖4為本體結構示意圖。

3 機器人結構分析

3.1 軌道強度分析

管廊機器人掛載在軌道上，所以整個機器人的重量由軌道承擔，設計軌道的力學特性是否滿足要求，需要仿真驗證。經過初步測算，管廊機器人本體的重量在30～35kg的范圍，這里選取最大值35kg。每一根軌道的長度是兩米，由材料力學知識分析可知，當機器人行駛在軌道中點時，軌道上出現(xiàn)最大應力和形變，所以這里只分析出現(xiàn)最大應力的情況。

首先在軌道的兩端添加固定約束，模擬實際安裝時的固定位置，機器人與軌道是通過輪子接觸，實際運行時的接觸面是四個窄平面，所以在軌道中間位置添加四個受力位置，施加350N的載荷。添加的約束和載荷如圖5所示。

求解之后，著重分析整個軌道的形變和應力。如圖6所示，從形變圖可以看出，整個軌道最大的形變出現(xiàn)在中間位置，為3.6x10-5m，形變量很小，不會對機器人的穩(wěn)定運行造成影響。觀察應力圖，可以看出最大應力分別出現(xiàn)在中間和固定位置，最大應力為3.8MPa，小于鋁合金的彈性極限，所以綜上所述，該軌道設計能夠滿足強度要求。

3.2 穩(wěn)定性分析

管廊機器人行走機構上掛載著云臺等檢測設備，在運行過程中必須保證平穩(wěn)，才能確保檢測設備獲得準確的信息。行走機構與軌道的接觸配合如圖7所示，主動輪或從動輪與導向輪分別上下與軌道接觸，兩個導向輪有一定角度，這樣在直線行進的過程中導向輪會與軌道之間在垂直方向和水平方向上各產生兩個分力，這四個分力與主動輪或從動輪上的力共同作用，確保整個行走機構在直線運動中的穩(wěn)定。

行走機構過彎時，運動情況與直線運行不同，由于在垂直方向的作用情況不變，所以這里只分析水平方向的作用。當行走機構部分進入彎道時，行走機構前輪隨著彎道發(fā)生偏轉，而后輪還在直線軌道上行駛，行走機構偏轉的最大角度如圖8所示，O點為半徑1000mm彎道的圓心，線段AB為前輪和后輪之間的固定距離，長度為240mm，由幾何知識可知最大偏轉角度為：

最大偏轉角為7°，角度很小，與直線行駛不會有太大差別，而且這段路程也很短，所以不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。

當行走機構全部進入彎道時，管廊機器人做圓周運動，運行速度會降低，大約為v=0.5m/s。行走機構的驅動輪和從動輪在水平方向會受四個力，沿軌道切線方向的兩個力不影響穩(wěn)定性，所以不考慮，這里只分析垂直軌道切線方向的力。管廊機器人做圓周運動，軌道對驅動輪和從動輪在垂直軌道切線方向有支持力F1、F2，如圖9所示，F(xiàn)1和F2的合力為向心力，管廊機器人的最小質量為30kg，所以向心力最小值為：

機器人行走機構上受的力方向指向軌道圓心，只要管廊機器人的速度恒定，那么行走機構所受的力就不變，機器人能夠穩(wěn)定運行。機器人出彎時的受力情況與入彎情況類似，這里不再贅述。

綜合上述幾種機器人運行情況，可知，設計的行走機構能夠保證管廊機器人具有較好的穩(wěn)定行駛能力。

4 結語

面對城市管廊對巡檢機器人越來越高的實際需求，本文設計了一種能夠在多彎道管廊中穩(wěn)定運行的機械結構。仿真和分析結果表明，設計的軌道不僅重量較小，而且能夠滿足強度要求;行走機構無論是在直線軌道，還是在彎道，都能夠保證主動輪和從動輪與軌道穩(wěn)定接觸受力，保證了機器人行駛的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有的管廊巡檢機器人相比，本文設計的管廊機器人機械結構具有重量輕、轉彎半徑小、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，能夠保證管廊機器人完成更加精準的檢測任務，因而具有實用價值。

參考文獻

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Abstract：For the safety inspection requirements of the urban integrated pipe gallery， one kind of mechanical structure that operates stably in the complex pipe gallery environment was designed. Firstly， the design basis and ideas of the track， motion mechanism and ontology are introduced in detail. The article explains the design principles of each institution. Then the strength of the design track was simulated， and the driving stability of the pipe gallery robot was analyzed. The results show that the track fully meets the strength requirements and the pipe gallery robot operates stably during the entire driving process. The results verify the feasibility and reliability of the pipe gallery robot.

Key words：Pipeline inspection robot;Track strength;Motion mechanism;stability