郝時(shí)忠

（江蘇省高淳中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211316）

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的升級，綠化樹、電燈桿在大街小巷比較常見，國內(nèi)針對綠化樹、電燈桿等維修作業(yè)采用人工或者高空運(yùn)載機(jī)進(jìn)行檢修和施工，已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程發(fā)展的要求，主要表現(xiàn)在：綠化樹、電燈桿在進(jìn)行作業(yè)過程中人工風(fēng)險(xiǎn)較大，如采用市政高空機(jī)則會(huì)阻礙地下的交通，在一些特殊場合，即便采用了自動(dòng)化機(jī)械手進(jìn)行爬行，但是機(jī)械手的裝置設(shè)計(jì)方案很局限，無法根據(jù)綠化樹、電燈桿不同尺寸以及不同速度進(jìn)行上下攀爬和傳送工具，導(dǎo)致該攀爬設(shè)備的傳送效率低下，而且傳送相關(guān)綠化樹攀爬機(jī)器人的PLC 系統(tǒng)控制系統(tǒng)依賴進(jìn)口、手爪關(guān)節(jié)活動(dòng)的壽命以及潤滑等運(yùn)行精度穩(wěn)定性不足，使得綠化樹、電燈桿自動(dòng)上下攀爬機(jī)械手的裝置的自動(dòng)化程度以及精度無法滿足不同直徑和工況的綠化樹、電燈桿的使用現(xiàn)狀[1-2]。

當(dāng)前許多學(xué)者針對爬樹機(jī)械手通過理論和仿真實(shí)驗(yàn)[3]，在傳動(dòng)形式、手腕關(guān)節(jié)、手爪自由度以及材料性能、摩擦磨損以及熱處理方面進(jìn)行了研究，所得成果應(yīng)用到各大國家電網(wǎng)的維修部門，尤其是主要采用限元分析軟件，分析其攀爬過程中存在的不足和缺點(diǎn)，建立手腕關(guān)節(jié)、手爪自由度的動(dòng)力學(xué)仿真模型，模擬自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人不同路況或功率下的動(dòng)力和傳動(dòng)效率，找出存在的風(fēng)險(xiǎn)因素并進(jìn)行改進(jìn)，能夠降低自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人開發(fā)周期和費(fèi)用[4]。

1 爬桿機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)爬綠化樹機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人根據(jù)仿生爬綠化樹的現(xiàn)象，考慮的自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的額定載荷為5 kg，能夠在Φ120 ～Φ200 mm 的變徑桿上爬行。設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用兩個(gè)手爪1，依靠盤形凸輪5 的運(yùn)動(dòng)軌跡帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)3 進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在工作過程中一個(gè)手爪松開，一個(gè)夾緊進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)上下攀爬移動(dòng)的進(jìn)給夾緊載荷方面，下手抓通過彈簧4 收縮力提供預(yù)緊力使手抓收縮夾緊和松開直桿。如圖1 所示。

圖1 爬桿機(jī)器人方案

1.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)

自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪的夾緊方案可以考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在機(jī)械手的工作過程中，考慮彈簧與傳動(dòng)連桿配合實(shí)現(xiàn)手爪開合的作用。在設(shè)計(jì)過程中還需要其具有自鎖功能，確保了在開合過程中當(dāng)自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪傳動(dòng)連桿與彈簧失效時(shí)不會(huì)下墜，此外傳感器檢測自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪的抓取壓力信號，通過壓力信號的識(shí)別可將正常夾緊與松開的工況的信息反饋給PLC 控制器，從而做出是否進(jìn)行進(jìn)給往復(fù)的目的，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)出一系列的操作，而為了確保自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人夾緊裝置在接觸電桿過程中因?yàn)槟Σ聊p導(dǎo)致的表面劃傷，或者當(dāng)負(fù)載載荷超過其額定重量時(shí)候，為了確定其抓緊力產(chǎn)生的摩擦系數(shù)，這里考慮采用橡膠墊塊，在滿足工況的前提下能夠進(jìn)行靈活的更換。如圖2 所示。

圖2 夾緊裝置

1.3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人長度L=260 mm，寬B= 150 mm，高度H= 430 mm，在初始狀態(tài)下手爪夾緊直桿，上手爪在彈簧作用下松開。當(dāng)壓力信號將正常夾緊與松開的工況的信息反饋給PLC控制器時(shí)，電機(jī)通過減速箱連接帶動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)，曲柄一起固定在下手爪處的兩個(gè)盤形凸輪機(jī)構(gòu)順時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)，因此自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的合理性對傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行精度有著重要的影響，盤形凸輪推動(dòng)下機(jī)械臂想外擺動(dòng)，機(jī)械手爪向外松開，手爪一方面需要滿足結(jié)構(gòu)功能性要求，另一方面還需要滿足經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)盤形凸輪轉(zhuǎn)過小半徑的圓弧后，下方的手爪松開；同時(shí)移動(dòng)凸輪向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)上方手爪夾緊直桿。

當(dāng)自動(dòng)爬綠化樹下部的盤形凸輪轉(zhuǎn)過最大半徑的圓弧后，下機(jī)械手爪開始收縮，并夾緊；手爪和連桿在受力過程中，還承受夾緊力加載導(dǎo)致的彎矩。當(dāng)移動(dòng)凸輪向上運(yùn)動(dòng)走過空行程，在凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)，自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的上機(jī)械手爪開始松開，在設(shè)計(jì)過程中需要對自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的變形剛度進(jìn)行考慮，避免在爬行進(jìn)給過程中產(chǎn)生沖擊振動(dòng)和位移，同時(shí)需要對自動(dòng)爬綠化樹手臂等結(jié)構(gòu)的管線預(yù)埋走向進(jìn)行考慮。避免當(dāng)曲柄和連桿拉直共線即滑塊可到達(dá)的最大行程時(shí)因?yàn)檫B桿的極限位置造成管線的干涉。

2 攀爬機(jī)械手爪設(shè)計(jì)

本自動(dòng)爬綠化樹的手爪的抓取對象為綠化樹以及電線桿，其接觸面為圓柱體，在對手爪設(shè)計(jì)過程中，首先是滿足其功能性，手臂手指特征、攀爬過程中的接觸應(yīng)力、攀爬速度等因素，同時(shí)還考慮一定的仿生學(xué)，其中手爪的重點(diǎn)在于手指的自由度，如混合并聯(lián)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斜面杠桿式、采用往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的滑槽杠桿式等，此外還有應(yīng)用在其他場所的絲杠螺母彈簧式，以及利用自身重力的結(jié)構(gòu)形式抓取等。本設(shè)計(jì)考慮的自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的額定載荷為5 kg，能夠在Φ120 mm ～Φ200 mm的變徑桿上爬行。

在尺寸設(shè)計(jì)過程中，自動(dòng)爬綠化樹的手爪的旋轉(zhuǎn)中心跟直桿X方向長度為67 mm，Z方向長度為129 mm，橡膠塊的厚度d= 5 mm，自動(dòng)爬綠化樹的手爪在工作過程中的擺動(dòng)θ= 10°。手爪的厚度d= 10 mm。采用5032 的鋁合金材料，如圖3 所示。

圖3 機(jī)械手爪設(shè)計(jì)尺寸圖

自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的手爪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號有許多，電動(dòng)機(jī)的使用場合往往通過現(xiàn)場不同的負(fù)載類型來選型，本設(shè)計(jì)選擇的型號為60YR25DV11的電機(jī)。該電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)見表1。

表1 60YR25DV11 電機(jī)參數(shù)

3 爬桿機(jī)器人三維建模設(shè)計(jì)

3.1 三維建模思路

自動(dòng)爬桿機(jī)器人的主要部件包括上下機(jī)械手抓、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在功能上是否滿足設(shè)計(jì)要求，還需要對其進(jìn)行檢查。一般來說采用三維軟件建?？梢灾庇^形象的查看自動(dòng)爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)的缺陷，同時(shí)方便后期的設(shè)計(jì)變更。隨著當(dāng)前機(jī)器人行業(yè)的飛速發(fā)展，基于CAD/CAE 計(jì)算的設(shè)計(jì)開始廣泛應(yīng)用，基于特征的三維建模技術(shù)對自動(dòng)爬桿機(jī)器人的上下機(jī)械手抓右、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)建立完成后，可采用CAD 的輔助菜單對其尺寸聯(lián)系、配合形式以及是否存在空間運(yùn)動(dòng)干涉進(jìn)行檢查，還可以采用CAE仿真分析軟件對自動(dòng)爬桿機(jī)器人受力過程中的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真，找到自動(dòng)爬桿機(jī)器人傳動(dòng)過程中的失穩(wěn)和變形干涉現(xiàn)象，還可以對單個(gè)部件的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，為后期的部件優(yōu)化提高理論依據(jù)，上下機(jī)械手抓右、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)之間的裝配尺寸鏈和參數(shù)化關(guān)聯(lián)都可以在三維建模器中進(jìn)行顯示，極大程度地降低了設(shè)計(jì)的周期。

3.2 主要部件的建模和運(yùn)動(dòng)仿真

3.2.1 運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置

采用UG 軟件在對自動(dòng)爬綠化樹機(jī)器人進(jìn)行三維建模，主要包括上下機(jī)械手抓、彈簧、盤形凸輪、輸入軸、曲柄機(jī)構(gòu)等，在建模過程中當(dāng)某個(gè)特征之前發(fā)生變更時(shí)，如果相關(guān)部件在裝配過程中存在配合約束，則相關(guān)的部件特征也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的更新，圖4 為基于特征建立的自動(dòng)爬桿機(jī)器人上下機(jī)械手抓結(jié)構(gòu)裝配。

圖4 自動(dòng)爬桿機(jī)器人上下機(jī)械手抓

當(dāng)創(chuàng)建完成自動(dòng)爬桿機(jī)器人整體的三維模型后，為了驗(yàn)證自動(dòng)爬電線桿機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性，需要采用運(yùn)動(dòng)仿真的形式進(jìn)行仿真，尤其是裝配約束，如盤形凸輪、輸入軸之間的接觸關(guān)系、尺寸和位置等，下面采用UG 軟件進(jìn)行仿真分析，對自動(dòng)爬桿機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

首先，選擇自動(dòng)爬桿機(jī)器人的立柱為固定連桿，其次，建立上下機(jī)械手抓旋轉(zhuǎn)部件，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副。定義自動(dòng)爬桿機(jī)器人手抓、盤形凸輪和連桿等主要部件的運(yùn)動(dòng)副，創(chuàng)建完畢后點(diǎn)擊“解算方案”，完成攀爬電線桿運(yùn)動(dòng)仿真的創(chuàng)建，得到圖5 運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置分析。

圖5 自動(dòng)爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置分析

3.2.2 爬升運(yùn)動(dòng)過程

（1）首先爬桿機(jī)器人處于初始狀態(tài)，該狀態(tài)的下部夾爪處于抓緊、上部夾爪松開。上部夾爪的電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，上手爪夾緊電線桿；反之當(dāng)電機(jī)處于反轉(zhuǎn)時(shí)，手爪松開。其爬桿動(dòng)作示意如圖6 所示。

圖6 爬桿動(dòng)作示意圖

（2）當(dāng)圖5 中的曲柄連桿控制電機(jī)，從0°轉(zhuǎn)到180°時(shí)，下手爪向上攀爬行半個(gè)步距，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的爬行高度h/2；持續(xù)時(shí)間為5 s；在爬行步態(tài)周期內(nèi)，其爬行速度在半個(gè)步距范圍內(nèi)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，其中在90°時(shí)，攀爬速度達(dá)到最大100 mm/s，如圖7 所示，當(dāng)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)達(dá)到180°時(shí)，此時(shí)上下手爪的夾緊狀態(tài)改變。曲柄連桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)從180° ～360°時(shí)，上手爪向上爬行半個(gè)步距，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的爬行高度h/2。

圖7 下手爪0°~180°持續(xù)5s 的爬行速度曲線

（3）當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，上下爪處于夾緊狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)高空懸停檢修；當(dāng)重復(fù)步驟1～2 時(shí)，爬桿機(jī)器人按照預(yù)定的速度進(jìn)行攀爬，此時(shí)配備的清潔或者噴涂裝置可實(shí)現(xiàn)對樹桿或桿進(jìn)行清潔或者防腐作業(yè)。當(dāng)作業(yè)完成后，通過遠(yuǎn)端后臺(tái)的操作改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)順序，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的下降爬行。

4 結(jié)論

近年來針對在不同長度、不同直徑、不同剛度的綠化樹、電燈桿等的修剪和檢修需求，除了滿足功能結(jié)構(gòu)外，手爪抓取電桿連接部件之間的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度需要較高的安全系數(shù)來抵擋極端沖擊載荷的影響，以及避免攀爬過程中電力中斷造成成機(jī)器人掉落地面。本設(shè)計(jì)的自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人根據(jù)仿生爬樹的現(xiàn)象，考慮的自動(dòng)爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人的額定載荷，設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用兩個(gè)手爪，依靠盤形凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在工作過程中一個(gè)手爪松開，一個(gè)夾緊進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)，采用三維軟件建立了爬電燈桿機(jī)器人的三維模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，能夠查看設(shè)計(jì)缺陷和優(yōu)化，顯著降低了爬綠化樹、電燈桿機(jī)器人開發(fā)周期和費(fèi)用。