居銀剛，鄭再象，方劍宇，顧友霖

（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州 225127）

0 引言

隨著機器人技術和智能化技術的發(fā)展，巡檢機器人技術開始廣泛應用于礦井現(xiàn)場、高壓變電站和城市地下綜合管廊等領域。巡檢機器人的應用降低人工巡檢成本的同時提高了巡檢效率和巡檢的可靠性[1-2]。常見的巡檢機器人有輪式、軌道式和飛行式，在眾多巡檢領域中，軌道式巡檢機器人是應用最為廣泛的一種。

軌道式巡檢機器人是一種在巡檢現(xiàn)場高空軌道作業(yè)的機器人，通常搭載各類檢測傳感器。這種巡檢機器人沿檢測現(xiàn)場上方預鋪設的軌道路徑行走，到達預定檢測位置時，下方搭載的伸縮機構將檢測平臺下放至檢測目標處進行全方位檢測，檢測數(shù)據采集完成后自動回收檢測平臺。由于現(xiàn)場每處設備需要檢測的位置高度不一致，甚至高度差較大，這就對巡檢機器人搭載的自動伸縮機構伸展度和可靠性提出很高要求。因此，在滿足機器人巡檢工作過程要求和整體輕量化設計的基礎上，設計了一種新型剪式自動伸縮機構。

1 伸縮機構的運動分析

1.1 伸縮機構設計要求

通常巡檢現(xiàn)場設備狀況比較復雜，各個工作設備之間體積和工況都不盡相同，且設備需檢測點高度位置不一，為滿足巡檢要求，伸縮機構整體設計要求如下：1）結構輕量化設計的同時滿足承載剛度要求；2）伸縮速度可調，伸縮運動平穩(wěn)可靠；3）收縮狀態(tài)下，本體結構體積較??；4）有效伸長行程較大；5）設備預檢測高度位置定位準確；6）伸縮過程遇阻即停且復位[3]。

1.2 伸縮原理分析比較

目前，市場上軌道巡檢機器人搭載的伸縮機構主要有兩種：一種是嵌套式電動伸縮推桿，另一種是鋼繩式剪刀架結構。嵌套式電動推桿內部采用絲桿螺母傳動，結構簡單，但是由于電動推桿在完全復位狀態(tài)下的本體結構長度較大，且在巡檢位置高度差較大的場合，不僅上方存在著檢測盲區(qū)，而且伸長長度較大時推桿晃動明顯，故推桿結構并不適用。鋼繩式剪刀架結構，鋼繩放置在上方的卷線盤中，兩邊的剪刀架用以保證伸縮過程的平穩(wěn)性，這種伸縮機構主要以鋼繩為承載體，對剪刀架的剛度要求和鉸接要求不高，未能充分發(fā)揮剪式單元組的優(yōu)勢。同時，針對不同的巡檢高度，需要配套不同尺寸規(guī)格的卷線盤。

1.3 新型伸縮機構運動方案

現(xiàn)有很多學者從空間機構學的角度對剪式可展開機構的構型方法和運動性能進行研究，這些研究著重于展開過程和展開后工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。因此基于這些研究所提出的新型伸縮機構運動方案中，剪式單元組既用來保證伸縮過程的平穩(wěn)性，同時也作為受力載體[4-8]，所設計的新型剪式伸縮機構簡化了傳動結構，但對剪式單元組的鉸接和剛度提出了一定要求。

2 剪式伸縮機構的結構設計

2.1 整體構型設計

所設計的新型剪式伸縮機構，主要包括結構架、步進電動機、梯形絲桿、滑動塊、導向軸、剪式單元組和檢測連接平臺，如圖1所示。

圖1 伸縮機構

每個基本剪式單元為“X”形結構，由兩根等長的直桿中間通過鉸接相連接，基本剪式單元之間通過鉸接形成剪式單元組。驅動電動機通過聯(lián)軸器連接梯形絲桿，剪式單元組外側的兩個剪式單元中心分別連接在安裝板1和滑動塊上，導向軸用于限制滑動塊的周向旋轉，將電動機的旋轉運動轉換為滑動塊的直線運動，從而帶動剪式單元組實現(xiàn)伸縮運動。

由于該剪式伸縮機構可以根據不同檢測高度的要求鉸接不同數(shù)量的剪式單元，且剪式單元處于折疊狀態(tài)時基本尺寸較小，展開前后空間幾何尺寸變化較大[9]，所以軌道式巡檢機器人搭載該剪式伸縮機構可以滿足現(xiàn)場任意高度位置的巡檢要求。

2.2 機構動力學分析

為方便機構動力學分析，只研究三級剪式升降機構（兩邊剪式單元組分別鉸接有3組剪式單元）運動的情況，對升降機構模型進行簡化[10]，得到機構的結構簡圖如圖2所示。整個升降機構為平衡對象，考慮到機構上升時，載重力為阻力，此時機構所需驅動力較大，故只研究機構上升的情況。

假設剪式單元之間鉸接為理想約束，根據虛功原理：作用于質點系的主動力在任何位移中所作的虛功的和等于零，則有1

對于主動力F作用于O1點和連接板載重力P作用于M點，由圖2分析兩者的y坐標分別為：

圖2 升降機構結構簡圖

式中：L為短交剪AB、AC、HJ和IK兩端鉸接孔的中心距（其余長交剪為2L）；θ為交剪與水平面的夾角（展開角）；m為連接板鉸接處鉸接孔的中心距。

經過變微分運算得：

式（6）即為三級剪式升降機構絲桿推力F與載重力P的關系式，若整個升降機構中短交剪兩端鉸接孔的中心距L、交剪與水平面的夾角θ、連接板鉸接孔的中心距m已知，則可以求出梯形絲桿所需推力F。

從絲桿推力F和載重力P的關系式可知，絲桿推力F隨著展開角的變化而變化，將三級剪式升降機構所需最大絲桿推力記為G，則G也為作用在滑動塊上的軸向載荷?；瑒訅K在梯形絲桿上的運動可以看作螺母1和螺桿2組成的梯形螺紋螺旋副（如圖3），假設此螺旋副的升角為α，摩擦角為φ。

圖3 梯形螺紋螺旋副

由于螺桿2的螺紋可以看成是一斜面繞卷圓柱體所形成，故滑動塊和梯形絲桿之間的相互作用可以簡化為滑塊1沿著斜面2滑動的過程（如圖4），所以電動機所需的驅動力矩M就相當于在滑塊1上添加一個水平力F′使其沿斜面勻速運動。剪式機構展開和收縮過程分別相當于滑塊1下滑和上升的過程，同樣只需考慮收縮過程即可。

結合圖4，根據滑塊的力平衡條件可以求得所需的最大水平驅動力F′為

圖4 螺旋副等價簡圖

力F′為作用在螺紋中徑d2上的圓周力，為剪式機構收縮時的驅動力，所以剪式機構收縮時所需的最大驅動力矩M為

考慮整個機構的傳動效率η，步進電動機實際所需驅動力矩為

3 機構ADAMS仿真分析

3.1 仿真樣機建模為進一步分析機構運動過程中絲桿推力變化情況和

1.滑塊 2.斜面連接板的運動狀況，首先在SolidWorks環(huán)境中建立伸縮機構結構模型，然后通過虛擬樣機接口導入ADAMS中進行動力學和運動學仿真。同樣，考慮伸縮機構上升時載重力為阻力，只對上升過程進行仿真分析。

為了方便仿真，提高仿真運算速度，可以簡化模型中不影響仿真結果的部件，例如螺栓、導向軸等，并將模型中部分零件利用布爾運算改為焊接連接關系。同時，在ADAMS軟件中按照機構實際情況添加約束往往會存在冗余約束，需要消除冗余約束以保證仿真正確進行，機構零部件詳細仿真參數(shù)如表1所示。

表1 機構仿真參數(shù)

3.2 仿真結果

在樣機中對滑動塊添加驅動參數(shù)，其運動速度為30 mm/s。確定好機構運動的相關參數(shù)后，將仿真時間設定為5 s，仿真步數(shù)設置為2500，在保證仿真的精確度的同時也保證了仿真計算速度。

仿真時以結構架（ADAMS中為ground）為基準，然后測試滑動塊上升時兩邊鉸接點所需驅動力的變化情況。同時為了了解檢測平臺的運動狀況，測試了檢測平臺的位置變化情況和速度變化情況的仿真參數(shù)。具體仿真參數(shù)變化情況如圖5所示。

由圖5（a）可以看出，在機構上升的過程中，滑動塊所需的驅動力逐漸增大。由于機構運動時存在一定振動，驅動力在逐漸增大的同時也存在著波動，最大波動值為0.5%。根據圖6（b）和圖6（c）可知，在上升過程中，檢測平臺運動速度雖有波動，但位置變化較為線性，綜合說明此伸縮機構能平穩(wěn)地實現(xiàn)伸縮運動，達到伸縮機構運動設計要求。

圖5 運動學仿真曲線

4 結語

隨著軌道巡檢機器人技術的日益成熟和不斷升級，越來越多的軌道巡檢機器人會被應用到過程裝備現(xiàn)場、礦井、城市地下綜合管廊及高壓變電站等領域。新型剪式自動伸縮機構的設計研究為巡檢機器人本體搭載檢測儀器模塊提供了一種有效手段。研制的新型剪式自動伸縮機構樣機在巡檢試驗中伸縮運動平穩(wěn)，定位精準，遇阻即停且復位迅速，大幅度減少了上方的巡檢盲區(qū)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)升降機構完成現(xiàn)場巡檢工作，達到了預期的巡檢目的和效果。后續(xù)將不斷優(yōu)化該剪式伸縮機構的結構設計和剪式單元的鉸接方式，完善外觀設計，使其在更好地完成巡檢工作的同時滿足人性化審美需求。