張港，陸曉丹

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231；2.浙江理工大學(xué)理學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

在我國水利工程行業(yè)使用的大中型水閘中, 采用卷揚式啟閉機的約占一半以上。在卷揚式啟閉機中鋼絲繩是最重要的連接件之一，該部件與電動機和閘門直接關(guān)聯(lián)。根據(jù)國家水利部對啟閉機的養(yǎng)護(hù)要求，鋼絲繩應(yīng)定期清洗養(yǎng)護(hù)，目前我國對水閘鋼絲繩養(yǎng)護(hù)的要求為一般情況下每年定期清洗2次[1]。目前國內(nèi)對水閘鋼絲繩的清洗大多采用傳統(tǒng)的人工清洗方式，由麻繩懸吊操作人員采用原始的銅絲刷或鋼絲刷、膩子鏟、抹布等簡單工具，輔助以清洗劑（柴油或汽油）進(jìn)行清洗[2]。因此設(shè)計一種能夠在鋼絲繩上攜帶清洗裝置的機器人是急需解決的問題。Hae-BumYun等[3]設(shè)計了一款爬桿機器人，該機器人的車輪由附在彈簧上的車輪和側(cè)架組成，可適應(yīng)各種可變直徑的桿件，聚氨酯輪用于斜拉索上的快速移動，在移動時可以有效提高摩擦力并減少拉索表面損傷；Kanza Zafar[4]設(shè)計了一款需借助3根鋼絲繩攀爬的爬繩機器人，該機器人可適用于水平和垂直2個方向的運動，在進(jìn)行水平運動時只采用1對滾輪推進(jìn)，在進(jìn)行垂直運動時采用2對滾輪推進(jìn)。但上述兩款機器人均采用輪式結(jié)構(gòu)，承載能力較弱，無法滿足攜帶清洗裝置的需求。國內(nèi)對于鋼絲繩攀爬機器人的研究較少，對具有清洗裝置的攀爬機器人的研究更是匱乏。2003年，三河閘管理處等[1]研發(fā)出新型水閘鋼絲繩自動清洗養(yǎng)護(hù)機，在閘門運行啟閉時對鋼絲繩進(jìn)行洗刷，同時還可自動涂抹黃油防護(hù)；2013年，武漢佑[5]研制了WX060鋼絲繩清潔養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的安全性，清潔效率高于人工5倍以上，清潔效果較好且在使用上方便快捷，但此設(shè)備在使用除渣器進(jìn)行除渣工作時，不利于環(huán)境的保護(hù)。以上兩個裝置在對鋼絲繩的清洗時，須依靠鋼絲繩的運動，使用范圍較為局限。

本文采用仿生原理設(shè)計攀爬機器人，該機器人采用一端抱緊一端移動的方式進(jìn)行運動，通過機器人在鋼絲繩上的運動實現(xiàn)清洗，其穩(wěn)定可靠、運動平穩(wěn)且承載能力強，可以攜帶清洗裝置以實現(xiàn)攀爬機器人的清洗功能。

1 攀爬機器人的運動原理

閘門鋼絲繩攀爬機器人組成包括內(nèi)部攀爬裝置和外部攀爬裝置兩個部分，通過仿尺蠖運動，實現(xiàn)該裝置交替攀爬[6]。當(dāng)內(nèi)部攀爬裝置夾緊模塊夾緊后，外部攀爬裝置的夾緊模塊松開，隨后再通過內(nèi)部攀爬裝置中的驅(qū)動模塊，帶動外部攀爬裝置運動，同理內(nèi)部攀爬裝置的向下運動也是如此，由此可完成此裝置沿閘門鋼絲繩上下攀爬的任務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閘門鋼絲繩攀爬機器人

在初始狀態(tài)下，自動攀爬機器人中的兩夾緊模塊都處于夾緊狀態(tài)，如圖2（a）所示。開始動作時，內(nèi)部攀爬裝置中的夾緊模塊松開，如圖2（b）所示。電動機開始轉(zhuǎn)動，帶動錐齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動齒輪副轉(zhuǎn)動，最后將運動狀態(tài)傳到齒條上，完成內(nèi)部攀爬裝置的向上攀爬，如圖2（c）所示。當(dāng)內(nèi)部攀爬裝置爬到接近外部攀爬裝置上板時，停止運動，此時內(nèi)部攀爬裝置中的夾緊模塊開始夾緊，外部攀爬裝置中的夾緊模塊松開,如圖2（d）所示。電動機開始反轉(zhuǎn)，帶動錐齒輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動齒輪副轉(zhuǎn)動，最后將運動傳到齒條上，從而帶動整個外部攀爬裝置向上移動，如圖2（e）所示。當(dāng)外部攀爬裝置隔層板爬到接近內(nèi)部攀爬裝置下板時，停止運動，然后外部攀爬裝置中的夾緊模塊夾緊，如圖2（f）所示。至此一套完整的運動過程完成。下降過程可以通過調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，其動作控制過程正好相反。

圖2 攀爬機器人運動過程圖

2 攀爬機器人ADAMS運動學(xué)分析

2.1 模型導(dǎo)入與仿真分析

ADAMS為一種分析機器人動力學(xué)的軟件，其原理是將整體看作一個多模塊固態(tài)的整體動力學(xué)問題，利用Lagrange力學(xué)對機器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)的分析[7]。

在SolidWorks軟件中建立閘門鋼絲繩自動攀爬機器人模型，將SolidWorks中建立好的模型文件保存為.xmttxt格式，啟動ADAMS運動學(xué)與動力學(xué)軟件，將模型導(dǎo)入，進(jìn)行分析。此次分析分為2個階段：第一個階段為內(nèi)部攀爬裝置固定，外部攀爬裝置向下攀爬階段。在該階段給動力源施加一個STEP驅(qū)動函數(shù)式（1），分析圖如圖3（a）所示。第二個階段為外部攀爬裝置固定，內(nèi)部攀爬裝置向下攀爬階段。此時，給動力源施加一個STEP驅(qū)動函數(shù)式（2），分析圖如圖3（b）所示。

圖3 自動攀爬機器人整體ADAMS動力學(xué)分析圖

2.2 輸出結(jié)果

將求解時間設(shè)置為190 s，步數(shù)設(shè)置為50步，開始進(jìn)行ADAMS運動學(xué)求解，得到外部攀爬裝置在190 s時間內(nèi)的位移、速度、加速度的時間函數(shù)圖像，如圖4（a）所示。圖中粉線為外部攀爬裝置的位移隨時間變化的關(guān)系，可以看出在前60 s的時間內(nèi)，外部攀爬裝置運動了200 mm的距離，在60～130 s之間外部攀爬裝置是靜止不動的，在130～190 s之間外部攀爬裝置與前60 s的運動一致向下運動了200 mm。圖中紅線表示的是外部攀爬裝置的速度隨時間變化的關(guān)系，可以看出外部攀爬裝置在前60 s的時間內(nèi)，速度與時間的變化關(guān)系呈拋物線的形式，在60～130 s之間外部攀爬裝置速度為零，在130～190 s外部攀爬裝置與前60 s的運動速度與時間之間的關(guān)系呈拋物線的關(guān)系。與圖中位移時間關(guān)系圖像相對應(yīng)，圖中藍(lán)線表示的是外部攀爬裝置的加速度與時間變化的關(guān)系。從分析的運動圖中可以看出外部攀爬裝置的運動是穩(wěn)定的，并未出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

圖4 兩裝置速度、位移函數(shù)曲線

第二階段，將求解時間設(shè)置為190 s，步數(shù)設(shè)置為50步，得到內(nèi)部攀爬裝置在190 s的時間內(nèi)的位移、速度、加速度的時間函數(shù)圖像，如圖4（b）所示。圖中粉線表示的是內(nèi)部攀爬裝置的位移隨時間變化的關(guān)系，可以看出在前65 s的時間內(nèi)，內(nèi)部攀爬裝置是靜止不動的，在65～125 s之間內(nèi)部攀爬裝置運動了200 mm的距離，在125～190 s之間內(nèi)部攀爬裝置與前65 s運動一致，靜止不動。圖中紅線表示的是內(nèi)部攀爬裝置的速度隨時間變化的關(guān)系，可以看出內(nèi)部攀爬裝置在前65 s的時間內(nèi)，靜止不動，在65～125 s之間內(nèi)部攀爬裝置的速度與時間的關(guān)系呈拋物線的形式，在125～190 s內(nèi)部攀爬裝置與前65 s的速度一樣靜止不動。與圖中位移時間關(guān)系圖像相對應(yīng)，圖中藍(lán)線表示的是內(nèi)部攀爬裝置的加速度隨時間變化的關(guān)系。從分析的運動圖中可以看出內(nèi)部攀爬裝置的運動與外部攀爬裝置的運動是一一對應(yīng)的。該結(jié)論說明整個本體攀爬機器人的運動是穩(wěn)定的，同時說明該攀爬機器人的設(shè)計是合理可行的。

3 攀爬機器人清洗裝置的有效性分析

為提高閘門鋼絲繩的清洗效率，結(jié)合本閘門鋼絲繩自動攀爬機器人的設(shè)計特點，設(shè)計一種適用于本體攀爬機器人的清洗裝置，如圖5所示?？紤]到鋼絲繩的材質(zhì)和環(huán)保等因素，清洗裝置使用激光清洗[8]。清洗裝置作為本體攀爬機器人的載體，需要滿足在本體攀爬機器人上自由安裝和拆卸，同時考慮到本體攀爬機器人的向上運動對清洗裝置環(huán)狀清洗的影響。因此在設(shè)計清洗裝置時為該裝置增加一個向上的滾珠絲杠傳動，該傳動可以將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的傳動方式，從而保證清洗裝置能實現(xiàn)全面清洗鋼絲繩，在理論上提高清洗效果。

圖5 適應(yīng)本體攀爬機器人的清洗裝置

3.1 加入滾珠絲杠前攀爬機器人的ADAMS運動分析

當(dāng)本體攀爬機器人僅攜帶激光清洗頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗時，激光清洗頭只是以螺旋的運動軌跡進(jìn)行上下運動清洗，此時激光清洗頭在鋼絲繩每段處出現(xiàn)的次數(shù)僅為1次。將只有旋轉(zhuǎn)運動的清洗裝置加入到本體攀爬機器人上，通過ADAMS運動學(xué)分析[9]，分析過程如圖6所示。

圖6 本體攀爬機器人只攜帶激光清洗頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗的ADAMS分析圖

3.2 加入滾珠絲杠后攀爬機器人的ADMAS分析

將清洗裝置增加一個滾珠絲杠運動后，此時本體攀爬機器人攜帶激光清洗頭向上運動的同時，也為激光清洗頭增加了第二個來回的上下運動，這便增加了鋼絲繩被激光清洗頭清洗的機會。將攜帶滾珠絲杠運動的清洗裝置加入到本體攀爬機器人上，通過ADAMS運動學(xué)分析[10]，分析過程如圖7所示。

圖7 在清洗裝置中加入滾珠絲杠運動后的ADAMS分析圖

3.3 分析結(jié)果對比

通過觀察激光清洗頭Z軸方向的位移時間函數(shù)圖像可以看到，如圖8所示的曲線C表示本體攀爬機器人只攜帶激光清洗頭進(jìn)行運動的位移時間圖，激光清洗頭以加速度為1 mm/s2向上進(jìn)行移動，激光清洗頭在鋼絲繩的每個高度處僅出現(xiàn)1次。而在清洗裝置中加入一個滾珠絲杠運動后，激光清洗頭位移時間關(guān)系如圖8曲線B所示，此時激光清洗頭在鋼絲繩每個高度處出現(xiàn)的次數(shù)至少為1次，且在大部分位置上則出現(xiàn)2次以上。

圖8 激光清洗頭在有無滾珠絲杠運動Z軸方向位移時間圖

通過實驗發(fā)現(xiàn)（如圖9），激光清洗裝置在清洗某個位置達(dá)到2 次以上時能獲得較好的清潔效果。通過上述分析得知，自動攀爬機器人的激光清洗裝置在加入滾珠絲杠運動后，鋼絲繩被清洗的機會增加，因此清洗效果也將得到大幅提升。

圖9 激光清洗機清洗鋼絲繩實驗圖

4 結(jié)論

本文針對國內(nèi)目前還在使用人工懸吊的方式清洗鋼絲繩存在較大安全隱患的問題，根據(jù)閘門鋼絲繩的工作需求，設(shè)計了一款能攜帶清洗裝置的閘門鋼絲繩自動攀爬機器人。以自動攀爬機器人為研究對象，對該機器人進(jìn)行運動學(xué)仿真，通過ADAMS仿真分析，驗證了新設(shè)計的鋼絲繩自動攀爬機器人運動性能穩(wěn)定，說明了機器人設(shè)計的可行性。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，對加入滾珠絲杠的清洗裝置攀爬機器人的運動進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)加入滾珠絲杠運動后的激光清洗頭在每段鋼絲繩處，清洗頭出現(xiàn)的次數(shù)明顯增多，增加了鋼絲繩被清洗的機會，從而提升了鋼絲繩清洗效果。

基于理想實驗下，本文對攀爬機器人進(jìn)行分析，閘門鋼絲繩處于受拉狀態(tài)，鋼絲繩也并未出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象。但在實際工況中，由于閘門鋼絲繩經(jīng)過長時間的使用、風(fēng)化，以及海水電解的影響會出現(xiàn)鋼絲繩彎曲變形現(xiàn)象，因此需要對機器人在實際工況的閘門鋼絲繩上進(jìn)行攀爬實驗分析，觀察分析機器人在實際工況的閘門鋼絲繩上的攀爬能力與效果。同時，該機器人質(zhì)量較大，靈活性不足，存在電動機不同步造成齒輪卡齒的問題。因此后續(xù)將對該機器人進(jìn)一步優(yōu)化，使得該機器人具有較高的靈活性，對環(huán)境有較強的適應(yīng)性和操作控制的精確性。