智能巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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1、智能巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 摘要：針對(duì)如何保證電子倉的正常平穩(wěn)運(yùn)行，以及如何優(yōu)化機(jī)器人行進(jìn)方式的問題，擬設(shè)計(jì)一種以復(fù)合材料為主，可通過簡單人工方法自由拼裝拆卸的外殼。該設(shè)計(jì)上端整體成弧線形，包括弧形外殼（上外殼、底板），以及兩種可適應(yīng)不同軌道的底座部分。通過外殼的拆卸達(dá)到可反復(fù)維修利用的目的。本裝置通過對(duì)外形曲線的封閉設(shè)計(jì)以及較為方便的安裝拆卸，保證了電子倉內(nèi)的設(shè)備能夠在平穩(wěn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)軌道狀態(tài)、異物入侵狀態(tài)、軌道環(huán)境三位一體的監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)城市軌道智能巡檢機(jī)器人的高效作業(yè)。 關(guān)鍵詞：軌道交通；巡檢機(jī)器人；復(fù)合材料；可自由拼裝拆卸 0引言 隨著人

2、工智能技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)的日益發(fā)展，巡檢機(jī)器人在我國各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而軌道式機(jī)器人是現(xiàn)在各領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種[1]。巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)工作，該外殼對(duì)于確保電子倉內(nèi)部設(shè)備的正常運(yùn)行具有重要意義。要想將機(jī)械和結(jié)構(gòu)的功能充分發(fā)揮，必須以機(jī)械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，而在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)是根據(jù)機(jī)械和結(jié)構(gòu)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用機(jī)械建模和機(jī)械圖紙，遵循服務(wù)于電子倉內(nèi)探測設(shè)備的原則[2]。本機(jī)械結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的軌道類型和軌道的特征，將底座分為兩種，增大了巡檢機(jī)器人的巡檢廣度，并且由于電子倉內(nèi)探測裝置與底座輪軸的良好聯(lián)動(dòng)，機(jī)器人的可操控性大大地提高，能夠在一定程度上替代人工巡檢。電子倉內(nèi)的探測設(shè)備提供的良好環(huán)境，以

3、及機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的增大，為機(jī)器人提高效率和進(jìn)行高強(qiáng)度的作業(yè)提供良好保障[3]。 1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1.1設(shè)計(jì)思路。針對(duì)城市軌道智能巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要圍繞4個(gè)方面展開：首先，針對(duì)巡檢機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)；其次，針對(duì)巡檢機(jī)器人探測設(shè)備伸縮性能展開設(shè)計(jì)；再者，針對(duì)機(jī)器人的外殼防護(hù)設(shè)計(jì)；最后，針對(duì)機(jī)器人總體模型設(shè)計(jì)。結(jié)合這4個(gè)步驟形成一套完整的思路[4]。 1.2總體設(shè)計(jì)。該外殼包括上外殼、底板和兩種根據(jù)不同軌道底座（單軌底座和輕軌底座），如圖1所示。電子倉在上外殼與底板形成的可安裝拆卸的相對(duì)密閉良好空間內(nèi)，兩種軌道底座與上外殼底板有卡扣與插槽連接，單

4、軌底座上另有兩輪在單軌軌道梁上支撐整個(gè)裝置，減小裝置與單軌軌道面的摩擦。表1為底座與弧形外殼的原長寬高數(shù)據(jù)，其中鐵軌底座行走輪兩輪外距為鐵軌寬度（國標(biāo)）。整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)本著簡潔美觀，為電子倉內(nèi)探測設(shè)備營造穩(wěn)定工作環(huán)境的原則，在減小摩擦以及穩(wěn)定電子倉并減小其上下顛簸的方面做了較詳細(xì)的設(shè)計(jì)，為電子倉提供了良好的工作條件。 2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1弧形外殼設(shè)計(jì)。該巡檢機(jī)器人的弧形外殼由上外殼和底板構(gòu)成，其中上外殼和底板采用插槽和卡扣的方式拼接。在設(shè)計(jì)中，為了盡可能減小弧形外殼的質(zhì)量以及增強(qiáng)電子倉內(nèi)探測設(shè)備的可容納性和伸縮性，外殼材質(zhì)選用密度較輕的材料，減小總體質(zhì)量并緩解行走輪壓力

5、，電子倉內(nèi)探測設(shè)備分布安裝在弧形外殼中的底板上，通過合理排布可以降低重心，并在一定程度上減小事故幾率。如圖2所示，上外殼采用復(fù)合材料來增大外殼強(qiáng)度，從而保證使用壽命。2.1.1上外殼外形為弧形的主要設(shè)計(jì)思想。(1)使上外殼與底板流動(dòng)的空氣速率不同而產(chǎn)生壓強(qiáng)差；根據(jù)該裝置外形設(shè)計(jì)，上下壓強(qiáng)差一定程度上減小了該裝置對(duì)地面的壓力。(2)弧形側(cè)面減小碰撞體積，增強(qiáng)了外殼防護(hù)程度。(3)側(cè)邊采用流線型設(shè)計(jì)。底板使外殼內(nèi)部的電子倉內(nèi)的裝置與底部輪軸和主動(dòng)輪形成較好的聯(lián)動(dòng)。(4)采取更小樣板3D加工，可容納體積相對(duì)更大。(5)簡潔美觀。2.1.2外殼與裝置設(shè)備的聯(lián)動(dòng)。(1)兩個(gè)超聲波測距設(shè)備安裝于外殼弧形面

6、末端，根據(jù)軌道、機(jī)器人距地面的高度，略微將超聲波測距儀下旋，并確保兩測距儀測距目標(biāo)延長線匯聚一點(diǎn)。(2)溫度傳感器安裝在外殼外側(cè)，其原因有兩點(diǎn)：一是防止內(nèi)部電子倉驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電池發(fā)熱干擾溫度測量；二是將其安裝在外側(cè)可以更加直接獲得隧道軌道內(nèi)溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 2.2底座設(shè)計(jì)。為了提高巡檢機(jī)器人可巡檢目標(biāo)的多樣性，可根據(jù)不同軌道規(guī)格更換兩種底座，兩種底座尺寸基本與外殼相同，以便于弧形外殼與底座的扣合，通過弧形外殼的底板卡扣和不同軌道底座上側(cè)設(shè)計(jì)的插槽拼接形成相對(duì)密閉結(jié)構(gòu)。底座與底板提供了電子倉內(nèi)裝置與主動(dòng)輪之間的聯(lián)動(dòng)。此外，兩種底座輪分別有穩(wěn)定輪和穩(wěn)定底座的輪緣，保證機(jī)器人在正常攝像與監(jiān)

7、測作業(yè)的同時(shí)擁有良好的工作環(huán)境。另外本裝置利用輪與軌道產(chǎn)生的摩擦力行走，在長時(shí)間作業(yè)下，行走輪、穩(wěn)定輪和導(dǎo)向輪會(huì)出現(xiàn)行走打滑現(xiàn)象，一定程度上影響了工作效率，為盡量減小這一影響，可適當(dāng)減小三種輪子的尺寸并在輪外側(cè)包裹防滑材質(zhì)。主要作用為增大摩擦，減小打滑幾率[5]。兩種底座均采用雙矩形串聯(lián)大框架，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)使行走輪行走，既方便拆卸又易拼裝。2.2.1鐵軌底座鐵軌底座由于鐵軌本身的形狀因素，如圖3所示，該設(shè)計(jì)采用"軌道輪內(nèi)扣";的形式，即底座輪內(nèi)側(cè)接觸軌，輪緣負(fù)責(zé)導(dǎo)向和防止脫軌[6]，與單軌底座不同，鐵軌增加了兩個(gè)行走輪來分散承重。但由于在火車拐彎時(shí)由于其質(zhì)量過大，一般情況下通過外軌略高，內(nèi)軌

8、略低的軌道建成方式使重力的分力提供火車拐彎時(shí)所需要的向心力，不同軌道半徑，內(nèi)外軌的高度差不同。而巡檢機(jī)器人由于行駛過程中要對(duì)隧道軌道進(jìn)行軌道狀態(tài)、異物入侵、隧道環(huán)境三位一體的巡檢，高速行駛往往影響精度，另外高速行駛也不利于拍攝、錄像等工作的執(zhí)行，故而該巡檢機(jī)器人行駛速度要低于火車行駛速度。在拐彎處輪緣會(huì)產(chǎn)生一定摩擦，所以輪子要定期檢查磨損情況并及時(shí)更換。2.2.2單軌底座單軌底座設(shè)計(jì)過程嚴(yán)格按照單軌軌道梁的形狀設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路主要來自城市輕軌大致模型，其底座安裝穩(wěn)定輪和導(dǎo)向輪兩種不同的輪子，其功能與城市輕軌類似，在同樣低速的情況下，單軌底座輪相較于輕軌底座輪更不易磨損。導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪在單軌軌道梁

9、的側(cè)面，起到平衡裝置的作用。穩(wěn)定輪能保證電子倉內(nèi)的裝置在更穩(wěn)定的情況下運(yùn)行。行走輪用作驅(qū)動(dòng)輪，同時(shí)行走輪包裹防滑材料增大摩擦減小無效做功，并且適當(dāng)增大輪胎厚度，增大行走輪與地面的接觸面積保證輪胎正常承重。 3結(jié)論 由于單軌軌道底座使用了穩(wěn)定輪，鐵軌軌道底座采用"軌道輪內(nèi)扣";，該裝置能夠保證巡檢機(jī)器人在高強(qiáng)度作業(yè)下，其搭載的高清攝像頭也能拍出清晰圖片。該機(jī)械裝置基于為電子倉提供良好的工作條件，主要服務(wù)于電子倉內(nèi)探測設(shè)備。為城市軌道交通巡檢機(jī)器人進(jìn)行軌道狀態(tài)、異物入侵、隧道環(huán)境三位一體的巡檢提供了可靠的外殼與行進(jìn)方式。巡檢機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制、通信、傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，而機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是制約巡檢機(jī)器人向?qū)嵱没拷淖畲笳系K。本裝置本著簡潔美觀的原則，在借鑒了城市單軌軌道和地鐵火車以及軌道的情況下略加創(chuàng)新，較好的處理了電子倉與底座主動(dòng)輪的聯(lián)動(dòng)問題，同時(shí)增加了外殼的強(qiáng)度確保其使用壽命。這種既確保了強(qiáng)度又確保了低廉成本外殼的智能巡檢機(jī)器人，在城市軌道發(fā)展愈加完善的今天，為城市軌道交通運(yùn)營提供了一份可靠的保障。