智能巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

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1、智能巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計研究 摘要：針對如何保證電子倉的正常平穩(wěn)運行，以及如何優(yōu)化機器人行進方式的問題，擬設(shè)計一種以復(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。通過外殼的拆卸達到可反復(fù)維修利用的目的。本裝置通過對外形曲線的封閉設(shè)計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，從而實現(xiàn)城市軌道智能巡檢機器人的高效作業(yè)。 關(guān)鍵詞：軌道交通；巡檢機器人；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)以及機器人技術(shù)的日益發(fā)展，巡檢機器人在我國各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而軌道式機器人是現(xiàn)在各領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一種[1]。巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)工作，該外殼對于確保電子倉內(nèi)部設(shè)備的正常運行具有重要意義。要想將機械和結(jié)構(gòu)的功能充分發(fā)揮，必須以機械結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，而在對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時是根據(jù)機械和結(jié)構(gòu)的功能進行設(shè)計。利用機械建模和機械圖紙，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，機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、及機器人結(jié)構(gòu)強度的增大，為機器人提高效率和進行高強度的作業(yè)提供良好保障[3]。 1系統(tǒng)總體設(shè)計 1.1設(shè)計思路。針對城市軌道智能巡檢機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要圍繞4個方面展開：首先，針對巡檢機器人的行走驅(qū)動結(jié)構(gòu)展開設(shè)計；其次，針對巡檢機器人探測設(shè)備伸縮性能展開設(shè)計；再者，針對機器人的外殼防護設(shè)計；最后，針對機器人總體模型設(shè)計。結(jié)合這4個步驟形成一套完整的思路[4]。 1.2總體設(shè)計。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）。整個機械設(shè)計本著簡潔美觀，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的設(shè)計，為電子倉提供了良好的工作條件。 2機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1弧形外殼設(shè)計。該巡檢機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)計中，為了盡可能減小弧形外殼的質(zhì)量以及增強電子倉內(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)計思想。(1)使上外殼與底板流動的空氣速率不同而產(chǎn)生壓強差；根據(jù)該裝置外形設(shè)計，上下壓強差一定程度上減小了該裝置對地面的壓力。(2)弧形側(cè)面減小碰撞體積，增強了外殼防護程度。(3)側(cè)邊采用流線型設(shè)計。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輪形成較好的聯(lián)動。(4)采取更小樣板3D加工，可容納體積相對更大。(5)簡潔美觀。2.1.2外殼與裝置設(shè)備的聯(lián)動。(1)兩個超聲波測距設(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延長線匯聚一點。(2)溫度傳感器安裝在外殼外側(cè)，其原因有兩點：一是防止內(nèi)部電子倉驅(qū)動電機以及電池發(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)溫度實時數(shù)據(jù)。 2.2底座設(shè)計。為了提高巡檢機器人可巡檢目標的多樣性，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)計的插槽拼接形成相對密閉結(jié)構(gòu)。底座與底板提供了電子倉內(nèi)裝置與主動輪之間的聯(lián)動。此外，兩種底座輪分別有穩(wěn)定輪和穩(wěn)定底座的輪緣，保證機器人在正常攝像與監(jiān)

7、測作業(yè)的同時擁有良好的工作環(huán)境。另外本裝置利用輪與軌道產(chǎn)生的摩擦力行走，在長時間作業(yè)下，行走輪、穩(wěn)定輪和導(dǎo)向輪會出現(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)動電機驅(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，輪緣負責導(dǎo)向和防止脫軌[6]，與單軌底座不同，鐵軌增加了兩個行走輪來分散承重。但由于在火車拐彎時由于其質(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。而巡檢機器人由于行駛過程中要對隧道軌道進行軌道狀態(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，故而該巡檢機器人行駛速度要低于火車行駛速度。在拐彎處輪緣會產(chǎn)生一定摩擦，所以輪子要定期檢查磨損情況并及時更換。2.2.2單軌底座單軌底座設(shè)計過程嚴格按照單軌軌道梁的形狀設(shè)計，設(shè)計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)定的情況下運行。行走輪用作驅(qū)動輪，同時行走輪包裹防滑材料增大摩擦減小無效做功，并且適當增大輪胎厚度，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器人在高強度作業(yè)下，其搭載的高清攝像頭也能拍出清晰圖片。該機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器人進行軌道狀態(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方式。巡檢機器人是一個復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，涉及到機械結(jié)構(gòu)、自動控制、通信、傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個領(lǐng)域，而機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是制約巡檢機器人向?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輪的聯(lián)動問題，同時增加了外殼的強度確保其使用壽命。這種既確保了強度又確保了低廉成本外殼的智能巡檢機器人，在城市軌道發(fā)展愈加完善的今天，為城市軌道交通運營提供了一份可靠的保障。