智能巡检机器人机械结构设计研究

智能巡检机器人机械结构设计研究 摘要：针对如何保证电子仓的正常平稳运行，以及如何优化机器人行进方式的问题，拟设计一种以复合材料为主，可通过简单人工方法自由拼装拆卸的外壳。该设计上端整体成弧线形，包括弧形外壳（上外壳、底板），以及两种可适应不同轨道的底座部分。通过外壳的拆卸达到可反复维修利用的目的。本装置通过对外形曲线的封闭设计以及较为方便的安装拆卸，保证了电子仓内的设备能够在平稳状态下实现轨道状态、异物入侵状态、轨道环境三位一体的监测，从而实现城市轨道智能巡检机器人的高效作业。关键词：轨道交通；巡检机器人；复合材料；可自由拼装拆卸0引言随着人工智能技术以及机器人技术的日益发展，巡检机器人在我国各领域被广泛应用，而轨道式机器人是现在各领域应用最广泛的一种1。巡检机器人的机械结构是基础工作，该外壳对于确保电子仓内部设备的正常运行具有重要意义。要想将机械和结构的功能充分发挥，必须以机械结构为基础，而在对机械结构设计时是根据机械和结构的功能进行设计。利用机械建模和机械图纸，遵循服务于电子仓内探测设备的原则2。本机械结构根据不同的轨道类型和轨道的特征，将底座分为两种，增大了巡检机器人的巡检广度，并且由于电子仓内探测装置与底座轮轴的良好联动，机器人的可操控性大大地提高，能够在一定程度上替代人工巡检。电子仓内的探测设备提供的良好环境，以及机器人结构强度的增大，为机器人提高效率和进行高强度的作业提供良好保障3。1系统总体设计1.1设计思路。针对城市轨道智能巡检机器人的结构设计，主要围绕4个方面展开：首先，针对巡检机器人的行走驱动结构展开设计；其次，针对巡检机器人探测设备伸缩性能展开设计；再者，针对机器人的外壳防护设计；最后，针对机器人总体模型设计。结合这4个步骤形成一套完整的思路4。1.2总体设计。该外壳包括上外壳、底板和两种根据不同轨道底座（单轨底座和轻轨底座），如图1所示。电子仓在上外壳与底板形成的可安装拆卸的相对密闭良好空间内，两种轨道底座与上外壳底板有卡扣与插槽连接，单轨底座上另有两轮在单轨轨道梁上支撑整个装置，减小装置与单轨轨道面的摩擦。表1为底座与弧形外壳的原长宽高数据，其中铁轨底座行走轮两轮外距为铁轨宽度（国标）。整个机械设计本着简洁美观，为电子仓内探测设备营造稳定工作环境的原则，在减小摩擦以及稳定电子仓并减小其上下颠簸的方面做了较详细的设计，为电子仓提供了良好的工作条件。2机械结构设计2.1弧形外壳设计。该巡检机器人的弧形外壳由上外壳和底板构成，其中上外壳和底板采用插槽和卡扣的方式拼接。在设计中，为了尽可能减小弧形外壳的质量以及增强电子仓内探测设备的可容纳性和伸缩性，外壳材质选用密度较轻的材料，减小总体质量并缓解行走轮压力，电子仓内探测设备分布安装在弧形外壳中的底板上，通过合理排布可以降低重心，并在一定程度上减小事故几率。如图2所示，上外壳采用复合材料来增大外壳强度，从而保证使用寿命。2.1.1上外壳外形为弧形的主要设计思想。(1)使上外壳与底板流动的空气速率不同而产生压强差；根据该装置外形设计，上下压强差一定程度上减小了该装置对地面的压力。(2)弧形侧面减小碰撞体积，增强了外壳防护程度。(3)侧边采用流线型设计。底板使外壳内部的电子仓内的装置与底部轮轴和主动轮形成较好的联动。(4)采取更小样板3D加工，可容纳体积相对更大。(5)简洁美观。2.1.2外壳与装置设备的联动。(1)两个超声波测距设备安装于外壳弧形面末端，根据轨道、机器人距地面的高度，略微将超声波测距仪下旋，并确保两测距仪测距目标延长线汇聚一点。(2)温度传感器安装在外壳外侧，其原因有两点：一是防止内部电子仓驱动电机以及电池发热干扰温度测量；二是将其安装在外侧可以更加直接获得隧道轨道内温度实时数据。2.2底座设计。为了提高巡检机器人可巡检目标的多样性，可根据不同轨道规格更换两种底座，两种底座尺寸基本与外壳相同，以便于弧形外壳与底座的扣合，通过弧形外壳的底板卡扣和不同轨道底座上侧设计的插槽拼接形成相对密闭结构。底座与底板提供了电子仓内装置与主动轮之间的联动。此外，两种底座轮分别有稳定轮和稳定底座的轮缘，保证机器人在正常摄像与监测作业的同时拥有良好的工作环境。另外本装置利用轮与轨道产生的摩擦力行走，在长时间作业下，行走轮、稳定轮和导向轮会出现行走打滑现象，一定程度上影响了工作效率，为尽量减小这一影响，可适当减小三种轮子的尺寸并在轮外侧包裹防滑材质。主要作用为增大摩擦，减小打滑几率5。两种底座均采用双矩形串联大框架，通过驱动电机驱使行走轮行走，既方便拆卸又易拼装。2.2.1铁轨底座铁轨底座由于铁轨本身的形状因素，如图3所示，该设计采用轨道轮内扣;的形式，即底座轮内侧接触轨，轮缘负责导向和防止脱轨6，与单轨底座不同，铁轨增加了两个行走轮来分散承重。但由于在火车拐弯时由于其质量过大，一般情况下通过外轨略高，内轨略低的轨道建成方式使重力的分力提供火车拐弯时所需要的向心力，不同轨道半径，内外轨的高度差不同。而巡检机器人由于行驶过程中要对隧道轨道进行轨道状态、异物入侵、隧道环境三位一体的巡检，高速行驶往往影响精度，另外高速行驶也不利于拍摄、录像等工作的执行，故而该巡检机器人行驶速度要低于火车行驶速度。在拐弯处轮缘会产生一定摩擦，所以轮子要定期检查磨损情况并及时更换。2.2.2单轨底座单轨底座设计过程严格按照单轨轨道梁的形状设计，设计思路主要来自城市轻轨大致模型，其底座安装稳定轮和导向轮两种不同的轮子，其功能与城市轻轨类似，在同样低速的情况下，单轨底座轮相较于轻轨底座轮更不易磨损。导向轮和稳定轮在单轨轨道梁的侧面，起到平衡装置的作用。稳定轮能保证电子仓内的装置在更稳定的情况下运行。行走轮用作驱动轮，同时行走轮包裹防滑材料增大摩擦减小无效做功，并且适当增大轮胎厚度，增大行走轮与地面的接触面积保证轮胎正常承重。3结论由于单轨轨道底座使用了稳定轮，铁轨轨道底座采用轨道轮内扣;，该装置能够保证巡检机器人在高强度作业下，其搭载的高清摄像头也能拍出清晰图片。该机械装置基于为电子仓提供良好的工作条件，主要服务于电子仓内探测设备。为城市轨道交通巡检机器人进行轨道状态、异物入侵、隧道环境三位一体的巡检提供了可靠的外壳与行进方式。巡检机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及到机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域，而机械结构是整个系统的基础，也是制约巡检机器人向实用化靠近的最大障碍。本装置本着简洁美观的原则，在借鉴了城市单轨轨道和地铁火车以及轨道的情况下略加创新，较好的处理了电子仓与底座主动轮的联动问题，同时增加了外壳的强度确保其使用寿命。这种既确保了强度又确保了低廉成本外壳的智能巡检机器人，在城市轨道发展愈加完善的今天，为城市轨道交通运营提供了一份可靠的保障。