一种具有越障功能爬杆机器人的设计*

李诗朕，周扬理，王国栋，丁 睿，贺连升

（中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院，山东东营 257000）

0 引言

在现代生活中，电缆网络分布已覆盖全球各个地方，而高空检修作业也在不断增加。检修工人攀爬到电线杆上方检修线路，环境恶劣，危险性极高，容易发生意外事故。而爬杆机器人可以代替人工，方便高效地完成高空线路检修作业。爬杆机器人在城市杆状建筑清洁、路灯检修等方面也起到了重要的作用，因此国内众多学者对此开展研究。

目前爬杆机器人研究相对比较成熟，如浙江工业大学陈国达等[1]从机器人工况环境和国内外研究现状出发，将爬杆机器人分为滚动式爬杆机器人、夹持式爬杆机器人、仿生式爬杆机器人、吸附式爬杆机器人4类，对现有爬杆机器人进行了准确分析。江南大学的李楠等[2]研制的适应不同导轨直径的多姿态爬杆机器人，是一种滚动式爬杆机器人；北京航空航天大学的王扬等[3]使用气缸设计了一种轮式攀爬机器人；国网浙江新昌县供电公司的任新新等[4]研制了纯机械结构的夹持式爬杆机器人；哈尔滨石油学院的王妍玮[5]设计了水泥杆攀爬机器人；李晨景等[6]设计了利用双作用气缸为主要执行元件的新型气动驱动机器人；浙江工业大学徐生等[7]提出了一种以气压驱动的蠕动爬杆机器人；太原理工大学岳一领等[8]设计的一种具有变形机构和自适应性的多功能攀爬机器人等。这些机器人结构复杂，操作困难，且均无法跨越障碍物，携带任何检修设备。

为了克服机器人无法越障、携带检修设备等问题，通过机械结构与控制器控制相互配合，设计了一种具有越障功能的爬杆机器人。

1 设计要求

爬杆机器人设计要求如表1所示。

表1 设计要求

2 工作原理

当爬杆机器人爬升过程中探测到障碍物时，爬杆机器人切换到越障模式。

首先，上、下部分夹紧装置保持夹紧状态，中部夹紧装置松开，上升一定距离；然后，中部夹紧装置夹紧，上、下部分夹紧装置同时松开，上升一段距离；之后，由上、下部分夹紧装置夹紧，中部夹紧装置松开，上升一段距离；随后，中部夹紧装置夹紧，上、下部分夹紧装置松开，上升一段距离；最后，上、下部分夹紧装置夹紧，中部夹紧装置松开，上升一段距离。重复此动作，实现爬升越障功能。具体操作流程如图1所示。

图1 越障动作示意图

3 结构设计

爬杆机器人由上部夹紧装置、中部夹紧装置、下部夹紧装置、爬升装置组成。结构如图2所示。

图2 越障爬杆机器人整机模型

通过上、中、下三个部分夹紧装置的交替夹紧、张开动作，爬杆机器人实现整体爬升。当上部夹紧装置上端传感器探测到障碍物时，爬升机器人切换到越障模式。此时，夹紧爪张开幅度变大，上、中、下三个部分夹紧装置依次越过障碍物。

3.1 夹紧装置

夹紧装置分为上部夹紧装置、中部夹紧装置和下部夹紧装置部分。夹紧装置由支撑框架、步进电机、蜗轮蜗杆减速器、连杆机构、夹紧手臂、夹紧手爪等组成。夹紧装置结构如图3所示。其中中部夹紧装置含有第二夹紧手臂和4个夹紧手爪，结构如图4所示。在步进电机作用下，通过减速器带动曲柄连杆机构实现夹紧手爪的夹紧或松开。

图3 夹紧装置结构示意图

图4 中部夹紧装置

夹紧手爪包括夹紧爪和橡胶垫，为增大夹紧手爪与杆体的摩擦力，将手爪设计为曲面状，内凹一面固定橡胶垫。为确定夹紧力，保证夹持稳定性，安装压力传感器，实时反馈夹紧力。

机械手臂有效张开直径为530 mm，可跨越障碍物的横向尺寸为110 mm，采用橡胶作为夹持提供摩擦力，摩擦因数约为0.64，最大提供250 N摩擦力，整机质量为11 kg，可搭载检修设备，最大承载能力15 kg。

3.2 爬升装置

为了简单、高效的跨越障碍物，在上、中、下三部分夹紧装置相互配合工作下，设计了爬升装置。

爬升装置结构采用双光轴滚珠丝杠结构，由步进电机、导向杆、丝杆、上部连接块、中部连接块、下部连接块等组成。结构如图5所示，通过三部分夹紧装置与之连接，相互协调、配合，从而完成爬升越障功能。

图5 爬升装置

爬杆机器人爬升速度最大约为6 m/min，跨越障碍物最大纵向跨度为0.4 m，较人工爬杆效率高。

4 控制程序设计

越障爬杆机器人运动主要是控制夹紧装置与爬升装置的电机正反转，通过两者相互协调、配合实现爬升与越障功能。控制功能流程图如图6所示。

图6 控制功能图

5 关键部件有限元分析

5.1 夹紧装置

将夹紧装置本体在SolidWorks软件中建模并对模型进行简化，由SolidWorks Simulation进行静应力有限元分析。夹紧装置采用45号钢材质，许用应力120 MPa（考虑安全系数）使用默认网格划分。施加条件时，将夹紧装置箱体固定，夹紧爪与杆状物体配合固定。对导向块施加向后的拉力，使夹紧爪夹紧。完成后提交作业，最终获得上下部分应力分析图如图7所示，位移分析图如图8所示，中间部分应力分析图如图9所示，位移分析图如图10所示。

图7 上、下部分-应力

图8 上、下部分-位移

由分析结果可知，两种夹紧装置机械手爪中部全部出现应力集中现象，并且发生形变。上、下部分夹紧装置机械手爪的最大位移量1.431×10-3mm，最大应力5.513 MPa；中部夹紧装置机械手爪的最大位移量1.225×10-3mm，最大应力4.027 MPa。在此夹持过程中机械手爪的最大应力、应变以及变形量等全部都在计算范围内。因此，此夹紧装置符合作业要求。

图9 中间部分-应力

图10 中间部分-位移

5.2 爬升装置

将爬升装置本体在SolidWorks软件中建模并对模型进行简化，由SolidWorks Simulation进行静应力有限元分析。爬升装置采用45号钢材质，许用应力120 MPa（考虑安全系数）使用默认网格划分。施加条件时，将夹紧装置上下部分连接块固定。对中部连接块施加向上与向外的面载荷。随后提交作业，最终获得爬升装置应力分析图如图11所示，位移分析图如图12所示。

图11 爬升装置-应力

图12 爬升装置-位移

由分析结果可知，由于上、下两部分夹紧杆状物体表面，中部夹紧装置松开，应力相对集中于中部连接块与双光杆、丝杆的接触位置，并且发生形变。爬升装置最大位移量1.813×10-2mm，最大应力8.13 MPa。在此爬升过程中双光杆、丝杆的最大应力、应变和变形量等都在计算范围内，因此爬升装置符合作业要求。

6 结束语

本文设计的爬杆机器人，其主要功能是可靠地携带相关检修设备，克服重力作用依附于电线杆等杆状物表面进行爬升并跨越其表面障碍物，能够代替人工安全、高效、低成本地完成检修、维护等任务，有效预防意外事故的发生。爬杆机器人的使用消除了人工维护的潜在风险，改善了工人的劳动环境。而且低耗能、绿色环保符合国家标准，符合可持续发展理念。