双云台快速移动轨道巡检机器人的研究

谢一源 郭凯 罗立轩 翁钰 朱煜铭 朱蓉

摘要：在移动类机器人的研究领域，轨道类巡检机器人是典型的特种移动机器人在对安全性有一定要求的场合应用最为广泛，电力巡检机器人是国内外机器人领域的研究热点。但目前的轨道机器人大多数为水平或垂直的运动巡检，其大多是沿用了自行走输送机器人的工字型轨道。存在重量大，价格高，不易实现小半径转弯的情况，在电力机房等设备密集的场合，较难满足实际需求。市场上也有环形或S型可过弯的巡检机器人，但受机器人底盘结构的限制，需用配套的异性轨道才能实现过弯，且运行速度较为缓慢，检测质量分散。机器人底盘的运动性能是其工作效率的基础，本篇为解决上述的问题，通过改变传统的轨道机器人的底盘结构，对其运动方式进行创新，使其实现快速移动、精准定位、顺畅过弯的效果。并要求其适应简单形状的轨道，降低轨道的铺设成本，最终设计出一款轻便，高效的轨道巡检机器人。

关键词：轨道巡检;运动快速;弯道自适应;双360°云台

在移动类机器人的研究领域，轨道类巡检机器人是典型的特种移动机器人。在对安全性有一定要求的场合应用最为广泛，电力巡检机器人是国内外机器人领域的研究热点。本篇文章论述了通过改变传统的轨道机器人的底盘结构，对其运动方式进行创新，使其实现快速移动，精准定位，顺畅过弯的效果，并要求其适应简单形状的轨道，降低轨道的铺设成本，最终设计出一款轻便高效的轨道巡检机器人，并创造了多种设计方法，为类似机器人的研发提供了新的思路。

1 研发背景与意义

目前国内外范围，智能巡检机器人是安防智能化、立体化、移动化的最佳载体。其工作环境大致在电力设备、园区仓储、化工产业、地下管廊，其功能大致相同即代替人类完成基础性、重复性、危险性的工作。在新常态下，化工的发展更需要智能制造，也更需要拓展应用工业智能机器人。化工的很多生产工作区域是危险和有毒的，人进不去，巡检作业需要智能机器人来完成;再就是化工事故后的抢险救灾，所以该领域的机器人需要更灵活多变的运行方式。虽然国外化工设备巡检机器人的研究起步较早，但仍有许多关键性问题等待解决，研究潜力非常的大。2015年国务院允许民营资本进入城市基础设施建设，我国管廊建设已经进入如火如荼的阶段。截止目前，多个城市试点已基本完成，这一大前提下，新一代的轨道巡检类的机器人便应运而生。它不仅代替了人工低效的巡檢方式，在及时发现和消除设备缺陷，预防事故发生，确保设备安全运行等方面发挥了一定的作用，以及在石化行业环境勘探、危险作业、隐患排查、事故救援中发挥不可替代的作用。

现如今全球的机器人发展已逐渐产业化，同类型机器人之间性能的竞争也越来越大，中国已成为全球最大的机器人应用和消费国。而作为特种机器人代表的巡检机器人更是目前机器人行业发展领域的主打产品，它的发展前景更是不可限量。

2需求分析

针对巡检机器人的各方面需求，我们主要从机器人底盘、机器人云台、机器人轨道进行分析。

2.1 具体需求

轨道式机器人底盘应具有更快的移动速度和更大的地形适应能力，同时还得兼具体积小重量轻、使用方便等特点。将底盘需求分为以下几点：（1）底盘拥有比传统轨道机器人更快的移动速度;（2）机器人在换向时候拥有更大的起步加速度;（3）可通过半径不小于600mm的弯道和一定坡度的斜坡;（4）重量轻且易安装其他模块组件;（5）拆装简便易于平时维护。

经过分析，机器人云台的需求有以下几点：（1）拥有准确的控制精度;（2）拥有快速的响应速度;（3）拥有视觉识别和跟随的能力;（4）Pitch轴俯角不小于30度，仰角不小于45度;YAW轴可在Pitch轴任意角度时相对底盘360度自由旋转。

经过分析，机器人轨道相对应的需求有以下几点：（1）材料的重量轻;（2）材料的成本低;（3）轨道的铺设难度低。

2.2 可行方案

针对机器人底盘的需求，列出以下解决方案：（1）使用单电机驱动轮组：该底盘使用M3508电机，其持续功率为150W，持续扭矩2.8N，依据其特性曲线，在重量为18kg以内的机器人使用单电机驱动的极限速度最快;（2）利用连杆机构提升底盘起步加速度：机器人的两个运动方向各设置一套轮组，换向时未接触轨道的一侧驱动轮空转至最大转速，曲柄连杆机构快速释放在轨道平面，利用其累积的动能提高换向速度;（3）设置可伸缩的从动轮组，拥有自适应轨道形状的功能，用弹簧、拉簧进行复位，在轨道侧面、底面各置4组适应性轮组，使用聚氨酯包胶轮达到静音效果;（4）使用碳纤维板材料，碳纤维板在纵置时的力学性能可比肩钢材，但重量仅为钢的三分之一。使用航空铝合金作为零件的加工材料，铝合金强度高耐腐蚀性好，将底盘重量控制在4.2kg以内;（5）在底盘底面和顶面，各配置了一个导电滑环和云台的运动轴承，用户可根据实际需求自由搭建工作设备。底盘体积控制在了300X300mm内，使其在工作时不受机身的遮挡影响。

针对机器人云台的需求，列出以下解决方案：（1）采用高强度碳板板拼接的方式搭建，且云台具有Yaw和pitch轴两个自由度，并用弹性材料减少抖动的影响。（2）两个云台之间可相互通信，使用串口转CANFD技术，远距离通信保证数据的稳定性，避免数据丢包。对云台的控制进行系统建模，在MATLAB中反复模拟得到其响应曲线，科学地调整算法参数。（3）云台前端搭载工业相机和图像处理模块，使其拥有视觉识别和跟随的功能。

针对机器人配套轨道的需求，列出以下解决方案：底盘的配套轨道采用工业标准180X60X1mm铝材。铝合金材质满足重量轻、成本低、铺设难度低等特点。

3 详细设计

3.1 机器人底盘设计

机器人底盘主要由四块碳纤维板材作为主要的支撑板，使用碳纤维板材料，碳纤维板在纵置时的力学性能可比肩钢材，但重量仅为钢的三分之一正确使用可极大减轻机器人底盘的重量。每块板材都使用SolidWorks的simulation有限元模块进行拓扑优化，在保证其结构强度的同时也减轻了碳板的重量。

经过测试发现，在18kg限重内的机器人，使用单电机驱动效率最高功率发挥最充分，该底盘使用M3508电机，其持续功率为150W，持续扭矩2.8N，底盘可以达到3.5m/s速度。在机器人的两个运动方向各配置一个电机进行驱动。每个驱动轮组两侧都配备了双轴心导轨可让驱动轮进行上下滑动，轮组上方铺设了一段导轨用于控制其上下滑动，用第三个电机进行方向切换的驱动电机，让电机带动一对连杆机构。当需要切换运动方向时，一侧电机快速空转至最大转速后利用连杆机构迅速将驱动轮释放在轨道平面，同时另一侧的电机随之抬起，利用其累积起来的动量达到超级起步的效果。

底盘由静音轮包覆在矩形轨道的四个平面，在过弯时根据轨道弯曲的半径调整每侧轮组的姿态达到流畅过弯的效果，还可适应有坡度的轨道，完成三维式的巡检任务，其过弯半径最小为600mm，通过坡度最大为20°。

3.2 机器人云台设计

该机器人可在轨道上下方各配备一个云台，上方的云台仰角达32°俯角可到55°，底盘上方搭配了18路5A导电滑环，支持云台360°旋转。下方的云台俯角可达60°，底盘下方配置了12路10A导电滑环。云台由2mm和3mm碳纤维板和PC板材拼接而成，极大减轻了云台的重量，通过利用SolidWorks的多实体和布尔运算功能计算，每个云台的重心分配平衡。

4 总结

在目前电机技术的基础上，研发了新型的轨道机器人底盘，通过改变机械结构，使其同时具备优秀的直线速度和加速度，挖掘了底盘性能的潜在能力。采用了模块化设计，方便后期的维护和检修。双云台设计增大其扫描半径，双云台之间可相互通信，完成数据的传输。该机器人的研发攻克了十分多的技术点，且运用了仿真技术进行不断改进和优化，为了让实际更接近于理论，各研发人员不断地努力完成，在实践中激发了创新思维，培养了一丝不苟的工匠精神，為今后学习以及工作奠定了良好的基础。

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