新型电缆隧道巡检机器人机构设计与轨道优化仿真

黄双得 许保瑜 王胜伟

摘要：伴随着我国社会经济的飞速发展和科学技术的显著提高，许多行业都有了飞跃式的进步，其中，以智能机器人制造为主的新兴行业越来越受到人们的重视，不仅给人们的日常工作带来了很大便利，同时也避免了人工工作过程中的危险隐患。基于此，本文针对新型电缆隧道巡检机器人，结合电缆隧道巡检机器人的应用背景和应用现状对现有电缆隧道巡检机器人机构进行了优化设计，并针对该类机器人轨道结构进行了有限元优化仿真分析，以希冀给予相关机器人设计工作者一些可行的帮助和建议，进而促进电缆隧道巡检机器人的有效应用，为保障电缆隧道巡检人员人身安全作出贡献。

关键词：电缆隧道;巡检机器人;机构设计;轨道设计;仿真优化;模型分析

引言：进入二十一世纪后，城市建设进程逐渐推进，日益扩大的城市规模使人们的生活质量有了显著改善，在此背景下，城市电线、电缆的重要性越来越高，而电缆作为现代城市线路网络的重要组成部分，其日常巡视和检修工作，已经不容忽视。但是，从以往电缆人工巡检的现状来看，实际巡检工作往往存在很大的危险隐患，尤其是电缆本身所带有的高温和强磁场，很容易给巡检人员的生命健康带来威胁。由此可见，电缆隧道巡检机器人在电缆巡检工作中具有举足轻重的重要意义，对现有电缆隧道巡检机器人进行优化设计，将直接关系到是否能保障基础电缆巡检人员的生命安全。

一、电缆隧道巡检机器人应用的背景

1.电缆隧道巡检工作现状

从目前来看，我国电缆铺设工作发展迅速，绝大多数城市已经初步形成地下电缆网络。但是，由于多数城市对于电缆铺设工作仍不具备较为规范和严格的管理，使得电缆在铺设完成后往往需要定期的巡视和检修，而经过调查可以看出，多数城市的电缆巡检工作仍由专门的巡视人员人工完成，而这无疑给负责巡视的人员带来了一定的生命健康威胁。一方面，由于输电电缆常年处于高压、高温下，其周围绝缘材料很容易在化学变化或物理变化影响下绝缘水平下降;另一方面，多数电缆隧道内部环境较为恶劣，不仅存有很多放射性物质或有毒气体，还往往具有一定的高温和较强的磁场，因此给巡检人员的日常巡检工作带来了很大阻碍，一旦巡检人员未按照规范要求进行巡视，很容易受到不良外界因素带来的生命健康威胁。

2.电缆隧道巡检机器人应用现状

以目前行业内对电缆隧道巡检机器人的研究应用现状来看，虽然在理论研究上已经取得了较为不错的成果，但在实际应用中，由于电缆隧道内部往往存在较为恶劣的地面情况，因此机器人的履带很容易受到损坏。其中，于2005年研制的“巡游者”地下检测机器人采用了沿电缆爬行的行动方式进行巡视工作，但翻越障碍的能力相对较弱，在用于我国大多数碎石较多、积水较多的电缆隧道时，并不具有较强的适用性;此外，由我国研究的履带式电缆巡检机器人虽解决了翻越碎石的难题，但整个机器人相对尺寸较大，只能适用于直径较大的电缆管道，并不具备推广性;最后，与履带式机器人和爬行式机器人有所不同，轨道式机电缆隧道巡检机器人运行速度较快，维护难度较低，但目前已经研发出的轨道式机器人相对负载能力较低，并不能顺利完成全部巡视工作，而我们本文研究的对象便为该种轨道式巡检机器人。综上可见，现有电缆隧道巡检机器人虽然已经十分先进，但仍无法满足我国的电缆隧道巡检需求，设计更加合理的巡检机器人不仅符合整个行业的需求，更是具体巡检工作的要求所在。

二、新型电缆隧道巡检机器人机构设计

1.行走机构设计

通常来说，新型电缆隧道巡检机器人设计的最终目的主要在于三点：其一需具有较为简单的结构，要便于拆卸和维修;其二要具有比较稳定的结构，要具有较长的使用寿命;其三要具有一定的平稳性，要能够稳定的完成整项巡检工作。针对此三点，我们设计了如图一的行走机构，其中，整个机构借助齿轮齿条间的相互交合来实现运动传递，具体能源来源依靠驱动电机。同时，导向轨道采取V形对称结构，并借助两组V形轮实现稳定约束，其中需注意的是，由于隧道本身具有高低变化，因此在直轨道拼接时该机构允许存在一定倾角。

除上述外，该设计优化中对导向机构的设计具体如图二所示。其中，整个导向机构依靠导向轮轴完成机器人导向，同时在导向轮轴上装有圆弧槽，借助圆弧槽上的螺钉将转向盘和导向轮轴固定在一起，进而可以在很大程度上防止因导向轮轴松动而导致的稳定性问题，能够极大的提高整个行走机构的稳定性。

2.制动机构设计

对于新兴电缆隧道巡检机器人的制动机构，具体设计过程需遵循两点原则，一是要确保机器人的制动性能，二是要确保机器人的定为精度，即要能够在遭遇电缆损坏时进行精准制动，对此，我们设计了如图三的制动机构，其中，借助制动爪进行物理制动，当后台发出制动命令后，电机会控制丝杠转动并带动螺母移动，同时便可驱动滑块以及制动爪向行走机构中的V形轨道施压，从而实现制动效果。

3.主参数设计

结合轨道与导向轮间的摩擦系数以及常用机器人的能量损耗，并根据新型电缆隧道巡检机器人设计的稳定性原则和安全性原则进行主参数设计，形成表一的主参数设计表。其中，根据力学公式得出机器人驱动电机的所需功率为250P/W，根据安全性原则计算出机器人的最小转弯半径为0.4m。

三、轨道结构参数优化有限元分析及设计

1.参数建模

针对新型电缆隧道巡检机器人所需的固定轨道，我们借助ANSYS Workbench进行轨道建模，其中基于轨道的左右对称性，可截取轨道的1/2截面来实现建模。同时，借助建立好的轨道模型进行参数设计优化，其中需注意两点：一方面，由于轨道上端会受到轨道基座的约束，且轨道高度会受制于导向轮，因此在具体参数设计时应重点考虑竖直板筋位置对轨道的应力影响;另一方面，在板筋发生位置变更时，要重点针对轨道的最大应力和最大应变，并以两者最小为最终设计目标。经过上述设计过程，可确定目标函数的表达式为F（p1）=min（p2*p3），其中p1为板筋位置，p2为最大等效应变，p3为最大等效应力。

2.优化分析

根据参数建模和具体观测结果形成轨道最大应变变化曲线和最大应力变化曲线，经过观察和分析，可发现在板筋靠近边缘的过程中，最大应力和最大应变会出现下井趋势。同时根据最大等效应变云图和最大等效应力云图，可确定板筋位置变更对轨道整体不会产生较大影响。

结束语：综上，本文结合当前我国电缆隧道巡检工作的现状和电缆隧道巡检机器人的应用现状分析了新型电缆隧道巡检机器人的设计目标，并针对原有电缆隧道巡检机器人存在的问题重新进行了设计，确保了机器人传动的稳定性和制动的精准性。但是，本文只着重介绍了新型电缆隧道巡检机器人的传动机构和制动机构，且在轨道优化仿真设计上并没有进行展开探究，因此相关专家还需进行进一步的研究和实验。同时，只有进一步加深对于电缆隧道巡检工作危险性的认识，逐步提高电缆隧道巡检机器人的研究力度，才能有效提高巡检机器人的应有可行性，才能促进巡检工作质量的改善。

参考文献：

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[2]毛杰勇，马勇，杨墨，张宇舟.智能巡检機器人行走机构的结构分析与优化[J].机械研究与应用，2018，（05）：15-17.