管廊巡检机器人机械结构设计与分析

云亚文 高培源 雍明超 牛成玉 魏永强

摘要：针对城市综合管廊的安全巡检需求，设计了一种能够在复杂管廊环境中稳定运行的管廊巡检机器人机械结构。首先详细介绍了轨道、运动机构和本体的设计依据和思路，说明了各机构的设计原理，然后对设计轨道的强度进行仿真分析，并且对管廊机器人的行驶稳定性进行分析。分析结果表明，轨道完全能够满足强度要求，整个行驶过程中管廊机器人能够平稳运行，验证了管廊机器人的可行性和可靠性。

关键词：管廊巡检机器人;轨道强度;运动机构;稳定性

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）09-0129-03

0 引言

改革开放以来，我国经济保持高速增长，持续的经济增长伴随着用电量和信息量的持续增加。目前，我国用电总量已经稳居世界第一，庞大的用电量和信息量迫使各个城市大力建设综合管廊。目前我国的建城市综合管廊已经超过2000多公里[1]，这么长距离的综合管廊隧道，其安全巡检工作是维护城市电力和信息输送的关键。管廊内复杂的环境和纷杂的电力设备，使传统的人工巡检方式无法满足安全运维和应急处理的需要[2]，所以，使用管廊巡检机器人代替人工巡检，实现城市综合管廊的智能化高效巡检是时代发展的必然。

日本、美国和欧洲等发达国家已有多年的城市管廊建设和管理经验，2005年美国率先应用“巡游者”地下电缆检测机器人[3]，开启了管廊机器人的先河。近年来，我国的多家企业和高校也投入到管廊机器人的研发当中，但是还没有达到全面应用阶段。所以，设计结构紧凑、运动灵活稳定的管廊机器人，对管廊机器人的推广会有极大帮助。

1 管廊环境分析

城市综合管廊是一种集约度高、科学性强的综合管线工程，随着我国城市建设步伐的加快，综合管廊的数量越来越大，保证管廊的安全稳定运行变得尤为重要。综合管廊中铺设的是整个城市的给排水、通信和电力线路等，环境复杂多变，为保证综合管廊的安全运行，需要不间断得对管廊中的温度、湿度、有害气体等进行监测[4]。若采用传统人工巡检，不仅危险系数较高，而且难免会有疏漏。而管廊巡检机器人则可以凭借高清摄像头和传感系统，不间断在综合管廊中巡检，随时将异常情况报告给运维人员，并结合消防系统、通风系统等，及时消除管廊中的安全隐患[5]。

不同城市的规划布局和地理环境是不同的，这也就导致了每个城市会有自己独有的管廊规划和环境，例如管廊需在特定的地方拐弯或爬坡。所以为保证管廊巡检机器人的通用型，其机械结构必须具备灵活转弯和爬坡的能力。同时，管廊机器人结构也需要能够挂载摄像头和多种传感系统，扩展机器人功能[6]。

2 机器人结构设计

管廊环境的特殊性，决定了管廊机器人本身特有的结构。首先城市综合管廊的长度，要求管廊机器人必须具备长距离巡检的能力;而综合管廊中多样的设施，要求机器人必须具备挂载多种监测设备的能力。因此，本文中设计的管廊机器人采用轨道式挂载结构，主要由运行轨道、运动机构和挂载壳体组成。

2.1 轨道设计

轨道是管廊机器人巡检的路径，轨道的设计直接决定了机器人的运动方式和机械结构。轨道承载强度和节省材料是轨道设计的主要依据[7]，比较常见的轨道一般采用“工”字形，为进一步节省材料降低轨道成本，这里的轨道设计采用“T”字形，从材料力学的角度分析梁中部的受力很小，所以将中间制成通孔;轨道材料选用高强度铝合金，这样既能减轻轨道本身的重量，还能够满足承载强度要求;轨道两边各设计了圆形突起，这样是为了限制管廊机器人轮子的行走路径，使机器人更加平稳的巡检。轨道的设计图如图1所示。

管廊的弯度一般较大，所以轨道1m的转弯半径就可以满足要求。轨道每2m会设计一组安装孔，通过吊装器件将轨道固定在管廊顶部，弯形轨道与直轨道的稳固连接也主要依靠吊装器件，轨道吊装示意图如图2所示。

2.2 运动机构设计

管廊机器人的运动机构是拖动机器人运动的载体，不仅需要沿着特定的轨道行驶，还需要具有足够的承载能力[8]。根据前文设计的轨道结构，本文设计的管廊机器人运动机构如图3所示，主要包括主动轮组件、从动轮组件和连接底板;主动轮组件由两个驱动电机、减速器、联轴器、轴承和四个轮子组成，这些组件固定在铝合金支架上，左右对称，确保机构承载重量分布均匀，上面两个轮子主要作用是承载重量，驱动机器人前进，下面两个轮子的作用是限制运动机构位置和导向，保证机构能够稳定直行和转弯;从动轮组件只比主动轮组件少了电机和减速器;连接底板由壳体钣金件和两个回转轴承组成，钣金件通过两个回转轴承分别与主动轮组件和从动轮组件连接，直线行驶时回转轴承不工作，当遇到弯道时，两个回转轴承随着主动轮组件和从动轮组件独立转动，在导向轮的作用下，实现整个运动机构的转弯。

2.3 本体结构设计

本体主要由机械结构和各种硬件设备组成，合理的本体结构设计，不仅可以最大化节省空间，还可以節省材料，使机器人小型化轻量化。考虑到减轻机器人重量，本文中的本体结构设计主要采用钣金件，最上方的钣金件与运动机构通过回转轴承连接，四周和下方的外壳为一整块钣金件折弯形成，这样可以增加整个本体结构的强度。本体中重量最大的组件电池和云台都挂载在本体中间，电池在内云台在外，这样机器人在行走时重心稳定。为进一步增加结构强度，在本体内部增加加强筋，加强筋连接上部和下部的钣金件，不仅可以直接承受电池和云台的重量，还可以在侧面挂载硬件设备，使本体结构更加紧凑。图4为本体结构示意图。

3 机器人结构分析

3.1 轨道强度分析

管廊机器人挂载在轨道上，所以整个机器人的重量由轨道承担，设计轨道的力学特性是否满足要求，需要仿真验证。经过初步测算，管廊机器人本体的重量在30～35kg的范围，这里选取最大值35kg。每一根轨道的长度是两米，由材料力学知识分析可知，当机器人行驶在轨道中点时，轨道上出现最大应力和形变，所以这里只分析出现最大应力的情况。

首先在轨道的两端添加固定约束，模拟实际安装时的固定位置，机器人与轨道是通过轮子接触，实际运行时的接触面是四个窄平面，所以在轨道中间位置添加四个受力位置，施加350N的载荷。添加的约束和载荷如图5所示。

求解之后，着重分析整个轨道的形变和应力。如图6所示，从形变图可以看出，整个轨道最大的形变出现在中间位置，为3.6x10-5m，形变量很小，不会对机器人的稳定运行造成影响。观察应力图，可以看出最大应力分别出现在中间和固定位置，最大应力为3.8MPa，小于铝合金的弹性极限，所以综上所述，该轨道设计能够满足强度要求。

3.2 稳定性分析

管廊机器人行走机构上挂载着云台等检测设备，在运行过程中必须保证平稳，才能确保检测设备获得准确的信息。行走机构与轨道的接触配合如图7所示，主动轮或从动轮与导向轮分别上下与轨道接触，两个导向轮有一定角度，这样在直线行进的过程中导向轮会与轨道之间在垂直方向和水平方向上各产生两个分力，这四个分力与主动轮或从动轮上的力共同作用，确保整个行走机构在直线运动中的稳定。

行走机构过弯时，運动情况与直线运行不同，由于在垂直方向的作用情况不变，所以这里只分析水平方向的作用。当行走机构部分进入弯道时，行走机构前轮随着弯道发生偏转，而后轮还在直线轨道上行驶，行走机构偏转的最大角度如图8所示，O点为半径1000mm弯道的圆心，线段AB为前轮和后轮之间的固定距离，长度为240mm，由几何知识可知最大偏转角度为：

最大偏转角为7°，角度很小，与直线行驶不会有太大差别，而且这段路程也很短，所以不会出现不稳定的情况。

当行走机构全部进入弯道时，管廊机器人做圆周运动，运行速度会降低，大约为v=0.5m/s。行走机构的驱动轮和从动轮在水平方向会受四个力，沿轨道切线方向的两个力不影响稳定性，所以不考虑，这里只分析垂直轨道切线方向的力。管廊机器人做圆周运动，轨道对驱动轮和从动轮在垂直轨道切线方向有支持力F1、F2，如图9所示，F1和F2的合力为向心力，管廊机器人的最小质量为30kg，所以向心力最小值为：

机器人行走机构上受的力方向指向轨道圆心，只要管廊机器人的速度恒定，那么行走机构所受的力就不变，机器人能够稳定运行。机器人出弯时的受力情况与入弯情况类似，这里不再赘述。

综合上述几种机器人运行情况，可知，设计的行走机构能够保证管廊机器人具有较好的稳定行驶能力。

4 结语

面对城市管廊对巡检机器人越来越高的实际需求，本文设计了一种能够在多弯道管廊中稳定运行的机械结构。仿真和分析结果表明，设计的轨道不仅重量较小，而且能够满足强度要求;行走机构无论是在直线轨道，还是在弯道，都能够保证主动轮和从动轮与轨道稳定接触受力，保证了机器人行驶的稳定性。与现有的管廊巡检机器人相比，本文设计的管廊机器人机械结构具有重量轻、转弯半径小、运行平稳等优点，能够保证管廊机器人完成更加精准的检测任务，因而具有实用价值。

参考文献

[1] 张杭丽.我国城市地下综合管廊的发展前景和PPP模式应用[J].企业科技与发展，2018（3）：198-199.

[2] 黄嘉盛，卢润戈，等.机器人在电力隧道环境局放检测中的应用[J].电工技术，2019（2）：113-114.

[3] 赵晖.电缆隧道巡检机器人机械系统设计与作业性能研究[D].东南大学，2018.

[4] 孙健.城市地下综合管廊的发展现状及改进对策[J].中国市场，2018（12）：162-163.

[5] 裴文良，周明静，等.综合管廊智能巡检机器人的设计[J].制造业自动化，2017（1）：91-93.

[6] 黄荣辉，向真.一种高压室巡检机器人移动机构设计[J].现代机械，2018（06）：10-15.

[7] 吴锴.我国轨道式巡检机器人研究及发展现状[J].软件，2018（11）：80-83.

[8] 王盟锜.室外高空轨道式可移动巡查机器人的研究[J].仪器仪表用户，2019（02）：31-35.

Abstract：For the safety inspection requirements of the urban integrated pipe gallery， one kind of mechanical structure that operates stably in the complex pipe gallery environment was designed. Firstly， the design basis and ideas of the track， motion mechanism and ontology are introduced in detail. The article explains the design principles of each institution. Then the strength of the design track was simulated， and the driving stability of the pipe gallery robot was analyzed. The results show that the track fully meets the strength requirements and the pipe gallery robot operates stably during the entire driving process. The results verify the feasibility and reliability of the pipe gallery robot.

Key words：Pipeline inspection robot;Track strength;Motion mechanism;stability