声屏障巡检机器人本体结构及动力学分析

邓 斌， 左 荣， 王 奇， 何沛恒

(西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心， 成都 610031)

声屏障主要用于铁路、高速公路等交通领域，实现噪声源的隔声降噪和安全防护功能[1]。声屏障主要由钢结构的立柱和吸隔声屏板两部分组成。高速铁路声屏障分为插板式声屏障和整体式声屏障，其中从单元板的材质上又可分为金属声屏障和非金属声屏障。主要从京沪高速铁路采用插板式金属声屏障进行展开，需要定期对螺栓、焊缝及构件安全性等进行检测，防范不必要的危险[2]。

中国高速铁路声屏障检查维护主要采用夜间入网巡视、人工实地观测的方法进行，检查维护手段主要包括目测、垂球、卷尺测量、敲击等，工作效率较低[3-4]。但是多数声屏障存在于高铁线路的高架桥上与全封闭路基段，由于桥面未预留检修通道，很难实现声屏障外侧的人工检测和螺栓紧固。检查维护难度很大，危险系数高，检查维护工作人员的工作强度大。

国外对声屏障巡检机器人的研究较少，国内刘贺坚等[5]针对目前高速铁路声屏障的安全检测问题研究出了一套图片采集装置。装置优势是适合室外作业，体积小，质量轻，便于携带操作简单，且定位准确。能很好地对声屏障的螺栓、插板脱落，焊接部位失效等进行清晰全面的检查。但是其需要人工进行操作在声屏障上移动，不能实现全自动化的作业。

李庆云[6]提出一种声屏障智能检修设备，该设备是中国的首台智能化声屏障检修一体机，重点解决了铁路两侧声屏障立柱的固定螺栓检测。其优势主要是机械设备智能化较高，操作连续性较好，作业的效率较高，且不存在劳动者的人身安全问题。还能检测声屏障外侧的立柱、螺栓的状态，并进行记录和存储，采用信息化管理，将检测的状态传输到电脑终端，便于分析和解决处理。其设备也存在一定的局限性，需行走于高铁轨道上，通用性较弱，且会和铁路的运行产生冲突，需进行一定的调整。

现设计一种新型结构的巡检机器人，通过依附声屏障爬行越障巡检，提高巡检的效率并保证巡检工作的安全性。结合智能化的数据采集装置，可进行快速准确地采集声屏障的信息并进行分析，加强巡检能力，保证巡检的安全性。

1 巡检机器人整体设计方案

分析声屏障巡检机器人的工作环境，结合现有声屏障检测机器人的优点及不足，得到巡检机器人在爬行时不仅需要具备很强的越障能力和适应能力，所以在设计时还需满足如下几点要求。

(1)不同声屏障的屏体形状差别较大，巡检机器人应能适应部分的声屏障结构。

(2)声屏障的屏体和立柱连接处有阶梯，巡检机器需具有良好越障性能。

(3)机器在铁路声屏障巡检，安全可靠性高。

巡检机器人的工作过程是机器人携带图像采集设备或检测装置，克服自身的重力，前进的摩擦阻力，实现在声屏障上连续前进的功能，并进行数据的采集，将数据传输到电脑终端。考虑机器人的设计成本，其应进行模块化[7]设计，便于机器人的运输和装卸；机器人的运行速度最快为2 m/min，图像采集装置能实现数据拍摄；具有良好的越障性和安全可靠性；对零件实现轻量化设计，声屏障屏体能较好地承载巡检装置。

图1是根据以上要求所设计的声屏障巡检机器人示意图。机器人主要分为关节杆串联部分，驱动部分和行进越障组，通过气缸的伸缩给关节杆部分提供张紧力，使得行进越障组[8]前进轮始终紧贴声屏障。步进电机提供驱动力，通过万向节传递到各个行进越障组，驱动机器人前进。

图1 声屏障巡检机器人示意图

1.1 结构设计

图2所示为巡检机器人的整体结构。结构设计是其最大创新点之一，机器人框架[9]采用关节杆串联的方式，在关节杆顶部用气缸和关节杆连接，通过气缸的伸缩来改变关节杆的状态，以适应声屏障的不同形状。关节杆的设计采用三角形结构，双层设计，具有较好的强度。驱动电机采用步进电机，通过齿轮将驱动力传递到顶部前进轮，通过万向节将驱动力传递到两侧面前进轮。机器人正常行进时只需要一组串联关节杆，现采用双排关节杆串联，再采用空间剪叉机构并联，使得机器在声屏障上爬行具有较好的稳定性。

1为气缸；2为关节杆；3为声屏障屏体；4为随从轮部分；5为剪叉机构；6为驱动部分；7为电机；8为顶部驱动轮；9为声屏障立柱；10为前进越障组

1.2 剪叉机构

在两组串联关节杆之间采用空间剪叉机构，如图3所示，设计15个模块化运动单元，可根据运动行程的需要任意添加单元组数，输出构件做平行移动，具有良好的空间伸展特性，运动范围大，刚度高，稳定性好。各个单元的几何尺寸完全相同，可实现等比例的缩放，根据剪叉机构展开和收缩状态的比较，得出剪叉构机构的展开长度是第一组运动单元输出位移的整数倍，该机构可由原180 mm伸长到372 mm，伸长量192 mm。

图3 声屏障空间剪叉机构

对剪叉机构进行静力学分析，一端固定，在另一端施加100 N载荷，得到最大应力60.2 MPa，最大变形1.2 mm，其强度和刚度满足设计要求。分析结果如图4所示。

图4 声屏障空间剪叉机构静力学分析

1.3 越障

在行进过程中，机器人遇到声屏障和立柱阶梯时，可通过前进轮的自适应性，在驱动力的作用下顺利通过。但是如果阶梯较高，前进轮无法直接越障，则需要行进越障组绕轴旋转实现翻越阶梯。采用三轮三角形结构，如图5所示，既可以增加越障组行进的稳定性，也可以提高越障的高度[10]。

1为轴固定座；2为传递轴；3为万向节；4为轴承；5为大齿轮；6为轮子；7为小齿轮

如图6所示，电机提供的驱动力矩为T，前进轮B和声屏障屏体之间的摩擦力为Ff 8，声屏障屏给前进轮C的支持力为N9；前进轮C和声屏障屏体之间的摩擦力为Ff 9，声屏障屏给前进轮B的支持力为N8；前进轮C和声屏障立柱之间的摩擦力为Ff10，声屏障屏给前进轮C的支持力为N10。则单个越障组实现越障驱动须满足的条件是:

图6 声屏障巡检机器人越障组受力图

T-Ff8L1-N8L2-Ff9L1+N9L3/2+

Ff10L3-N10L1/2>0

(1)

即

T>Ff8L1+N8L2+Ff9L1-N9L3/2-

Ff10L3+N10L1/2

(2)

式中:L1为越障组中心到声屏障屏体表面的垂直距离；L2为轮B到越障组中心的垂直距离；L3为越障组中心到声屏障立柱前端面的垂直距离。

2 巡检机器人的静力学分析

机器人在巡检过程中需要实现连续的在声屏障上行进:在屏体上匀速前进，越过立柱的小阶梯，携带机器人在巡检过程中需要实现连续在声屏障上匀速前进，越过立柱的小阶梯，携带图像采集装置。目前中国的声屏障形状各异，为了满足巡检机器人能在较多数的声屏障上实现巡检功能，此处所选声屏障为弯形声屏障，具有一定的代表性。

图7所示为巡检机器人在声屏障上静止时，受到自身重力G，声屏障给前进轮的支持力Ni(i=1，2,…，7)，气缸给前进轮的压力FNi(i=1，2,…，7)，整个机器人的重量小于20 kg，满足声屏障的强度支撑条件。

图7 声屏障巡检机器人静止受力图

结合巡检装置的实际工作状况，只需考虑在静载情况下的应力、应变情况，巡检装置所受载荷主要来源为整体结构上的牵引力及自身重量载荷。

从图8、图9中可以看出，巡检装置在静止状态下的最大应力为7.96 MPa，最大变形为0.12 mm。巡检装置在工况下的最大应力为18.37 MPa，最大变形为 1.72 mm。在工况下的最大应力都是在巡检装置的上端，和实际情况也是吻合的。

图8 静态下巡检装置应力分布与变形

图9 牵引力作用下巡检装置应力分布与变形

3 巡检机器人的动力学分析

巡检机器人行进时受力分析如图10所示。巡检机器人受到自身重力G，声屏障给前进轮的支持力分别为Ni(i=1，2，…，7)，声屏障与前进轮之间的摩擦力Ffi(i=1，2，…，7)，电机给前进轮驱动力Fi(i=1，2，…，7)，气缸给前进轮的压力FNi(i=1，2，…，7)。前进轮和声屏障之间的摩擦系数为μ，机器人低速前进，可忽略空气阻力对其的影响[11]。机器爬行的动力驱动方程:

图10 声屏障巡检机器人运动受力图

(3)

Ffi=μNi

(4)

Ni=FNi+Gi

(5)

由式(3)～式(5)得到:

(6)

(7)

由式(6)和式(7)得到电机为巡检机器人提供的驱动力条件为

(8)

根据式(8)可以看出，当气缸为前进轮提供的压紧力在可允许范围内选择较小的，则可减小巡检机器人对驱动力的要求，进而可以减低驱动电机的功率选择[13]。

将声屏障的模型进行简化，导入ADAMS软件中进行动力学分析。由于巡检装置在阶梯高度大于星轮半径时采用行星架翻转进行前进，故需要控制系统对其驱动进行改变，来实现模拟真实的越障情况。在ADAMS中用采用if函数来实现对巡检装置的仿真，驱动函数为

if(time-0.5:0，0，if(time-3:150，0，0))*1d

(9)

式(9)中:time-0.5:0为控制变量；if(time-3:150，0，0)为表达式。

图11是巡检装置行星架越障仿真的轨迹图，虽然其主要的进行过程是合理的，但是在越障过程中有较大的波动，可能会造成一定的负面影响，所以还需在后面的设计中进行一定的优化。

图11 巡检装置行星架越障轨迹图

4 结论

对巡检机器人进行了分析，声屏障巡检结构满足设计要求，实现模块化装配，拆装方便，在原有的检修方式上，提高了工作效率，并且更加的安全可靠。采用关节杆的新型结构方式，使得机器人具有较好的适应能力。对机器人进行静力学和动力学分析，得到机器人的驱动条件，给气缸的选型和参数计算提供了可靠的支撑条件。