門勝強,錢利軍

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0 引言

軌道巡檢機器人在軌道上作業(yè)時，需要根據(jù)軌道的走勢而上升或者下降。對于角度較小的坡度(<30°)，一般采取增加軌道與機器人驅(qū)動輪之間的摩擦來實現(xiàn)爬坡，但如果角度繼續(xù)增加，甚至近乎垂直上升的情況，單純地靠增加驅(qū)動輪與軌道之間的摩擦力就不能實現(xiàn)爬坡要求[2]。針對這一問題，現(xiàn)設計出一種新的升降軌道，它可以適應0～90°角度的坡度。同時有防止墜落，防止巡檢機器人從軌道脫落的機構，安全系數(shù)較高。

1 設計原理

設計一段可升降軌道(動軌)，一段與地面成任意角度的固定導軌。導軌與動軌上的兩組限位輪限制動軌的運動方向，使其只能沿著導軌運動。動軌導向輪組與動軌軌道之間的角度可調(diào)，在運動過程中動軌軌道始終保持水平狀態(tài)。動軌運動在絞盤牽引下，實現(xiàn)與上下軌道(對接軌道)對接。

如圖1所示。當巡檢機器人需要上坡時：升降軌道下降與下軌道對接→巡檢機器人駛入升降軌道→升降軌道在絞盤的牽引下上升→升降軌道與上軌道對接→巡檢機器人駛入上軌道。

圖1 任意角度軌道升降

同理，當巡檢機器人需要下降時：升降軌道上升與上軌道對接→巡檢機器人駛入升降軌道→升降軌道在絞盤的牽引下靠重力下降→升降軌道與下軌道對接→巡檢機器人駛入下軌道[3]。

2 設計方案

2.1 對接軌道設計

在動軌兩端裝有導向塊，在上下對接軌道端面都安裝有導向槽。如圖2所示，導向槽呈靠口喇叭狀，當動軌靠近對接軌道時，導向槽能夠引導動軌順利對接。這種設計能夠允許動軌在運動過程中產(chǎn)生一定的位置誤差，從而降低了制造和安裝的要求，提高了對接的可靠性。

圖2 軌道對接

2.2 動軌設計

動軌是本方案的核心機構，包含導向功能、剎車功能、緩沖功能、角度調(diào)整功能及限位功能。動軌如圖3所示。

圖3 動軌

導向功能：導向功能由對稱的兩組導向輪卡在導軌上，保證動軌的運動姿態(tài)。

圖4 受力分析

剎車功能：動軌在正常上下運動時，絞盤拉動緩沖彈簧，通過拉環(huán)、連桿給剎車片以拉力，使剎車片不與導軌接觸，此時剎車片與導軌之間無摩擦力。當出現(xiàn)意外(比如鋼絲繩斷裂)時，剎車彈簧收縮，使剎車片緊貼在導軌上，從而阻止動軌進一步下降。

要實現(xiàn)以上功能，絞盤牽引力Fg與剎車彈簧的拉力Fs之間必須滿足以下條件(圖4)[4]：

(1)

由于動軌勻速上下時，絞盤拉力等于動軌重力G1，即：

Fs=G1

所以式(1)可以寫成：

(2)

即：

(3)

其中，α、β、γ為剎車片剛好接觸導軌時的角度。

同時，剎車片與軌道之間的摩擦系數(shù)μ與剎車彈簧的彈性系數(shù)、動軌的總重量G1、巡檢機器人總質(zhì)量G2應該滿足以下調(diào)節(jié)，以保證能夠起到剎車作用：

f1x1μ>G1+G2

緩沖功能：緩沖功能是當動軌拉升到既定位置，與軌道對接后，為防止絞盤動作沒有及時停止損壞動軌及軌道而添加的功能，它由一個緩沖彈簧實現(xiàn)。

緩沖彈簧的彈性系數(shù)f2與動軌的總重量G1、巡檢機器人總質(zhì)量G2之間應滿足：

F2x2>G1+G2

其中，x2為允許絞盤誤動作的距離。

角度調(diào)整功能：為適應各種角度的坡道情況下動軌始終保持水平，動軌軌道與導向之間的角度必須可調(diào)整。在本方案中，動軌軌道部分與導向部分用鏈接軸鏈接，兩部分可以以鏈接軸為中心旋轉。旋轉至適當角度時用鎖緊螺栓鎖緊即可。如圖5所示[5]。

圖5 角度調(diào)整

限位功能：當巡檢機器人駛入動軌時，應保證動軌在上下運動時不因巡檢機器人的誤動作或其他因素使得巡檢機器人從動軌駛出，從而保護巡檢機器人。為達到此目的，必須在動軌上設置限位[5]。

具體方式如圖6所示。當動軌與軌道分離時，動軌和軌道的限位塊在彈簧作用下升起，阻止巡檢機器人；當動軌和軌道對接后，在杠桿作用下，彈簧被壓縮，擋塊下降，從而巡檢機器人可以通過。需要指出，當動軌向下對接時，壓縮彈簧的力由動軌重力提供；當動軌向上對接時，壓縮彈簧的力由絞盤的拉力提供。為了保證擋塊能夠擋住巡檢機器人，擋塊升起的高度應大于巡檢機器人輪子的半徑。

圖6 限位功能

3 測試

經(jīng)過對樣機的反復測試(圖7)。證明：1)動軌和對接軌道能夠順利對接；導向功能符合預期；2)在鋼絲繩突然松開后，在剎車彈簧的作用下，摩擦片能夠阻止動軌繼續(xù)下降，確保設備和人員安全；3)向上拉升到位后緩沖彈簧能夠起到緩沖作用，從而避免動軌對接不到位或絞盤過度牽引造成的設備損壞；4)角度調(diào)整滿足設計要求；5)限位塊可以阻擋巡檢機器人越過，對巡檢機器人起到限位保護作用。

圖7 測試

綜上，本升降軌道技術能夠?qū)崿F(xiàn)巡檢機器人任意角度爬坡。

4 結語

本設計能夠適應0～90°坡度的軌道升降，巡檢機器人可順利通過動軌與對接軌道的對接處，進入動軌后，在絞盤的牽引下實現(xiàn)升降動作；在升降過程中動軌上的限位塊能夠保證巡檢機器人不因自身誤動作而出現(xiàn)墜落的事故；剎車機構能夠保證在絞盤和繩索出現(xiàn)故障時起到防墜作用，保證巡檢機器人的安全。

本設計除了動軌拉升動力來自絞盤外，其余功能都由純機械機構實現(xiàn)，結構簡單，故障率低。經(jīng)過多次樣機測試，均符合設計要求，證明本方案可行。