关键词：巡检机、履带底盘、云台
1.概述
履带式巡检机器人主要用于代替人工工作，在小区、工厂、车间、变电站等进行巡检，通过履带式巡检机器人携带的温湿度传感器、红外传感器等，完成周围环境的图像采集、红外检测、仪器仪表识别等。并记录相关信息，提供工作环境异常状态报警，同时也可以广泛应用于救援工作。该巡检机器人可分为机械行走机构和监测机构，机械行走机构主要通过履带式行走和机械传动相结合的形式进行设计，采用的是一种新型的“X”型减震悬挂，可更好的起到减震缓冲效果。监测机构主要由云台来承担，通过电机、作业摄像头等实现平稳的监测。其整体三维模型结构，如图1所示。
2.履带式巡检机器人的总体设计
2.1 履带式行走构型分析
履带式是一种自带道路的行走方式[1]，履带式的特点就是接触面积较大，接地比压小，适用于复杂道路的作业，通过性好等，我国已经研发出多种履带式行走方式。为了让巡检机在复杂环境中可以达到平稳行走的目的，从基本设计参数出发，不同的履带行走方式影响着巡检机器人的稳定性。履带行走方式可分为单节履带式（如图2）、双节履带式（如图3）、多节履带式（如图4）和轮履复合式（如图5）
单节履带式的结构较为简单，主要依靠驱动轮、承重轮和履带就可轻易的实现普通的跨越障碍和上下楼梯等功能。并且其驱动控制简单方便，体积相对较小，可灵活的运动，现在我国大部分领域都采用单节履带式结构；双节履带式和多节履带式主要是在单节履带式的基础上增加了摆臂。因此双节履带式和多节履带式拥有单节履带式的所有性能，不仅可以在正常情况下随意行走，还可以使机器在接近垂直的路面上的行走，拥有较好的越障碍性和稳定性。但其驱动控制方面难度非常大，在行走时，摆臂抬起的时间、抬到的角度、驱动力的大小等都必须经过准确的计算；轮履复合式分为三部分，两端是履带摆臂，中间是轮式，其优点在于既能够显现履带式对复杂路面的适应性，又能够充分表现普通轮式的速度。此种结构的履带行走方式的突出特点是适应性好。在正常路面通过履带快速行走，在越障的过程中，通过前后臂的合作形成类似双节履带式的结构，来帮助跨越障碍。
通过对以上履带式行走构型的分析。首先归纳文献，分别对这几类行走装置特点进行了分析比较。由于巡检机器人的工作环境，以人工的方式也可进行巡检，例如小区、工厂、变电站、军事基地等场所，地形不会太复杂，并且单节履带式的结构和驱动控制较其他几种方式要简单许多。在考虑到制造成本和实用性后，认为单节履带式行走结构更符合本文的设计要求。
2.2机械传动的结构设计
2.2.1履带式巡检机器人的行驶原理
履带式巡检机器人在行驶的过程中，电动机输出高转速、低扭矩，通过减速器转变成低转速、大扭矩。驱动轮的轮齿和橡胶履带的齿通过互相啮合，从而使履带连续不断地从后方向前铺展，导向轮、承重轮就沿着所铺展的履带连续滚动而行驶[2]。所以，履带式行走的实质是自携轨道的。履带式机器的驱动方式有前置驱动和后置驱动，后置驱动不光技术发展娴熟并且可以节省动力，能使机器动力性能安全的提升，因此本文也选用后置驱动[3]。
通过以上对行驶原理的分析，本文将履带轮分为驱动轮、辅助轮（导向轮和承重轮）、履带、“X”型组件和支架，整体结构如图6所示。
2.2.2承重减震装置的设计
为了在巡检过程中可以获得更准确的数据，那么平稳的工作是必不可少的。但由于复杂的环境，巡检机平稳的行走确是一大问题，而想要解决履带式行走方式的平稳性，即需要解决悬架的选择。目前，我国已有的悬架方式有半刚性悬架和弹性悬架两种形式，如图7所示。这两种悬挂方式都是将机体的全部重量都传给承重轮，单纯的利用承重轮来缓和地面对机体的冲击和振动。但当机器通过角度较大的陡坡或者跨越障碍物时产生的力得不到缓冲，会导致整个机器出现抖动等现象。
针对如何在凹凸不平的地形上行走这一问题，本文设计了一种简单轻便的减震装置。该减震装置主要是基于悬挂系统来设计的，悬挂系统由“X”组件、弹簧等构成，减震主要由“X”组件上的弹簧来实现。依据杠杆原理，当巡检机器人遇到陡坡或者障碍物时，机器人竖直方向向上受到的震荡颠簸将通过“X”组件转变成到水平方向受到的力，水平方向受到拉力后弹簧将进行拉伸，当到达力所能达到的最大拉力时，弹簧收缩，承重轮恢复原本状态。而震荡颠簸产生的力最终被水平方向上的弹簧拉伸吸收，其原理[4]如图8所示。相比于传统的两种悬挂方式，本文采用的“X”型组件，结构更加简单，通过连接两个承重轮和一根弹簧，利用弹簧的伸缩性将收到的力分解、吸收。最终达到更佳的平稳效果。
2.3 监测云台的总体设计
监测云台（如图9）即摄像机的支撑平台，用于安装、固定摄像机的支撑设备，可分为固定云台和电动云台两种[5]。固定云台通常适用于监控范围不大、固定区域。在使用过程中，通过调整摄像头的水平角度和俯仰角度，达到最好的工作姿态后锁定调整机构。电动云台通常适用于大范围进行扫描监视的情况，可以扩大监视范围。电动云台有两台执行电动机，电动机通过接受控制器的信号来精确地运行定位。通过控制信号，云台上的摄像机既可以自动监视，也可通过操作者的操纵跟踪监视对象。由于云台可达到360度旋转监测，因此只需一维的电动云台边可达到以下功能：
（1）能达到精准控制，以及快速响应；
（2）监视过程中平稳，不抖动；
（3）定位精度达到0.1度；
（4）可以和上位机进行通信，并且可通过外部辅助控制；
（5）防尘、封闭式结构。
2.3.1 监测云台的控制分析
由于履带式巡检机器人上的云台对精度和稳定性的要求都比较高，所以如何控制云台让它实现高精度和高稳定性是设计云台的关键。在上述文章中提到了电动云台是通过接受控制器的信号来精确地运行并定位，从而实现自动检测。因此，在电机上安有编码器，使用编码器釆集的信号作为反馈系统，形成闭环的控制系统，达到高精度、高稳定控制云台的目的。本文利用编码器来实现反馈系统如图10所示。
通过对云台的反馈系统进行分析，最终确定云台的整体控制方案如下：使用力矩电机电机直接驱动摄像头。在转动的同时，编码器可以随时测得力矩电机所转动的角度。并且及时反馈给控制电路板，由电路板下达下一指令。这样就同时完成了云台位置、速度及加速度的闭环精确控制[6]。整体流程图如图11所示。
2.3.1 监测云台的外观分析
由于云台的控制和驱动仅仅依靠电机和编码器就可以实现，因此，不需要像气动控制或液压控制等大型辅助设备，因此在实现功能的前提下，本文对云台的外形定为外形小巧、结构简单、集成度高、便于调整和维修等。如图12所示，为云台整体外形的设计。
由图可以看出，云台主要分为三部分，包括作业摄像头、固定支架和电机固定支架。其中作业摄像头及工作中最核心的监测部分；固定支架为连接作业摄像头和电机的装置，为了达到轻巧简单的目的，摄像头固定支架可采用3D打印，其与摄像头通过螺栓连接，与电机输出轴采用键连接并采用过盈配合的方式固定，如图13所示。因其底部只有一根支柱，通过电机的旋转可将摄像头进行360度无死角监测；而最底部的电机固定支架，不仅起到固定电机的作用，还实现了将整个云台固定在行走装置的上方。
3.履带式巡检机器的创新性
本文是从整体履带式巡检机器人的特点和局部相关结构的选择进行研究，根据工作环境的要求、承载能力等，采用分析、对比各种传动方式的优缺点，由部分到整体进行巡检机器的设计。其创新点有：
1)采用橡胶履带式更为连续的行走方式，接触面积较大，接地比压小，适用于复杂道路的作业，通过性好，承载能力大；
2)采用机械式悬挂系统，通过“X”组件将竖直方向向上的震荡颠簸改变成到水平方向，由水平放置的弹簧进行分解、吸收，可更好的起到减震缓冲的效果；
3)根据现有云台的不足来改进设计符合本文所需要的云台，达到360度无死角巡检、转向稳定、力矩范围广、定位精度达到0.1度的目的。
4)云台上配备编码器，利用编码器采集的信号作为反馈系统，形成闭环的控制系统，实现更高精度的监测和稳定性。
结语
一种履带式巡检机器人主要用于巡检的机器技术，通过巡检机器人携带的高清作业摄像头、红外热像仪、温湿度传感器等设备对工作环境进行监测。具有作业灵活、安全可靠、全天候工作等特点，可逐渐取代人工进行全天候巡检作业，及时发现设备存在的缺陷及危险，及时排除设备的安全隐患，预防事故的发生。本文设计的履带式巡检机器人对我国巡检难题有着巨大的贡献和经济价值，具有较大的市场需求。
参考文献：
[1]陈淑艳. 移动机器人履带行走装置的构型与机动性能研究[D].扬州大学,2008.
[2]巩青松. 履带式工作车辆设计及分析的关键技术研究[D].扬州大学,2008.
[3]王国庆. 软底质行驶履带式实验车的设计研究[D].中南大学,2012.
[4]司世才,罗庆生,葛卓. 履带式机器人承重减震装置的优化设计[J]. 计算机测量与控制,2014,(07):2196-2198+2202.
[5]李依睿,卓力. 基于ARM平台的智能视频监控节点的实现[J]. 测控技术,2012,(05):13-16.
[6]富晓杰. 高精度伺服云台的机械结构与控制系统研究[D].浙江大学,2014.
论文作者:邓涛 王志文 王发港 张超 于慧
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第12期
论文发表时间:2019/11/14
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