气动步进蠕动式水闸钢丝绳攀爬机器人研制

引言

钢丝绳作为卷扬式水闸主要连接件之一，对水闸的安全运行起着至关重要的作用。由于长期暴露在室外，受到风吹雨打、日晒雨淋，以及承载作业的影响，水闸钢丝绳会出现油脂硬化、锈蚀、断丝、磨损等现象，对水闸的安全运行造成很大影响，因此需要对其进行定期检查和养护。目前常用的水闸钢丝绳养护方法有人工方法和机械方法2种。人工方法是通过搭建脚手架或通过安装吊篮由人工携带清洗、检测和涂油等工具进行作业，劳动强度大、工作效率低、安全性能差。机械方法是利用卷扬机悬吊清洗养护设备对钢丝绳进行养护作业，与人工方法相比，这种方法工作效率有一定的提高，但是仍然存在安装控制麻烦、油污污染等问题，使其应用受到一定限制。

随着科学技术的进步，特别是移动机器人技术的高速发展，使得在水利行业实现“机器换人”成为可能。本研究根据使用单位的要求，设计了一种结构简单、装卸方便、功能性好、适应性强的钢丝绳攀爬机器人，用于搭载检测、清洗和涂油等作业装置对水闸钢丝绳进行养护。

1 水闸钢丝绳攀爬机器人结构设计与工作原理

攀爬机器人作为移动机器人一个重要分支，具有较强的实用价值，受到了众多学者的关注。目前研究比较多的主要有爬杆机器人[1-2]、爬壁机器人[3-5]、爬管机器人[6-7]、爬树机器人[8]、爬缆索机器人[9-10]等。相比于刚性杆状物，钢丝绳具有直径尺寸小，存在一定挠度、表面有油脂等特点，其攀爬机器人设计难度更大，目前只有少数学者对其进行研究报道[11-13]。

本研究根据浙江省某水闸运行管理部门所提供的技术资料和设计任务要求，开展钢丝绳攀爬作业机器人研制工作。具体工作场景如图1所示，钢丝绳直径范围为10～48 mm，攀爬高度为10～20 m，2根钢丝绳间的距离为15～50 mm。

图1 水闸钢丝绳工作现场图

1.1 结构设计

由于水闸钢丝绳上涂有油脂，常规的轮式结构攀爬机器人很难适应水闸钢丝绳的攀爬场合，因此本研究设计了一种气动步进蠕动式攀爬机器人，其总体结构如图2所示。气动结构由于夹紧力大、具有缓冲功能、成本低廉、工作速度快、无污染等优点，在机器人结构设计中得到了广泛应用。

图2 水闸钢丝绳攀爬机器人三维结构模型

整个水闸钢丝绳攀爬机器人由机械结构和控制系统2部分组成。机械部分采用分体式结构，由上部装置和下部装置2部分构成。两装置主体结构均由气缸构成，通过驱动气缸实现机器人夹紧、移动和导向功能。上部装置由伸缩气缸、伸缩杆、V形夹紧气爪、导向气爪、气爪安装板等部分组成；下部装置由伸缩气缸主体、2个夹紧气爪及气缸安装板所组成。通过改变气缸直径的大小和夹紧气爪的行程，可实现机器人在不同直径钢丝绳上带不同负载攀爬作业。通过调节节流阀进出气大小，可控制机器人的攀爬速度。机器人控制系统采用PLC进行控制，通过电磁阀的通电断电实现气缸的伸缩与松紧，从而控制机器人沿钢丝绳上行、下行和悬停等动作。

1.2 工作步态分析

本研究机器人采用仿生学原理，通过步进蠕动方式实现机器人的攀爬动作。其基本动作过程描述如下：

(1) 初始状态：机器人各夹紧气爪和导向气爪均呈张开状态，伸缩气缸处于缩回状态，如图3a所示，这样可以由人工将机器人安放在钢丝绳上，然后按下启动按钮，控制各气爪处于夹紧与导向状态，机器人被牢牢固定在钢丝绳上；

图3 机器人上行工作状态分解图

(2) 上行状态：上气爪放松，下气爪夹紧→伸缩气缸伸出，上部装置上行→上气爪夹紧，下气爪松开→伸缩气缸缩回，下部装置上行→下气爪夹紧，上气爪放松→……，如此循环，直至机器人运行到钢丝绳顶端，导向气爪在工作过程中一直处于夹紧状态，防止机器人在行走过程中脱离钢丝绳，具体分解动作如图3b～图3h 所示；

(3) 下行状态：上气爪夹紧，下气爪放松→伸缩气缸伸出，下部装置下行→下气爪夹紧，上气爪松开→伸缩气缸缩回，上部装置下行→上气爪夹紧，下气爪放松→……，如此循环，直至机器人运行到钢丝绳底端；

(4) 悬停状态：当按下停止按钮时，机器人在确保下部2个夹紧气爪呈夹紧状态时停在钢丝绳上;

(5) 结束状态：按下复位按钮，全部夹紧气爪和导向气爪松开，气缸呈缩回状态，此时可以由人工将机器人卸下钢丝绳；

(6) 断电状态：当系统遭遇断电时，由于二位五通电磁阀具有自锁功能，上部夹紧气爪和下部夹紧气爪中至少有一个处于夹紧状态，避免机器人快速下降而摔坏。此时由操作人员通过手动放气方式引导机器人缓慢下滑，从而保证机器人安全回收。

2 气动控制系统设计

气动控制系统设计需要考虑电气原理图的设计，以及过滤器、调压阀、电磁阀、气缸等所组成元件的选型[14]。气源由空气压缩机产生；过滤器对压缩空气进行清洁过滤；调压阀用于调节气压的大小，一般调节范围为0～0.7 MPa；调速阀用于调节气缸进出气的大小，从而控制气缸伸缩的速度；电磁阀用于控制气缸的动作；气缸用于控制机器人上下2部分动作，以及钢丝绳的夹紧和放松等动作。

2.1 气动控制原理图设计

根据工作要求，设计的气动控制原理图如图4所示。压缩空气从空压机产生后，通过单向阀、储气罐、气动二联件、汇流板后分成4路。第1路为上气爪控制回路，经二位五通电磁阀、调速阀，到达上夹紧气爪处。通过电磁阀的换向，实现上气爪的夹紧与放松控制；第2路为上导向气爪控制回路，到达导向气爪处，实现导向气爪的夹紧与放松控制；第3路为下气爪控制回路，到达2个下夹紧气爪处，实现2个下气爪的同时夹紧与松开控制；第4路为伸缩气缸控制回路，到达伸缩气缸处，实现伸缩气缸的伸出与缩回控制。

图4 气动控制原理图

2.2 机器人力学分析与气缸选型

1) 夹紧力分析与气爪选型

机器人在钢丝绳上爬行，依靠气爪的夹紧力保持机器人不往下滑动。最极端的情况是上气爪夹紧，下气爪放松，此时只有1个气爪受力。机器人气爪受力情况如图5a所示。图中，G为机器人自身的重量和所搭载设备的重量,自重质量约为1.5 kg，搭载的设备质量约为3 kg；Ff为气爪与钢丝绳之间的摩擦力；Fq为气爪对钢丝绳的夹紧力；Fn为钢丝绳对气爪的反作用力。

图5 机器人气缸受力情况分析

在静止状态下，根据力平衡条件和气缸输出力理论值计算公式可得：

Fq=Fn，Ff=G，Ff=μFq，Fq=πD2p/4

(1)

式中,μ为钢丝绳与气爪的摩擦系数，气爪采用橡胶制成，考虑到钢丝绳上涂有润滑油，其摩擦系数设为0.3；D为气缸缸径，mm；p为工作压强，MPa，此处设定为0.6 MPa。要使机器人在静止状态下不滑动，气爪缸径必须满足的条件是：

(2)

对于实际气爪选型，由于上气爪在夹紧过程中会受到伸缩气缸缩回时所产生的冲击作用，此时应该考虑一定的安全系数。另外，还需要考虑气爪的开闭行程，以适应不同钢丝绳直径大小的需要。根据前述计算与分析，本研究选用的夹紧气爪为MHZL2-20D双作用气爪，其缸径为20 mm，开闭行程为18 mm，满足设计要求。

2) 伸缩力分析与伸缩气缸选型

机器人伸缩气缸受力情况如图5b所示。图中G′为机器人上部装置的重量和所搭载设备的重量，Fp为伸缩气缸的输出力。根据力平衡条件和气缸输出力理论值计算公式，以及考虑移动部件所受气动冲击影响，可得伸缩气缸缸径必须满足的条件是：

(3)

式中,η为考虑移动部件的质量和加速度时所受冲击的安全系数，此处取1.5。

根据前述计算与分析，本研究选用的伸缩气缸型号为ACEJ12x30-30SB，其缸径为12 mm，具有30～60 mm 的可调行程范围，满足设计要求，用户可以根据机器人动作的需要调节其行程大小。

3 PLC控制系统设计

水闸钢丝绳攀爬机器人PLC控制系统由电源、PLC、按钮、行程开关、磁性开关、电磁阀等所组成。PLC作为系统的主控单元，根据各按钮、行程开关，以及磁性开关的工作状态控制电磁阀的通断，从而控制机器人的行走和停止。

3.1 输入/输出口分配

根据系统的控制要求和PLC的选型原则[15-16]，攀爬机器人PLC控制系统需要20个输入端口，9个输出端口，因此选用S7-200 CPU224 DC/DC/DC型号PLC，其具有14个输入点和10个输出点。由于输入点数不够，需要外加EM221 8点数字量输入扩展模块。具体I/O点分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3.2 PLC控制原理图设计

PLC控制原理图的设计需要考虑PLC的供电电源接线、PLC输入端按钮、磁性开关与接线开关的接线，以及PLC输出端电磁阀与指示灯的接线等。根据前述PLC的选型，以及电磁阀作为主要控制对象，因此本研究选用直流24 V电源供电，具体PLC控制原理图如图6所示。

图6 PLC控制原理图

3.3 PLC控制程序设计

机器人攀爬钢丝绳的过程遵循顺序控制的基本规律，因此采用顺序功能图设计法进行PLC梯形图程序设计，并通过S7-200 STEP7 MicroWIN V4.0编程软件进行程序编制和调试。为便于PLC程序的编写，根据机器人攀爬步骤设计了如图7所示的程序控制流程图。

图7 PLC程序控制流程图

刚开始时，系统根据按钮的输入状态确定是执行手动状态还是自动状态。如果是手动控制，则执行相应的手动控制程序；如果是自动控制，则系统根据按钮的输入状态判断是上行还是下行。如果是上行，则执行上行的相关动作，其PLC程序段如图8所示；如果是下行，则执行下行相关动作，直到机器人到达顶部或底部为止。

图8 上行部分PLC程序段

4 样机试验

本研究根据前述设计思想制作而成的机器人样机如图9所示。该机器人结构小巧，本体尺寸仅为220 mm×110 mm×80 mm，重约1.5 kg，能够携带超过3 kg的负载，在直径10～16 mm的垂直钢丝绳上进行稳定攀爬，攀爬速度为0.4～1.6 m/min。

图9 机器人样机及试验台架

为了测试样机的性能，制作了钢丝绳攀爬模拟试验台架，由试验门架和2根可调钢丝绳组成，钢丝绳的直径大小为10 mm。钢丝绳的挠度可由下方的调节装置进行调节，以模拟不同钢丝绳松紧状态。试验时，主要对机器人攀爬的可行性和所规划的步态进行验证。图10所示为机器人在竖直钢丝绳上攀爬动作图，分别为不带负载和带负载情况下机器人的攀爬状态。从机器人攀爬动作来看，总体步态协调，能够携带3 kg左右作业负载完成钢丝绳上爬和下行任务，达到了预期的效果。

图10 机器人在竖直钢丝绳上攀爬动作图

5 结论

本研究针对水闸钢丝绳在线养护的需要，设计了一种能够携带相关作业工具的气动步进蠕动式攀爬机器人结构，阐述了其工作步态，提出了气动控制系统与PLC控制系统的详细设计方案，分析了气缸的受力情况和选型条件，通过试验验证了所提方案的合理性。主要结论如下：

(1) 相比于轮式结构，气动步进蠕动式结构对于涂有油脂的钢丝绳来说，其攀爬稳定性和可靠性更好；

(2) 通过调节伸缩气缸的行程和调速阀的大小，可以控制机器人攀爬的速度；

(3) 通过更换不同型号的气动夹爪，可以满足不同钢丝绳直径大小和不同作业负载的需要，从而形成产品的系列化；

(4) 下一步努力的方向将在现有攀爬机器人的基础上，深入研究钢丝绳清洗机构、安全检测机构、自动涂油机构，以实现水闸钢丝绳养护的自动化和智能化。