石柯，夏斌，卞庆隆，陈金灯，阮文俊

（合肥工业大学 机械工程学院，合肥230009）

0 引 言

电缆沟是用来铺设电缆设施的地下管道。基于防火隔断的需求，一般在电缆与建筑物的出口处，电缆沟直线每隔30～60 m处，都必须设置一堵防火墙。检测机器人穿越防火墙的唯一通道就是防火墙下的排水沟。据了解，目前电缆检测机器人主要有地面式和轨道式两种[1]。如深圳供电局研发的电缆沟巡检机器人，采用履带式行走机构，体积较大，只能在小范围内执行巡检工作；再如美国华盛顿大学研制的“巡游者”地下检测机器人，该机器人通过沿着电缆爬行的方式进行工作，难以适应国内狭小的电缆沟环境[2]。

本文介绍了一种新型电缆检测机器。该机器人适用于电缆沟的长距离检测。得益于一种新型转向方式，该机器人可以实现在沟槽外部完成原地转向，更好地适应狭小的电缆沟环境。

1 机器人的总装结构

机器人总体结构如图1所示，可伸缩驱动装置如图2所示。

图1 总装结构图

图2 可伸缩驱动装置轴视图

2 机器人的整机系统

电缆检测机器人的主体可分为驱动系统、抬升系统、转向系统和控制系统[3]。

2.1 驱动系统

为了实现既能在排水沟内行走，又能在排水沟外行走的特性，检测机器人必须装配有至少2对轮距可调的行进轮。

驱动系统由驱动机构和伸缩调整机构组成，如图2、图3所示。驱动机构包括驱动轴、驱动齿轮和一对车轮；伸缩调整机构包括调整电动机、一对传动齿轮、螺杆轴和一对Z形曲轴机构。

当机器人在沟内行走时，调整电动机10控制螺杆轴14旋转，使得两侧车轮轴向距离收缩，此时装置具有一般的驱动功能；当检测机器人需要在沟外行走时，较小的轮距无法继续前进，调整电动机10控制螺杆轴14反向旋转，使得两侧车轮处于伸长状态，轮距变大，使装置可以继续前进。这种驱动系统使得机构同时具有了伸缩功能和驱动功能，提高了巡检机器人的越障性能。

2.2 抬升系统

为了达到使原先在电缆沟内行走的机器人能够转移到电缆沟外来行走，检测机器人必须装备有抬升车身的装置。抬升系统由低速步进电动机、螺纹丝杆、剪叉式升降杆组和底盘等组成。低速步进电动机用来转动丝杆，随着丝杆的转动，剪叉式升降杆组能够实现缩短和伸长[4]。底盘用来保证机器人升降时的车身稳定，并提供与旋转力矩相平衡的摩擦力矩，实现车身的精准转向。

2.3 转向系统

转向系统由转向减速电动机和支撑架等组成。转向减速电动机由控制模块控制，可以实现车身主体和支撑架之间的相对转动。通过对转向减速电动机通以不同方向的电流，可以实现车身相对于支撑架在不同方向上的相对旋转，从而达到控制检测机器人实现左、右转弯的性能要求。

2.4 控制系统

行走转向机构的控制系统分为软件系统和硬件系统。软件系统采用C语言编写控制程序，硬件系统包括：

1）主控系统。它由控制器和无线收发模块组成。控制器为STM32F407高性能微控制器，接收传感器采集来的信号并发出对应的指令。无线收发模块接收地面控制系统发出的控制信号，同时将信号输送给控制器。

2）传感器。行走机构有激光测距传感器，用于实时采集车身与沟壁及沟道拐角的距离。

3）驱动系统。它包括驱动电动机、升降电动机、直驱旋转舵机，以及电动机驱动模块。直驱旋转舵机是由控制器通过总线TTL直接发送命令；驱动电动机和升降电动机均为直流电动机，接入驱动模块再由控制器完成控制[5]。

图3 控制系统结构

3 机器人的工作原理

3.1 穿越防火墙过程

机器人穿越防火墙过程如图4所示。靠近防火墙后，机器人转为沟内行走。两车身连接处的电动机旋转，使车身呈一条直线状态，穿过位于防火墙底部的孔洞。穿越后，车身抬升，重新回到沟外行走。

3.2 沟内外行进方式的转变

由沟内行走转变为沟外行走具体分为三步：第1步，车身抬升装置将车身抬高，使可调轮距轮组有足够高度伸长；第2步，调整电动机转动丝杆，使可调轮距轮组的轮距加大；第3步，车身抬升装置中的电动机反转，收起剪叉式升降杆组。只要将上述步骤倒序运作，就能实现沟内行走转变为沟外行走的转变。将以上过程反转，则可实现从沟外行走转变为沟内行走方式。

3.3 原地转弯过程

巡检机器人原地转弯过程具体可分为三步：第一步，巡检机器人在沟外行走，直至当抬升底盘行进至路口中心时，抬升装置运作，车身升起；第二步，转向装置工作，使车身实现90°转向；第三步，控制系统控制电动机收回剪叉式升降机构。这就实现了巡检机器人的原地转向。

图4 机器人穿越防火墙过程

图5 原地转弯过程

4 运动稳定性分析

4.1 抬升稳定性分析

本机器人主要由前后两个车身组成。在进行对电缆的安全检测时，需要机器人将前部车身抬升，使得安装在最前端的红外热像仪能够对上方的电缆进行温度测量。为此，本机器人在抬升前部车身时，需要保持车身的稳定性，不能发生倾覆[6]。机器人受力分析如图6所示。

图6 受力分析图

图中O点为前轮位置，当前端抬升时，该处受主要作用力，对其进行受力分析，转化为平面汇交力系分析，在计算力矩时，先不考虑支反力的力矩，所得约束方程如下:

设前端第一车身力的作用点在其重心上，第一车身和水平面的夹角记为θ。第二车身被前轮分为两部分，力的作用点在前轮两侧。G1、G2、G3分别表示第二车身后段、第二车身前段和第一车身的重力；L2、L1表示第二车身前后两段重力的作用点到O点的距离；L3表示第一车身重心到两车身铰接处的距离，可以得出：

G1、G2、G3分别为8000 N、800 N和2000 N，L1、L2、L3分别为400 mm、50 mm和300 mm，将以上数据代入式(3)、式(4),得出：F0=10800 N，cosθ＞1。

通过计算可知，在临界平衡状态下，夹角θ的余弦值大于1，而实际上cosθ小于1，所以在式(4)中，无论cosθ为何值，等式左边始终小于等式右边。结果说明，在任意抬升状态下，机器人均可以保持稳定。

4.2 旋转稳定性分析

本机器人在完成旋转动作时，抬升底盘与地面间必须提供能够与车身转向转矩相抵消的摩擦力矩，才能保证车身旋转时底盘与地面不会发生相对滑动，造成转向角度误差[7]。

式中：M1为车身旋转转矩；N为旋转电动机功率；ω为车身旋转的角速度。

式中：M2为抬升底盘所能提供的最大摩擦转矩；μ为底盘表面与地面间的摩擦因数；G为车身总重力。

经验证，M2＞M1，故车身旋转时底盘不会发生转动。

5 结 论

设计了一种新型电缆检测机器人，介绍了机器人的主体结构与工作过程。针对机器人的两种特殊状态进行运动分析。结果表明：该机器人结构设计合理，运行时平稳可靠，能够完成日常电缆检测任务。与现存的电缆检测机器人相比，该机器人的优势在于能够穿越电缆沟中的防火墙。该机器人以其独特的功能，丰富了电缆检测机器人的种类，为电缆日常检测工作提供了便利，同时推动了国家电网智能化的建设。