這個(gè)機(jī)器人是“軌道俠”吧！重力自鎖+被動(dòng)變形，爬彎軌穩(wěn)如泰山

看似普通的軌道攀爬機(jī)器人，卻藏著不用電就能自鎖的智慧，在輸電塔和隧道復(fù)雜軌道上如履平地。

在百米高空的輸電塔上，一陣強(qiáng)風(fēng)刮過(guò)，正在軌道上執(zhí)行巡檢任務(wù)的機(jī)器人卻穩(wěn)如泰山。這不是因?yàn)樗褂昧藦?qiáng)力磁鐵或復(fù)雜的電子鎖，而是因?yàn)樗擅畹乩昧俗陨碇亓Γ瑢?shí)現(xiàn)了類(lèi)似“四兩撥千斤”的自鎖效果。

最近，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《IEEE Robotics and Automation Letters》上發(fā)布了最新成果——OmniClimb軌道攀爬機(jī)器人。

他們采用了一種全新的重力驅(qū)動(dòng)鎖定結(jié)構(gòu)和被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)制，讓它能在多曲率復(fù)雜軌道上穩(wěn)定攀爬，甚至在遭遇突發(fā)顛簸時(shí)也能瞬間鎖定，防止墜落。

被動(dòng)自適應(yīng)軌道攀爬機(jī)器人

▍傳統(tǒng)機(jī)器人“站不穩(wěn)”的致命短板

隨著工業(yè)自動(dòng)化的深入，軌道巡檢機(jī)器人在輸電塔、電力隧道、橋梁等場(chǎng)景中的應(yīng)用日益廣泛。然而，傳統(tǒng)爬軌機(jī)器人面臨環(huán)境適應(yīng)能力差這個(gè)致命短板。

大多數(shù)軌道機(jī)器人都“認(rèn)軌”，在直線軌道上表現(xiàn)出色，一旦遇到曲線、彎道，特別是曲率變化的復(fù)合軌道，穩(wěn)定性大打折扣。

目前市場(chǎng)上的軌道機(jī)器人主要通過(guò)兩類(lèi)方式固定自身：

磁吸附式機(jī)器人利用永磁體或電磁鐵吸附在鐵軌表面。這種方式對(duì)磁性軌道適配性好，但面臨材質(zhì)限制（只能用于鐵磁表面）、重量大、能耗高等問(wèn)題，而且高重心設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致吸附失穩(wěn)。

機(jī)械夾持式機(jī)器人通過(guò)電動(dòng)或氣動(dòng)裝置產(chǎn)生夾持力。這種方式不依賴(lài)軌道材質(zhì)，但需要持續(xù)能源輸入，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在突發(fā)振動(dòng)或坡度變化時(shí)響應(yīng)速度可能不足。

有沒(méi)有一種方式，既不需要額外能源輸入，又能實(shí)時(shí)適應(yīng)軌道曲率變化，還能在突發(fā)情況下瞬間自鎖防墜？

▍下墜危機(jī)變成鎖定動(dòng)力，自鎖玄機(jī)“四兩撥千斤”

沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)決定“反其道而行之”，不是對(duì)抗重力，而是利用重力。他們?cè)O(shè)計(jì)的OmniClimb機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上隱藏著幾項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，使其在無(wú)需外部電源干預(yù)的情況下，依然能夠安全、高效地攀爬多曲率軌道。

該機(jī)器人的核心是其獨(dú)特的重力驅(qū)動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人的前后驅(qū)動(dòng)輪上都配置了錐形輪緣，這些輪緣與導(dǎo)軌槽形成了精確的幾何匹配。

當(dāng)機(jī)器人在水平軌道上運(yùn)行時(shí)，重力會(huì)轉(zhuǎn)化為軸向壓力，使車(chē)輪更緊地貼合軌道。

如果機(jī)器人因外力發(fā)生傾斜或滑移，錐形輪緣會(huì)與導(dǎo)軌槽側(cè)壁接觸，產(chǎn)生楔形效應(yīng)，將下滑趨勢(shì)轉(zhuǎn)化為更大的法向壓力，從而實(shí)現(xiàn)“越滑越緊”的自鎖效果。這個(gè)過(guò)程完全是被動(dòng)、機(jī)械式的，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到毫秒級(jí)，且不消耗任何電能。

軌道攀爬機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

重力驅(qū)動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)原理

重力自鎖解決了站得穩(wěn)的問(wèn)題，但要走得好，特別是在彎曲軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，還需要另一種能力，就是姿態(tài)自適應(yīng)。

▍身體自己思考，被動(dòng)變形征服彎道

為確保機(jī)器人在彎道上也能平穩(wěn)運(yùn)行，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了可變姿態(tài)被動(dòng)適應(yīng)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的前后車(chē)身采用分體式設(shè)計(jì)，通過(guò)鉸鏈連接，中間用姿態(tài)調(diào)整彈簧約束。當(dāng)機(jī)器人從直線軌道進(jìn)入彎道時(shí)，軌道曲率的變化會(huì)使前后車(chē)身產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

直線和曲線軌道攀爬過(guò)程中的姿態(tài)自適應(yīng)調(diào)整

這聽(tīng)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)需要精密的力學(xué)設(shè)計(jì)。姿態(tài)調(diào)整彈簧會(huì)根據(jù)軌道曲率自動(dòng)伸縮，改變前后車(chē)身的夾角，從而調(diào)整每個(gè)車(chē)輪的接觸角度。這種設(shè)計(jì)確保所有車(chē)輪都能與軌道保持良好的接觸，避免因角度不當(dāng)導(dǎo)致的打滑或脫軌。

該機(jī)構(gòu)的神奇之處在于它的被動(dòng)性。整個(gè)調(diào)整過(guò)程不需要傳感器檢測(cè)曲率，也不需要控制器計(jì)算角度，完全由軌道形狀和彈簧力學(xué)特性自然驅(qū)動(dòng)。這就像人的關(guān)節(jié)，在行走時(shí)自動(dòng)適應(yīng)地面起伏，不需要大腦刻意指揮每一個(gè)動(dòng)作。

▍五個(gè)輪子協(xié)同工作，動(dòng)力布局穩(wěn)如磐石

除了聰明的鎖定和適應(yīng)機(jī)制，OmniClimb還有一個(gè)基礎(chǔ)但關(guān)鍵的設(shè)計(jì)：五輪驅(qū)動(dòng)配置。這五個(gè)輪子不是隨意布置的，而是經(jīng)過(guò)了精心計(jì)算和排布，形成了獨(dú)特的動(dòng)力和支撐系統(tǒng)。

兩個(gè)前驅(qū)動(dòng)輪承擔(dān)主要牽引任務(wù)，一個(gè)中心導(dǎo)向輪提供額外的支撐和方向引導(dǎo)，兩個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪則輔助推進(jìn)并增強(qiáng)穩(wěn)定性。這種布局創(chuàng)造了“三點(diǎn)接觸”的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時(shí)五個(gè)輪子都提供動(dòng)力，確保了足夠的牽引力。

特別值得一提的是，前后輪組之間的距離經(jīng)過(guò)優(yōu)化，形成了對(duì)稱(chēng)夾持結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人在軌道上運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)車(chē)輪像鉗子一樣輕輕“夾住”軌道，有效抵抗橫向力，防止在彎道處因離心力而脫軌。

五輪驅(qū)動(dòng)配置的結(jié)構(gòu)

這種設(shè)計(jì)不僅提供了更好的牽引力和穩(wěn)定性，還具備容錯(cuò)能力，即使個(gè)別車(chē)輪出現(xiàn)異常，機(jī)器人也能繼續(xù)工作。復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)齒輪和同步帶的組合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力從前部電機(jī)到五個(gè)車(chē)輪的高效、精準(zhǔn)傳遞。

▍從仿真到實(shí)測(cè)，“軌道俠”如何征服S形復(fù)雜賽道？

研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用ADAMS動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真，模擬其在S形復(fù)合軌道上的攀爬過(guò)程。

仿真結(jié)果顯示，機(jī)器人在直線段速度穩(wěn)定在0.035m/s，進(jìn)入彎道時(shí)，由于姿態(tài)調(diào)整和慣性作用，速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，峰值可達(dá)0.06m/s，但整體運(yùn)行平穩(wěn)。

機(jī)器人攀爬多曲率軌道的仿真過(guò)程

特別值得注意的是，電機(jī)扭矩在啟動(dòng)和彎道段會(huì)出現(xiàn)峰值，最高達(dá)到1.25N·m，但系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)這些變化，保持穩(wěn)定運(yùn)行。輪軌接觸力的分析也表明，機(jī)器人的前后輪受力分配合理，前輪承擔(dān)主要載荷，后輪輔助穩(wěn)定。

真正的考驗(yàn)來(lái)自物理實(shí)驗(yàn)。研究人員用3D打印技術(shù)制造了OmniClimb的原型機(jī)，并在安裝了多曲率軌道的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)測(cè)。實(shí)驗(yàn)軌道包括直軌、凸曲線和凹曲線組合。

機(jī)器人攀爬多曲率軌道的仿真過(guò)程

空載測(cè)試中，機(jī)器人在直軌段平均速度為0.049m/s，在凸曲線段速度可提升至0.064m/s，在凹曲線段會(huì)降至0.036m/s。車(chē)輪的角速度變化與軌道曲率高度耦合，證明自適應(yīng)機(jī)構(gòu)有效工作。

負(fù)載測(cè)試則更接近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。研究人員給機(jī)器人增加了1.5kg的載荷（模擬攜帶攝像頭等檢測(cè)設(shè)備）。結(jié)果顯示，機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)與空載時(shí)基本一致，但性能參數(shù)有所調(diào)整。

直軌速度略降至0.041m/s，彎道段扭矩需求增大，峰值扭矩達(dá)到2.35N·m。盡管如此，機(jī)器人依然能穩(wěn)定完成整個(gè)攀爬過(guò)程，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)有效補(bǔ)償了額外負(fù)載帶來(lái)的影響。

機(jī)器人負(fù)載下在多曲率軌道上爬升時(shí)的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)

▍不止于輸電塔，可應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)

機(jī)器人技術(shù)的核心價(jià)值在于解決實(shí)際問(wèn)題，OmniClimb也不例外。

在高壓輸電塔巡檢中，機(jī)器人可以搭載高清攝像頭、紅外熱像儀等設(shè)備，沿著安裝好的軌道自主攀爬，對(duì)線路、絕緣子、連接件等進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)人工巡檢不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，還存在高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

OmniClimb的被動(dòng)自適應(yīng)特性使其能夠適應(yīng)輸電塔上常見(jiàn)的復(fù)雜軌道布局，而其重力自鎖機(jī)制則提供了額外的安全保證。

隨著城市地下空間的發(fā)展，電力隧道、綜合管廊等設(shè)施的安全監(jiān)測(cè)需求日益增長(zhǎng)。這些環(huán)境通常具有空間狹窄、環(huán)境復(fù)雜、存在多種坡度變化等特點(diǎn)。OmniClimb的緊湊設(shè)計(jì)和強(qiáng)適應(yīng)能力使其能夠勝任這類(lèi)場(chǎng)景的巡檢任務(wù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏、變形、設(shè)備異常等問(wèn)題。

OmniClimb的被動(dòng)自適應(yīng)理念，展示了通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能行為的可能性。這在需要高可靠性、耐惡劣環(huán)境或低功耗運(yùn)行的應(yīng)用中具有獨(dú)特價(jià)值。

展望未來(lái)，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步提升機(jī)器人的能力。拓展姿態(tài)適應(yīng)機(jī)制的自由度，使機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的三維軌道，并顯著拓寬其應(yīng)用范圍。例如，除了當(dāng)前的俯仰調(diào)整外，增加橫滾和偏航方向的適應(yīng)能力。

在機(jī)器人的進(jìn)化路上，人們一直追求著更智能的控制系統(tǒng)和更強(qiáng)大的執(zhí)行能力。而OmniClimb選擇了另一條路徑，讓機(jī)器人的身體本身就具備智能。通過(guò)精妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)復(fù)雜傳感器和算法的環(huán)境適應(yīng)與安全自鎖。或許，在極端環(huán)境或高可靠性要求的場(chǎng)景中，這種被動(dòng)智能才是機(jī)器真正可靠的基礎(chǔ)。

論文地址：https://ieeexplore.ieee.org/document/11303899