一、项目介绍

摘 要

通道检测机器人用以取代人力进入高风险复杂通道环境执行检测及操作任务，本研究依托 SolidWorks 平台，开发出一种具有适应复杂地形行走，多种场合作业，监测危险区域以及支持模块化拓展特性的通道检测机器人。该机器人采纳三角履带轮推进机制，经过计算接地比压（27.22 kPa），牵引力（4246.67 N）并考查其上坡能力之后，即便置身于瓦砾场，烂泥地或者乱石堆这样的恶劣路面状况时，仍然能够平稳前行，而它那由四轴组成的机械臂，最大工作幅度达到1200毫米，标准负载量为10公斤，重复准确定位偏差控制在正负0.5毫米之内；经由考量末端负载扭矩（117.6 牛顿 · 米），升降速率（209 毫米 / 秒）以及定位误差（1.22 毫米）来判断其作业性能，而且危险区域探测单元装配有四合一气体传感器，高清摄像机以及激光测距传感器，防护等级达到 IP67 级别，探测精准度为 ±2.5% 的量程范围内，模块化适应装置则可快速附着各种救援工具。 依靠 SolidWorks 进行三维建模，并利用 ANSYS 执行有限元分析，可以确认关键零部件的强度与刚度符合设计需求，本文所设计的通道检测机器人给灾害救援和工业检测赋予了安全又高效的智能解决办法。

关键词： 通道检测机器人；三角履带轮；机械臂；SolidWorks；有限元分析

研究背景与意义
我国基础设施建设速度飞快，城市化进程持续加快，城市地下综合管廊，矿山井下巷道，核设施检测通道，地震灾害遗留废墟之类的复杂通道环境变得越发常见。这些通道环境一般存在空间狭窄，地形复杂，含有有毒有害气体，结构不够稳定等情况，人力进去检测和工作会遭遇很大的安全风险，统计显示，在灾害救援和工业检测方面，大概有30%的人员伤亡事件源于通道环境的检测工作，所以，开发可以代替人步入危险通道环境执行检测和工作的智能机器人设备，已经成为保障人员安全，改进工作效率的急切需求。
通道检测机器人正是为解决这一现实问题而设计研发的专用装备。该机器人聚焦灾害现场通道、危化泄漏通道、基建缺陷通道等高危复杂通道场景，其核心目标是替代人工完成"复杂通道环境通行、多任务作业、危险通道数据采集"，实现无人化、安全化的通道检测与作业。机器人的四大核心功能包括：机器人具备复杂地形移动功能，多场景作业功能，危险区域侦察功能以及模块化适配功能，其三角履带轮设计使得机器人能够在废墟堆，泥泞地，碎石坡等崎岖地形稳步通行；它装配有多关节伸缩机械臂，可以执行狭小空间探查，救援物资抓取，障碍物清理等任务；其高精度探测舱能够即时回传现场画面及环境数据；而且采用开放式机身结构，可以快速附加各种救援附件。
就工程应用价值而言，研发并应用通道检测机器人会大幅优化灾害救援效率，改善工业检测安全性，在地震，坍塌等灾害现场，机器人能率先踏入危险区域探查生命迹象，评判通道是否安全，给救援决策赋予重要数据支撑；在城市地下管廊的日常巡视时，机器人可以取代人工执行气体泄漏检测，结构裂缝判断等危险工作；在核设施，危化品储罐之类的特别场所，机器人免去了人员接触放射性物质或者有毒物质的机会，最大程度上保障了作业人员的人身安全，所以，展开依靠SolidWorks来做通道检测机器人机械结构设计的研究，具备重要的理论价值和广袤的应用空间。

研究内容
本论文围绕基于SolidWorks的通道检测机器人机械结构设计展开研究，主要内容包括以下几个方面：
(1) 复杂地形移动系统结构设计包含对三角履带轮的构型设计及其参数适配的探究，需对附着比，牵引力，爬坡能力这些重要性能参数执行分析，并展开废墟，泥泞，碎石这类典型复杂地形的通行考察，以此来规划移动系统的防护及可靠性提升方案。
(2) 多场景作业机械臂结构设计，研究4自由度伸缩机械臂的构型改良方法，剖析狭小空间探查，物资抓取，障碍清理等作业场景的适配性需求，并执行作业精度验证和性能评定，规划机械臂轻量化方案及动力适配系统。
(3) 危险区域检测模块的设计包含探测舱融合设计方法的研究，气体传感器，高清相机，激光测距这些检测组件的选型及布局分析，数据回传方案与检测精度保障措施的制定，还要展开检测精度的考察验证。
(4) 模块化适配系统的设计包含对开放式机身结构及透明外壳设计方法的研究，还要分析救援附件的适配方案，设计标准接口与快速安装机构，并执行附件安装及作业稳定性验证检测。
核心计算公式的推导及参数分析环节，要推导出移动系统和机械臂系统的相关核心计算公式，并做参数计算与分析，以此来验证设计方案是否合理可靠。
(6)依靠SolidWorks展开三维建模及有限元分析，形成机器人各个子系统的三维模型，并执行装配干涉检测以及运动模拟，针对主要零件执行静力分析，以验证其结构强度和刚度是否符合设计预期。
前面的研究表明，可以设计出一种具备复杂地形通过能力，多场景作业能力，危险区域识别能力和模块化扩展能力的通道检测机器人，从而给灾害救援和工业检测供应安全又高效的智能化设备。

二、文档介绍

三、项目设计与实现

整体方案设计
通道检测机器人聚焦灾害现场通道、危化泄漏通道、基建缺陷通道等高危复杂通道场景，核心目标是替代人工完成"复杂通道环境通行、多任务作业、危险通道数据采集"，实现无人化、安全化的通道检测与作业。基于这一核心功能定位，机器人整体方案划分为四大功能系统：复杂地形移动系统，多场景作业机械臂系统，危险区域检测模块以及模块化适配系统。
复杂地形移动系统安装在机器人底部，其构型为三角履带轮，由两个独立驱动的三角履带轮合成，每个三角履带轮执行"三角支架 + 履带板 + 缓冲组件"的整合设计。三角支架利用6061铝合金整体铸造而成，边长为280mm，厚度达8mm，重约1.2kg，可承受两倍于自身重量的冲击力，履带板选用工程塑料与钢芯合成的复合材料，其中外层塑料为UHMW - PE (超高分子量聚乙烯)，其耐磨系数小于等于0.15，内层则嵌有厚度为1.2mm的弹簧钢芯，其抗拉强度大于等于800MPa，单个履带宽度为36mm，而双个履带呈对称分布，其总接地宽度为72mm，缓冲组件为邵氏A50橡胶缓冲垫，其厚度达到15mm，能够吸收频谱范围在10 - 500Hz之间的高频震动。
多场景作业机械臂系统被安装在机器人机身顶部的前端，它属于4自由度伸缩结构，包含回转关节，俯仰关节，伸缩关节以及末端偏转关节，其中，关节1为回转关节，其运动范围位于0°到360°之间，可执行连续的旋转动作。关节2是俯仰关节，其运动范围处在-30°到90°之内，关节3即伸缩关节，它的行程从0毫米增至700毫米，在收缩状态下整体长度达到500毫米，关节4也就是末端偏转关节，其运动幅度控制在±90°之内。 机械臂处于收缩状态时总长为500mm，最大宽度达120mm，其可进人宽度不小于150mm的狭窄空间，该机械臂最大作业半径为1200mm，额定负载量为10kg，大臂及小臂皆由6061铝合金经一体成型制得，大臂截面尺寸为40×30mm（矩形），壁厚为3mm，小臂截面尺寸为30×20mm（矩形），壁厚为2mm，经由拓扑优化削减了20%的重量。
危险区域检测模块被整合进机械臂末端的探测舱当中，该探测舱的直径为100毫米，长度达180毫米，自身重0.8千克，防护等级属于IP67类型，其内部融合了四合一气体传感器（这种传感器能够检测CO，H₂S，O₂以及EX类可燃气体），还安装了分辨率为2000万像素的高清工业相机（此相机具备向1080P分辨率图像即时传送的能力）以及激光测距传感器（该传感器的测距范围处于0.1到5米之间，测距精确度达到正负1毫米）。 探测舱周边设置有4颗高亮度LED补光灯，这些灯的亮度可调，最大亮度可达500lux，探测舱自带微型散热风扇，这样就能保证传感器在超过40摄氏度的高温环境中正常运行。
模块化适配系统包含开放式机身结构和标准化接口，机身内部依照功能划分成动力模块区，控制模块区以及检测模块接口区，各个模块均采用独立的抽屉式设计，并利用快速锁扣加以固定，不必用工具就能实施模块的拆装，其检修时间小于等于15分钟。机身外壳由5毫米厚的PC(聚碳酸酯)透明板材制成，透光率大于等于90%，抗冲击强度大于等于600J/m，能够承受直径为50毫米的碎石从1米高处掉落所产生的冲击，防护等级达到IP65，标准化接口设置在机械臂末端和机身侧面，按照ISO 9409 - 1标准采用法兰接口，具备定位销和快速锁紧功能，在附件安装时，定位精度小于等于0.5毫米，锁紧时间为小于等于30秒，而且不用工具就可以完成安装固定，这个接口可做到动力和信号的同步传送，其中最大供电功率为500W。
整体结构尺寸是高665mm，宽580mm，长782mm，总重量为40kg，额定负载为10kg，动力系统采用48V 10A锂电池组，并配备有温度监测模块，当温度低于 -10℃时，会自动启动预热功能；而当温度高于55℃时，则会自动切断供电。主体防护等级为 IP65，探测舱防护等级为 IP67，其可以适应高粉尘，高湿度，强冲击的恶劣环境。

行走装置三维建模
凭借SolidWorks形成行走装置的立体模型，该模型包含三角履带轮总成，推动电机，减速器，缓冲件等部件。
三角支架由6061铝合金材质制成，其边长为280mm，厚度为8mm，在SolidWorks软件里，经由拉伸，切除，倒角这些特征来完成建模。其中的关键结构包含三点：一是顶部安装履带轮轴的轴承座孔，该孔需符合精密配合公差H7以保障履带轮轴的安装精度；二是中央与机身相接的安装法兰；三是位于受力较大处的加厚筋，还有即为镂空减重孔，它设置于非受力部分并均衡分布，这样既能保留足够的强度又可削减自身重量。
履带板所用材质为UHMW-PE+弹簧钢芯复合材料，其单带宽达36mm。建模时要注意几个关键点，即履带板的节距为25mm，厚度为15mm以及表面的防滑凸点，履带板可利用阵列特征快速创建，每边履带由诸多履带板节合成，并经由销轴串联成环，两侧履带对称设置，其间距同三角支架相适应，以此来确保行驶的稳定性。
驱动单元包含电机和减速器，电机被简化成直径80mm，长度150mm的圆柱形，并带有M12防水航空插头。减速器也是圆柱形，其直径为100mm，长度为100mm，输出轴与履带轮相接，电机和减速器经由法兰相连，合成一个整体单元，安装法兰同三角支架的中心部分相接，用4个M8螺栓加以固定。
缓冲组件为邵氏A50橡胶垫，其厚度达15mm，其形状与三角支架安装法兰相适配，该橡胶垫在中心位置留有螺栓过孔，边缘部分设置有定位凸台，以此来保障安装位置的精准性，此橡胶垫选用柔性材料制作而成，当受到外力作用时会形变并发挥弹性效应，从而起到消除高频震动的效果。
在SolidWorks装配环境中完成行走装置装配：以三角支架作为基体，安装履带轮轴以及轴承，并装配履带板，安装驱动单元，装配缓冲组件，添加标准件，装配完毕之后执行干涉检查，保证各个零件之间没有运动干涉现象发生，行走装置总成可以围绕驱动轴转动，从而模仿实际的行驶状态。
机械臂装置三维建模
创建起4自由度机械臂的三维模型，该模型包含关节1 - 4，大臂，小臂以及末端执行器等部分。
关节1做到0°~360°连续旋转，其建模要点涵盖基座，回转支承，推动单元以及输出法兰。基座和机身的结合面存在定位止口，以此来保障安装时的同轴度，回转支承选用交叉滚子轴承，这种轴承具备较高的刚性和精度，编码器的模型被简化成圆形薄片，并具有线束接口这样的特性。
关节2可以做到 -30°~90° 的俯仰运动，其建模重点包含壳体，推动单元，输出轴以及限位结构，壳体为中空结构，内部装有减速器和电机，外部有散热筋设置，输出轴为阶梯轴形式，与谐波减速器的输出端相接，机械限位采用螺钉 + 橡胶缓冲块结构，在达到极限位置时给予缓冲。
大臂所用材料为6061铝合金，其截面形状为40×30mm的矩形，壁厚为3mm，总长为500mm，建模重点在于根部，杆身以及端部。安装孔采用了精密配合公差，以确保与关节2输出轴之间的配合精度，杆身两侧交错分布着镂空圆孔，这样既能减轻重量，又能保留结构完整性，关节3安装座上设置有定位止口和螺栓孔，从而方便关节3得到精准安装。
关节3具备0 - 700mm的伸缩能力，其建模重点包含壳体，推动单元，传动机构以及导轨。滚珠丝杠的一端同减速器输出轴相接，另一端依托于轴承座，丝杠螺母与小臂实施固定连接，从而把旋转运动转换为直线运动，直线导轨副采取双导轨四滑块的设置，用以承担小臂伸缩过程中产生的倾覆力矩。
小臂用的是6061铝合金材料，其截面形状为30×20mm的矩形，壁厚是2mm，处于收缩状态下的长度为500mm，建模时要注意三个部分：根部，杆身以及端部。小臂内部包含丝杠螺母安装座和导轨滑块安装面，以此来确保与关节3精准契合，杆身为镂空结构，这样做的目的是减轻重量又保留足够的刚度。
关节4能够做到±90°的偏转，其建模要点在于壳体，驱动单元以及输出法兰壳体，这些部件均采用铝合金材质，壳体内设有减速器和电机，输出法兰按照ISO 9409 - 1标准设置法兰接口，该接口具备定位销和快速锁紧特性，可迅速安装探测舱或者其他附件，这个法兰接口可达成动力与信号的同步传送，向探测舱供电并且传递控制信号。
末端执行器是自适应夹爪，其建模重点包含基座，夹爪，推动机构以及防滑垫四个方面，夹爪借助连杆机构来达成开闭动作，当丝杠向前推动滑块的时候，滑块经由连杆带动夹爪发生旋转，夹爪外表面包裹有橡胶材质的防滑垫，上面的纹路由菱形网格形成，这样就能进一步加大摩擦力，夹爪内部还安装着一个位置传感器，可以监测到它的开启或者关闭情况。
整体三维模型
在 SolidWorks 平台之下达成对通道检测机器人整机装配的建模，该整体模型的外形尺寸为高665mm，宽580mm，长782mm，总重量达40kg，这和设计参数完全相符。
机身框架用6061铝合金型材拼接制成，其截面尺寸为30×30mm，壁厚3mm，框架自身重量为3.5kg，内部依功能划分成动力模块区（位于后部），控制模块区（处于中部）以及检测模块接口区（处在前部），各个模块采取抽屉式设计，并经由快速锁扣加以固定，不用工具便能执行拆卸安装，检修历时不超过15分钟。
行走装置包含两组三角履带轮，它们对称地分布在机身两侧，每组履带轮包含三角支架，双履带板，推动单元和缓冲组件。履带轮的等效半径为75mm，其接地比压达到27.22 kPa，这符合复杂地形通过的要求。
机械臂装置为4自由度伸缩构型，安装在机身前部检测模块接口区，包含回转关节，俯仰关节，伸缩关节以及偏转关节，大臂截面尺寸为40×30mm，小臂截面尺寸为30×20mm，二者均采用6061铝合金镂空设计，其轻量化效果十分明显，机械臂处于收缩状态时的总长为500mm，最大作业半径达1200mm，重复定位精度为±0.5mm。
透明外壳由PC透明板材制成，其厚度为5毫米，透光率不低于90%，它具有分段式可拆卸结构，包含上盖，前盖和后盖，每一部分都会用4个快速螺栓固定，拆卸所需的时间不超过5分钟。在外壳与框架相接的部位设有硅胶密封圈，其防护等级达到IP65，如此一来就能清楚看到内部组件的工作状况。
整机装配完成之后，执行了干涉考察和运动仿真验证，结果表明各个关节的运动范围均不存在干涉现象，履带轮转动自如，机械臂的可到达空间也符合设计预期，该模型给后续的有限元分析以及二维工程图的创建给予了准确的几何参照。

总结
本文基于SolidWorks对通道检测机器人进行机械结构设计，完成行走装置、机械臂装置、探测舱的关键零部件计算、三维建模与有限元分析。行走装置采用三角履带轮构型，电机功率200W，减速比1:履带轮的等效半径为75毫米，其接地比压为27.22千帕，单履带牵引力达到4246.67牛顿，最大爬坡角度为18°，越障高度不低于110毫米，经过废墟，泥泞，碎石这三种典型地形的通行检测之后，其优良的通过性和稳定性得到了验证。机械臂为4自由度伸缩构型，关节1和2安装的是谐波减速器，关节3和4则装着行星减速器，该机械臂的最大作业半径为1200毫米，重复定位精度达到±0.5毫米，其额定负载为10公斤，伸缩速度为209毫米每秒，经过了狭小空间探查，物资抓取，障碍清理这三个场景的应用设计之后，就能满足多种作业需求，探测舱采用紧凑型圆柱结构，其直径为100毫米，长度为180毫米，重量为0.8千克，防护等级为IP67，内部整合了四合一气体传感器（精确度在±2.5%FS左右），2000万像素高清相机以及激光测距传感器，并采用“有线+无线”双重数据传递方式，检测性能超出预期目标。 整机组件经由SolidWorks执行三维建模，外形尺寸为高665mm，宽580mm，长782mm，总重40kg，对三角支架，大臂连杆，探测舱外壳执行有限元静力学分析，它们的最大应力分别达85.6MPa，72.3MPa，23.5MPa，最大位移分别0.23mm，0.48mm，0.05mm，安全系数分别2.80，3.32，8.72，均符合强度与刚度要求，综上来看，通道检测机器人的机械结构设计合理可靠，能在复杂通道环境里稳定通行并执行多场景检测作业任务，达成危险区域的无人化数据采集。