电梯导轨攀爬机器人机构设计

戚政武 梁敏健 黄永坚

0 引言
电梯导轨是电梯的重要组成部分，与列车导轨性质类似，是影响安全性和舒适性的重要因素。影响电梯安全运行的因素主要有导轨垂直度偏差和轨距偏差。长期以来对电梯导轨垂直度的检测一直采用吊垂线的方法，这种方法费时费力，而且每测量一个位置都要重新固定基准，测量效率低，误差很大。尤其是电梯投入使用以后的维护阶段，由于没有脚手架，更加无法操作。近年虽然出现了激光铅垂线代替传统拉线，但是需要每一个测量点安装接受光靶，然后人工读数，没有脚手架使得作业很不安全，效率也低。针对导轨顶面距离的测量，检测人员常用卷尺或激光测距仪进行多点测量，并人工逐一记录，效率低，劳动强度大。目前，针对导轨支架设置及距离检测的方法是检测人员站在轿顶拉卷尺测量。对一台高层电梯（提升高度超100 m）的导轨垂直度、轨距、支架距离进行检测，如采用人工方法将十分费时费力，且不能做到精确测量。
本文介绍一种电梯导轨攀爬机器人，可用于搭载电梯导轨垂直度检测模块、导轨轨距检测模块等多种电梯导轨参数检测模块，从而实现电梯导轨的多参数检测，该机器人弥补了传统检测手段的不足，使检测过程变得快速简单，安全可靠。

1 电梯T 形导轨结构
电梯导轨是电梯在井道内上下行驶的安全路轨，对电梯轿厢运行起导向作用，导轨由导轨支架固定连接在井道壁上。电梯常用的导轨是T 形导轨，结构形式如图1 所示。GB/T 22562—2008 中推荐T 形导轨材料为Q235 普通碳素结构钢，电梯导轨导向面纵向粗糙度≤ 6.3 μm。T 形导轨主要规格参数：导轨导向面宽度k =9 ～ 31.75 mm，导向面高度n =30 ～ 57 mm，导轨宽度b =70 ～ 140 mm，导轨标准长度L =5 m。

(a) 导轨实物图 (b) 导轨截面图
图1 导轨结构示意图

2 工作原理及机械设计计算
2.1 机械结构设计
电梯导轨攀爬机器人结构如图2 所示。垂直度检测模块、导轨轨距检测模块等多种电梯导轨参数检测模块可以安装在机身上。电梯导轨攀爬机器人的动力驱动装置由2 个顶磁轮、2 个导向轮和2 个驱动轮组成。前后顶磁轮吸附在导轨顶部导向面。导向轮和驱动轮安装在夹紧机构上，通过调整夹紧机构上螺栓的松紧度改变弹簧的压缩量，从而改变导向轮和驱动轮对电梯导轨的夹紧力。通过调整夹紧机构上的螺栓还可以改变导向轮轮距和驱动轮轮距，使攀爬机器人能够在不同规格的导轨上使用。驱动轮通过同步带和行星减速器与直流电机相连，驱动轮表面有滚花，以增加与导轨之间的摩擦力。
电梯导轨攀爬机器人在前后顶磁轮对导轨的磁力及导向轮、驱动轮对导轨的夹持力的共同作用下，紧紧依附在导轨导向面上。由于传感器安装在机器人本体上，攀爬机器人的运动轨迹需要充分、真实地反映导轨上的垂直度偏差、轨距偏差等参数信息，才能使传感器检测的数据真实有效。

(a) 机器人结构 (b) 机器人底盘结构
图2 机器人结构示意图

2.2 安全保护装置原理
安全保护装置分为防倾覆挂钩和防坠落尾翼两部分。防倾覆挂钩安装在电梯导轨攀爬机器人上部，分为左右两侧挂钩。当电梯导轨攀爬机器人磁轮失磁或其他原因导致倾翻时，防倾覆挂钩会勾住导轨凹槽，防止电梯导轨攀爬机器人进一步倾翻，如图3 所示。支撑尾翼安装在电梯导轨攀爬机器人下部，分为左右支撑尾翼，当电梯导轨攀爬机器人因磁轮失磁或其他原因导致倾翻
继而坠落时，首先防倾覆挂钩会勾住导轨凹槽，防止电梯导轨攀爬机器人进一步倾翻，电梯导轨攀爬机器人与导轨之间形成一个夹角γ ，然后支撑尾翼跟随电梯导轨攀爬机器人转过一定角度后与导轨接触。电梯导轨攀爬机器人沿导轨下滑直至支撑尾翼卡在距离最近的导轨压板上，从而防止电梯导轨攀爬机器人继续下滑，如图4所示。安全保护装置能有效防止电梯导轨攀爬机器人倾覆坠落，避免不必要的人财损失。

图3 防倾覆挂钩工作原理示意图

图4 支撑尾翼工作原理示意图

3 设计计算
3.1 磁轮吸附力计算
顶磁轮是确保电梯导轨攀爬机器人紧密吸附导轨、防止倾翻的关键。导致电梯导轨攀爬机器人脱离导轨或倾翻的主要因素是：
1）受驱动轮及导向轮加工精度及安装精度的影响，电梯导轨攀爬机器人在导轨上行进时可能会产生一个与顶磁轮吸附力方向相反，将攀爬机器人推离导轨的一个力，如图5 所示，当电梯导轨攀爬机器人的驱动轮或导向轮轴线与导轨法线方向存在夹角α 时，会形成一个将机器人推离导轨的分力F 4。

2）因机器人自重会形成一个绕后顶磁轮的倾覆力矩，机器人自重越大，重心距离导轨上工作面越远，倾覆力矩越大。
为了保证电梯导轨攀爬机器人在电梯导轨上可靠运行，存在一个保证安全运行的顶磁轮最小吸附力。顶磁轮的吸附力必需满足

式中：F 1 为压紧机构对驱动轮的压力，F 2 为驱动轮与导轨之间的静摩擦力，f 为驱动轮与导轨间的静摩擦因数，F P 为顶磁轮与导轨顶面间的吸附力，m 为机器人质量，Mmax 为机器人最大设计负载，g 为重力加速度，L 1 为前后顶磁轮的中心距，L 2 为机器人重心到导轨顶面的垂直距离。

图5 驱动轮及导向轮受力分析

3.2 电机功率计算
电梯导轨攀爬机器人在导轨上克服自身重力向上行进时，驱动轮与导轨工作面接触，电机输出转矩T q 为电梯导轨攀爬机器人提供驱动力。T q 经星型减速器减速后再经由传动比为1:1 的同步带分别传至左右驱动轮，得到输出转矩Tt。
驱动轮输出转矩Tt 应符合

驱动轮输出转矩Tt 为

因此得出电机输出转矩T q 为

式中：Tt 为驱动轮输出转矩，d 为驱动轮直径，i g为星型减速器减速比，T q 为电机输出转矩，η 为电机轴经减速器到驱动轮的传动效率，e 为安全系数（e ≥ 1）。电机驱动功率为

最终选用瑞士进口的Maxon RE25 大扭矩电机作为驱动电机。

4 样机试验及结果分析
所设计的电梯导轨攀爬机器人参数如表1 所示。

电梯导轨攀爬机器人在一段导轨导向面宽度k =16mm 的T 形导轨上进行负载实验，在空载情况下，机器人可以在导轨上下方向灵活运行，最大爬行速度大约为3.6 m/min，驱动轮无打滑现象，顶磁轮紧贴导轨导向面，无倾翻迹象。当机器人负载为0.8 kg 时，机器人仍可以在导轨上下方向运行，最大爬行速度为2.9 m/min，驱动轮无打滑现象，顶磁轮紧贴导轨导向面，无倾翻迹象。如图6 所示，当机器人负载为1.6 kg 时，机器人驱动轮严重打滑，顶磁轮紧贴导轨导向面，无倾翻迹象。

图6 负载实验现场

当机器人负载为3 kg 时，顶磁轮有脱离导轨导向面的趋势，驱动轮与导轨之间的摩擦力和顶磁轮吸附力的合力不足以抵抗由负载产生的倾翻力矩。实验结果表明，当电梯导轨攀爬机器人的负载≤ 0.8 kg 时，机器人可以在导轨上下方向灵活运行，驱动轮无打滑现象，顶磁轮紧贴导轨导向面。因此，在给机器人安装电梯导轨检测模块时质量应在0.8 kg 以下。

5 结论
本文介绍了一款电梯导轨攀爬机器人，该机器人可用于搭载多种电梯导轨参数检测模块，从而实现电梯导轨的多参数检测并可在井道内、外的无线设备实现数据传输。该机器人不依赖于脚手架或轿厢，可以较好地解决目前电梯导轨检测方面存在的效率低、误差大、难以全面检测的难题，可提高检测效率和准确度，帮助发现隐患，对整个电梯行业发展具有积极的推动作用。