爬缆机器人结构及动力学阐述论文.doc

爬缆机器人结构及动力学阐述论文 爬缆机器人结构及动力学阐述论文预读: 摘要:1爬缆机器人的结构爬缆机器人的工作过程是机器人携图像采集仪器或检测仪器,克服重力的作用向上爬行,检测完毕回到地面.为保证机器人能够顺利完成桥梁检测的工作并具有较高的工作效率,对机器人的设计要求有①上行速度能达到10m/min,下行速度能达到20m/min;②适用于直径80～160mm的缆索;③具有良好的越障性和安全回收性;④尽可能缩短机器人的拆装时间.图1是基于以上要求设计出的四驱式爬缆机器人示意图.机器人主要分为内外框架部分和小车组,框架外部固定,内部可根据缆索调节抱缆的直径并提供抱紧力.内框架上分布四辆结构相同的驱动小车.整个机构的重量小于30kg.1.1结构特点图2所示为四驱式爬缆机器人的机构.其内部框架由四个结构相同的滑架及连接件组成,四个滑架由两台夹紧电机带动螺杆螺母进行驱动.夹紧电机选用步进电机.在滑架到达设定的夹紧位置时,控制步进电机停止转动并按额定电流设定电机,此时电机的输出力矩为保持转矩,电机不会反转从而为机器人提供了持续的夹紧力.一个夹紧电机可驱动对边滑架同时夹紧,两组对边滑架的夹紧运动相对独立,能够分别对其进行控制.移动小车由车身,驱动轮部分和导向轮部分组成.为了更好的贴合缆索,驱动轮和缆索的接触面设计成弧形.两个驱动轮通过平衡梁连接,由压簧提供压紧力.在遇到缆索上的较小突起时,平衡梁转动,压簧压缩,可使小车顺利通过障碍物.在结构允许的范围内,尽可能选择刚度较小的压簧能使机器人的越障能力达到最佳.由于无刷直流电机有体积小重量轻,输出扭矩较大,控制方式多样等优点,所以选择无刷直流电机驱动小车运动.此外,无刷直流电机输出稳定,有利于检测的平稳和可靠.导向轮由斜拉弹簧紧紧的压在缆索上,导向轮的作用是导向和使机器人攀爬稳定.为了使爬缆机器能够放置在缆索上,内外框架的一面设计成可以拆卸的.工作前,将框架门打开把机器人安置在缆索上,然后控制夹紧电机使一组对边滑架向中间滑动直到机器人和缆索之间的压力达到设定值,驱动两个滑架上的小车车轮使机器人攀爬.为了使机器人在爬缆时重心和缆索保持一致从而不会出现转动的情况,将电池及控制装置均匀安置在机器人框架四周.1.2避障在攀爬过程中,机器人遇到较小障碍物时可通过压簧的自适应性使机器人顺利通过,但是如果遇到较大障碍物如缆索表面的小型检测元件或者装饰物时,小车就会卡住无法上行.这种情况下,四驱式爬缆机器人可利用避障的方法通过障碍物.机器人正常上行时只需一组对边滑架及滑架上的小车工作,当机器人正在工作的滚轮卡在较大障碍物上时,可控制另一组对边滑架夹紧缆索,然后松开卡住的一组滑架,从而使机器人避开障碍正常工作.1.3节能回收机器人上装有速度传感器、压力传感器、红外线传感器来控制机器人的正常工作.当爬缆机器人到达缆索顶部需要回收时,可利用自身重力使其下降至地面.通过速度传感器反馈回的数据调节压紧电机正反转,调节控制机器人摩擦轮和缆索之间的压力,使机器人回收时保持匀速,避免机器人下降速度过快后失去控制.重力回收比电机驱动回收效率高,并且节省了电池能源.2爬缆机器人的动力学分析2.1静止动力学分析爬缆机器人在检测过程中需要完成:静止抱缆、匀速爬升至缆顶、较快匀速下降至地面.目前世界上斜拉桥的缆索斜度在30°～90°之间.选取极限条件90°对机器人的静态和爬升时进行动力学分析,保证机器人能够适用各种斜度的缆索.2.2爬升动力学分析爬缆机器人爬升时受力分析如图4所示.机器人受到自身重力G、缆索给驱动轮的支持力N1、缆索给导向轮的支持力N2、缆索与驱动轮的摩擦力Ff1、缆索与导向轮的摩擦力Ff2以及电机驱动力Ft,机器人低速爬升,可忽略空气阻力对其的影响.3机器人样机实验针对以上分析研制机器人样机,实验如图5所示.拟用公称直径为100mm的镀锌水管作为目标缆索,实验中缆索与地面倾角90°.为了测试机器人的越障性能,目标缆索表面布置了高度为10mm的障碍.实验共进行了10次,爬缆机器人上行下行速度均能达到设定值,爬行过程稳定,检测效率高.在遇图5机器人样机现场实验照片Fig.5Thepictureoftherobotprototypeexperiment到高度为10mm的障碍时,机器人利用压簧的自适应性能够顺利通过,没有出现过卡死的现象.在缆索表面布置一些小型原件进行实验,实验证明能够通过两组滑架的交替作业越过这些障碍,完全符合实验的预定目标.4结论据原创论文数据统计分析,四驱式爬缆机器人结构简单,拆装方便,工作效率很高.其特点是能够越过桥梁上一些较小的元件以及较大的突起障碍物,并且实现了节能回收.通过对机器人的爬升受力分析,得到了夹紧力与驱动力之间的关系,为夹紧力的设计和电机的计算选型提供了依据.。