CN104674655B - 一种缆索攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

一种缆索攀爬机器人，包括外框架、外框架上的夹紧机构和爬行机构，其中：外框架为立方体框架；其上下表面的每个边均通过径向架与内边架相连，每个侧面上均有一个夹紧机构和爬行机构；夹紧机构组成是：外框架侧面的立杆之间连接两边旋向相反的滚珠丝杠，滚珠丝杠的两丝杠螺母均铰接连杆，两连杆另一端共同铰接于上下端均安装与径向架配合的滚轮的夹紧支撑板背部；爬行机构组成是：夹紧支撑板内侧的一端铰接安装导向轮的导向杆，另一端安装与平衡梁铰接的氮气弹簧；平衡梁上下端分别安装有由同步带连接的从动轮和主动轮。该机器人可用于直径差异大的缆索，夹紧力好，爬缆能力和越障能力强，可避免卡死和打滑。

Description

一种缆索攀爬机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种对缆索进行检查和作业的缆索攀爬机器人。

背景技术

随着桥梁建造业的快速发展，斜拉桥的规模越来越大，目前，世界上主跨超过200米的斜拉桥已多达200余座。斜拉桥数量尺寸的增大为桥梁的检测带来了更多的挑战。缆索是斜拉桥的主要承重构件，且长期暴露在风吹日晒中，容易出现破损甚至断裂的情况，需要定时检测其表面是否完整。缆索悬挂在斜拉桥的两侧，可能高达百米，一般的人工检查方法耗时耗力，不能保证人身安全，利用卷扬机检测缆索虽然在一定程度上保证了人员安全，但是仍存在着效率低下的问题。在这种背景下，缆索攀爬机器人技术被提出。这种技术就是利用特别设计制作的工业机器人搭载检测系统对缆索进行检测和作业。现有的缆索攀爬机器人主要有气动蠕动式、电动连续式和螺旋爬升式。相比较，电动连续式缆索攀爬机器人有运动连续可靠、体积较小、可无线遥控及承载力较好等优点，成为缆索攀爬机器人主要发展的方向。

缆索表面通常覆盖有一层绞丝，绞丝在长期使用中会产生一些较大的凸起或凹陷，有时缆索上还会安装一些小型检测元件或者装饰品，缆索攀爬机器人在工作过程中，需要越过这些障碍。查阅国内的几款最新缆索攀爬机器人，如中国专利公开号CN201437247，公开日为2010年4月14日，实用新型创造的名称为缆索爬行机器人，该申请公开了一种缆索爬行机器人，由三根连杆支架连接三辆小车构成的，三角架的三个顶点处上推杆铰链连接下推杆，上下推杆分别安有一个驱动轮和一个从动轮。上推杆和下推杆都是通过斜拉弹簧与缆索产生接触力的，整个机器人成等边三角形结构。该实用新型的缆索机器人有以下不足。第一，所设计的三角框架结构固定，所以不能应用在直径差异过大的缆索上。第二，使用斜拉弹簧虽然有一定的越障能力，但滚轮通过较大障碍物时，仍然存在可能卡死的问题。第三，由于结构限制，在工作过程中无法改变机器人对缆索的抱紧力，当机器人在高空中卡死或者打滑，地面无法控制机器人回收。以上问题在现有种类的电动连续式缆索攀爬机器人中普遍存在。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对缆索检查和作业的缆索攀爬机器人。该机器人可用于直径差异大的缆索，对缆索的夹紧力好，爬缆能力和越障能力强，且可避免卡死和打滑。

本发明为实现其发明目的所采取的技术方案是：一种缆索攀爬机器人，包括外框架、外框架上的夹紧机构和爬行机构，其结构特点是：

所述的外框架为立方体框架；外框架的上表面和下表面的每个边均通过径向架与内边架相连，外框架每个侧面上均有一个夹紧机构和爬行机构；

每个夹紧机构的具体组成是：外框架侧面的立杆之间，通过轴承连接两边旋向相反的滚珠丝杠，滚珠丝杠两边上的丝杠螺母均铰接有连杆，两连杆的另一端共同铰接于竖向的夹紧支撑板背部的铰轴上，滚珠丝杠由固定于外框架上的步进电机驱动，夹紧支撑板的上下端均安装与外框架上的对应的径向架配合的滚轮；

每个爬行机构的具体组成是：外框架上的夹紧支撑板内侧的一端铰接导向杆，导向杆的另一端安装导向轮，导向杆与夹紧支撑板之间连接有拉伸弹簧，夹紧支撑板内侧的另一端与氮气弹簧固定连接；氮气弹簧另一端铰接于平衡梁中部，平衡梁的上下端分别安装有从动轮和主动轮，从动轮和主动轮之间连有同步带，主动轮与固定于平衡梁上的驱动电机相连。

本发明的夹紧机构的工作原理是:步进电机驱动滚珠丝杠转动，从而带动滚珠丝杠上的丝杠螺母及其丝杠螺母铰接的连杆的一端做相对运动，连杆另一端推动夹紧支撑板，夹紧支撑板的上下端的滚轮沿着外框架上的径向架向缆索运动，使导向轮、主动轮和从动轮压紧缆索；电机反转，丝杠螺母及其丝杠螺母铰接的连杆的一端做相反运动，此时，连杆拉动夹紧支撑板远离缆索，从而使导向轮、主动轮和从动轮离开缆索。

本发明的爬行机构的工作原理是：驱动电机依次通过减速器、同步带驱动主动轮转动，主动轮通过同步带带动从动轮一起转动，从而实现缆索攀爬机器人在缆索上的爬行。通过驱动电机的正反转控制缆索攀爬机器人的爬行方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过两对相对的夹紧机构和爬行机构从四个方向夹紧缆索，其夹紧力大，夹紧牢固，爬缆能力强。

二、各个方向的夹紧机构由不同步进电机控制，每个方向的夹紧支撑板和缆索之间的距离可以不同，从而可适应扁平状的缆索，同时适应的的缆索的直径范围大。

三、每个滚珠丝杠控制缆索攀爬机器人一个方向的夹紧，在遇到障碍时，可以通过松开其中一个夹紧机构，顺利地避开缆索某一侧的，或相对的两侧安装的各种零部件，其越障能力强，通过性好。

四、可以方便地通过对步进电机的控制，实现对缆索夹紧力地控制，既能够保证夹紧牢固，避免打滑，同时又能够避免卡死，通过性好。

五、氮气弹簧体积小、弹力大、行程长、工作平稳，弹力曲线平缓，且不需要预紧，采用氮气弹簧为机器人提供压力，压力恒定，避免缆索攀爬机器人爬缆遇到障碍时，弹簧因受到过大的压缩力而对缆索压力过大出现卡死，大大提高了其越障性能，保证了缆索攀爬机器人桥梁检测的工作效率。

五、夹紧支撑板上安装有导向轮、主动轮和从动轮，一个滑架和缆索有三个接触点，保证了与缆索的接触牢固，夹紧力好，同时主动轮和从动轮之间通过平衡梁连接，平衡梁的中部通过氮气弹簧及直线轴承与夹紧支撑板连接，使得主动轮(从动轮)能绕平衡梁的铰轴旋转，及整个平衡梁的后退及回弹，使得其越障能力强，同时夹紧力好。

进一步，本发明所述的外框架侧面的立杆之间固定有直线导轨，直线导轨位于滚珠丝杠的外侧，且直线导轨的两个滑块分别与两个丝杠螺母固定连接。

这样，直线导轨可分担丝杠螺母对丝杠产生的垂直方向的作用力，避免滚珠丝杠长期受到过大的弯矩作用而变形失效。

进一步，本发明所述的滚珠丝杠由固定于外框架上的步进电机驱动的具体方式是：一个固定于外框架上的步进电机驱动相对的两个滚珠丝杠：所述的步进电机通过减速器与一个滚珠丝杠连接，所述的滚珠丝杠与另一个滚珠丝杠通过同步带相连。

这样，在满足缆索攀爬机器人对扁平状缆索的适应性和越障能力的前提下，通过简单的方式，实现由一个步进电机控制相对的夹紧机构夹紧或松开缆索，降低了成本和整个缆索攀爬机器人的重量。

进一步，本发明所述的相对的一对爬行机构的导向杆及其安装的导向轮位于夹紧支撑板的上端，另一对爬行机构的导向杆及其安装的导向轮位于夹紧支撑板的下端。

这样，相邻的夹紧支撑板上的导向轮一上一下，主动轮和从动轮也一上一下，使得缆索上下受力均匀，且上行和下行爬动时均有爬行能力强的主动轮和从动轮在前，导向能力好的导向轮在后，使得其上行和下行时均具有良好的爬行能力和导向能力。

进一步，所述的主动轮与固定于平衡梁上的驱动电机相连的具体结构是：驱动电机通过依次通过减速器、同步带与主动轮相连。

这样，通过同步带的连接，控制驱动电机的正反转及转动速度，可操控机器人爬行方向及爬行速度。

进一步，本发明所述的驱动电机为无刷直流电机。

这种电机重量轻和体积小，机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便，噪声小。

进一步，本发明所述的外框架为一侧可拆卸的框架，其中一个侧面框架和其他侧面通过销连接。

这样，拆卸方便，提高了工作效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例的正视结构示意图。

图2为图1的A-A剖面示意图。

图3为图1的C-C剖视示意图。

图4为本发明实施例的侧视结构示意图。

图5为本发明实施例的俯视结构示意图。

具体实施方式

实施例

图1-5示出，本发明的一种具体实施方式是：一种缆索攀爬机器人，包括外框架100、外框架100上的夹紧机构和爬行机构，其结构特点是：

所述的外框架100为立方体框架；外框架100的上表面和下表面的每个边均通过径向架101与内边架102相连，外框架100每个侧面上均有一个夹紧机构和爬行机构；

每个夹紧机构的具体组成是：外框架100侧面的立杆之间，通过轴承连接两边旋向相反的滚珠丝杠201，滚珠丝杠201两边上的丝杠螺母202均铰接有连杆203，两连杆203的另一端共同铰接于竖向的夹紧支撑板204背部的铰轴上，滚珠丝杠201由固定于外框架100上的步进电机205驱动，夹紧支撑板204的上下端均安装与外框架100上的对应的径向架101配合的滚轮207；

每个爬行机构的具体组成是：外框架上的夹紧支撑板204内侧的一端铰接导向杆301，导向杆301的另一端安装导向轮302，导向杆301与夹紧支撑板204之间连接有拉伸弹簧303，夹紧支撑板204内侧的另一端与氮气弹簧307固定连接；氮气弹簧307另一端铰接于平衡梁305中部，平衡梁305的上下端分别安装有从动轮308和主动轮309，从动轮308和主动轮309之间连有同步带，主动轮309与固定于平衡梁305上的驱动电机310相连。

本例中所述的外框架100侧面的立杆之间固定有直线导轨208，直线导轨208位于滚珠丝杠201的外侧，且直线导轨208的两个滑块分别与两个丝杠螺母202固定连接。

本例中所述的滚珠丝杠201由固定于外框架100上的步进电机205驱动的具体方式是：一个固定于外框架100上的步进电机205驱动相对的两个滚珠丝杠201：所述的步进电机205通过减速器与一个滚珠丝杠201连接，所述的滚珠丝杠201与另一个滚珠丝杠201通过同步带相连。

本例中所述相对的一对爬行机构的导向杆301及其安装的导向轮302位于夹紧支撑板204的上端，另一对爬行机构的导向杆301及其安装的导向轮302位于夹紧支撑板204的下端。

本例中所述的主动轮309与固定于平衡梁305上的驱动电机310相连的具体结构是：驱动电机310依次通过减速器、同步带与主动轮309相连。

本例中所述的驱动电机310为无刷直流电机。

本例中所述外框架100为一侧可拆卸的框架，其中一个侧面框架和其他侧面通过销连接。

Claims (7)

1.一种缆索攀爬机器人，包括外框架(100)、外框架(100)上的夹紧机构和爬行机构，其特征在于：

所述的外框架(100)为立方体框架；外框架(100)的上表面和下表面的每个边均通过径向架(101)与内边架(102)相连，外框架(100)每个侧面上均有一个夹紧机构和爬行机构；

每个夹紧机构的具体组成是：外框架(100)侧面的立杆之间，通过轴承连接两边旋向相反的滚珠丝杠(201)，滚珠丝杠(201)两边上的丝杠螺母(202)均铰接有连杆(203)，两连杆(203)的另一端共同铰接于竖向的夹紧支撑板(204)背部的铰轴上，滚珠丝杠(201)由固定于外框架(100)上的步进电机(205)驱动，夹紧支撑板(204)的上下端均安装与外框架(100)上的对应的径向架(101)配合的滚轮(207)；

每个爬行机构的具体组成是：外框架上的夹紧支撑板(204)内侧的一端铰接导向杆(301)，导向杆(301)的另一端安装导向轮(302)，导向杆(301)与夹紧支撑板(204)之间连接有拉伸弹簧(303)，夹紧支撑板(204)内侧的另一端与氮气弹簧(307)固定连接；氮气弹簧(307)另一端铰接于平衡梁(305)中部，平衡梁(305)的上下端分别安装有从动轮(308)和主动轮(309)，从动轮(308)和主动轮(309)之间连有同步带，主动轮(309)与固定于平衡梁(305)上的驱动电机(310)相连。

2.根据权利要求1的所述的一种缆索攀爬机器人，其特征在于：所述外框架(100)侧面的立杆之间固定有直线导轨(208)，直线导轨(208)位于滚珠丝杠(201)的外侧，且直线导轨(208)的两个滑块分别与两个丝杠螺母(202)固定连接。

3.根据权利要求1的所述的一种缆索攀爬机器人，其特征在于：所述的滚珠丝杠(201)由固定于外框架(100)上的步进电机(205)驱动的具体方式是：一个固定于外框架(100)上的步进电机(205)驱动相对的两个滚珠丝杠(201)：所述的步进电机(205)通过减速器与一个滚珠丝杠连接，所述的滚珠丝杠与另一个滚珠丝杠通过同步带相连。

4.根据权利要求1所述的一种缆索攀爬机器人，其特征在于：相对的一对所述爬行机构的导向杆及其安装的导向轮位于夹紧支撑板的上端，另一对爬行机构的导向杆及其安装的导向轮位于夹紧支撑板的下端。

5.根据权利要求1所述的一种缆索攀爬机器人，其特征在于：所述的主动轮(309)与固定于平衡梁(305)上的驱动电机(310)相连的具体结构是：驱动电机(310)依次通过减速器、同步带与主动轮(309)相连。

6.根据权利要求1所述的一种缆索攀爬机器人，其特征在于：所述的驱动电机(310)为无刷直流电机。

7.根据权利要求1所述的一种缆索攀爬机器人，其特征在于：所述外框架(100)为一侧可拆卸的框架，其中一个侧面框架和其他侧面通过销连接。