CN102126642A - 预应力结构预紧缠绕机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力结构预紧缠绕机器人，包括用于控制缠绕钢丝张力的张力系统、用于将带有设定张力的缠绕钢丝一端整齐的固定排列在被缠绕结构需缠绕部位表面的排线系统、用于带动张力系统和排线系统沿需缠绕结构需缠绕部位表面运动的驱动系统和用于保障缠绕机器人任意姿态下可靠地围绕在需缠绕结构的需缠绕部位表面进行公转的缠绕姿态保障系统，本发明从根本上解决了重型需缠绕结构的缠绕技术难题，可进行原位缠绕施工，垂直缠绕时，缠绕后无需翻转或搬动，其具有操作方便、安全、控制精度高、方便运输、缠绕效率高、大大节省缠绕施工成本的优点。

Description

预应力结构预紧缠绕机器人

技术领域

本发明涉及一种缠绕装置，特别涉及一种预应力结构预紧缠绕机器人。

背景技术

传统的钢丝缠绕技术是由被固定于旋转转盘上的被缠绕结构自身转动，拖动一端固定于其上而另一端自钢丝盘引出的缠绕钢丝，并且缠绕钢丝以一定张力平稳释放的方式来完成对被缠绕结构的缠绕施工的技术，当结构过大(十几米至几十米)、过重(数百吨-数千吨)时，传统转盘缠绕将无能为力，同时大多数情况下几十米、数千吨的重型缠绕结构(机架)是在垂直放置状态使用，水平缠绕后还需要两次翻转和吊装，其操作非常困难、费时，且成本高昂。

发明内容

为了弥补以上不足，本发明提供了一种预应力结构预紧缠绕机器人，其可在计算机控制下完成对被缠绕结构的自动预紧缠绕，操作方便、安全，节省缠绕成本。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种预应力结构预紧缠绕机器人，包括张力系统、排线系统、驱动系统和缠绕姿态保障系统，其中：

张力系统用于控制缠绕钢丝张力，张力系统包括钢丝盘、增阻器、张力轮和张力闭环控制装置，缠绕钢丝预先缠绕于钢丝盘上，缠绕钢丝一端从钢丝盘上引出通过增阻器产生设定的张力，其再经过张力轮被放大到设定的张力后，再进入张力闭环控制装置并引出，张力闭环控制装置可检测和分析缠绕钢丝所带张力及其波动值，并随时调整张力轮放大缠绕钢丝张力倍数使其输出的缠绕钢丝达到设定的张力；

排线系统用于将带有设定张力的缠绕钢丝一端整齐的固定排列在被缠绕结构需缠绕部位表面，排线系统包括步进排线电机、减速机、滚珠丝杠、直线导轨和排线梁，步进排线电机和直线导轨相对固定定位，步进排线电机通过减速机带动滚珠丝杠旋转，排线梁轴向可滑动且径向止动定位于直线导轨上，排线梁与滚珠丝杠螺纹连接，这样通过步进排线电机带动滚珠丝杠旋转，排线梁就在滚珠丝杠带动下沿直线导轨直线运动，这样只需要控制步进排线电机的转速和转动方向就可以控制排线梁移动的速度和方向，可有效保证缠绕钢丝的排列间距和缠绕方向，可防止缠绕钢丝间距过大或重叠；

驱动系统用于带动张力系统和排线系统沿需缠绕结构需缠绕部位表面运动，驱动系统包括驱动电机、驱动链条、驱动链轮组、主链轮和传动链条，驱动链条固定缠绕于被缠绕结构径向外侧的非缠绕面上，驱动电机驱动主链轮，主链轮通过传动链条带动驱动链轮组，驱动链轮组与驱动链条啮合；

缠绕姿态保障系统用于保障缠绕机器人任意姿态下可靠地围绕在需缠绕结构的需缠绕部位表面进行公转，缠绕姿态保障系统包括主动行走体、从动行走体和铰接连杆，主动行走体与从动行走体及从动行走体与从动行走体之间通过铰接连杆顺序铰接形成一环状并排列于需缠绕结构表面，主动行走体和从动行走体又包括框架、内约束轮、外约束轮和侧向约束轮，内约束轮、外约束轮和侧向约束轮分别可转动定位于框架位于需缠绕部位两侧的位置上，内约束轮、外约束轮和侧向约束轮相互靠近的圆周面形成一凹槽状，需缠绕结构位于其需缠绕部位两侧分别设有一圈环状凸台，内约束轮和外约束轮的圆周面分别与该环状凸台径向内、外两侧面相切，侧向约束轮的圆周面与该环状凸台轴向端面相切，当机器人为水平缠绕时，侧向约束轮又分为承重侧向约束轮和非承重侧向约束轮，位于需缠绕结构上方的侧向约束轮为承重侧向约束轮，位于需缠绕结构下方的侧向约束轮为非承重侧向约束轮；

当机器人为垂直缠绕时，内约束轮和外约束轮为分别为承重内约束轮、非承重内约束轮、非承重外约束轮和承重外约束轮，当主、从动行走体位于需缠绕结构上方时，外约束轮为承重外约束轮，而此时内约束轮为非承重内约束轮，当主、从动行走体位于需缠绕结构下方时，外约束轮为非承重外约束轮，而此时内约束轮为承重内约束轮；

所述驱动系统的驱动电机及其驱动的主链轮、传动链条和驱动链轮组均固定定位于主动行走体上，张力系统和排线系统均固定定位于从动行走体上，张力系统输出的带有设定张力的缠绕钢丝一端经过排线系统的排线梁与需缠绕结构的需缠绕部位固连。

作为本发明的进一步改进，当缠绕机器人进行任意姿态缠绕时，所述张力系统、排线系统、驱动系统和缠绕姿态保障系统的数量均为偶数个，且沿需缠绕结构表面呈对称分布状态。

作为本发明的进一步改进，所述增阻器包括两平行排列的压板，该两平行排列的压板通过拉簧连接，两压板相互靠近的侧壁上设有平行交错排列的滚轮，滚轮圆周面间相互靠近，滚轮圆周面上设有第一沟槽，缠绕钢丝多次反复弯曲而通过滚轮的第一沟槽，使钢丝获得初张力。

作为本发明的进一步改进，在更换钢丝盘时，需在增阻器前完成新旧缠绕钢丝接头无张力对接，新旧缠绕钢丝接头无张力对接采用电阻焊方式完成。

作为本发明的进一步改进，张力轮为“8”字轮，“8”字轮包括主动轮和从动轮，该主、从动轮上分别设有数量和宽度相同的第二沟槽，“8”字轮的主动轮具有逆钢丝滑动方向的转动趋势，缠绕钢丝相互交错呈“8”字状缠绕于主、从动轮上表面的第二沟槽中，主动轮有逆缠绕钢丝滑动方向转动趋势，缠绕钢丝经过“8”字轮后在摩擦力作用下张力增加达到设定值，具体如下：

设缠绕钢丝在主、从动轮上缠绕n圈，从第二圈到第n-1圈上的包角为α₀，缠绕钢丝001进入“8”字轮前所具有的初张力为T0则经过“8”字轮后缠绕钢丝张力达到设定值，当缠绕机器人处于缠绕状态时，缠绕钢丝经“8”字轮被不断拉出，故“8”字轮的主、从动轮均顺缠绕钢丝滑动方向转动，此时与主动轮相连的直流电机处于发电状态，产生阻力矩，保证缠绕钢丝的张力为T_R，当缠绕机器人处于制动状态时，“8”字轮的主、从动轮为停转状态，直流电机工作在驱动状态，收紧钢丝，两种状态的输出转矩为同一方向，只是因缠绕钢丝送进方向不同，才产生发电和驱动两种状态，发电时，电能可通过调制器回馈到电网，从根本上解决发热问题，停车和倒车时能主动收卷缠绕钢丝，保证缠绕过程中缠绕钢丝张力的连续性。

作为本发明的进一步改进，张力闭环控制装置包括三组滑轮、张力检测传感器、前置放大器、A/D转换器、终端执行器(直流电机)和人机控制终端，三组滑轮呈对称三角形方式排列，缠绕钢丝依次呈内外交替状态绕过该三组滑轮圆周表面，张力检测传感器可感应钢丝引起的压力值并将该压力值转换成电压模拟量输出，该电压模拟量经过前置放大器和A/D转换器传输给人机控制终端，人机控制终端通过计算控制终端执行器，从而控制张力轮主动轮逆钢丝运动方向的扭矩。

作为本发明的进一步改进，排线系统的排线梁上还设有导向轮和排线轮，所述导向轮与张力轮方向一致排列，排线轮与导向轮呈轴向垂直状态排列或呈平行状态排列的一种，导向轮和排线轮可以将与缠绕方向具有偏差的缠绕钢丝校正方向，且使缠绕钢丝与被缠绕部位表面良好贴合，在水平缠绕时，导向轮与排线轮轴向正交，钢丝被扭转九十度，对于垂直缠绕导向轮轴与排线轮轴平行放置。

作为本发明的进一步改进，排线系统两直线导轨平行于滚珠丝杠并分别排列于滚珠丝杠径向两侧，该两直线导轨轴向两端分别固定定位于同一从动行走体的框架上，排线梁沿缠绕钢丝运动方向的两端分别轴向可滑动套设于两直线导轨外侧，这样可保证滚珠丝杠只承受轴向力，同时保证排线梁带动缠绕钢丝按平面直角坐标移动，使缠绕钢丝排列整齐。

作为本发明的进一步改进，驱动系统的驱动链条为两条双排驱动链条，分别固定缠绕于需缠绕结构径向外侧需缠绕部位两侧的非缠绕面上，所述驱动电机的数量也为两个，呈对称状态定位于主动行走体上，其动力输出端的主链轮通过传动链条分别带动双排的驱动链轮组，该双排的驱动链轮组分别与一条双排的驱动链条啮合，该结构安装方便，易于调整，用两条双排驱动链条分别布置在需缠绕部位两侧，用双排驱动链轮同时啮合，降低了驱动链轮组的载荷。

作为本发明的进一步改进，所述驱动系统的驱动电机为调频交流电机，其能实现机器人运行过程中无级变速的功能，起动转矩大，不需附加启动设备，恒转矩调速范围宽，利于机器人带张力启动。

作为本发明的进一步改进，驱动电机设有制动装置，该制动装置用于断电后仍能保持缠绕钢丝上的张力率。

作为本发明的进一步改进，还设有行走导向轮，行走导向轮可转动定位于框架位于需缠绕部位的两侧，行走导向轮平行于内约束轮并位于内约束轮位于运动方向的前方和后方，因外约束轮行走的半径与内约束轮行走的半径不同，通过行走导向轮产生一附加力矩使外约束轮与内约束轮同步，而不致发生圆弧段运行时卡死现象。

作为本发明的进一步改进，还设有平衡轮，平衡轮可转动定位于框架位于需缠绕部位的两侧，平衡轮圆周面与需缠绕结构的环状凸台径向侧面间存有设定距离，平衡轮平行位于外约束轮运动方向的前方和后方，该平衡轮用来平衡驱动电机工作时产生的反作用力矩，使得主、从动行走体平稳运行。

作为本发明的进一步改进，还设有调节伸缩节，该调节伸缩节分别与主动行走体和从动行走体铰接连接，该调节伸缩节轴向长度可伸缩，其用于调节与需缠绕结构导轨周长匹配的运动链总长度，传递非水平缠绕时因重力产生的附加力矩，在驱动系统、张力系统和排线系统对称配制的情况下，使因重力产生的附加力矩大小相等，方向相反互相抵消，从而大大简化控制系统的复杂程度，调节伸缩节采用螺旋扣式正、反螺纹结构，调节伸缩节能随缠绕过程中需缠绕结构的几何尺寸变化而随时调节以保证驱动系统不与需缠绕结构产生运动干涉。

作为本发明的进一步改进，在水平缠绕时，框架包括第一框架和第二框架，其中第一框架与第二框架铰接，驱动电机、驱动链轮组和内、外和侧向约束轮均固设于第一框架上；钢丝盘，排线系统、张力系统均固设于第二框架上，垂直缠绕时无第二框架。

作为本发明的进一步改进，垂直缠绕时，外约束轮和侧向约束轮合并成为阶梯承重侧向约束轮，其为一端直径小于另一端直径的阶梯状轮体，需缠绕结构的环状凸台径向外侧面也呈轴向外侧直径小于轴向内侧直径的阶梯状凸起，阶梯承重侧向约束轮恰与需缠绕结构的环状凸台径向外侧面的阶梯状凸起匹配，该结构如火车轮与火车轨道一样，这样就实现一个轮子同时起到承重和外约束两种功能。

作为本发明的进一步改进，阶梯承重侧向约束轮的圆周面上设有油槽，油槽内设有润滑油脂，可有效减少阶梯承重侧向约束轮和需缠绕结构的阶梯状凸起的磨损。

作为本发明的进一步改进，还设有至少两条安全绳索，该安全绳索活动穿置于主、从动行走体及其上承载的张力系统、排线系统和驱动系统上形成钢丝环，主、从动行走体及其上承载的张力系统、排线系统和驱动系统可沿安全绳索长度方向滑动，这样可防止运动链突然断裂等意外情况发生，以确保运行安全，避免人员和设备事故。

本发明的有益技术效果是：本发明从根本上解决了重型需缠绕结构的缠绕技术难题，可进行原位缠绕施工，当采用垂直缠绕时，缠绕后无需翻转或搬动，同时其具有操作方便、安全、控制精度高、方便运输、缠绕效率高、大大节省缠绕施工成本的优点。

附图说明

图1为本发明使用状态图；

图2为图1中A部放大图；

图3为图1中B部放大图；

图4为本发明水平缠绕方式示意图；

图5为本发明任意姿态缠绕方式示意图；

图6为本发明系统原理图；

图7为张力系统原理图；

图8为增阻器结构原理图；

图9为“8”字轮结构示意图；

图10为排线系统结构图；

图11为排线系统原理图；

图12为水平缠绕方式缠绕钢丝走向示意图；

图13为垂直缠绕方式缠绕钢丝走向示意图；

图14为水平缠绕方式缠绕姿态保障系统结构原理图；

图15为水平缠绕方式缠绕姿态保障系侧向原理图；

图16为垂直缠绕方式缠绕姿态保障系统结构原理图；

图17为阶梯承重侧向约束轮结构原理图。

具体实施方式

实施例：一种预应力结构预紧缠绕机器人，包括张力系统200、排线系统300、驱动系统400和缠绕姿态保障系统100，其中：

张力系统200用于控制缠绕钢丝001张力，张力系统200包括钢丝盘201、增阻器202、张力轮203和张力闭环控制装置204，缠绕钢丝001预先缠绕于钢丝盘201上，缠绕钢丝001一端从钢丝盘201上引出通过增阻器202产生设定的张力，其再经过张力轮203被放大到设定的张力后，再进入张力闭环控制装置204并引出，张力闭环控制装置204可检测和分析缠绕钢丝001所带张力及其波动值，并随时调整张力轮203放大缠绕钢丝001张力倍数使其输出的缠绕钢丝001达到设定的张力；

排线系统300用于将带有设定张力的缠绕钢丝001一端整齐的固定排列在被缠绕结构需缠绕部位502表面，排线系统300包括步进排线电机301、减速机302、滚珠丝杠303、直线导轨304和排线梁305，步进排线电机301和直线导轨304相对固定定位，步进排线电机301通过减速机302带动滚珠丝杠303旋转，排线梁305轴向可滑动且径向止动定位于直线导轨304上，排线梁305与滚珠丝杠303螺纹连接，这样通过步进排线电机301带动滚珠丝杠303旋转，排线梁305就在滚珠丝杠303带动下沿直线导轨304直线运动，这样只需要控制步进排线电机301的转速和转动方向就可以控制排线梁305移动的速度和方向，可有效保证缠绕钢丝001的排列间距和缠绕方向，可防止缠绕钢丝001间距过大或重叠；

驱动系统400用于带动张力系统200和排线系统300沿需缠绕结构500需缠绕部位502表面运动，驱动系统400包括驱动电机401、驱动链条405、驱动链轮组404、主链轮402和传动链条403，驱动链条405固定缠绕于被缠绕结构径向外侧的非缠绕面上，驱动电机401驱动主链轮402，主链轮402通过传动链条403带动驱动链轮组404，驱动链轮组404与驱动链条405啮合；

缠绕姿态保障系统100用于保障缠绕机器人任意姿态下可靠地围绕在需缠绕结构的需缠绕部位502表面进行公转，缠绕姿态保障系统100包括主动行走体101、从动行走体102和铰接连杆103，主动行走体101与从动行走体102及从动行走体102与从动行走体102之间通过铰接连杆103顺序铰接形成一环状并排列于需缠绕结构500表面，主动行走体101和从动行走体102又包括框架104、内约束轮105、外约束轮106和侧向约束轮107，内约束轮105、外约束轮106和侧向约束轮107分别可转动定位于框架104位于需缠绕部位502两侧的位置上，内约束轮105、外约束轮106和侧向约束轮107相互靠近的圆周面形成一凹槽状，需缠绕结构500位于其需缠绕部位502两侧分别设有一圈环状凸台501，内约束轮105和外约束轮106的圆周面分别与该环状凸台501径向内、外两侧面相切，侧向约束轮107的圆周面与该环状凸台501轴向端面相切，当机器人为水平缠绕时，侧向约束轮107又分为承重侧向约束轮和非承重侧向约束轮，位于需缠绕结构500上方的侧向约束轮107为承重侧向约束轮，位于需缠绕结构500下方的侧向约束轮107为非承重侧向约束轮；

当机器人为垂直缠绕时，内约束轮105和外约束轮106为分别为承重内约束轮、非承重内约束轮、非承重外约束轮和承重外约束轮，当主、从动行走体101、102位于需缠绕结构500上方时，外约束轮106为承重外约束轮，而此时内约束轮105为非承重内约束轮，当主、从动行走体101、102位于需缠绕结构500下方时，外约束轮106为非承重外约束轮，而此时内约束轮105为承重内约束轮；

所述驱动系统400的驱动电机401及其驱动的主链轮402、传动链条403和驱动链轮组404均固定定位于主动行走体101上，张力系统200和排线系统300均固定定位于从动行走体102上，张力系统200输出的带有设定张力的缠绕钢丝001一端经过排线系统300的排线梁305与需缠绕结构500的需缠绕部位502固连。

当缠绕机器人进行任意姿态缠绕时，所述张力系统200、排线系统300、驱动系统400和缠绕姿态保障系统100的数量均为偶数个，且沿需缠绕结构500表面呈对称分布状态。

所述增阻器202包括两平行排列的压板2021，该两平行排列的压板2021通过拉簧2022连接，两压板2021相互靠近的侧壁上设有平行交错排列的滚轮2023，滚轮2023圆周面间相互靠近，滚轮2023圆周面上设有第一沟槽2024，缠绕钢丝001多次反复弯曲而通过滚轮2023的第一沟槽2024，使钢丝获得初张力。

在更换钢丝盘201时，需在增阻器202前完成新旧缠绕钢丝001接头无张力对接，新旧缠绕钢丝001接头无张力对接采用电阻焊方式完成。

所述张力轮203为“8”字轮，“8”字轮包括主动轮2031和从动轮2032，该主、从动轮2031、2032上分别设有数量和宽度相同的第二沟槽2033，“8”字轮的主动轮2031具有逆钢丝滑动方向的转动趋势，缠绕钢丝001相互交错呈“8”字状缠绕于主、从动轮2031、2032上表面的第二沟槽2033中，主动轮有逆缠绕钢丝001滑动方向转动趋势，缠绕钢丝001经过“8”字轮后在摩擦力作用下张力增加达到设定值，具体如下：

设缠绕钢丝001在主、从动轮2031、2032上缠绕n圈，从第二圈到第n-1圈上的包角为α₀，缠绕钢丝001进入“8”字轮前所具有的初张力为T₀则经过“8”字轮后缠绕钢丝001张力达到设定值，当缠绕机器人处于缠绕状态时，缠绕钢丝001经“8”字轮被不断拉出，故“8”字轮的主、从动轮2031、2032均顺缠绕钢丝001滑动方向转动，此时与主动轮2031相连的直流电机处于发电状态，产生阻力矩，保证缠绕钢丝001的张力为T_R，当缠绕机器人处于制动状态时，“8”字轮的主、从动轮2031、2032为停转状态，直流电机工作在驱动状态，收紧钢丝，两种状态的输出转矩为同一方向，只是因缠绕钢丝001送进方向不同，才产生发电和驱动两种状态，发电时，电能可通过调制器回馈到电网，从根本上解决发热问题，停车和倒车时能主动收卷缠绕钢丝001，保证缠绕过程中缠绕钢丝001张力的连续性。

所述张力闭环控制装置204包括三组滑轮2041、张力检测传感器2042、前置放大器2043、A/D转换器2044、终端执行器2045(直流电机)和人机控制终端2046，三组滑轮2041呈对称三角形方式排列，缠绕钢丝001依次呈内外交替状态绕过该三组滑轮2041圆周表面，张力检测传感器2042可感应钢丝引起的压力值并将该压力值转换成电压模拟量输出，该电压模拟量经过前置放大器2043和A/D转换器2044传输给人机控制终端2046，人机控制终端2046通过计算控制终端执行器2045，从而控制张力轮203主动轮2031逆钢丝运动方向的扭矩。

所述排线系统300的排线梁305上还设有导向轮3051和排线轮3052，所述导向轮3051与张力轮203方向一致排列，排线轮3052与导向轮3051呈轴向垂直状态排列或呈平行状态排列的一种，导向轮3051和排线轮3052可以将与缠绕方向具有偏差的缠绕钢丝001校正方向，且使缠绕钢丝001与被缠绕部位表面良好贴合，在水平缠绕时，导向轮3051与排线轮3052轴向正交，钢丝被扭转九十度，对于垂直缠绕导向轮3051轴与排线轮3052轴平行放置。

所述排线系统300两直线导轨304平行于滚珠丝杠303并分别排列于滚珠丝杠303径向两侧，该两直线导轨304轴向两端分别固定定位于同一从动行走体102的框架104上，排线梁305沿缠绕钢丝001运动方向的两端分别轴向可滑动套设于两直线导轨304外侧，这样可保证滚珠丝杠303只承受轴向力，同时保证排线梁305带动缠绕钢丝001按平面直角坐标移动，使缠绕钢丝001排列整齐。

所述驱动系统400的驱动链条405为两条双排驱动链条405，分别固定缠绕于需缠绕结构500径向外侧需缠绕部位502两侧的非缠绕面上，所述驱动电机401的数量也为两个，呈对称状态定位于主动行走体101上，其动力输出端的主链轮402通过传动链条403分别带动双排的驱动链轮组404，该双排的驱动链轮组404分别与一条双排的驱动链条405啮合，该结构安装方便，易于调整，用两条双排驱动链条405分别布置在需缠绕部位两侧，用双排驱动链轮同时啮合，降低了驱动链轮组的载荷。

所述驱动系统400的驱动电机401为调频交流电机，其能实现机器人运行过程中无级变速的功能，起动转矩大，不需附加启动设备，恒转矩调速范围宽，利于机器人带张力启动。

所述驱动电机401设有制动装置，该制动装置用于断电后仍能保持缠绕钢丝001上的张力率。

还设有行走导向轮109，行走导向轮109可转动定位于框架104位于需缠绕部位502的两侧，行走导向轮109平行于内约束轮105并位于内约束轮105位于运动方向的前方和后方，因外约束轮106行走的半径与内约束轮105行走的半径不同，通过行走导向轮109产生一附加力矩使外约束轮106与内约束轮105同步，而不致发生圆弧段运行时卡死现象。

还设有平衡轮108，平衡轮108可转动定位于框架104位于需缠绕部位502的两侧，平衡轮108圆周面与需缠绕结构500的环状凸台501径向侧面间存有设定距离，平衡轮108平行位于外约束轮106运动方向的前方和后方，该平衡轮108用来平衡驱动电机401工作时产生的反作用力矩，使得主、从动行走体101、102平稳运行。

还设有调节伸缩节110，该调节伸缩节110分别与主动行走体101和从动行走体102铰接连接，该调节伸缩节110轴向长度可伸缩，其用于调节与需缠绕结构500导轨周长匹配的运动链总长度，传递非水平缠绕时因重力产生的附加力矩，在驱动系统400、张力系统200和排线系统300对称配制的情况下，使因重力产生的附加力矩大小相等，方向相反互相抵消，从而大大简化控制系统的复杂程度，调节伸缩节110采用螺旋扣式正、反螺纹结构，调节伸缩节110能随缠绕过程中需缠绕结构500的几何尺寸变化而随时调节以保证驱动系统400不与需缠绕结构500产生运动干涉。

在水平缠绕时，框架包括第一框架113和第二框架114，其中第一框架113与第二框架114铰接，驱动电机401、驱动链轮组404和内、外和侧向约束轮105、106、107均固设于第一框架113上；钢丝盘201，排线系统300、张力系统200均固设于第二框架114上，垂直缠绕时无第二框架114。

垂直缠绕时，外约束轮106和侧向约束轮107合并成为阶梯承重侧向约束轮112，其为一端直径小于另一端直径的阶梯状轮体，需缠绕结构500的环状凸台501径向外侧面也呈轴向外侧直径小于轴向内侧直径的阶梯状凸起503，阶梯承重侧向约束轮112恰与需缠绕结构500的环状凸台501径向外侧面的阶梯状凸起503匹配，该结构如火车轮与火车轨道一样，这样就实现一个轮子同时起到承重和外约束两种功能。

所述阶梯承重侧向约束轮112的圆周面上设有油槽1121，油槽1121内设有润滑油脂，这样可有效减少阶梯承重侧向约束轮112和需缠绕结构500的阶梯状凸起503的磨损。

还设有至少两条安全绳索600，该安全绳索600活动穿置于主、从动行走体101、102及其上承载的张力系统200、排线系统300和驱动系统400上形成钢丝环，主、从动行走体101、102及其上承载的张力系统200、排线系统300和驱动系统400可沿安全绳索600长度方向滑动，这样可防止运动链突然断裂等意外情况发生，以确保运行安全，避免人员和设备事故。

Claims (18)

1.一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：包括张力系统(200)、排线系统(300)、驱动系统(400)和缠绕姿态保障系统(100)，其中：

张力系统(200)用于控制缠绕钢丝(001)张力，张力系统(200)包括钢丝盘(201)、增阻器(202)、张力轮(203)和张力闭环控制装置(204)，缠绕钢丝(001)预先缠绕于钢丝盘(201)上，缠绕钢丝(001)一端从钢丝盘(201)上引出通过增阻器(202)产生设定的张力，其再经过张力轮(203)被放大到设定的张力后，再进入张力闭环控制装置(204)并引出，张力闭环控制装置(204)可检测和分析缠绕钢丝(001)所带张力及其波动值，并随时调整张力轮(203)放大缠绕钢丝(001)张力倍数使其输出的缠绕钢丝(001)达到设定的张力；

排线系统(300)用于将带有设定张力的缠绕钢丝(001)一端整齐的固定排列在被缠绕结构需缠绕部位(502)表面，排线系统(300)包括步进排线电机(301)、减速机(302)、滚珠丝杠(303)、直线导轨(304)和排线梁(305)，步进排线电机(301)和直线导轨(304)相对固定定位，步进排线电机(301)通过减速机(302)带动滚珠丝杠(303)旋转，排线梁(305)轴向可滑动且径向止动定位于直线导轨(304)上，排线梁(305)与滚珠丝杠(303)螺纹连接；

驱动系统(400)用于带动张力系统(200)和排线系统(300)沿需缠绕结构(500)需缠绕部位(502)表面运动，驱动系统(400)包括驱动电机(401)、驱动链条(405)、驱动链轮组(404)、主链轮(402)和传动链条(403)，驱动链条(405)固定缠绕于被缠绕结构径向外侧的非缠绕面上，驱动电机(401)驱动主链轮(402)，主链轮(402)通过传动链条(403)带动驱动链轮组(404)，驱动链轮组(404)与驱动链条(405)啮合；

缠绕姿态保障系统(100)用于保障缠绕机器人任意姿态下可靠地围绕在需缠绕结构的需缠绕部位(502)表面进行公转，缠绕姿态保障系统(100)包括主动行走体(101)、从动行走体(102)和铰接连杆(103)，主动行走体(101)与从动行走体(102)及从动行走体(102)与从动行走体(102)之间通过铰接连杆(103)顺序铰接形成一环状并排列于需缠绕结构(500)表面，主动行走体(101)和从动行走体(102)又包括框架(104)、内约束轮(105)、外约束轮(106)和侧向约束轮(107)，内约束轮(105)、外约束轮(106)和侧向约束轮(107)分别可转动定位于框架(104)位于需缠绕部位(502)两侧的位置上，内约束轮(105)、外约束轮(106)和侧向约束轮(107)相互靠近的圆周面形成一凹槽状，需缠绕结构(500)位于其需缠绕部位(502)两侧分别设有一圈环状凸台(501)，内约束轮(105)和外约束轮(106)的圆周面分别与该环状凸台(501)径向内、外两侧面相切，侧向约束轮(107)的圆周面与该环状凸台(501)轴向端面相切；

所述驱动系统(400)的驱动电机(401)及其驱动的主链轮(402)、传动链条(403)和驱动链轮组(404)均固定定位于主动行走体(101)上，张力系统(200)和排线系统(300)均固定定位于从动行走体(102)上，张力系统(200)输出的带有设定张力的缠绕钢丝(001)一端经过排线系统(300)的排线梁(305)与需缠绕结构(500)的需缠绕部位(502)固连。

2.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：当缠绕机器人进行任意姿态缠绕时，所述张力系统(200)、排线系统(300)、驱动系统(400)和缠绕姿态保障系统(100)的数量均为偶数个，且沿需缠绕结构(500)表面呈对称分布状态。

3.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：所述增阻器(202)包括两平行排列的压板(2021)，该两平行排列的压板(2021)通过拉簧(2022)连接，两压板(2021)相互靠近的侧壁上设有平行交错排列的滚轮(2023)，滚轮(2023)圆周面间相互靠近，滚轮(2023)圆周面上设有第一沟槽(2024)。

4.如权利要求3所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：在更换钢丝盘(201)时，需在增阻器(202)前完成新旧缠绕钢丝(001)接头无张力对接，新旧缠绕钢丝(001)接头无张力对接采用电阻焊方式完成。

5.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：张力轮(203)为“8”字轮，“8”字轮包括主动轮(2031)和从动轮(2032)，该主、从动轮(2031、2032)上分别设有数量和宽度相同的第二沟槽(2033)，“8”字轮的主动轮(2031)具有逆钢丝滑动方向的转动趋势。

6.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：张力闭环控制装置(204)包括三组滑轮(2041)、张力检测传感器(2042)、前置放大器(2043)、A/D转换器(2044)、终端执行器(2045)和人机控制终端(2046)，三组滑轮(2041)呈对称三角形方式排列，缠绕钢丝(001)依次呈内外交替状态绕过该三组滑轮(2041)圆周表面，张力检测传感器(2042)可感应钢丝引起的压力值并将该压力值转换成电压模拟量输出，该电压模拟量经过前置放大器(2043)和A/D转换器(2044)传输给人机控制终端(2046)，人机控制终端(2046)通过计算控制终端执行器(2045)，从而控制张力轮(203)主动轮(2031)逆钢丝运动方向的扭矩。

7.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：排线系统(300)的排线梁(305)上还设有导向轮(3051)和排线轮(3052)，所述导向轮(3051)与张力轮(203)方向一致排列，排线轮(3052)与导向轮(3051)呈轴向垂直状态排列或呈平行状态排列的一种。

8.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：排线系统(300)两直线导轨(304)平行于滚珠丝杠(303)并分别排列于滚珠丝杠(303)径向两侧，该两直线导轨(304)轴向两端分别固定定位于同一从动行走体(102)的框架(104)上，排线梁(305)沿缠绕钢丝(001)运动方向的两端分别轴向可滑动套设于两直线导轨(304)外侧。

9.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：驱动系统(400)的驱动链条(405)为两条双排驱动链条(405)，分别固定缠绕于需缠绕结构(500)径向外侧需缠绕部位(502)两侧的非缠绕面上，所述驱动电机(401)的数量也为两个，呈对称状态定位于主动行走体(101)上，其动力输出端的主链轮(402)通过传动链条(403)分别带动双排的驱动链轮组(404)，该双排的驱动链轮组(404)分别与一条双排的驱动链条(405)啮合。

10.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：所述驱动系统(400)的驱动电机(401)为调频交流电机。

11.如权利要求10所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：驱动电机(401)设有制动装置。

12.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：还设有行走导向轮(109)，行走导向轮(109)可转动定位于框架(104)位于需缠绕部位(502)的两侧，行走导向轮(109)平行于内约束轮(105)并位于内约束轮(105)位于运动方向的前方和后方。

13.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：还设有平衡轮(108)，平衡轮(108)可转动定位于框架(104)位于需缠绕部位(502)的两侧，平衡轮(108)圆周面与需缠绕结构(500)的环状凸台(501)径向侧面间存有设定距离，平衡轮(108)平行位于外约束轮(106)运动方向的前方和后方。

14.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：还设有调节伸缩节(110)，该调节伸缩节(110)分别与主动行走体(101)和从动行走体(102)铰接连接，该调节伸缩节(110)轴向长度可伸缩。

15.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：在水平缠绕时，框架包括第一框架(113)和第二框架(114)，其中第一框架(113)与第二框架(114)铰接，驱动电机(401)、驱动链轮组(404)和内、外和侧向约束轮(105、106、107)均固设于第一框架(113)上；钢丝盘(201)，排线系统(300)、张力系统(200)均固设于第二框架(114)上，垂直缠绕时无第二框架(114)。

16.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：垂直缠绕时，外约束轮(106)和侧向约束轮

(107)合并成为阶梯承重侧向约束轮(112)，其为一端直径小于另一端直径的阶梯状轮体，需缠绕结构(500)的环状凸台(501)径向外侧面也呈轴向外侧直径小于轴向内侧直径的阶梯状凸起(503)，阶梯承重侧向约束轮(112)恰与需缠绕结构(500)的环状凸台(501)径向外侧面的阶梯状凸起(503)匹配。

17.如权利要求16所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：阶梯承重侧向约束轮(112)的圆周面上设有油槽(1121)，油槽(1121)内设有润滑油脂。

18.如权利要求1所述的一种预应力结构预紧缠绕机器人，其特征是：还设有至少两条安全绳索(600)，该安全绳索(600)活动穿置于主、从动行走体(101、102)及其上承载的张力系统(200)、排线系统(300)和驱动系统(400)上形成钢丝环，主、从动行走体(101、102)及其上承载的张力系统(200)、排线系统(300)和驱动系统(400)可沿安全绳索(600)长度方向滑动。

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