CN102632937A

CN102632937A - 蠕动式缆索机器人爬行机构

Info

Publication number: CN102632937A
Application number: CN2012101361506A
Authority: CN
Inventors: 冷护基
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102632937B

Abstract

本发明公开一种蠕动式缆索机器人爬行机构，属于机器人检测技术领域。该机器人爬行机构包括蠕动式爬行机构和安全回程机构，蠕动式爬行机构包括主动轮装置、从动轮装置、曲柄滑块机构、控制盒、传感器；主动轮装置分为主上框架锁紧轮装置和主下框架抱紧轮装置，从动轮装置分为从上框架锁紧轮装置和从下框架抱紧轮装置,两部分框架分别采用至少两根连接螺栓和螺母加弹簧连接；曲柄滑块机构连接主动轮装置和从动轮装置;安全回程机构）包括擒纵轮、擒纵爪。本发明所提供的蠕动式缆索机器人爬行机构结构简单可靠、自带能源，安全回程装置简单，能够适应120mm—200mm大直径以及倾斜度范围0⁰—90⁰的缆索检测。

Description

蠕动式缆索机器人爬行机构

技术领域

本发明属于检测机器人技术领域，具体涉及一种用于斜拉桥缆索检测与维护的蠕动式缆索机器人爬行机构。

背景技术

斜拉桥以其造型优美和结构独特得到越来越多的应用，但斜拉桥的缆索需要进行因内部钢丝疲劳受力和PE 套开裂等原因出现的锈蚀、断丝等问题的检测工作，同时缆索表层的PE 套也需要进行喷涂及清洗等维护工作。

目前，斜拉桥的缆索检测与维护工作一直采用人工的方法，如将大直径钢丝绳无损探伤仪、喷洗或补修PE 套装置与维护人员一起吊运到高空作业，效率低、安全性差、成本高。

因此，研制斜拉桥缆索检测机器人，通过携带无损检测装置和维护装置，进入缆索高空环境，对缆索保护层的表面状况和缆索内部钢丝状况进行维护或无损检测具有迫切的现实意义。

中国专利CN2396936公开了一种电驱动缆索维护机器人爬升机构，采用圆柱形框架结构，框架中沿缆索圆周方向均布三台移动小车，由夹紧机构压紧在缆索上，变频电机通过减速器驱动小车，内外框架经轴承连接，夹紧机构设有调节板和调节螺母，可以适应各种类型缆索。其不足之处是机械结构及控制系统复杂，意外事故机器人难以自动返回地面上升、下降都需要脐缆供电。中国专利CN101200199公开了一种缆索爬升机器人机构，其特征在于包括自锁夹紧机构、曲柄滑块爬升机构及底板，自锁夹紧机构至少具有两个，分别对应设置于该机器人结构的上部和下部，曲柄滑块爬升机构固定于底板的下部，连接其中一个自锁夹紧机构，另一个自锁夹紧机构则固定于底板的上部，基本满足一般的使用要求。其不足之处是机械结构和安全返回机构复杂，也未能得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种适用于任意倾斜度缆索爬升的、结构简单、装卸方便的蠕动式缆索机器人爬行机构。

本发明的蠕动式缆索机器人爬行机构，包括蠕动式爬行机构和安全回程机构16，所述蠕动式爬行机构包括主动轮装置4、从动轮装置2、曲柄滑块机构3、控制盒5、传感器6，所述主动轮装置4分为主上框架锁紧轮装置7和主下框架抱紧轮装置8，主上框架锁紧轮装置7和主下框架抱紧轮装置8通过滚轮抱紧在缆索1两面，主上框架锁紧轮装置7与主下框架抱紧轮装置8采用至少两根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；从动轮装置2分为从上框架锁紧轮装置9和从下框架抱紧轮装置10，从上框架锁紧轮装置9和从下框架抱紧轮装置10通过滚轮抱紧在缆索1两面，从上框架锁紧轮装置9和从下框架抱紧轮装置10采用至少两根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；曲柄滑块机构3连接主动轮装置4和从动轮装置2，主上框架锁紧轮装置7上的电动机17驱动曲柄15，连杆14连接在从上框架9上; 所述控制盒5中包括电源和控制器; 所述安全回程机构16包括擒纵轮29、擒纵爪30。

所述主上框架锁紧轮装置7包括电动机17和传动机构18、主动轮轴21、主动轮19、主锁紧轮轴49、主锁紧轮50、主锁紧装置53及主上框机架20，主动轮19固连在主动轮轴21上，电动机17和主锁紧装置52固连在主上框机架20上，电动机17通过传动机构18与主动轮轴21连接，主动轮轴21通过其两端支座固联在主上框机架20上，主锁紧轮50固连在主锁紧轮轴49上，主锁紧轮轴49通过其两端支座固连在主上框机架20上，主锁紧轮轴49的至少一端固连超越离合器内圈48，在超越离合器外圈47上固连着锁紧钢套46，主锁紧装置53上的锁销嵌入到锁紧钢套46上的缺口中，使锁紧钢套46固定；

所述主下框架抱紧轮装置8包括主抱紧轮24、主抱紧轮轴22、主下框机架23、下抱紧轮51、下抱紧轮轴52，主抱紧轮24固联在主抱紧轮轴22上，主抱紧轮轴22通过其两端支座固联在主下框机架23上，下抱紧轮51固联在下抱紧轮轴52上，下抱紧轮轴52通过其两端支座固联在主下框机架23上；主上框机架20与主下框机架23采用至少两根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；

所述从上框架锁紧轮装置9包括从锁紧轮25、从锁紧轮轴26、从锁紧装置31、安全回收装置16、从动轮轴42、从动轮43、从上框机架32，所述安全回收装置16包括擒纵轮29、擒纵爪30及配重，擒纵轮29固联在超越离合器外圈28上，擒纵爪30通过铰轴41铰接在从上框机架32上，擒纵爪30与擒纵轮29相接合；从锁紧轮25固联在从锁紧轮轴26上，从锁紧轮轴26通过其两端支座固联在从上框机架32上，从锁紧装置31固联在从上框机架32上，从锁紧装置31上的锁销嵌入到与擒纵爪30连接的配重缺口中，从锁紧轮轴26的至少一端固连超越离合器内圈27，超越离合器外圈28上固连着擒纵轮29；从动轮43固联在从动轮轴42上，从动轮轴42通过其两端支座固联在从上框机架32上；

所述从下框架抱紧轮装置10包括从抱紧制动轮40、从抱紧制动轮轴36、内摩擦片38、超越离合器34、弹簧37、调整螺母35、外摩擦套33、从抱紧轮轴44、从抱紧轮45和从下框机架39，从抱紧制动轮40固联在从抱紧制动轮轴36上，从抱紧制动轮轴36通过其两端支座固联在从下框机架39上，从抱紧制动轮轴36至少一端固联超越离合器34内圈，超越离合器34外圈固联外摩擦套33，弹簧37力由调整螺母35调整，弹簧37力紧压超越离合器34内圈，外摩擦套33紧压内摩擦片38，内摩擦片38固联在从下框机架39上；从抱紧轮45固联在从抱紧轮轴44上，从抱紧轮轴44通过其两端支座固联在从下框机架39上。

所述的驱动电机17为交流电机或无换向器直流电机或步进电机；所述的驱动电机17固连减速器；驱动电机17转子另一端固联编码器；所述的传感器6为行程开关或超声波传感器；所述的控制盒5中包括电源和控制器；所述的电源为锂电池，控制器为可编程控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、结构简单，重量轻；自带能源，便于实际操作。

2、安全返回机构简单可靠。

3、移动速度在1米/分--10米/分之间可调节，能够适应缆索倾斜度范围0⁰—90⁰。

4、承载重量大, 可以达到120公斤以上。5. 可以很好地适应大挠度缆索爬升。

附图说明

图1 为本发明蠕动式缆索机器人爬行机构的主视图。

图2 为图1的A-A剖视图。

图3 为图1的F向视图。

图4 为图1的B-B剖视图。

图5 为图1的E-E剖视图。

图6 为图4的H向视图。

图7为图1的C-C剖视图。

图8为图7的G向视图。

图9为图1的D-D剖视图。

图10 为图4中I处局部放大视图。

图11 为图7中J处局部放大视图。

图中：1--缆索，2--从动轮装置，3--曲柄滑块机构， 4--主动轮装置， 5--控制盒， 6--传感器，7--主上框架锁紧轮装置，8--主下框架抱紧轮装置，9--从上框架锁紧轮装置，10--从下框架抱紧轮装置，11--连接螺栓，12--弹簧，13--螺母，14--连杆，15--曲柄，16--安全回收机构，17--电动机，18—传动机构，19--主动轮，20--主上框机架，21--主动轮轴，22--主抱紧轮轴，23--主下框机架，24--主抱紧轮，25--从锁紧轮，26--从锁紧轮轴，27--超越离合器内圈，28--超越离合器外圈，29--擒纵轮，30--擒纵爪，31—从锁紧装置，32--从上框机架，33--外摩擦套，34--超越离合器，35--调整螺母，36--从抱紧制动轮轴，37--弹簧，38--内摩擦片，39--从下框机架，40--从抱紧制动轮，41--铰轴，42--从动轮轴，43--从动轮，44--从抱紧轮轴，45--从抱紧轮，46--锁紧钢套，47--超越离合器外圈，48--超越离合器内圈，49--主锁紧轮轴，50--主锁紧轮，51--下抱紧轮，52--下抱紧轮轴，53--主锁紧装置。

具体实施方式

本发明所提供的蠕动式缆索机器人爬行机构，包括爬行机构和安全回程机构16，所述爬行机构包括主动轮装置4、从动轮装置2、曲柄滑块机构3、控制盒5、传感器6，所述主动轮装置4分为主上框架锁紧轮装置7和主下框架抱紧轮装置8，主上框架锁紧轮装置7和主下框架抱紧轮装置8通过主动轮19、主抱紧轮24、主锁紧轮50和下抱紧轮51抱紧在缆索1两面，主上框架锁紧轮装置7中的主上框机架20与主下框架抱紧轮装置8的主下框机架23采用四根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；从动轮装置2分为从上框架锁紧轮装置9和从下框架抱紧轮装置10，从上框架锁紧轮装置9和从下框架抱紧轮装置10通过从锁紧轮25、从抱紧制动轮40、从动轮43、从抱紧轮45抱紧在缆索1两面，从上框架锁紧轮装置9上的从上框机架32和从下框架抱紧轮装置10的从下框机架39采用四根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；主上框架锁紧轮装置7上的电动机17驱动曲柄15，曲柄滑块机构3连接主动轮装置4上的曲柄15,连杆14连接在从上框架9上的从上框机架32上;所述控制盒5中包括电源和控制器，电源为锂电池，控制器为s7-200可编程控制器，所述安全回程机构16包括擒纵轮29、擒纵爪30。

所述主上框架锁紧轮装置7包括电动机17和传动机构18、主动轮轴21、主动轮19、主锁紧轮轴49、主锁紧轮50、主锁紧装置53及主上框机架20，主动轮19固连在主动轮轴21上，电动机17和主锁紧装置52固连在主上框机架20上，电动机17通过传动机构18与主动轮轴21连接，主动轮轴21通过其两端轴承支座固联在主上框机架20上，主锁紧轮50固连在主锁紧轮轴49上，主锁紧轮轴49通过其两端轴承支座固连在主上框机架20上，主锁紧轮轴49的两端固连超越离合器内圈48，在超越离合器外圈47上固连着锁紧钢套46，主锁紧装置53上的锁销嵌入到锁紧钢套46上的缺口中，使锁紧钢套46固定；

所述主下框架抱紧轮装置8包括主抱紧轮24、主抱紧轮轴22、主下框机架23、下抱紧轮51、下抱紧轮轴52，主抱紧轮24固联在主抱紧轮轴22上，主抱紧轮轴22通过其两端支座固联在主下框机架23上，下抱紧轮51固联在下抱紧轮轴52上，下抱紧轮轴52通过其两端支座固联在主下框机架23上；主上框机架20与主下框机架23采用四根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；

所述从上框架锁紧轮装置9包括从锁紧轮25、从锁紧轮轴26、从锁紧装置31、安全回收装置16、从动轮轴42、从动轮43、从上框机架32，所述安全回收装置16包括擒纵轮29、擒纵爪30及配重，擒纵轮29固联在超越离合器外圈28上，擒纵爪30通过铰轴41铰接在从上框机架32上，擒纵爪30与擒纵轮29相接合；从锁紧轮25固联在从锁紧轮轴26上，从锁紧轮轴26通过其两端支座固联在从上框机架32上，从锁紧装置31固联在从上框机架32上，从锁紧装置31上的锁销嵌入到与擒纵爪30连接的配重缺口中，从锁紧轮轴26的两端固连超越离合器内圈27，超越离合器外圈28上固连着擒纵轮29；从动轮43固联在从动轮轴42上，从动轮轴42通过其两端轴承支座固联在从上框机架32上；

所述从下框架抱紧轮装置10包括从抱紧制动轮40、从抱紧制动轮轴36、内摩擦片38、超越离合器34、弹簧37、调整螺母35、外摩擦套33、从抱紧轮轴44、从抱紧轮45和从下框机架39，从抱紧制动轮40固联在从抱紧制动轮轴36上，从抱紧制动轮轴36通过其两端支座固联在从下框机架39上，从抱紧制动轮轴36两端固联超越离合器34内圈，超越离合器34外圈固联外摩擦套33，旋合调整螺母35调整弹簧37力，弹簧37力紧压超越离合器34内圈，外摩擦套33紧压内摩擦片38，内摩擦片38固联在从下框机架39上；从抱紧轮45固联在从抱紧轮轴44上，从抱紧轮轴44通过其两端轴承支座固联在从下框机架39上。从上框机架32与从下框机架39采用四根连接螺栓11和螺母13加弹簧12连接；

所述的驱动电机17为无换向器直流电机加减速器；驱动电机17转子另一端固联编码器；所述的传感器6为行程开关；所述的控制盒5中电源为锂电池，控制器为s7-200可编程控制器。

本蠕动式缆索机器人爬行机构的工作过程如下：

如图1至图9，首先，将主上框机架20和主下框机架23、从上框机架32和从下框机架39分别打开，并将其紧压在缆索1上，四根连接螺栓11分别穿过主上框机架20和主下框机架23、从上框机架32和从下框机架39端部的导向孔，其顶部连接弹簧12，并与螺母13旋合，通过调节螺母13调节弹簧12的压紧力，从而将机器人安装在缆索1上。

通电时，从锁紧装置31和主锁紧装置53的锁销伸出，分别固定擒纵爪30和锁紧钢套46，从而锁住擒纵轮29而使擒纵机构锁闭。当主动轮装置2和从动轮装置4分别受到向下方向的作用力时，超越离合器34、超越离合器内圈27和超越离合器内圈48分别处于逆止状态，反之，超越离合器34、超越离合器内圈27和超越离合器内圈48分别处于超越状态。

机器人爬升时，电动机17通过小齿形带轮、同步齿形带和大齿形带轮带动主动轮轴21旋转，主动轮轴21带动主动轮19旋转，曲柄15为大齿形带轮，此时，设定曲柄滑块机构3处于进程运动，主动轮装置4受到连杆14通过曲柄15传递向下的推力，主锁紧轮轴49轴端固连的超越离合器内圈48处于逆止状态，而从动轮装置2受到连杆14向上方向的顶力，此时，从锁紧轮轴26端固连的超越离合器内圈27处于超越状态，因此，连杆14推动从动轮装置2蠕动式向上爬升半个行程。

电动机17继续旋转，当曲柄滑块机构3处于回程运动时，从动轮装置2受到连杆14向下的拉力，从锁紧轮轴26端固连的超越离合器内圈27处于逆止状态，而主动轮装置4受到连杆14向上方向的拉力，主锁紧轮轴49轴端固连的超越离合器内圈48处于超越状态，因此，主动轮装置4又向上蠕动式爬升半个行程；如此反复，即可实现机器人的蠕动式爬行。

当机器人爬到顶端时，传感器6受触发，控制盒5内电源断电，电动机17停转，从锁紧装置31和主锁紧装置53的锁销缩回，擒纵爪30和锁紧钢套46松开，从而擒纵轮29处于工作状态。

机器人在重力作用下沿缆索1回程，此时，主动轮装置2和从动轮装置4分别受到向下方向的作用力，因此，超越离合器34、超越离合器内圈27和超越离合器内圈48分别处于逆止状态，即超越离合器34外圈带动外摩擦套33旋转，超越离合器内圈48带动超越离合器外圈47及锁紧钢套46旋转。超越离合器内圈27带动超越离合器外圈28和擒纵轮29旋转，擒纵轮29与擒纵爪30相接合，擒纵爪30受力，并绕铰轴41快速摆动，擒纵爪30加上一定的配重摆动的能量与机器人下降时能量守恒，从而保证机器人均速下降。

机器人下降时，从抱紧制动轮40和从抱紧制动轮轴36旋转，从抱紧制动轮轴36带动超越离合器34（此时超越离合器34处于逆止状态）和外摩擦套33旋转，外摩擦套33和内摩擦片38之间产生静摩擦力，从而抵消部分机器人回程时重力作用，静摩擦力由调整螺母35和弹簧37来提供，该抱紧制动机构与擒纵机构的配重块配合，保证机器人均速下降。

机器人在返程时，机器人的尾端也设有行程开关，当机器人返程到地面时，行程开关或超声波传感器触发，机器人自动停止。

在机器人上行的过程中发生意外断电时，从锁紧装置31和主锁紧装置53的锁销缩回，擒纵爪30和锁紧钢套46松开，从而擒纵轮29处于工作状态，使机器人自动匀速的返回地面。实际上擒纵装置也是该机器人的安全回收机构。

机器人的爬缆直径在200mm范围内可调，爬缆角度在0-90度范围内可调，最大可调工作速度不低于10m/min，最大承载能力不低于120kg。

Claims

1.一种蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征在于：该机器人爬行机构包括蠕动式爬行机构和安全回程机构（16）；所述蠕动式爬行机构包括主动轮装置（4）、从动轮装置（2）、曲柄滑块机构（3）、控制盒（5）、传感器（6），所述主动轮装置（4）分为主上框架锁紧轮装置（7）和主下框架抱紧轮装置（8），主上框架锁紧轮装置（7）与主下框架抱紧轮装置（8）采用至少两根连接螺栓（11）和螺母（13）加弹簧（12）连接；从动轮装置（2）分为从上框架锁紧轮装置（9）和从下框架抱紧轮装置（10），从上框架锁紧轮装置（9）和从下框架抱紧轮装置（10）采用至少两根连接螺栓（11）和螺母（13）加弹簧（12）连接；曲柄滑块机构（3）连接主动轮装置（4）和从动轮装置（2），主上框架锁紧轮装置（7）上的电动机（17）驱动曲柄（15），连杆（14）连接在从上框架（9）上; 所述控制盒（5）中包括电源和控制器; 所述安全回程机构（16）包括擒纵轮（29）、擒纵爪（30）。

2.根据权利要求1所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征是：

所述主上框架锁紧轮装置（7）包括电动机（17）和传动机构（18）、主动轮轴（21）、主动轮（19）、主锁紧轮轴（49）、主锁紧轮（50）、主锁紧装置（53）及主上框机架（20），主动轮（19）固连在主动轮轴（21）上，电动机（17）和主锁紧装置（52）固连在主上框机架（20）上，电动机（17）通过传动机构（18）与主动轮轴（21）连接，主动轮轴（21）通过其两端支座固联在主上框机架（20）上，主锁紧轮（50）固连在主锁紧轮轴（49）上，主锁紧轮轴（49）通过其两端支座固连在主上框机架（20）上，主锁紧轮轴（49）的至少一端固连超越离合器内圈（48），在超越离合器外圈（47）上固连着锁紧钢套（46），主锁紧装置（53）上的锁销嵌入到锁紧钢套（46）上的缺口中，使锁紧钢套（46）固定；

所述主下框架抱紧轮装置（8）包括主抱紧轮（24）、主抱紧轮轴（22）、主下框机架（23）、下抱紧轮（51）、下抱紧轮轴（52），主抱紧轮（24）固联在主抱紧轮轴（22）上，主抱紧轮轴（22）通过其两端支座固联在主下框机架（23）上，下抱紧轮（51）固联在下抱紧轮轴（52）上，下抱紧轮轴（52）通过其两端支座固联在主下框机架（23）上；主上框机架（20）与主下框机架（23）采用至少两根连接螺栓（11）和螺母（13）加弹簧（12）连接；

所述从上框架锁紧轮装置（9）包括从锁紧轮（25）、从锁紧轮轴（26）、从锁紧装置（31）、安全回收装置（16）、从动轮轴（42）、从动轮（43）、从上框机架（32），所述安全回收装置（16）包括擒纵轮（29）、擒纵爪（30）及配重，擒纵轮（29）固联在超越离合器外圈（28）上，擒纵爪（30）通过铰轴（41）铰接在从上框机架（32）上，擒纵爪（30）与擒纵轮（29）相接合；从锁紧轮（25）固联在从锁紧轮轴（26）上，从锁紧轮轴（26）通过其两端支座固联在从上框机架（32）上，从锁紧装置（31）固联在从上框机架（32）上，从锁紧装置（31）上的锁销嵌入到与擒纵爪（30）连接的配重缺口中，从锁紧轮轴（26）的至少一端固连超越离合器内圈（27），超越离合器外圈（28）上固连着擒纵轮（29）；从动轮（43）固联在从动轮轴（42）上，从动轮轴（42）通过其两端支座固联在从上框机架（32）上；

所述从下框架抱紧轮装置（10）包括从抱紧制动轮（40）、从抱紧制动轮轴（36）、内摩擦片（38）、超越离合器（34）、弹簧（37）、调整螺母（35）、外摩擦套（33）、从抱紧轮轴（44）、从抱紧轮（45）和从下框机架（39），从抱紧制动轮（40）固联在从抱紧制动轮轴（36）上，从抱紧制动轮轴（36）通过其两端支座固联在从下框机架（39）上，从抱紧制动轮轴（36）至少一端固联超越离合器（34）内圈，超越离合器（34）外圈固联外摩擦套（33），弹簧（37）力由调整螺母（35）调整，弹簧（37）力紧压超越离合器（34）内圈，外摩擦套（33）紧压内摩擦片（38），内摩擦片（38）固联在从下框机架（39）上；从抱紧轮（45）固联在从抱紧轮轴（44）上，从抱紧轮轴（44）通过其两端支座固联在从下框机架（39）上；从上框机架（32）与从下框机架（39）采用至少两根连接螺栓（11）和螺母（13）加弹簧（12）连接。

3.根据权利要求1所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征是：所述的驱动电机（17）为交流电机或无换向器直流电机或步进电机。

4.根据权利要求1所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征是：所述的驱动电机（17）固连减速器，驱动电机（17）转子另一端固联编码器。

5.根据权利要求1所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征是：所述的传感器（6）为行程开关。

6.根据权利要求1所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征是：所述的传感器（6）超声波传感器。

7.根据权利要求1所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，所述的控制盒（5）中包括电源和控制器。

8.根据权利要求7所述的蠕动式缆索机器人爬行机构，其特征是：所述电源为锂电池，所述控制器为可编程控制器。