CN1077484C - 气动蠕动式缆索机器人 - Google Patents

Abstract

一种气动蠕动式缆索机器人，由爬升、维护和地面控制台几部分组成，爬升本体的上体和下体沿圆周均布三个安装块，其上分别安装由夹紧气缸及夹紧爪构成的夹紧机构、导向气缸及导向轮组成的导向机构，并通过移动机构和支撑机构连接，在本体上安装相应的维护机构，实现对大型斜拉桥缆索的检测、涂装和清洗等维护工作。本发明采用气缸驱动、地面控制和监视；装卸调整方便，可靠性高，适用于任意倾斜度和形状的缆索，亦可用于管道、电线杆等的维护。

Description

气动蠕动式缆索机器人

本发明涉及一种缆索机器人，尤其涉及一种用于大跨斜拉桥缆索上作业的气动蠕动式缆索机器人，属于机器人技术领域。

斜拉桥作为现代桥梁的新型式，在世界范围内得到了广泛的应用。作为斜拉桥主要受力构件之一的缆索长期暴露在空气中，经风吹雨淋日晒，缆索表面的聚乙烯护套将会产生不同程度的硬化和开裂现象，给护套内的钢丝束带来锈斑、断丝等严重的问题，同时，由于随机风振、雨振，使缆索内的钢丝产生微摩擦，继而引起严重的断丝问题，给斜拉桥埋下严重的隐患。由于斜拉桥是最近几十年才兴起的新桥型，与斜拉桥的主要受力构件缆索相配套的维护措施还很不完善。斜拉桥缆索有圆柱形、平行六棱柱形和螺旋六棱柱形等多类型式，缆径有多种规格，外层一般有聚乙烯套作防护，其标高高、距离长，倾斜度由30°至近90°。另外，尽管在缆索的两端施加了很大的拉力，但由于自重作用与蠕变，缆索仍有一定的挠度。

现有技术中，对管外机器人和电线检测机器人已有研究，这些管外机器人爬行的管道一般只能用于水平面上的刚性管道，牵引力小，对于斜拉桥这种标高较高、柔性较大缆索，其爬升能力显然不够。1987年IEEE机器人学和自动化国际会议Voll(P539～544)，分析了日本福田敏男等所研制的系列管外机器人的III号机，系尺蠖形移动机器人，由九个脉冲电机，五连杆四关节组成，能在90mm的水平和垂直刚性管道上移动，还有通过障碍物和转移到相邻管道上的功能。但其牵引力小，速度很慢(平均速度仅为0.018m/min)亦不可调，远不能满足缆索维护的大负载、高效率、柔性较大、野外高空作业的需要。关于电线检测机器人在日本机器人学会志等期刊上也有所报道，这种机器人主要由几个较小的车轮和四条履带组成，由小电机驱动，虽然能在一定倾斜度的电线上移动及跨越绷紧电线的铁塔，但电线的粗度和倾斜度显然不能与大桥上的缆索相比。所以，这些机器人都不能应用在缆索上。根据国际联机检索，还未见有缆索维护相关机器人的报道。

本发明的目的是要提供一种结构简单、装卸方便的缆索维护机器人，使之对缆索的适应能力强，能有效地实现对缆索的监测和维护。

为实现这样的目的，本发明提供了一种气动蠕动式缆索机器人，由爬升，维护及地面控制台几部分组成，采用气缸驱动，爬升部分(本体)包括上体、下体和气动阀，上体和下体沿圆周均布三个安装块，其上分别安装由夹紧气缸及气缸上的夹紧爪构成的夹紧机构、导向气缸及导向轮组成的导向机构，上体和下体通过移动机构和支撑机构连接，气动阀通过气管和控制电线连通压力气源和地面控制台，由控制台实现对机器人的夹紧、导向和蠕动动作。移动机构中有移动气缸连通上体和下体，同时支撑机构中有两组支撑轴与支撑座连通上体和下体。支撑座内还装有直线运动轴承，以使整体结构能沿非线性缆索移动。上体和下体至少有一个夹紧于缆索上，由移动机构驱动机器人蠕动上升或下降。导向、支撑等机构使机器人在缆索上径向定心、导向、承受径向和轴向载荷，以提高机器人对缆索的非线性适应能力。在机器人本体上安装相应的维护机构，以实现对缆索的检测、涂装和清洗等维护工作。机器人在缆索上作业不会损伤缆索表面的原有涂层或聚乙烯护套。

以下通过实施例和附图详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明爬升本体结构的正视图。

如图所示，缆索机器人爬升本体主要包括上体1、下体2及气动阀4，上体1和下体2都有各自的沿圆周均布的三个安装块3，其上分别安装有夹紧机构与导向机构，上体1和下体2间由移动机构和支撑机构等连接，气动阀4通过气管接压力气源，由地面控制台经控制电线操纵控制通断，继而实现机器人的夹紧、导向和蠕动动作，形成气动蠕动式缆索机器人本体整体。

移动机构由两只移动气缸6实现移动功能，气缸6上部的活塞杆端头通过浮动接头12连接于上体1，缸体由中央轴耳9连接于下体2。

支撑机构由两组支撑轴5与支撑座15等组成，支撑轴5连接于上体1，支撑座15经弹性垫16与下体2相连。支撑座15内装有直线运动轴承14，在支撑轴5随上体1沿支撑座15移动时，绕轴线摆动并承受径向力，从而消除移动气缸6的径向力，使整体结构能沿非线性缆索移动。上体1和下体2间另由四件螺杆17支撑连接。

夹紧机构由三只径向均布的夹紧气缸11及气缸上的夹紧爪8等构成，夹紧爪8采用与缆索表面有较大静摩擦系数的硬橡胶制成，使机器人在缆索上可靠夹紧，上体1和下体2共有夹紧气缸11六只。

导向机构由三只与夹紧气缸11平行的导向气缸10及导向轮7组成，导向气缸10分别驱动导向轮7，使机器人在缆索上定心，并分别随上体1和下体2在缆索上移动，上体1和下体2共有导向气缸10六只。

气管和控制电线由钢丝绳支撑，与地面控制台和气源相接。上体1和下体2上都开有安装口，机器人在缆索上安装后，再由连接板13连为整体。机器人平时安装在机器人小车18上，小车应能使机器人根据缆索的倾斜角灵活转动并有一定的安装高度，作业时拆掉小车。根据缆索的直径变化、非线性和因自重引起的偏置，分别调整上、下体安装块3的安装位置，完成机器人在缆索上的安装。

图2为本发明爬升本体结构图1中A-A剖视图。

如图所示，本发明的上体1有沿缆索19的圆周均布的三个安装块3，每个安装块3上装有由夹紧气缸11及夹紧爪8构成的夹紧机构、与夹紧气缸11平行的导向气缸10及导向轮7组成的导向机构，夹紧爪8使机器人在缆索19上可靠夹紧，导向轮7使机器人在缆索19上定心并移动。

本发明的下体同样有沿缆索19的圆周均布的三个安装块3，并在其上装有夹紧机构和导向机构。上体和下体共有夹紧气缸11六只、导向气缸10六只，上体和下体用四件螺杆17支撑连接。

图3为本发明本体结构图1中所示B处支撑机构的局部放大剖面图。

图中，支撑机构由支撑轴5与支撑座15等组成，支撑轴5连接于上体1，支撑座15经弹性垫16与下体2相连。支撑座15内装有直线运动轴承14。在支撑轴5随上体1沿支撑座15移动时，绕轴线摆动并承受径向力，从而消除移动气缸的径向力，使整体结构能沿非线性缆索移动。

图4是本发明的上升过程分解图。

本机器人采用了蠕动的方式，其动作节拍为：(1)下体夹紧缸夹紧；(2)上体夹紧缸松开；(3)提升气缸活塞杆伸出，上体上升；(4)上体夹紧缸夹紧；(5)下体夹紧缸松开；(6)提升气缸缸体上升，下体上升。如此重复，实现连续爬升。

机器人下降时改变动作节拍循环。

图5是本发明的驱动系统原理图。

如图所示，本发明的驱动系统包括气动阀和气缸等部分，气动阀包括电磁换向阀、减压阀、消声器、节流阀、单向节流阀、气源处理三联件等。两只移动气缸6选用带磁性开关低摩擦缸，上下体两组夹紧气缸11选用带磁性开关的薄型气缸，两组导向气缸10选用薄型气缸。压缩空气首先通过稳定起动电磁阀、减压阀，再由电磁换向阀DT1、DT2、DT3分别控制各气缸腔的进排气回路和动作。单向节流阀用于移动气缸6的排气节流调速，使两移动气缸基本保持同步动作。电磁换向阀DT4控制移动气缸6排气经二次节流，使机器人获得较低的运行速度。导向气缸10的进气回路中再次设有减压阀以调定其所需压力。当系统突然停电或停气时，由DT5控制旁路气罐开始工作，保证下体夹紧气缸11夹紧。随着气路的泄漏，由操作人员牵引气管电线支撑钢丝使机器人缓缓下滑。

图6是本发明的控制方框图。

本发明采用可编程序控制器，实现气动位置程序开关量信号的控制。控制系统的输入为由气缸磁性开关检测得到的电脉冲信号，输出信号对各电磁换向阀进行顺序控制。控制台面板上设有通气、手动、自动(上升、下降)、维护等选择按钮，作业环境监测显示及机器人爬升位置的数码显示。为了保证机构能适应在不同截面的缆索上可靠夹紧，夹紧缸交替夹紧、松开时采用了延时的方法。

图7是本发明接有涂装维护及监测机构的整体结构示意图。

图中，维护部分中的涂装框架21经连接块20与上体1的前端相连，当机器人由缆索顶部向下蠕动时，电机22经曲柄23、连杆24带动内圈摆动，在内圈上均匀设置三套喷枪架30，三支自动喷枪29接涂料压力桶31，相应地沿缆索19的中心作圆周摆动，随蠕动动作由地面控制台控制喷枪29的开闭，可以比较均匀地涂装缆索19。在涂装框架21上固定支架26，其上装有控制箱25和CCD摄像头27，由此在地面控制台上可以监测高空缆索的涂装质量。同时，为了防止高空随机风对喷涂的影响，在喷枪内侧安装了防风罩28，在防风罩28外设置涂料回收槽。

如果把涂料换成清洗液，再用清洗刷就可以对缆索进行清洗维护。在本体上安装钢丝检测传感器可以对缆索进行断丝和锈斑检测。

本发明利用气缸产生的指向缆索的夹紧、导向力和平行于缆索的驱动力，使机器人在缆索上夹紧和蠕动，由可编程控制器控制，装卸和调整方便，结构及控制都较简单；适于任意倾斜度和形状的缆索，机器人可在非线性缆索上平稳夹紧和移动，对缆索的适应能力强；提高气源压力或选用较大的气缸直径，可使机器人承载能力足够大；调节气路中的节流阀，可调节移动速度；即使停电停气，机器人仍可夹紧于缆索上而不致下落，可靠性高；通过模块化接口与维护机构相接，实现自动作业，工作效率高。

本发明适用于大型斜拉桥缆索的检测、涂装和清洗等维护工作，亦可用于管道、电线杆等的维护。

在本发明的一个实施例中，整机尺寸为气缸缸径×行程：夹紧缸100×35，导向缸80×35，爬升缸80×1000，适应缆径φ80～140，自重130Kg，速度可达5m/min，可提供150Kg的力用于维护作业。若机器人爬升到预定点后，将上下体同时夹紧不动用作吊点，可有更大的负荷力。该样机在工程试验中成功经受了中雨的考验。

Claims (5)

1、一种气动蠕动式缆索机器人，由爬升、维护及地面控制台几部分组成，其特征在于爬升本体中的上体1和下体2沿圆周均布三个安装块3，其上分别安装由夹紧气缸11及夹紧爪8构成的夹紧机构、导向气缸10及导向轮7组成的导向机构，移动气缸6的活塞杆端头通过浮动接头12连接于上体1，缸体由中央轴耳9连接于下体2，支撑轴5连接于上体1，内装直线运动轴承14的支撑座15经弹性垫16与下体2相连。

2、一种如权利要求1所说的气动蠕动式缆索机器人，其特征在于所说的维护部分中涂装框架21经连接块20与上体1的前端相连，电机22经曲柄23连接连杆24，在内圈上均匀设置三套喷枪架30，三支自动喷枪29接涂料压力桶31，沿缆索19的中心作圆周摆动。

3、一种如权利要求1所说的气动蠕动式缆索机器人，其特征在于所说的气动阀4通过气管和控制电线与地面控制台和气源连接。

4、一种如权利要求1所说的气动蠕动式缆索机器人，其特征在于所说的上体1和下体2上都开有安装口，由连接板13连为整体。

5、一种如权利要求2所说的气动蠕动式缆索机器人，其特征在于所说的涂装框架21上固定支架26，其上装有控制箱25和CCD摄像头27，在喷枪29内侧安装的防风罩28外设置涂料回收槽。

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