CN201161628Y - 螺旋线缆索检测机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种螺旋线缆索检测机器人，由沿缆索对称分布的一台小车和上下两个支撑抱紧装置通过联接件连接组成，其特征在于，在其小车上设置有爬升装置和磁吸附装置，在两个支撑横杆上设置有抱紧装置；所述爬升装置包括了固定在小车车体上的锂电池和固定在小车车体主动轮一侧的直流电机，所述直流电机由锂电池供电通过驱动轮轴驱动小车主动轮转动，带动整个机器人沿缆索导水线螺旋爬升；所述抱紧装置和磁吸附装置共同作用将主动轮压紧在缆索表面。爬升装置可相对车体旋转任意角度以适应不同螺距的导水线，锂电池供电更适合高空作业环境，机器人还设置有下降装置，使用更安全可靠。本实用新型结构简单合理，维修方便，可有较高的爬升速度，可应用于大型斜拉桥螺旋线缆索的检测工作，也可用于其它路灯等杆类的检测工作。

Description

螺旋线缆索检测机器人

技术领域

本实用新型专利涉及一种螺旋线缆索检测机器人，具体的说，是涉及一种用于大跨斜拉桥螺旋线缆索故障检测的机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁的发展也越来越快，斜拉桥、悬索桥已经成为现代大跨度桥梁的基本形式。斜拉桥、悬索桥建成后，其主要受力构件之一的缆索长期暴露在空气之中，缆索表面的聚乙烯(PE)保护层将出现不同程度的硬化老化等破坏现象，缆索内部钢丝束也因空气中的水分和其他酸性物质而受到腐蚀，严重者甚至出现断丝现象，危及桥梁的安全。目前，与桥梁缆索检测相配套的维护措施还不完善，缆索的检测与维修主要由人工完成。

上海交通大学研制的用于缆索检测维护工业机器人，其负载能力很强，能很好地完成大桥缆索的检测、涂装、维护等功能，其技术方案公布在专利号为99252056.8的中国实用新型专利文件中。但是，该缆索检测维护机器人的爬升装置结构外形较大；整机采用有缆供电，其连接电缆的长度必须大于机器人所爬升的大桥缆索的长度，高空作业时受风力影响较明显；另外，该机器人没有设计相关的下降装置，当作业过程中出现意外情况时，是采用连接在机器人上的钢丝绳，从几十甚至几百米的高空用人力拖拽回收机器人，具有一定的危险性，所以该机构仅适用于涂装工作，不适用于检测工作。

随着斜拉桥的跨度越来越大，缆索受风振、雨振的影也响越来越大，由于螺旋线缆索及压痕凹坑缆索能有效的抑制拉索风雨激振现象，现已被新建桥梁普遍采用，同时也会带来一系列新的问题，其一是拉索内部钢丝强度的检测极为困难，以苏通大桥为例，其最长背索达到575m，如仍然使用卷扬机拖动吊篮小车以人工的方式搭载检测传感器对缆索断丝、磨损、锈斑等进行检测，存在费用较高、工作环境恶劣、工作效率低、容易破坏缆索表面等严重问题。由于新型防风振、雨振的螺旋线缆索表面有直径6-10mm的圆形凸起，由于凸起的螺旋线与缆索保护层材料相同，承受不住较大外力，卷扬机拖动吊篮小车和上海交通研制的缆索检测维护机器人等方案根本无法实现；本课题组已经申请过两种应用于光缆索的检测机器人(申请号为2006101576019.9，200620016413.X)等特种机器人都不适用于螺旋线缆索的检测工作，根据国际联机检索，还未见有螺旋线缆索检测机器人的报道。此专利主要针对螺旋线缆索设计了检测机构，机构同样实用于光缆索的检测。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单，适合于螺旋线缆索高空作业的螺旋线缆索检测机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种螺旋线缆索检测机器人，包括沿缆索圆周方向设置的一台小车以及设置在小车车体上端和下端的用于将小车支撑抱紧在缆索上的抱紧装置，所述的小车至少包括一带主动轮的爬升机构，所述的主动轮的径向与缆索的轴向成一夹角，该夹角与缆索的螺旋线的螺旋角相同。

在所述的小车的车体上设置有一圆弧槽，在该圆弧槽内设置有一平衡架，所述的爬升机构设置在平衡架上并可绕圆弧槽转动。

所述的抱紧装置包括与车体固定连接的抱紧固定架，在该固定架上设置有至少两个距主动轮间距可调的支撑轮，该至少两个支撑轮与小车的主动轮形成至少三点支撑夹持。

在所述的抱紧固定架上设置有至少四个支撑轮，还包括两个用于防偏的防偏支撑轮，且该两个防偏支撑轮分别位于主动轮的两侧。

所述的抱紧固定架由第一支撑簧杆、第二支撑簧杆、第三支撑簧杆组成，第二支撑簧杆的两端分别与第一簧杆的一端、第三支撑簧杆的一端固定连接，第一支撑簧杆的另一端、第三支撑簧杆的另一端分别固定在车体上，所述的至少两个支撑轮设置在第二支撑簧杆上，所述的两个防偏支撑轮分别设置在第一支撑簧杆和第三支撑簧杆上。

所述的抱紧装置还包括一磁吸附结构，该磁吸附结构设置在小车的车体上。

所述的磁吸附结构包括：至少一块轭铁以及设置在轭铁上的至少一块磁铁，所述的轭铁通过螺栓固定在小车的车体上。

还包括一防落装置，防落装置包括一曲柄滑块机构和带有小孔的气缸，所述的曲柄滑块机构的曲柄与一离合器的外环连接，该离合器的内环与小车的主动轮的轮轴固定连接，所述的曲柄滑块机构的滑块与气缸的活塞杆连接，所述的小孔设置在气缸的底部。

所述的主动轮设置在主动轮轮轴上，在该主动轮轮轴上还设置有一第一锥齿轮，一电机带动设置有与第一锥齿轮配合的第二锥齿轮的齿轮轴，所述的主动轮通过所述的第一锥齿轮、第二锥齿轮实现传动。

在所述的电机两端并联有用于调节电机电流的电阻模块，在电机的供电回路上设置有用于控制电机运行及转向的继电器模块。

与现有技术相比，本实用新型螺旋线缆索检测机器人具有如下优点：

1、本实用新型螺旋线缆索检测机器人的主动轮与缆索径向成一夹角，该夹角与缆索上的螺旋线的螺旋角一致，所以，检测机器人在爬升时，主动轮正好沿着螺旋线螺旋爬升，而不会视螺旋线为障碍物，无法爬升，主动轮在爬升的同时，机器人完成检测过程。

2、本实用新型主动轮由第一半轮和第二半轮组成，在所述的小车的车体上设置有一圆弧槽，在该圆弧槽内设置有一平衡架，所述的爬升机构设置在平衡架上并可绕圆弧槽转动，在爬升时，第一半轮和第二半轮将螺旋线夹持在中间，爬升机构的主动轮可以在车体的圆弧槽内转动，第一半轮和第二半轮正好可以很好的校正爬升的方向，确保与螺旋线的方向一致，爬升更加稳定、安全。

3、本实用新型的抱紧装置由多个定向轮和磁吸附结构构成，定向轮可以采用万向轮，减少机器人爬升时的摩擦力，采用磁吸附结构，一方面可以仅仅的将主动轮和缆索牢靠固定，另一方面磁吸附结构与缆索之间不接触，在爬升时，没有阻力，减少了爬升时的能耗，因而可以通过锂电等电池供电完成检测过程，无需导线接外电源，整个结构简单，运行可靠。

4、实施本缆索检测机器人，其爬升装置采用电机直接驱动，采用机器人自带锂电池的供电方式而不是有源电缆供电，更适合高空作业环境，受风力影响较小；当出现意外断电，或者在电能不足、机械故障等其他意外情况时，机构自动切断电源，机器人可利用自身和所携带的检测维护设备的重力，通过曲柄滑块机构连动有孔气缸的活塞运动的牵滞，机器人可以从作业高空沿缆索螺旋线缓速的下降，使用安全可靠。

5、机器人控制部分还包括一控制电路，当机构断电下滑时，电机作为发电机工作，机器人本体相当于原动机，带动主动轮驱动电枢旋转，原动机产生的转矩T与电机的电磁转矩T_m及空载损耗转矩T₀相平衡，采用地面摇控方式控制四个继电器的通断，调节电路板中调节电阻的导通与断开，从而改变电流来控制电磁转矩，进而调整机构的下降速度。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本实用新型的抱紧装置结构示意图；

图4是本实用新型的吸附结构结构示意图；

图5是本实用新型的小车结构示意图；

图6是本实用新型的小车分解结构一爬升装置结构示意图；

图7是本实用新型的小车分解结构-旋转支撑结构示意图；

图8是本实用新型的下降装置的气缸原理示意图；

图9为本实用新型用于控制机器人下降速度的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做详细说明：

如图1、图2所示为本实用新型的螺旋线缆索检测机器人的总体结构图，包括沿缆索5圆周方向设置的一台小车1以及设置在小车1上端和下端的用于将小车1支撑抱紧在缆索5上的抱紧装置3，所述的小车至少包括一带主动轮21的爬升机构2，主动轮21与缆索5的轴向成一夹角，该夹角与缆索5的螺旋线51的螺旋角相同。所述的主动轮21设置在主动轮轮轴22上，在该主动轮轮轴22上还设置有一第一锥齿轮23，一电机6带动设置有与第一锥齿轮23配合的第二锥齿轮24的齿轮轴，所述的主动轮21通过所述的第一锥齿轮23、第二锥齿轮24实现传动，电机可以通过锂电或其他电池供电。所述的主动轮21由第一半轮211和第二半轮212组成，在小车1的车体11上设置有一圆弧槽111，在该圆弧槽111内设置有一平衡架112，所述的爬升机构2设置在平衡架112上并可绕圆弧槽111转动以适应不同角度螺旋线缆索的需要。所述的抱紧装置3包括与车体11固定连接的抱紧固定架31，在该抱紧固定架31上设置有至少两个距缆索5间距可调的支撑轮32，该至少两个支撑轮32与小车的主动轮21形成至少三点支撑夹持。

在抱紧固定架31上还设置有两个防偏支撑轮33，且该两个防偏支撑轮33分别位于主动轮21的两侧。

抱紧固定架31由第一支撑簧杆311、第二支撑簧杆312、第三支撑簧杆313组成，第二支撑簧杆312的两端分别与第一簧杆311的一端、第三支撑簧杆313的一端固定连接，第一支撑簧杆311的另一端、第三支撑簧杆313的另一端分别固定在车体11上，所述的至少两个支撑轮32设置在第二支撑簧杆312上，所述的两个防偏支撑轮33分别设置在第一支撑簧杆311和第三支撑簧杆313上，两防偏万向轮33呈“[”型，通过调整螺母、螺钉安装在各自的支撑簧杆上，使机器人在缆索上的爬升更稳定，限定机器人爬升轨道，能防止机构在缆索上运行时偏离缆索。

所述的抱紧装置3还包括一磁吸附结构34，该磁吸附结构34设置在小车1的车体11上。该磁吸附结构34包括：至少一块轭铁341以及设置在轭铁341上的至少一块磁铁342，所述的轭铁341通过螺栓343固定在小车1的车体11上。

作为本实用新型的进一步改进，本实用新型机器人还包括一防落装置4，防落装置4包括一曲柄滑块机构41和带有小孔421的气缸42，所述的曲柄滑块机构41的曲柄通过单向离合器43与小车1的主动轮轮轴22固定连接，所述的曲柄滑块机构41的滑块与气缸42的活塞杆连接，所述的小孔421设置在气缸42的底部。

如图3所示，抱紧装置支撑轮32通过螺栓314固定在第二支撑簧杆312上，在支撑轮32与第二支撑簧杆312之间还设置弹簧316和支撑套筒317，在第二支撑簧杆312上还设置调节孔315，用于调节支撑轮32到缆索之间的距离，从而适应不通直径缆索的抱紧，应用压缩弹簧316将套筒317和支撑轮32撑开，机器人安装好后，松开螺栓314的螺母，抱紧装置即可夹紧缆索5，机器人在缆索上行走时，支撑轮32可挤压弹簧316轴向运动越过障碍。

本实用新型的又一个优选实施例是，如图4所示，所述磁吸附结构34包括了固定在小车车体11上的四根弹簧导杆343和与四根导杆相连的轭铁341，所述的轭铁341与一对铷铁硼永磁铁342直接相吸形成磁路对缆索5产生的吸附力将主动轮21压紧在缆索5上，磁铁套344边缘加工成圆弧形，当遇到障碍挤压磁铁套344时，弹簧345压缩，磁铁342沿弹簧导杆伸缩越过障碍后，依靠弹簧将磁铁342压回原位置，调节导杆343上的螺母可改变吸附结构34与缆索5之间间隙。

本实用新型的另一个优选实施例是，如图5、图6所示，爬升装置主动轮21由第一半轮211和第二半轮212组成，通过调节机构螺母及压缩弹簧调节两半轮之间距离可适应不同宽度的螺旋线，主动轮内嵌有滚珠213，与螺旋线成滚动摩擦。

本实用新型的再一个优选实施例是，如图5、图6所示，缆索检测机器人还包括了防落装置4，设置在小车车体11主动轮轴爬升机构2的另一侧；在主动轮21和防落装置4之间的轮轴22上设置超越离合器43。机器人爬升时，超越离合器43处于分离状态，即防落装置4不与主动轮21接触而不工作；当机器人出现电气故障，或锂电池电能耗尽断电时，超越离合器43闭合，主动轮21与防落装置4连接，机器人由于重力沿缆索5下滑将带动防落装置4工作。如图5、图7和图8所示，下降装置包括了曲柄滑块机构41和带有小孔421的气缸42，曲柄滑块机构41的曲柄端连接超越离合器43的外环，另一端连接气缸42中的活塞。防落装置4工作时，通过曲柄滑块机构41带动活塞在气缸42中运动；而气缸只有一个小孔421透气，即活塞将提供与速度相关的阻尼牵滞，使曲柄滑块机构41只能平稳而迟缓的运动；而此时曲柄滑块机构41是与小车主动轮21连接的，当机器人电器系统出现故障，或蓄电池电能耗尽而断电时，机器人可以依靠自身的重力，从缆索上下滑平稳而迟缓，即实现了机器人从作业高空安全回收的目的。

本实用新型的又一个优选实施例是，在所述的电机两端并联有用于调节电机电流的电阻模块，在电机的供电回路上设置有用于控制电机运行及转向的继电器模块。所述的供电回路上包括一锂电池，电池电流的正负两极端分别连接第一继电器J5的第一动触点和第二动触点，第一继电器J5的第一常闭触电与第二继电器J6的第一动触点连接，第一继电器J5的第一常开触点连接供电回路的输入端，第一继电器J5的第二常闭触点连接第二继电器J6的第二动触点，第一继电器J5的第二常开触点连接至所述的供电回路的输出端，所述的第二继电器J6的第一常闭触点接地，所述的第二继电器J6的第一常开触点连接所述的供电回路的输出端，所述的第二继电器J6的第二常闭触点也接地，所述的第二继电器J6的第二常开触点连接至供电回路的输入端，所述的电阻模块包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3以及第四继电器J4，所述的第一电阻R1与第一继电器J1串联形成第一支路、所述的第二电阻R2与第二继电器J2串联形成第二支路、所述的第三电阻R3与第三继电器J3串联形成第三支路，所述的第四电阻R4与第四继电器J4串联形成第四支路，且该上述第一支路、第二支路、第三支路以及第四支路相互并联。如图9所示，其中L、R分别为电机电感和内阻。当机构断电依靠自重下滑时，电机作为发电机工作，机器人本体相当于原动机，带动主动轮驱动电枢旋转，原动机产生的转矩T与电机的电磁转矩T_m及空载损耗转矩T₀相平衡。其原理如图9所示，电阻可调值为20Ω，40Ω，60Ω，80Ω，当轴上的机械负载发生变化时(即缆索倾角发生变化)，电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，达到并保持新的平衡，使机构平稳下降。地面上的工作人员采用地面摇控方式控制四个互锁继电器(J₁，J₂，J₃，J₄)的通断，调节电路板中第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4的接通于断开，从而改变电流i_a来控制电磁转矩，进而控制机构的下降速度，完成相关的缆索检测维护工作。

总之，上述实施例所描述的几种实施方式，并不代表本实用新型所有的实现方式；以上实施例不是对本机器人的具体限定，比如，机器人也可适用于爬升类似电线杆、路灯柱、旗杆等柱体，完成相关的检测维护工作。在本实用新型的实施例中，样机功率为90W，机器人自重6kg，可载重4kg(摄像头和磁检测设备)，爬升速度0.2m/s到0.3m/s，样机结构简单，维修方便，在工程试验中，工作稳定，具有推广应用价值。

Claims (10)

1、一种螺旋线缆索检测机器人，包括沿缆索圆周方向设置的一台小车(1)以及设置在小车车体(11)上端和下端的用于将小车支撑抱紧在缆索上的抱紧装置(3)，所述的小车至少包括一带主动轮(21)的爬升机构(2)，其特征在于：所述的主动轮(21)的径向与缆索(5)的轴向成一夹角，该夹角与缆索(5)的螺旋线(51)的螺旋角相同。

2、根据权利要求1所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：在所述的小车(1)的车体(11)上设置有一圆弧槽(111)，在该圆弧槽(111)内设置有一平衡架(112)，所述的爬升机构(2)设置在平衡架(112)上并可绕圆弧槽(111)转动。

3、根据权利要求1或2所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：所述的抱紧装置(3)包括与车体(11)固定连接的抱紧固定架(31)，在该抱紧固定架(31)上设置有至少两个距主动轮(21)间距可调的支撑轮(32)，该至少两个支撑轮(32)与小车的主动轮(21)形成至少三点支撑夹持。

4、根据权利要求3所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：在所述的抱紧固定架(31)上设置有至少四个支撑轮，还包括两个用于防偏的防偏支撑轮(33)，且该两个防偏支撑轮(33)分别位于主动轮(21)的两侧。

5、根据权利要求4所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：所述的抱紧固定架(31)由第一支撑簧杆(311)、第二支撑簧杆(312)、第三支撑簧杆(313)组成，第二支撑簧杆(312)的两端分别与第一簧杆(311)的一端、第三支撑簧杆(313)的一端固定连接，第一支撑簧杆(311)的另一端、第三支撑簧杆(313)的另一端分别固定在车体(11)上，所述的至少两个支撑轮(32)设置在第二支撑簧杆(312)上，所述的两个防偏支撑轮(33)分别设置在第一支撑簧杆(311)和第三支撑簧杆(313)上。

6、根据权利要求3所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：所述的抱紧装置(3)还包括一磁吸附结构(34)，该磁吸附结构(34)设置在小车(1)的车体(11)上。

7、根据权利要求6所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：所述的磁吸附结构(34)包括：至少一块轭铁(341)以及设置在轭铁(341)上的至少一块磁铁(342)，所述的轭铁(341)通过螺栓(343)及弹簧(345)固定在小车(1)的车体(11)上。

8、根据权利要求4所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：还包括一防落装置(4)，防落装置(4)包括一曲柄滑块机构(41)和带有小孔(421)的气缸(42)，所述的曲柄滑块机构(41)的曲柄与一离合器(43)的外环连接，该离合器(43)的内环与小车(1)的主动轮(21)的轮轴(22)固定连接，所述的曲柄滑块机构(41)的滑块与气缸(42)的活塞杆连接，所述的小孔(421)设置在气缸(42)的底部。

9、根据权利要求1所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：所述的主动轮(21)设置在主动轮轮轴(22)上，在该主动轮轮轴(22)上还设置有一第一锥齿轮(23)，一电机(6)带动设置有与第一锥齿轮(23)配合的第二锥齿轮(24)的齿轮轴，所述的主动轮(21)通过所述的第一锥齿轮(23)、第二锥齿轮(24)实现传动。

10、根据权利要求1所述的螺旋线缆索检测机器人，其特征在于：所述的主动轮(21)由第一半轮(211)和第二半轮(212)组成，在第一半轮(211)和第二半轮(212)之间还设置有用于调节第一半轮(211)和第二半轮(212)间距的调节机构，在第一半轮(211)和第二半轮(212)的相对面上分别设置有滚珠(213)。

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