某爬缆机器人结构分析及改进

李笑寒

摘要：对某爬缆机器人的结构和工作原理进行分析，总结了影响爬缆机器人运动稳定性的因素，研究弹簧预紧力、轮子与缆索间摩擦系数等参数对其驱动力矩的影响，根据分析结果对机器人系统进行研究及优化。结果表明，较大的摩擦系数和弹簧预紧力可以提高爬缆机器人的运动稳定性，摩擦系数、预紧力对驱动力矩的影响较大。

关键词：爬缆机器人；弹簧预紧力；运动稳定性；摩擦系数

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0097-01

1 爬缆机器人结构及工作原理分析

该爬缆机器人本体可以沿着不同倾斜度的缆索向上爬升，在高空缆索上完成检查、清洗、去静电以及一系列的维护工作。爬缆机器人本体上可以装载其所需要的各个功能系统以完成其其相应的工作任务。

1.1 系统总体设计

爬缆机器人爬升方式：该爬缆机器人利用弹簧压紧的方式使整个机器人滑轮与缆索之间产生摩擦力，在三部大功率电动机驱动下驱动机器人本体向上爬行，整个爬缆机器人可以攀爬一定角度的缆绳。该机器人的功能是以一定速度在圆形的杆、缆索或其他相似形状的物体上攀爬，而且能够客服自身和携带检测设备的重量并完成检测、维护等基本功能。为了实现爬缆机器人的各项功能，要求爬缆机器人机体运动连续且平稳，这样才能确保其任务效果。综合各方案的利弊，在拟采取电机连续驱动的同时，在机构上尽量精简的改进型机构以减轻爬缆机器人重量。

1.2 爬缆机器人主要部件及部件间的连接关系

支撑机架。为使机器人各系统可靠连接并正常工作，支架必须要具有足够的强度与刚度，采用“抱箍”式铝材结构，即使结构轻便，又使得安装拆卸方便。压紧方式：为了使更好的克服重力作用带动机器人有效怕生，尽量增加缆索表面法向力，爬缆机器人轮子压紧方式采用弹簧阻尼器产生预压紧力形式。滑动轮组：轮子采用的聚氨酯弹性体材料，不仅可以减轻机器人本体的重量，而且可以增大轮组与缆索表面的摩擦系数，增大摩擦力，同时能起到减小振动的作用。

该爬缆机器人主要部件之间的连接关系大致可分为固定副、旋转副、齿轮副三种。固定副关系。该爬缆机器人固定副占据大多数，大致为机器人支架与机器人总体外壳的固定连接、弹簧压紧系统部件的固定等等。旋转副关系：旋转副主要是与缆索直接接触的9个轮子的旋转关系。9个轮子由3个主动轮和6个从动轮组成。齿轮副关系：齿轮副施加于发动机与主动轮的齿轮之间的啮合关系以通过发动机的驱动力矩输出带动主动轮的转动。

1.3 爬缆机器人的组成及工作原理

爬缆机器人主要分为主体结构、控制系统和检测设备组成。本文主要研究主体结构，主体结构由支撑机架、滑轮组、电机、弹簧阻尼器等组成。从设计要求出发，新型爬缆机器人如图1所示。该爬缆机器人由三个电机带动减速机构驱动主动轮，带动从动轮一起运动，由弹簧预紧力的作用，轮组与缆索之间产生摩擦力作用，从而带动整个机器人向上运动，其特点是机构简单、体积小、自重轻、装卸方便等。

2 爬缆机器人设计分析及优化

通过对爬缆机器人的结构和工作原理进行分析，得到影响机器人稳定性和爬行能力的主要参数，从下面几个方面分析各参数对机器人整体性能的影响：弹簧力，滑轮与缆索间的摩擦系数等方面来研究，进而对爬缆机器人整体模型进行优化分析。

影响爬缆机器人运动稳定性及爬行里的因素。根据机器人的结构和工作原理可知，主要影响因素为：本体的结构，本体结构零件的质量，驱动电机的参数和功率，结构的抗磨损、抗变形能力，零件制造的尺寸精度，形状位置精度及装配调整质量对机构运动的影响，运动副间隙、摩擦、润滑条件等。

在驱动电机连续工作下爬缆机器人在工作过程中会绕缆索旋转，从而螺旋上升，造成工作的不稳定以及辅助功能的无法完成，是爬缆机器人设计中的一个主要问题。主要原因：其一是结构中用到了三个驱动电机、但三个电机运动不同步；其次是爬缆机器人本身的重力偏置产生扭矩，在该扭矩作用下机器人绕缆索轴线转动；由于缆索表面扰度及不规则性和缆索机器人高处受风振影响。本研究假设爬缆机器人不受上面三个方面因素影响的情况下，考察弹簧压紧力、摩擦系數等对机器人稳定性和爬行能力的影响。

3 结语

爬缆机器人作为一种特种机器人，将伴随着经济大局与桥梁事业的进步发展被应用于更多的生产当中，发挥巨大的经济效益与社会作用。通过比较不同参数下爬缆机器人模型运动旋转问题及爬行能力，研究对爬缆机器人运动稳定性及爬行能力的影响因素。通过对爬缆机器人分析结果表明，较大的摩擦系数和预紧力可以提高爬缆机器人的运动稳定性。未来，爬缆机器人随着新能源的开发和新的设计发生变化：质量轻负载能力加强、移动速度更稳定、使用新材料将改变爬缆移动机器人吸附方式、新传感器可以使机器人的更加智能等。

参考文献

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