某爬纜機器人結構分析及改進

李笑寒

摘要：對某爬纜機器人的結構和工作原理進行分析，總結了影響爬纜機器人運動穩定性的因素，研究彈簧預緊力、輪子與纜索間摩擦系數等參數對其驅動力矩的影響，根據分析結果對機器人系統進行研究及優化。結果表明，較大的摩擦系數和彈簧預緊力可以提高爬纜機器人的運動穩定性，摩擦系數、預緊力對驅動力矩的影響較大。

關鍵詞：爬纜機器人；彈簧預緊力；運動穩定性；摩擦系數

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0097-01

1 爬纜機器人結構及工作原理分析

該爬纜機器人本體可以沿著不同傾斜度的纜索向上爬升，在高空纜索上完成檢查、清洗、去靜電以及一系列的維護工作。爬纜機器人本體上可以裝載其所需要的各個功能系統以完成其其相應的工作任務。

1.1 系統總體設計

爬纜機器人爬升方式：該爬纜機器人利用彈簧壓緊的方式使整個機器人滑輪與纜索之間產生摩擦力，在三部大功率電動機驅動下驅動機器人本體向上爬行，整個爬纜機器人可以攀爬一定角度的纜繩。該機器人的功能是以一定速度在圓形的桿、纜索或其他相似形狀的物體上攀爬，而且能夠客服自身和攜帶檢測設備的重量并完成檢測、維護等基本功能。為了實現爬纜機器人的各項功能，要求爬纜機器人機體運動連續且平穩，這樣才能確保其任務效果。綜合各方案的利弊，在擬采取電機連續驅動的同時，在機構上盡量精簡的改進型機構以減輕爬纜機器人重量。

1.2 爬纜機器人主要部件及部件間的連接關系

支撐機架。為使機器人各系統可靠連接并正常工作，支架必須要具有足夠的強度與剛度，采用“抱箍”式鋁材結構，即使結構輕便，又使得安裝拆卸方便。壓緊方式：為了使更好的克服重力作用帶動機器人有效怕生，盡量增加纜索表面法向力，爬纜機器人輪子壓緊方式采用彈簧阻尼器產生預壓緊力形式。滑動輪組：輪子采用的聚氨酯彈性體材料，不僅可以減輕機器人本體的重量，而且可以增大輪組與纜索表面的摩擦系數，增大摩擦力，同時能起到減小振動的作用。

該爬纜機器人主要部件之間的連接關系大致可分為固定副、旋轉副、齒輪副三種。固定副關系。該爬纜機器人固定副占據大多數，大致為機器人支架與機器人總體外殼的固定連接、彈簧壓緊系統部件的固定等等。旋轉副關系：旋轉副主要是與纜索直接接觸的9個輪子的旋轉關系。9個輪子由3個主動輪和6個從動輪組成。齒輪副關系：齒輪副施加于發動機與主動輪的齒輪之間的嚙合關系以通過發動機的驅動力矩輸出帶動主動輪的轉動。

1.3 爬纜機器人的組成及工作原理

爬纜機器人主要分為主體結構、控制系統和檢測設備組成。本文主要研究主體結構，主體結構由支撐機架、滑輪組、電機、彈簧阻尼器等組成。從設計要求出發，新型爬纜機器人如圖1所示。該爬纜機器人由三個電機帶動減速機構驅動主動輪，帶動從動輪一起運動，由彈簧預緊力的作用，輪組與纜索之間產生摩擦力作用，從而帶動整個機器人向上運動，其特點是機構簡單、體積小、自重輕、裝卸方便等。

2 爬纜機器人設計分析及優化

通過對爬纜機器人的結構和工作原理進行分析，得到影響機器人穩定性和爬行能力的主要參數，從下面幾個方面分析各參數對機器人整體性能的影響：彈簧力，滑輪與纜索間的摩擦系數等方面來研究，進而對爬纜機器人整體模型進行優化分析。

影響爬纜機器人運動穩定性及爬行里的因素。根據機器人的結構和工作原理可知，主要影響因素為：本體的結構，本體結構零件的質量，驅動電機的參數和功率，結構的抗磨損、抗變形能力，零件制造的尺寸精度，形狀位置精度及裝配調整質量對機構運動的影響，運動副間隙、摩擦、潤滑條件等。

在驅動電機連續工作下爬纜機器人在工作過程中會繞纜索旋轉，從而螺旋上升，造成工作的不穩定以及輔助功能的無法完成，是爬纜機器人設計中的一個主要問題。主要原因：其一是結構中用到了三個驅動電機、但三個電機運動不同步；其次是爬纜機器人本身的重力偏置產生扭矩，在該扭矩作用下機器人繞纜索軸線轉動；由于纜索表面擾度及不規則性和纜索機器人高處受風振影響。本研究假設爬纜機器人不受上面三個方面因素影響的情況下，考察彈簧壓緊力、摩擦系數等對機器人穩定性和爬行能力的影響。

3 結語

爬纜機器人作為一種特種機器人，將伴隨著經濟大局與橋梁事業的進步發展被應用于更多的生產當中，發揮巨大的經濟效益與社會作用。通過比較不同參數下爬纜機器人模型運動旋轉問題及爬行能力，研究對爬纜機器人運動穩定性及爬行能力的影響因素。通過對爬纜機器人分析結果表明，較大的摩擦系數和預緊力可以提高爬纜機器人的運動穩定性。未來，爬纜機器人隨著新能源的開發和新的設計發生變化：質量輕負載能力加強、移動速度更穩定、使用新材料將改變爬纜移動機器人吸附方式、新傳感器可以使機器人的更加智能等。

參考文獻

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