缆索机器人-爬行机构及其驱动装置设计

毕业设计（论文）缆索检测机器人-爬行机构及其驱动装置设计PAGEPAGE51毕业设计说明书缆索检测机器人爬行机构及其驱动装置设计摘要缆索检测机器人是特种机器人技术在斜拉桥缆索检测方面的应用。自从1956年在瑞典建成世界上第一座斜拉桥以来，斜拉桥就越来越受到世人的青睐。斜拉桥成为现代建筑的一道亮丽的风景。然而，针对目前斜拉桥的人工吊篮检测的落后方式，如何高效快速的进行斜拉桥的缆索的检测和维护成为人们急需解决的一个重要问题。我们课题组这次所设计的缆索表面机器人分为三部分：检测部分、动力部分和携带部分。这样的设计的最大优点就是质量轻，便于安装等。在设计的过程中，我们要考虑多个问题，最重要的就是小车轮子的自动调节和CCD支撑架的手动调节。对于小车我采用的是弹簧和螺栓双重调节，对于CCD支撑，我所采用的是滑杆调节。关键词：斜拉桥缆索，携带机构，缆索检测ABSTRACTThecablerobotdevelopedinthispaperisthefirstapplicationofspecialrobotstocablesofcable-stayedbridges.Cable-stayedbridgewhichismoreandmorepopularintheworld,sincethefirstcable-stayedbridgewasbuiltinSwedenin1956.Thecable-stayedbridgehasbecomeoneofthemostbeautifulscenes.Then,concerningtheartificialmaintenancemethodforcables,howefficientthecablestayedfortherapiddetectionandthemaintenanceoftheurgentneedtoresolvetobecomeanimportantissue.Wedesignedthisdiscussiongrouponthecablerobotisdividedintothreeparts:detectionofpowerandcarryingsomeparts.Thisdesignisthebiggestadvantagesoflightweight,easytoinstall,andsoon.Inthedesignprocess,wehavetoconsideranumberofquestions,themostimportantthingisthewheelsofthecarandautomaticallyadjusttheCCDMOUNTINGmanualadjustments.Iusethecarforthespringandboltisadouble-conditioning,theCCDsupport,Ihaveadoptedtheregulationistheslider.Keywords：cable-stayedbridgecable,carryingbodies,CableDetection目录一．斜拉桥的发展……………………6二．缆索可靠性问题…………………8三．缆索的腐蚀及防护方法…………10四．绪论…………16五．缆索机器人的设计意义…………20六．缆索机器人总体设计方案………216.1机械结构的设计…………………236.2机械结构的说明…………………25七、机构的力学分析…………………27八、缆索机器人辊轮轴设计…………35九、轴承校核…………43十、键的校核…………45十一、控制流程………46十二、安全性的考虑…………………47十三、结论……………49致谢………………50参考文献………………51一、斜拉桥的发展斜拉桥（cable-stayedbridge）是一种美观的桥梁形式。其结构形式是由从索塔向下呈扇形散射的斜拉索拉住桥面主梁而构成的建筑物。由于斜拉桥美观独特的外观，良好的跨越能力，以及其较好的空气动力稳定性，在当代桥梁工程界得到了越来越多的应用，扮演着重要的角色。世界上第一座现代斜拉桥是1955年建于瑞典的Stromsund桥，其主跨为182.6米，主梁由两片板梁组成，门型框塔架，拉索呈辐射型布置。从此以后，斜拉桥经过了长足的发展。具有代表性的桥梁包括，1957年德国建成的跨越莱茵河的杜塞尔多夫北桥，法国1975年建成的Saint-Nazaire桥，挪威1991年修建的Skarnsundet桥。自从上世纪90年代以来，由于计算机辅助技术的成熟以及应用于桥梁设计领域，高强材料智能材料的引进，施工方法的发展，以及对桥梁耐久性的重视，斜拉桥的发展越来越快，跨度在不断的刷新。其中，在此发展过程中，扮演着分水岭的角色的工程分别在法国建于1994年的诺曼底大桥和在日本建于1999年的多多罗大桥。尽管我国有着悠久的建桥历史，如隋朝建造的敞肩石拱桥—赵州桥。然而我国现代斜拉桥的建设在上世纪八十年代以前一直十分滞后。我国建成的第一座现代斜拉桥是四川云阳桥，建于1975年，跨径76米，结构形式为双塔双索面混凝土斜拉桥。在我国斜拉桥历史上，具有代表性的其它桥梁还包括：（1）1993年在上海建成的杨浦大桥，主跨602米，结构形式为双塔双索面扇形布置拉索的叠合梁斜拉桥；（2）2000年建成的武汉白沙洲长江公路大桥，主跨为618米，系双塔双索面混合桥梁；（3）2002年建成的湖北荆州长江公路大桥，主跨为500米，双塔双索面扇形布置拉索的预应力混凝土斜拉桥；（4）建成于2008年的杭州湾跨海大桥，北航道桥为主跨448米的钻石型双塔双索面钢箱梁斜拉桥，南航道桥为主跨318米的A型单塔双索面钢箱梁斜拉桥；（5）建成于2008年的润扬长江大桥，该桥的斜拉桥部分采用176+406+176米的三跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥，共长758米；（6）建成于2008年的苏通大桥，该桥跨径为1088米，是当今世界跨径最大的斜拉桥。斜拉桥以其优美的外观及良好的抗震性越来越得到桥梁设计师的青睐。自从1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉桥以来，到1993年全世界已有300余座斜拉桥。我国自1975年在四川云阳建成第一座斜拉桥之后，至今共建成40余座斜拉桥。二、拉索体系可靠性问题尽管斜拉桥有着诸多的良好性能，但是在过去的几十年间也暴露出不少问题。斜拉桥的缆索体系的腐蚀就是其中一个很重要的问题。在过去的几十年里，斜拉桥的缆索腐蚀严重的情况时常发生，如MaraCaibo桥，在是使用16年后进行换索，耗资5000万美元，换索工期为两年。德国汉堡的KolhbrandEstuary桥更是在运营仅三年进行了全部拉索的更换，耗资达6000万美元，为原造价的四倍。同样美国路易斯安娜州新奥尔良的鲁林桥、阿根廷的扎拉特布拉什拉桥也进行过换索工作。国内某桥梁拉索在不到9年就由于拉索PE护套老化，钢丝锈蚀，断裂而导致全部更换拉索。我国部分斜拉桥的拉索腐蚀情况桥名护套破损钢丝锈蚀下猫头渗（积）水锚具外部锈蚀其它病害上海恒丰路桥锈蚀轻微广州海印桥断索护套内水泥浆不饱满济南黄河桥表面镀锌锈蚀犍为岷江桥开裂断丝20根多段下锚头渗水锈蚀洪水河桥开裂下锚头积水云南三达地桥开裂断丝17根多段下锚头渗水锈蚀钢丝墩头开裂广东九江桥开裂断丝1/3锈蚀桥名护套破损钢丝锈蚀下猫头渗（积）水锚具外部锈蚀其它病害重庆石门桥开裂断丝10根多段下锚头渗水锈蚀三台培江桥锈蚀广东三水桥开裂下锚头积水番禹大桥开裂断丝锈蚀减震器坏铜陵大桥多段下锚头渗水武汉月湖桥环形开裂珠海淇澳桥开裂锈蚀防水罩坏斜拉桥的拉索在环境还载荷的联合作用下很容易退化，根据以前的工程经验，斜拉桥的拉索平均使用寿命仅为20年。如果保证斜拉桥的使用年限达到100年，则拉索至少要换4-5次左右，这意味着在斜拉桥的全寿命使用过程中，需要进行多次的换索工程，显然这将造成极大的经济和资源浪费。就我国而言，在建和已建斜拉桥有100多座，其中迄今已有20多座斜拉桥发生了不同程度不同形式的拉索退化现象，上海的新五桥由于断索而坍塌，三台培江桥由于无法换索而被拆除，另外十座斜拉桥被迫换索。拉索换索工程费用常常占到总费用的50%以上，甚至超过初始的建桥费用。显然，尽可能地延长拉索的使用寿命，可以达到节约养护维修经费的目的。三．缆索的腐蚀机理及防护方法1.缆索体系的腐蚀原理大气腐蚀机理缆索体系暴露在大气当中，由于空气中含有的水分、氧气以及腐蚀介质，而产生化学和电化学作用，而发生金属腐蚀。这种大气腐蚀是缆索钢丝的金属处在表面水膜（电解质膜）层下的电化学腐蚀过程：该表面水膜当空气中的相对湿度达到一定程度时，空气中的水分在金属表面吸附和凝聚而产生的，通常情况下，这种水膜中常常溶有具有腐蚀性的污染物；由于大气环境中的钢丝，金属表面水膜很薄，氧气容易达到阴极表面，而且氧的平衡电位高于氢，所以电化学腐蚀的原理是阳极为金属腐蚀，而阴极为氧去极化作用。缆索体系钢丝腐蚀种类对于缆索体系钢丝的腐蚀主要可分为两大类，即为均匀腐蚀和局部腐蚀；对于后者，则主要包括点腐蚀，裂缝腐蚀，应力腐蚀，疲劳腐蚀。下面对各种腐蚀形态进行简要介绍。均匀腐蚀：均匀腐蚀是缆索体系钢丝最为常见的腐蚀形态，其特征是腐蚀分布于整个金属表面，并以基本上相同的速度使钢丝直径逐渐减小。尽管均匀腐蚀能造成大量的金属损失，但由于腐蚀发生的比较均匀，且速度稳定，采取合理的防腐措施，就不会发生突然性的腐蚀事故，所以这类腐蚀并不可怕。点腐蚀：点腐蚀是在金属构件表面出现的个别孔坑或密集斑点的腐蚀。对于易钝化的金属，在有活性侵蚀离子与氧化剂共存的条件下，更容易发生点腐蚀。如不锈钢、铝和铝合金等在含氯离子的介子中，经常发生点腐蚀，而在碳钢表面的氧化皮或锈层有空隙的情况下，在含氯离子的水中也会发生点腐蚀。点腐蚀的剖面形状可分为半球形、椭圆形、环形、袋形、深窄形或浅宽形，以及各种其他复合形状的。缝隙腐蚀：裂缝腐蚀是另一种普遍存在的，与点腐蚀很相似的局部腐蚀。其产生的机制为，金属与金属、金属与非金属相连接时表面存在裂缝，如果这些裂缝中含有腐蚀介质时，会在金属上诱发局部腐蚀形态。发生这种腐蚀的条件是有适当的缝隙，这个缝隙必须足够宽，使得腐蚀介质能够进入缝隙中，同时缝隙又必须足够窄以使腐蚀介质能够滞留在缝隙内；通常情况下，发生裂缝腐蚀最敏感的裂缝宽度在0.025-0.1mm范围内。缝隙腐蚀与点腐蚀的相近之处在于：（1）两者的腐蚀机理是基本相同的；（2）其次是腐蚀的扩展都是闭塞电磁作用，而腐蚀是在缝隙内的自催化酸化过程加速进行的。缝隙腐蚀与点腐蚀的不同之处在于：（1）点腐蚀首先要生产点蚀核，而缝隙腐蚀则产生与构件金属表面的狭小缝隙；（2）点腐蚀是通过腐蚀核成长形成的点蚀孔，并逐渐形成闭塞电，然后才加速腐蚀的，而缝隙腐蚀由于已具有缝隙，腐蚀一开始就能迅速形成闭塞电磁并开始加速腐蚀；（3）缝隙腐蚀比点腐蚀更容易发生和扩展外，两者所形成的形态也有所不同，通常情况下，点腐蚀的蚀孔一般窄而深，缝隙腐蚀的蚀坑相对宽而浅。应力腐蚀：钢丝在受到拉伸应力和腐蚀环境介质的共同作用下发生的腐蚀为应力腐蚀。当钢丝受到应力腐蚀时，有可能会在远小于其材料屈服强度的情况下突然发生断裂，没有预兆，所以一旦发生应力腐蚀的钢丝，其危险系数会极大增加。产生该腐蚀需要三个基本条件：敏感的材料，特定的腐蚀环境，以及拉伸应力（外力，残余应力）。应力腐蚀的失效形式表现为材料的脆性断裂，即便是塑性变形能力很高的材料在发生应力腐蚀失效后，其表现形式仍然为脆性断裂，断口表面上会有腐蚀坑以及二次裂纹，同时能清晰的观察到塑性流变痕迹。疲劳腐蚀：金属材料在疲劳载荷及腐蚀介质的共同作用下所发生的腐蚀失效称为疲劳腐蚀。对于发生疲劳腐蚀的钢丝，其失效的应力水平以及疲劳寿命会较该钢丝在无腐蚀介质条件下的纯机械疲劳低得多。2.缆索体系腐蚀机理斜拉桥拉索腐蚀机理：对于早期的斜拉桥拉索，常常通过向PE管或钢管中压注水泥浆来进行腐蚀防护，这是由于水泥的碱性对钢材提供积极的防腐作用。然而常常出现灌浆不满的情况，以及水泥浆沁水的现象。广州的海印桥，就是由于管道压降工艺未能保证拉索顶部饱满，使得水能直接接触拉索钢丝而发生腐蚀，最后发生了9号索断裂事故，以及后来的15号索也有松断现象。目前对于斜拉桥拉索，常常采用的防护方法为热挤PE套管保护拉索钢丝。这种防护方法，常常难以避免在拉索架设过程中出现PE套管被划破的情况；同时，由于长时间的风吹日晒，PE套管发生老化也会产生很多裂缝，即便PE套管没有出现施工期间的划破或者老化出现的裂缝，由于PE套管并不能完全保证气密性，进入PE套管中的空气在拉索内外温度变化时（内热外冷），会冷凝成液态水。这些情况下都会对拉索内的钢丝产生腐蚀现象，从而降低斜拉桥拉索的可靠性。3.缆索体系防护方法斜拉桥拉索防腐体系对斜拉桥拉索基材钢丝的防护，主要方式是对高强度钢丝表面实施热镀锌工艺或环氧材料涂层工艺，已达到在钢丝表面形成一层致密的保护膜从而防止锈蚀的目的。对整个索体的保护，主要方式是对钢丝束和钢绞线热挤高密度聚乙烯（PE）护套，或外套PE管防护，依靠PE材料气密性、水密性、抗紫外线性能好的特点，达到防护效果。目前斜拉桥的拉索体系主要有两种：（1）平行（半平行）钢丝索，（2）平行（半平行）钢绞线索，这两种不同体系的斜拉索采用了各有特点的防腐方法，下面将对这两种体系的构造及防腐处理方法进行介绍。平行钢丝索平行钢丝索的防腐方法主要有以下几种：塑料罩套保护法；套管压浆法，采用聚乙烯管，钢管，其间压注水泥浆，这种防护法曾经应用于平行钢丝拉索中，现在主要应用于钢绞线拉索防护中，平行钢丝拉索一般不再采用。直接挤压HDPE护套法，经涂脂处理后按正六边形或缺角六边形平行并拢定型捆扎并轻度纽绞成束后，加裹高强度聚酯包带和热挤高温聚乙烯塑料（简称HDPE）护套或染色PE护套。目前这种方法国内外普遍应用于平行钢丝拉索的防护中。平行（半平行）钢绞线索该拉索的结构体系由两端的锚固段，隐埋在塔梁内部的过渡段和外露部分的中间段三部分组成。钢绞线拉索的防护有两种方式：一种是有粘结刚性保护，即将整根拉索穿入一根外套管中，外套管与钢绞线之间压注水泥浆，因其保护效果欠佳，且换索不便，目前已经很少使用；另一种是无粘结柔性保护，通常是将每一根钢绞线束外涂防锈油脂或镀锌或喷铝后挤压PE护套，再将若干根带有护套的钢绞线束组成一根拉索，在拉索外再套一层HDPE（热挤高密度聚乙烯塑料）套管形成无粘结柔性拉索。钢绞线拉索的防护按拉索的结构可分为内渗防护与外裹防护。内渗防护是在钢绞线的平行钢丝之间填充塑胶物质，所用材料一般有防锈油脂，聚乙烯塑料泡沫和水泥浆或环氧砂浆；外裹保护是在单股或单根拉索外表热挤PE套管，外套金属套管，预应力套管等，外裹防护材料目前常用的是HDPE套管，PE套管，铝合金套管等，其中HDPE套管应用最多。我国的润扬长江公路大桥斜拉桥部分的建设采用了平行钢绞线拉索体系。拉索由多股无粘结高强度平行钢绞线组成，整根拉索的防护共有三层，由单根钢绞线外涂油脂并带PE护套，拉索外层的HDPE外防护套等组成。绪论截止至1999年上半年，我国从事机器人及其相关技术产品研制、生产的单位有200余个，研制、生产的各类工业的机器人约有50多种型号600台，其中已用于生产的约占5/6。我国工业机器人经过20多年的发展，已在产业化的道路上迈开了步伐。1998年我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线和式程项目的产值和销售额已超过2亿元。国家"836"高技术计划已将中科院沈阳自动化所的机器人技术国家工程研究中心、哈尔滨工业大学的博实公司、国家机械工业局北京机械工业自动工化研究所机器人中心、上海交通大学的海泰公司、上海大学的机电一体工程中心和南开大学的太阳公司等确立为智能机器人主题的六个产业化基地。一汽、二汽、济南第二机床厂、中国船舶工业总发及应用成套的大型依托企业。国家机械工业局北京自动化所从第1台PJ-1喷涂机器人起，经过"七五"、"八五"、"九五"攻关和十多年的开发应用，已形成PJ-1系列喷涂机器人、PM系列自动喷涂机及龙门仿形喷涂机器人产品大家族，并由单一喷涂机器人产品发展到弧焊、搬运、码垛、装箱等多种机器人产品系列；1998年10月及1999年6月两次首家举办多种工业机器人科技新成果展示会，吸引了上百家用户；至1999年上半年共为用户装备了30多余工业机器检自动生产线和工作站，包括130多台工业机器人，其中95%以上机器人整机是自主开发的产品。汽车待业一些大的企业已能开发工业机器人及成套应用工程进行自我装备，如一汽与中科院沈阳自动化所联合开发的用于大型汽车复盖件的冲压正常运行2年，东风汽车公司设备制造厂开发了轿车缸体、缸盖加工自动线含13台袭门式机器人，也已用于神龙汽车公司襄樊工厂。济南第二机床厂开发的含上下料机器人的高度自动化冲压生产线已出口创汇。上海徐浦大桥建成后采用了人工涂装的方式，即由塔顶设立定滑轮吊点。用卷扬机经钢丝绳带动小车及载人和涂料的吊篮由人在高空对全部缆索实行了涂装，不仅效率低，而且安全性差成本高。因此，利用特种机器人技术，开发一种自动缆索爬升并能完成一定作业任务的大倾斜度缆索机器人，是交通基础建设与维护的必然要求，不仅给斜拉桥缆索的检测和维护作业提供重要手段，而且也可应用与类似的斜拉结构上。斜拉桥以其优美的外观及良好的抗震性越来越得到桥梁设计师的青睐。针对现代斜拉桥对安全和美观的越来越高要求，提出用大倾斜度缆索机器人进行高空缆索检测和维护的新方法。采用电驱动摩擦轮压紧使机器人沿缆索连续爬升或气驱动气缸夹紧蠕动爬升，利用随带的喷涂、磁检测等装置，实现了在役缆索的涂装、内部检测等作业，已在上海徐浦大桥上成功进行了现场试验，取得满意的效果。自从1956年在瑞典建成曹姆松特斜拉桥以来，到1993年全世界已有300余座斜拉桥。我国自1975年在四川云阳建成第一座斜拉桥之后，至今共建成40余座斜拉桥。斜拉桥的主要受力构件是缆索，但其长期暴露在大气之中，受到风吹、日晒、雨淋和环境污染的侵蚀，其表面会受到较严重的破坏，这会对整座斜拉桥带来不利的影响。因此，对缆索的有效维护是十分必要的。斜拉桥以其独特的构型吸引着众多的观光者，为现代化都市增添了一道亮丽的风景线。但人们在惊叹斜拉桥壮观的同时，也发现美中不足的是大多数斜拉桥的缆索都是黑色，色彩的单调影响了斜拉桥的魅力。所以，近年来彩化斜拉桥成了许多桥梁专家追求的目标。目前，彩化斜拉桥的方法有三种，即彩色绕包、全材彩化及彩色涂装，其中彩色涂装是最经济且柔性较大的方法。到目前为止，国内外对斜拉桥缆索进行彩色涂装主要采用两种方法，一种是针对小型斜拉桥使用液压升降平台进行缆索涂装，另一种是利用预先装好的塔顶的定点，用钢丝托动吊篮搭载工作人员沿缆索进行涂装。前一种方法的工作范围十分有限，后一种方法是许多斜拉桥采用的普遍方法，但采用人工方法进行高空涂装作业不仅效率低、成本高，而且危险性大，尤其是在风雨天就更加危险。为此，上海交通大学机器人研究所于1997年与上海黄浦江大桥工程建设处合作研制了一台斜拉桥缆索涂装维护机器人样机。该机器人系统由两部分组成，一部分是机器人本体，一部分是机器人小车。机器人本体可以沿各种倾斜度的缆索爬升，在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。机器人本体上装有CCD摄像机，可随时监视工作情况。另一部分地面小车，用于安装机器人本体并向机器人本体供应水、涂料，同时监控机器人的高空工作情况。机器人具有以下功能：沿索爬升功能机器人可沿任意倾斜度的缆索爬升，可爬升的缆索标高为160米，缆索倾斜度0～90(，可适应的缆索直径为90～100毫米，机器人爬升速度为8米/分。缆索检测功能机器人上装有钢丝绳检测系统，可沿缆索检测钢丝是否有断丝，以便及时更换缆索。缆索清洗功能在机器人本体上配备有各种形状的清洗刷和特定的水基清洗液，可完成缆索去尘、脱脂和去聚乙烯表面静电等工作。具有一定智能机器人具有良好的人机交互功能，在高空可以判断是否到顶、风力大小等一些环境情况，并实施相应的动作。五．缆索检测机器人的设计意义斜拉桥以其观赏性好、承载能力强、跨越能力大、抗风稳定性高、工程造价经济等优点，成为公路、铁路及城镇道路建设中大跨径桥梁常用桥型之一，在世界范围内得到了广泛的应用。作为斜拉桥的主要受力部件缆索因暴露在空气中，长期受到风吹、日晒、雨淋及大气中污染物的侵蚀，其表面的聚乙烯保护套会出现隆起、破裂等现象，甚至保护套内的钢丝束会出现生锈、断丝等问题，严重影响了斜拉桥的观赏性并且给斜拉桥的安全埋下隐患。目前，缆索维护作业基本使用人工吊篮方式，成本高、效率低、安全性差。因此，研制缆索自动化检测机器人对缆索有效维护是十分必要的。针对潜在的缆索维护市场,国内外多家机构参与了缆索维护机器人研究开发。现有爬缆机构的运动方式主要有摩擦轮连续滚动式,夹紧蠕动式两种。连续滚动式机构由于缆索的悬垂曲线、缆索风振动等外界因素影响,摩擦轮的预紧力较难精确调整;过大,因摩擦消耗功率就越多;过小,随机的外部干扰会使夹紧力不足,爬升失效,多数情况下为了提高可靠性只能牺牲能耗比。夹紧蠕动式机构对于截面尺寸有突变、表面情况恶劣的缆索具有较好的适应能力,但爬升和夹紧运动分别由2套机构实现,运动较复杂,浪费了过多因夹紧所耗的时间和能源。六、缆索机器人总体设计方案缆索机器人携带检测工具在高空中完成对缆索的检测修复，在这种复杂危险的情况下完成作业，就要求机器人系统尽可能的小型化、轻量化，提高系统的灵活性和适应环境的能力。为此提出机器人的性能指标为:机器人总质量小于20kg；机器人移动速度不小于5m/min；缆索的最大倾斜角为90°；缆索的直径为100mm。一种轮式桥梁缆索健康检测机器人，包括轮式爬行机构、爬行机构自动控制系统两部分组成。爬行机构自动控制系统组成和工作原理：爬行机构自动控制系统由控制箱、驱动器、检测装置、通讯模块、电源及电机组成。检测装置的作用是检测桥梁缆索外表及内部是否有损伤，可以是但不限于电涡流检测系统、磁漏检测系统、超声波检测系统、照相/摄影系统。通讯模块的作用是实现机器人同地面人员或上位计算机的联络，可以但不限于电磁通讯模块、电力载波通讯模块。控制箱是机器人的控制核心，由它实现机器人行进、缆索检测、通信、障碍物的检测等任务，并采集和保存检测的结果。控制箱可以但不限于计算机、控制板、障碍检测组成。电源的作用是给整个系统提供所需要的个种交直流电源，它包括供电电源和电源模块两部分。供电电源可以是但不限于交流电源、直流电源、可充电电池。驱动器的作用是将控制箱输出的弱电信号经过功率放大后驱动电机运动，可以但不限于直流电机驱动器、交流电机驱动器、直流伺服驱动器、交流伺服驱动器、步进电机驱动器。电机是系统的执行机构，由它经减速器、传动机构带动小车运动，电机可以是但不限于直流电机、交流电机、直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机。工作原理：控制箱中的计算机通过通讯模块接受到操作人员的指令后，向控制板发出机器人的运动命令（前进、停止或返回）控制板则根据该命令通过驱动器控制电机运动。若运动中检测到障碍，则通过计算机向控制板发出返回命令。机器人运动时，计算机根据一定时序启动检测装置对缆索进行检测，检测结果存在计算机中，同时经过压缩后通过通讯模块发送给地面设施。6.1机械结构的设计根据上述性能指标设计出的机器人的总体机械结构如图1所示。缆索机器人包括：线性驱动器、单排链轮、双排链轮、链条、滚轮、活动开口、连接管、连接杆、平行板、电机、编码器此结构简单、轻便，方便安装，工作时可以轻易的安装在缆索上，维护方便，方便拆装，本装置即可用于斜拉桥，也可以用在其他斜拉设备上。机器人的传动为：伺服电机通过减速机经由键及链轮、链条、链轮、键、轴传动至滚轮，滚轮与缆索之间的摩擦力靠弹性推进装置维持，其弹性值应满足条件：μN>G(摩擦系数取0.2，设备总重量为G，弹性力大小N)若加速度为a，则F=ma=μN(爬升力，m为设备总质量，a设备爬升加速度，N为弹性推进装置正压力)6．2机械结构的说明机器人结构框架呈正六棱柱状，整体分为上位体和下位体两部分，并分别设置有夹紧和移动机构，两体间通过连接管、连接杆等支撑机构相连。上位体和下位体至少有一个夹紧在缆索上，通过电动机驱动滚轮实现机器人在缆索上连续移动。正六棱柱的上下两个平面的连接杆上均设有活动开口，通过打开或关闭活动开口就能方便、快捷地将机器人安装到缆索上。滚轮和线性驱动器通过平行板相连接，线性驱动器提供预紧力使机器人附着在缆索上，这就为机器人在缆索上实现连续移动创造了条件。并且，线性驱动器的行程会根据缆索的不同直径的要求进行实时调节，从而提高了机器人对不同直径的缆索的适应能力。机器人框架内部均匀安装3套爬行机构，即3套爬升机构之间呈120°等间距分布，每套爬行机构的驱动力均由电机提供。因此，机器人采用三重驱动力，并通过链传动使6只滚轮都成为主动轮，这样就能减少缆索机器人在爬升运动过程中遇到的各种阻力，增强了爬升力，保证缆索机器人在大倾度的缆索上也能够顺利工作。这种分布方式还能使牵引力分散产生，提高了机器人的稳定性，有利于对缆索的检测。另外，爬行机构通过安装在减速器输出轴上的编码器测量电机的转速，运用速度反馈控制方式实现3对滚轮的同步运动，进一步增强了机器人的稳定性。七、机构的动力学分析7.1机器人附着力的分析实现机器人在缆索上运动，需要线性驱动器提供机体对缆索的附着力。根据前文的分析，机器人的全部重力仅由安装在下位体或上位体上的6只滚轮承载，此时，机体对缆索的附着力达到最大值。假设机器人处于静止状态，如图2所示，对其中一只滚轮分析可得:G1cosθ+F1=N(1)f1=G1sinθ(2)f1=μ1N(3)由式(1)～式(3)可得:F1=G1（sinθ-μ1cosθ）/μ1(4)式中:F1———线性驱动器提供的附着力;G1———由6只滚轮承载全部重力时其中一只滚轮所分担的重力;θ———缆索倾斜角度;μ1———最大静摩擦因数。取滑动摩擦因数μ1=0.2；最大倾斜角θ=90°；每只轮子所承受的重力为G1=33.33N；则求得最大附着力F1=166.65N,为了保证机器人的稳定性，取F1=250N。(该图为图2，图中F1与N在同一直线上，没有β角)7.2机器人向上运动时的动力学分析最大附着力保证机体紧附在缆索上，在电机的驱动下，机器人沿缆索向上爬升。在机器人启动的一瞬间，向上爬升的加速度很大，此时需要的驱动力最大。在机器人向上爬升的过程中，机体的受力情况如图3所示，对其进行受力分析为:F2－f2－G2sinθ=Ma(6)N=F1+G2cosθ(7)f2=μ2N(8)由式(6)～式(8)可以得出:F2=F1μ2+G2(μ2cosθ+sinθ)+M2a(9)M2=G2/g式中:F2———机器人向上爬升时电机的驱动力;μ2———滑动摩擦因数;G2———一只滚轮所承载的重力;a———机器人启动瞬间的加速度。驱动轮的橡胶表面与缆索表面的聚乙烯材料接触，取滑动摩擦因数μ2=0.15；为了尽快达到最大工作速度，加速度a取值0.01m/s2;当缆索垂直地面时，机器人的重力全部集中在机器人的6只滚轮上，此时每只滚轮承载机器人的重力最大，所以，在θ=90°，M2=3.33kg，G2=33.33N，a=0.01m/s2时驱动力最大，即最大驱动力F2=70.86N，取F2=100N。设此时的工作速度为5.0m/min，所以可求得电机的功率为:（10）式中:v———机器人移动的速度;η———链传动的传动效率，取值85%;K———电机功率储备系数，一般为1.1～1.25，这里取值1.25。所以求得电机功率P=12.25W，选用电机功率20W。(该图为图3图中F1与N在同一直线上，没有β角)此时机器人工作的速度最小，电机转矩最大，最大转矩:TN=9.55P/n(11)式中:n———电机的转速，r/min。滚轮半径R=35mm，故有单排链轮的转速n1为:n1=v/2πR(12)求得n1=22.75r/min，根据链传动的运动特性:n/n1=z1/z(13)式中:z———双排链轮齿数；z1———单排链轮齿数。z=16，z1=21，所以，n=29.9r/min，最大转矩TN=8.3N·m。根据上述分析，拟选用博山金鑫减速电机厂生产的型号为J－SZ(ZYT)－PX系列直流减速电机，编码器选用西安新敏电子科技有限公司生产的型号为IHU－5208的光电编码器。7.3机器人向下运动时的动力学分析机器人在向上爬升的过程中，完成对缆索的检测维护，当机器人运动到缆索的顶点，就需要对机器人进行安全回收。在对机器人回收过程中，要求机器人能够平稳、匀速下滑。当机器人到达缆索顶端，控制电机通过反转从高空返回地面，为实现节能和故障回收，设计了基于反电动势理论的回收方法。7.3.1、反电动势下降分析原理当机构断电下滑时，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．在匀速转动时，驱动转矩(T)必须与发电机的电磁转矩(Tm)及空载损耗转矩(To)相平衡．可以采用调节电阻(Rb)改变电流(ia)的方法来控制电磁转矩，进而控制机构的下降速度．此处仅考虑稳定状态，忽略电机电枢产生的内部摩擦等非线性情况的影响．根据图4可得：式中，UR为滑动变阻器电压(V)，Ra为电枢电阻()，La为电枢电感(H)，Rb为可变电阻，ia为电枢电流(A)，Tm为电磁转矩(N．m)，为磁极的磁通(wb)，为与电机结构有关的常数(V-s／rad)，Ea为感应电动势(V)，n为电机转速(r／min)．机构下降时的驱动力矩为：（18）式中，rl为主动轮半径(m)，Ff为缆索作用机构的总摩擦力(N)，To为电机摩擦转矩(N．m)，M为机构自重及负重(kg)。当机构沿缆索匀速下滑时：由式(1)～(5)得出下降速度vl(m／s)：（19）此处，i为齿轮箱减速比。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．为保证机器人匀速下滑，可根据调整阻值Rb改变电磁转矩来适应机构的不同重量、缆索的不同倾角等情况，为满足倾斜不同角度缆索的视频检测要求，根据式(19)，初步选取2O、40和6O三档大功率电阻串入控制电路调节下滑速度。7.3.2、下滑过程中对机器人的动力分析如图5所示F3=f3－G2sinθ(15)N=F1+G2cosθ(16)f3=μ2N(17)由式(15)～式(17)可得:F3=F1(μ2cosβ－sinβ)+G2(μ2cosθ－sinθ)(18)式中:F3———机器人向下爬行时电机驱动力。八、缆索机器人辊轮轴设计1．轴径的确定在立轴初步设计时，由于轴的各结构尺寸（轴径、轴的总长、轴的支承装置及各零件尺寸等）均未知，而这些结构尺寸又与轴径有关，而轴径可按扭转强度确定轴端直径。实心轴轴径(mm)(4-3)空心轴轴径（mm）（4-4）式中N--轴传递的功率（KW）；T轴所传递的扭距（Nm）；n轴的工作转速（r/min）；许用扭转剪应力（N/）；A受轴材料和载荷而定的系数；a空心轴的内径与外径之比。当轴截面上有一个键槽时，应将求得的轴径增大4%～5%；若有2个键槽时，应增大7%～10%。轴的结构尺寸设计轴的结构和形状取决与许多因素，可根据轴上安装零件的类型、尺寸及其配置，载荷的性质、大小、方向及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的装配工艺要求和加工等，进行轴的结构尺寸设计。零件在轴上的定位与固定方法有：（1）轴向定位；（2）周向定位。辊轴上常用的定位方法有：（1）轴肩、轴环式；（2）套筒式；（3）平键固定式等。各轴段的长度主要根据轴上零件的毂长或轴上的零件配合部分的长度确定。另外，也要根据机体及轴承盖等零件有关。本设计中，综合考虑机体、轴承座等因素的影响。轴的具体设计尺寸如下图所示：图4-13．轴的强度计算图4-2辊轴上受力与支点反力（a）辊轴上受力简图；（b）辊轴上垂直平面受力；（c）辊轴上水平平面受力；P——链条拉力；——辊轮径向力；——辊轮圆周力图4-3辊轴上受力与弯矩图、当量弯矩图（a）辊轴上垂直面受力；（b）辊轴上垂直面弯距图；（c）辊轴上水平面上受力；（d）辊轴上水平面弯距图；（e）辊轴上合成弯距图；（f）辊轴上扭矩图；（g）辊轴上当量弯矩图A.轴的受力分析(见图4-2)a.画轴的受力简图(见图4-2a)b.计算支承反力在水平面上(4-5)(4-6)在垂直面上(4-7)c.画弯矩图（见图4-3）在水平面上，a—a剖面右侧(4-8)a—a剖面左侧(4-9)在垂直面上(4-10)合成弯矩，a--a剖面右侧(4-11)a--a剖面左侧(4-12)d．画转矩图（见图4-3）转矩(4-13)B.判断危险剖面显然，由图中a—a截面处合成弯矩最大、扭矩为T，该截面左侧可能是危险剖面；b—b截面处合成弯矩不是最大，但该截面左侧轴径小于a—a截面处轴径，故b—b截面左侧也可能是危险剖面。若从疲劳强度角度考虑，a—a、b—b截面处均有应力集中，且b—b截面处应力集中更严重，故a—a截面左侧和b—b截面左、右侧均有可能是疲劳破坏危险剖面。C.轴的弯扭合成强度校核查得a．a—a截面左侧(4-14)(4-15)b．b—b截面左侧(4-16)b—b截面处合成弯矩：(4-17)D.轴的疲劳强度安全系数校核查得。a.a—a截面左侧(4-18)查得由附表10-4绝对尺寸系数；轴经过磨削加工表面质量系数则弯曲应力(4-19)应力幅平均应力Mpa切应力(4-20)安全系数(4-21)(4-22)(4-23)查得许用安全系数显然S>>,故a—a剖面安全。b.b—b截面右侧抗弯截面系数(4-14)抗扭截面系数(4-18)弯曲应力(4-19)切应力(4-20)查得过盈配合引起的有效应力集中系数。又。则(4-21)(4-22)(4-23)显然，故b—b截面右侧安全。c.b—b截面左侧b—b截面左右侧的弯矩、扭矩相同。弯曲应力(4-19)切应力(4-20)，查得圆角引起的有效应力集中系数，查得绝对尺寸系数。则(4-21)(4-22)(4-23)显然，故b—b截面左侧安全。以上计算表明：轴的弯扭合成强度和疲劳强度是足够的。九、轴承的校核高速级轴的轴承的校核初步选滚动轴承：因轴承受有径向力和轴向力作用，选用深沟球轴承dⅡ—Ⅲ=40mm.选取0组游隙，标准的深沟球轴承6208-2Z，基本尺寸d*D*T=40*80*18mm.轴承的受力分析FrFtFV1Fv2FH1`F垂直面内轴的受力水平面内的受力齿轮减速器高速级传递的转矩：T轴承的垂直面的支座反力分别为：F4.59N；F29.39N；所处轴承的水平面的支座反力分别为F=57.60N；F=35.75N；根据受力分析及实际情况，选择深沟球轴承。轴承型号为：6208-2Z2、轴承受径向力分析轴承轻微冲击或无冲击，查表13-6得冲击载荷系数：轴承A受的径向力F=57.81N；轴承B受的径向力：F=57.81N；；3、轴承寿命计算与校核因：，则按轴承B来计算轴承寿命。L3.0510H实际工作需要的时间为L=24*300*20=144000h，故所选轴承满足寿命要求。十、键的选择与校核1、根据轴的直径选择键根据条件选取的键型号规格如下：圆头普通平键（C型）b=12mmh=8mmL=75mm2、校核键的承载能力因为：键受到的转距T1=147.3N·m键的材料为钢，轻微冲击，[]为100~120Mp，取[]=110Mp键的校核公式：（k=0.5hl=L-bd为轴的直径）所以：键的强度校核：≤[]十一、控制流程针对以上分析研制的爬升机器人,我们采用PLC控制。主电机周期性正反转,转向的切换信号由两个限位开关提供。当机器人接近缆索顶端时,安装在上板的行程开关发出信号,PLC发出主电机停转、放松机构运动的指令,同时,机器人转入下滑行程。为了保证机器人高速、有效、安全地在缆索上来回移动，即设计该机器人先以一定的加速度上升到5m/s以上，并维持一定的速度上升到离顶部适当的距离开始减速到顶端；下降时，先以一定的