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设计、研究、分析「2015毕第5
Design, Research& Analysis
氮气弹簧在爬缆机器人中的应用
李想,邓斌,吴文海,于兰英
(西南交通大学机械工程学院,四川成都610031)
摘要:爬缆机器人被越来越多地应用于斜拉桥缆索检测。通过对爬缆机器人在上行途中的越障性能分析,可得到
越障时压紧カ改变越小机器人越摩能力越好,据此提出使用氩气弹簧代替普通弹簧为机器人提供压紧力。通过实
例对比证明了氦气弹簧在改善机构越障性能上有显著作用。
关键词:斜拉索爬缆机器人越障氩气弹簧
中图分类号:TP242.2
文献标识码:B
文章编号:1002-6886(2015)05-0053-03
Application of nitrogen gas spring in cable-climbing robot
LI Xiang, DENG Bin, WU Wenhai, YU Lanying
Abstract The cable-climbing robots are widely used in the cable inspections. By analyzing the performance of the robot
crossing obstacle, the paper proves that when the robot crosses obstacles, the recruitment of the pressing foree has an effect
on the ability of obstacle crossing. Based on this fact, it suggests to use the nitrogen-gas spring instead of cylinder spring
A comparative example shows that the nitrogen gas spring has better performance in improving the robot ' s ability of obstacle
Crossing.
Keywords: stayed-cable; cable-climbing robot; obstacle crossing; nitrogen gas spring
0引言
的夹紧机构为气缸驱动的夹紧爪,对缆索表面的障
碍物具有良好的适应性,但气动蠕动式机器人结构
缆索是斜拉桥最重要的构件之一。随着斜拉桥复杂且运动呈间歌性,不利于检测的平稳性。电动
建造跨度的加大,缆索的尺寸不断增长数量不断增连续式由电机驱动滚轮连续爬升,但遇到较大的凸
多,人工目测法和吊籃检测法已不再适用。近年来起障碍物时,滚轮可能会卡死。
缆索检测机器人技术被提出并得到应用。
本文针对电动连续式爬缆机器人的越障问题,
由于缆索常年暴露在外部环境中,表面的PE结合电动连续式爬缆机器人结构,分析了影响机器
保护层会出现一定的损坏,需要运用爬缆机器人进人越障的因素,提出选用氮气弹簧代替一般弹簧来
行缆索表面检测。由于缆索表面的破坏会造成爬缆改善其越障能力
机器人无法越障甚至难以回收的问题。气动蠕动式
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代mッ
1爬缆机器人的越障能力分析
F:≤Fp
F,=1/2x C2
图1为一款典型的
移动小车
缆索
式中:F。为单个驱动轮的附着力;∮为附着系数。
电动连续式爬缆机器
如图2(b),当前一排主动轮压过高度为h的环
人,其工作原理是由压
紧装置为三台移动小车
压紧装置
2t8
状阶障碍物时,弹簧的压缩量增加/2,机器人能够
越过障碍的驱动力条件为
提供压力,使机器人与
6F2=6F'+G
缆索表面产生足够大的
摩擦力,电动机经过蜗
图1爬缆机器人结构
N"=V+1/2kb
(7)
轮蜗杄减速器及链传动
其中,k为弹簧的刚度系数。
带动摩擦轮实现爬升。压紧装置主要是由刚度一定
由(1)-(7)得到障碍物的高度条件为:
的压簧通过铰链和小车连接。在机器人安装前,需
k3N-?N-G
要预调节压簧的位置使其产生一定的压力,将机构
3uん
安于缆索时,根据缆索的直径大小,再一次调节小车
根据(8)可得,选择刚度系数较小的弹簧,能够
与导向轮,使各个车轮和缆索之间紧密贴合。
增加机器人的越障高度。弹簧的刚度系数描述的是
如图2(a)所示,爬缆机器人沿光直缆索向上攀单位形变量产生的弹力的大小,因此可得到:在越障
爬时,不考虑风阻,受到电机的驱动力、压簧的正压时弹簧压力的变化量越小,爬缆机器人的越障性能
力、缆索的摩擦力以及机器人本身的重力。机器人越好。由于爬升又需要一定的压紧力才能提供驱动
上行的驱动力条件为
力,因此弹簧刚度不能取的太小,为此提出使用氮气
611= 6fr+G
弹簧代替普通弹簧来改善爬缆机器人越障性。
(2)
2氮气弹簧
式中,F为单个驱动轮所受牵引力;为单个驱动
轮所受摩擦力;为驱动轮和缆索表面的动摩擦系2.1氮气弹簧的特点
数;N为夹紧装置给单个小车的压力;G为机器人的
氮气弹簧的原理是
总重量。
将高压氮气密封在缸内,
通过活塞对气体压缩获
缆索
上缆索
得一定的弹压力。氮气弹
簧已被应用在先进模具
制造中,其最大的特点是
能够在比较长的行程内
保持一个基本恒定的弹
I Gi
压力。除此之外,氮气弹
簧无需预紧就可产生一
(a)机器人在光直缆索上
(h)机器人滚轮压在瞻碍上
图2机器人上行受力分析
个较大的初始弹压力值;1.桂宏或活2.站面防尘密
相比于普通弹簧受到长封;3,钢丝圈;:上内套;5支搏
7.缸
摩擦轮在和缆索接触时,当切反力过大时,轮子度的限制的缺点,氮气弹拉客和9.媒:0.充气:1
会出现打滑的现象。这个传递的切反力的极限值称簧体积小,能够简化机器底。
为附着力,它的大小和驱动轮上法向反作用力成正人结构减轻机器人重量。图3氮气弹簧的结构图
比。要确保爬缆机器人的驱动轮和缆素之间不发生图3为氮气弹簧的结构图。
打滑,作用在驱动轮上的驱动力不能大于附着力,即