李笑寒

摘要：對(duì)某爬纜機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，總結(jié)了影響爬纜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的因素，研究彈簧預(yù)緊力、輪子與纜索間摩擦系數(shù)等參數(shù)對(duì)其驅(qū)動(dòng)力矩的影響，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究及優(yōu)化。結(jié)果表明，較大的摩擦系數(shù)和彈簧預(yù)緊力可以提高爬纜機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)、預(yù)緊力對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩的影響較大。

關(guān)鍵詞：爬纜機(jī)器人；彈簧預(yù)緊力；運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；摩擦系數(shù)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）01-0097-01

1 爬纜機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理分析

該爬纜機(jī)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(hù)工作。爬纜機(jī)器人本體上可以裝載其所需要的各個(gè)功能系統(tǒng)以完成其其相應(yīng)的工作任務(wù)。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

爬纜機(jī)器人爬升方式：該爬纜機(jī)器人利用彈簧壓緊的方式使整個(gè)機(jī)器人滑輪與纜索之間產(chǎn)生摩擦力，在三部大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體向上爬行，整個(gè)爬纜機(jī)器人可以攀爬一定角度的纜繩。該機(jī)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(shè)備的重量并完成檢測、維護(hù)等基本功能。為了實(shí)現(xiàn)爬纜機(jī)器人的各項(xiàng)功能，要求爬纜機(jī)器人機(jī)體運(yùn)動(dòng)連續(xù)且平穩(wěn)，這樣才能確保其任務(wù)效果。綜合各方案的利弊，在擬采取電機(jī)連續(xù)驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，在機(jī)構(gòu)上盡量精簡的改進(jìn)型機(jī)構(gòu)以減輕爬纜機(jī)器人重量。

1.2 爬纜機(jī)器人主要部件及部件間的連接關(guān)系

支撐機(jī)架。為使機(jī)器人各系統(tǒng)可靠連接并正常工作，支架必須要具有足夠的強(qiáng)度與剛度，采用“抱箍”式鋁材結(jié)構(gòu)，即使結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)器人有效怕生，盡量增加纜索表面法向力，爬纜機(jī)器人輪子壓緊方式采用彈簧阻尼器產(chǎn)生預(yù)壓緊力形式?；瑒?dòng)輪組：輪子采用的聚氨酯彈性體材料，不僅可以減輕機(jī)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(shù)，增大摩擦力，同時(shí)能起到減小振動(dòng)的作用。

該爬纜機(jī)器人主要部件之間的連接關(guān)系大致可分為固定副、旋轉(zhuǎn)副、齒輪副三種。固定副關(guān)系。該爬纜機(jī)器人固定副占據(jù)大多數(shù)，大致為機(jī)器人支架與機(jī)器人總體外殼的固定連接、彈簧壓緊系統(tǒng)部件的固定等等。旋轉(zhuǎn)副關(guān)系：旋轉(zhuǎn)副主要是與纜索直接接觸的9個(gè)輪子的旋轉(zhuǎn)關(guān)系。9個(gè)輪子由3個(gè)主動(dòng)輪和6個(gè)從動(dòng)輪組成。齒輪副關(guān)系：齒輪副施加于發(fā)動(dòng)機(jī)與主動(dòng)輪的齒輪之間的嚙合關(guān)系以通過發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩輸出帶動(dòng)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 爬纜機(jī)器人的組成及工作原理

爬纜機(jī)器人主要分為主體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和檢測設(shè)備組成。本文主要研究主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由支撐機(jī)架、滑輪組、電機(jī)、彈簧阻尼器等組成。從設(shè)計(jì)要求出發(fā)，新型爬纜機(jī)器人如圖1所示。該爬纜機(jī)器人由三個(gè)電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，帶動(dòng)從動(dòng)輪一起運(yùn)動(dòng)，由彈簧預(yù)緊力的作用，輪組與纜索之間產(chǎn)生摩擦力作用，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡單、體積小、自重輕、裝卸方便等。

2 爬纜機(jī)器人設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化

通過對(duì)爬纜機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，得到影響機(jī)器人穩(wěn)定性和爬行能力的主要參數(shù)，從下面幾個(gè)方面分析各參數(shù)對(duì)機(jī)器人整體性能的影響：彈簧力，滑輪與纜索間的摩擦系數(shù)等方面來研究，進(jìn)而對(duì)爬纜機(jī)器人整體模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

影響爬纜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及爬行里的因素。根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，主要影響因素為：本體的結(jié)構(gòu)，本體結(jié)構(gòu)零件的質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)和功率，結(jié)構(gòu)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(diào)整質(zhì)量對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，運(yùn)動(dòng)副間隙、摩擦、潤滑條件等。

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)工作下爬纜機(jī)器人在工作過程中會(huì)繞纜索旋轉(zhuǎn)，從而螺旋上升，造成工作的不穩(wěn)定以及輔助功能的無法完成，是爬纜機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要問題。主要原因：其一是結(jié)構(gòu)中用到了三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、但三個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)不同步；其次是爬纜機(jī)器人本身的重力偏置產(chǎn)生扭矩，在該扭矩作用下機(jī)器人繞纜索軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；由于纜索表面擾度及不規(guī)則性和纜索機(jī)器人高處受風(fēng)振影響。本研究假設(shè)爬纜機(jī)器人不受上面三個(gè)方面因素影響的情況下，考察彈簧壓緊力、摩擦系數(shù)等對(duì)機(jī)器人穩(wěn)定性和爬行能力的影響。

3 結(jié)語

爬纜機(jī)器人作為一種特種機(jī)器人，將伴隨著經(jīng)濟(jì)大局與橋梁事業(yè)的進(jìn)步發(fā)展被應(yīng)用于更多的生產(chǎn)當(dāng)中，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)作用。通過比較不同參數(shù)下爬纜機(jī)器人模型運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)問題及爬行能力，研究對(duì)爬纜機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及爬行能力的影響因素。通過對(duì)爬纜機(jī)器人分析結(jié)果表明，較大的摩擦系數(shù)和預(yù)緊力可以提高爬纜機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。未來，爬纜機(jī)器人隨著新能源的開發(fā)和新的設(shè)計(jì)發(fā)生變化：質(zhì)量輕負(fù)載能力加強(qiáng)、移動(dòng)速度更穩(wěn)定、使用新材料將改變爬纜移動(dòng)機(jī)器人吸附方式、新傳感器可以使機(jī)器人的更加智能等。

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