聶小春，朱洪雷，高 琴，張家樂(lè)

（1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510925；2.北京科技大學(xué)高等工程師學(xué)院，北京 100089；3.廣州市保倫電子有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

橋是空中的路，中國(guó)橋梁建造數(shù)量不斷刷新記錄，呈現(xiàn)出“百橋飛架南北，天塹變通途”的盛況。改革開(kāi)放40年，中國(guó)的GDP 不斷提高，城市化進(jìn)程加快，交通事業(yè)也緊隨其后，取得了驚人的進(jìn)步，而其中橋梁建設(shè)在交通建設(shè)事業(yè)中是不可或缺的存在。橋梁建筑等行業(yè)存在著大量的管架、管狀拉索，需對(duì)這些管線、管架進(jìn)行定期的檢修維護(hù)。通常是由人工完成，存在高空作業(yè)、環(huán)境惡劣、效率低、誤差大、成本高，尤其是給高空作業(yè)的工作人員帶來(lái)很大的不安全因素等問(wèn)題[1，2]。

隨著智能化、信息化程度提高，機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越多應(yīng)用在各種公共安全領(lǐng)域，如地震、煤礦救援等[3]，因此，橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人的出現(xiàn)可以代替人工從事攀爬鋼桿、立柱等進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)、涂漆等工作，大大保證了維修人員的安全。本文重點(diǎn)對(duì)橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)Solidworks 軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性建模，通過(guò)模擬本機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)可靠，有解決高空作業(yè)工作人員安全問(wèn)題的推廣價(jià)值和意義。

1 橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人總體方案確定

橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人是一個(gè)能夠依附在纜索、鋼桿或立柱上自動(dòng)爬行的機(jī)器，不同于地面上平行移動(dòng)的機(jī)器人[4]，它需要克服地心引力對(duì)它的作用從而穩(wěn)當(dāng)?shù)匾栏皆谂郎嫔喜?shí)現(xiàn)自主的上下爬行運(yùn)動(dòng)。為保證機(jī)器人能夠攜帶攝像儀器順利完成橋梁檢測(cè)的工作并具有較高的效率，設(shè)定機(jī)器人的載重G≥400 kg、長(zhǎng)度a≤600 mm、寬度b≤400 mm、行駛速度V≤3 m/s。

1.1 橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人傳動(dòng)方案的確定

借鑒已經(jīng)研制的同類機(jī)器人設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[1-5]，設(shè)計(jì)了橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人。該機(jī)器人主要由動(dòng)力系統(tǒng)、可調(diào)壓緊機(jī)構(gòu)、制動(dòng)回收機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、機(jī)體及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)件五大模塊組成，圖1 是基于以上機(jī)器人的設(shè)定參數(shù)設(shè)計(jì)出的橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖。動(dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)組成，為整個(gè)機(jī)器人提供爬行動(dòng)力。可調(diào)壓緊機(jī)構(gòu)由電機(jī)、齒輪、滾動(dòng)手爪和小滾輪等組成，用來(lái)抱緊圓柱鋼纜并防止機(jī)器人跑偏。制動(dòng)回收機(jī)構(gòu)由制動(dòng)手爪等組成，用來(lái)防止機(jī)器人爬升時(shí)快速下落。檢測(cè)裝置由攝像頭等組成，用來(lái)實(shí)時(shí)拍攝鋼纜的情況。機(jī)體用來(lái)將整個(gè)機(jī)構(gòu)組裝，是機(jī)器人的支撐承載件，在滿足剛度和強(qiáng)度的條件下，質(zhì)量越輕越好，所以機(jī)體需要設(shè)計(jì)得輕巧。

圖1 圓柱橋梁爬升機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人工作原理

該機(jī)器人主要是利用電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿7，再由輸出軸帶動(dòng)大滾輪8，同時(shí)抱緊圓柱鋼纜1 的兩對(duì)滾動(dòng)手爪4 帶動(dòng)小滾輪2 進(jìn)行攀爬，這兩者合為一體，呈現(xiàn)雙層三爪狀保證爬升的穩(wěn)定性。需要駐留時(shí)，采用繼電器控制制動(dòng)手爪3 壓緊圓柱鋼纜1，同時(shí)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)7 具有自鎖功能，此時(shí)就可采用攝像頭5進(jìn)行拍照采集數(shù)據(jù)，來(lái)完成橋梁勘測(cè)的任務(wù)。

2 橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人是一個(gè)能夠依附在纜索上自動(dòng)爬行，不同于一般在地面上平行移動(dòng)的機(jī)器，其特點(diǎn)是需要克服地心引力對(duì)它的作用從而穩(wěn)定地依附在爬升面上來(lái)實(shí)現(xiàn)爬升運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)械式和電動(dòng)液壓式爬行器的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 類型桿件自動(dòng)爬行器的特點(diǎn)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)表1 爬行器的特點(diǎn)分析及成本考慮，采用電動(dòng)機(jī)械式的爬行器。

動(dòng)力系統(tǒng)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分。其由伺服電機(jī)經(jīng)由聯(lián)軸器3 驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)4，再經(jīng)由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)大滾輪來(lái)完成爬升。這種傳動(dòng)方式的傳動(dòng)效率高，且蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，可防止機(jī)器人駐留時(shí)下滑。機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)裝配效果見(jiàn)圖2。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)裝配效果圖

2.2 可調(diào)壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)不同橋梁的圓柱鋼纜或者立柱直徑，機(jī)器人需具有可調(diào)能力的壓緊機(jī)構(gòu)。如圖3 所示，本機(jī)器人的可調(diào)夾緊機(jī)構(gòu)由電機(jī)5 帶動(dòng)齒輪4，再由齒輪4 帶動(dòng)手爪3 上的扇形齒來(lái)張開(kāi)或者夾緊手爪3，對(duì)能用于不同直徑的圓柱鋼纜，手爪3 上裝有小滾輪2，能用于輔助爬升。該機(jī)構(gòu)具有上下兩對(duì)帶有小滾輪的手爪，與動(dòng)力系統(tǒng)的大滾輪呈120°均布，并同時(shí)固定于機(jī)體上，不僅可以抱緊圓柱鋼纜并且可以防止機(jī)器人跑偏甚至卡死。

圖3 可調(diào)壓緊機(jī)構(gòu)裝配效果圖

2.3 制動(dòng)回收機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

此制動(dòng)回收機(jī)構(gòu)兩側(cè)使用鋼板連接，當(dāng)呈120°均布的大小滾輪呈上升抱緊圓柱鋼纜時(shí)，本剎車制動(dòng)的繼電器斷電，摩擦片1 松開(kāi)，反之抱緊，防止整個(gè)機(jī)器人下落。當(dāng)回收機(jī)器人時(shí)，利用爬升機(jī)構(gòu)自身的重力勢(shì)能進(jìn)行回收，在回收的過(guò)程中不需要消耗電能，但是下降速度會(huì)越來(lái)越快，此時(shí)本剎車制動(dòng)的繼電器通電，摩擦片1 收緊，下降速度減緩，如圖4 所示。

圖4 制動(dòng)回收機(jī)構(gòu)裝配圖

2.4 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性在于使用了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)爬行：（1）減輕了爬升機(jī)器人的質(zhì)量；（2）防止機(jī)器人檢測(cè)時(shí)暫?；涞目赡?。還有將可調(diào)壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成上下兩對(duì)呈120°均布的三爪模式，這樣不但可以方便根據(jù)綱纜直徑調(diào)整，還可以防止機(jī)器人爬偏。為模擬本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理正確，利用Solidworks 軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性建模，如前文圖1 所示，通過(guò)軟件模擬橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人具有良好的可靠性及可行性，下步將制作樣機(jī)并進(jìn)入試制工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)橋梁的自動(dòng)檢測(cè)與維護(hù)，設(shè)計(jì)了一種橋梁檢測(cè)爬升機(jī)器人，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)大滾輪，及電機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)壓緊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)雙層和大滾輪呈120°均布的小滾輪，實(shí)現(xiàn)該機(jī)器不跑偏地輕易爬升，并且通過(guò)制動(dòng)回收機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能回收。