电驱动缆索维护机器人
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1.一种电驱动缆索维护机器人，由爬升机构、涂装机构、监测系统等组成，其特征在于采用圆柱型框架结构，爬升机构中沿缆索圆周方向均布三台移动小车5，由夹紧机构压紧在缆索上，车中的变频电机1通过减速器2连接前链轮3、前轮6和后链轮4、后轮7，圆柱内框架12经轴承15与外框架14连接，外框架14经连接块25与涂装框架24相连，外框架14上挂有涂料桶23，涂装机构的小电机17经曲柄18、连杆19连接内圈20，内图20经轴承22与外圈21连接，在内圈20上均匀设置三套喷枪架26，喷枪架26上有喷枪27。
2.一种如权利要求1所说的电驱动缆索维护机器人，其特征在于小车上夹紧机构设有粗分档孔11和微调螺母9，并在弹簧8的两边配置两根导向杆10。
3.一种如权利要求1所说的电驱动缆索维护机器人，其特征在于涂装框架24上固定支架31，支架31上装有控制箱29和CCD摄像头30。
4.一种如权利要求1或3所说的电驱动缆索维护机器人，其特征在于在喷枪内侧安装了防风罩28，并在防风罩外设置涂料回收槽。
5.一种如权利要且1所说的电驱动缆索维护机器人，其特征在于机器人上还有用以支撑电缆自重及在意外情况下拖拽机器人的钢丝绳16。
电驱动缆索维护机器人
本发明涉及一种缆索维护机器人，尤其涉及一种用于大跨斜拉桥缆索上作业的电驱动缆索维护机器人，属于机器人技术领域。
斜拉桥作为现代桥梁的新型式，在世界范围内得到了广泛的应用。特别是在建设中跨度桥梁时，斜拉桥已成为首选的桥梁型式。作为斜拉桥三大受力构件(桥塔、桥面和桥索)之一的缆索长期暴露在空气中，经风吹雨淋日晒，缆索表面的聚乙烯护套将会产生不同程度的硬化和开裂现象，会给护套内的钢丝束带来锈斑、断丝等严重的问题，同时，由于随机风振、雨振，使缆索内的钢丝产生微摩擦，继而引起严重的断丝问题，都会给斜拉桥埋下严重的隐患。目前，对缆索的维护大都采用卷扬机拖动吊篮小车以人工的方式对斜拉索进行清洗、涂装。这种吊篮小车作业方式存在严重问题：小车重量大，吊篮小车加上两位工作人员重达七、八百公斤，并且为了减小提升力，采用了坚硬的尼龙轮压在缆索上，这不仅会把底涂层刮掉，而且会擦伤缆索表面的PE防护层，严重时甚至会剪断钢丝；施工工期长，成本高，清洗涂装一座大桥上全部缆索的工期达数月之久，并且各种费用较高；工人工作环境极端恶劣，工作人员在一百多米的高空作业，不仅面临大风、难于通讯的情况，而且会有人员伤亡事故的发生。
现有技术中，对管外机器人和电线检测机器人已有研究。第十五次国际工业机器人会议15th ISIR Vol.1(P339～345)报道了日本的福田敏男等所研制的Mark I、II管外维护机器人，这种机器人由三台小车通过旋转关节联接而成，利用微机控制的三台电机可以完成九个车轮的开闭动作，依靠它们紧抱管道外壁以保持一定的姿态，并通过驱动左右六个车轮完成前进和后退动作，Mark II机器人在结构上可以利用电机改变车轮的前进角，能够在管道上完成螺旋线移动。但是这种管外机器人只是研制了试验样机，爬行的管道也只是在地面上的刚性管道，牵引力小，移动速度慢(Mark I为0.3m/min，Mark II仅为0.2m/min)。对于斜拉桥这种标高较高、柔性较大缆索，其爬升能力显然不够。日本机器人学会志Vol.9(4)，1991(P457～463)报道了一种电线检测机器人，主要由几个较小的车轮和四条履带组成，由小电机驱动，但只能在一定倾斜度的电线上移动以及跨越绷紧电线的铁塔，而电线的粗度和倾斜度及机器人的工作环境显然不能与大桥上的缆索相比。所以，这些特种机器人都不能应用在缆索上。根据国际联机检索，还未见有缆索维护机器人的报道。
本发明的目的在于开发一种适用于任意倾斜度缆索爬升的缆索维护机器人，以完成对缆索的自动清洗，涂装、检测等一系列工作以达到减轻工人的劳动强度、提高质量、减少成本等目的。
为实现这样的目的，本发明设计提供了一种电驱动缆索维护机器人，由爬升机构、维护涂装机构及地面控制台几部分组成，爬升机构本体采用由方管制成的圆柱形框架结构，这不仅有利于减小高空风振的影响，而且还提高了本体的整体刚度。爬升机构中沿缆索圆周方向均布三台移动小车，由夹紧机构提供足够的夹紧力分别把三台小车压紧在缆索上，小车上三个电机分别通过传动机构驱动三台小车沿索爬升；然后缆索机器人由缆索顶端开始，启动涂装机构，可以顺缆索向下进行周向涂装；如果把涂料换成清洗液，再用清洗刷就可以对缆索进行清洗；在爬升机构的外框架上安装钢丝检测传感器可以对缆索进行断丝和锈斑检测。其中机器人的移动速度可以通过地面工作台加以控制，并且在地面上可以清楚地监视高空机器人的工作情况并加以调整。缆索机器人在缆索上工作不会损伤缆索表面的原有涂层和聚乙烯护套。
图1为本发明的整体结构示意图。
如图所示，机器人由爬升机构、涂装机构、监测系统等组成。爬升机构中沿缆索圆周方向均布三台移动小车5，每台小车中的电机1通过蜗轮蜗杆减速器2及链传动带动前链轮3、前轮6，再经链传动带动后链轮4、后轮7。小车上的夹紧机构设粗分档孔和微调螺母9，弹簧8两边配置两根导向杆10。由于机器人沿缆索运动时，爬升机构有可能绕缆索旋转，为此，在爬升机构的圆柱内框架的上下两头各设置一套外框架14，内外框架之间用轴承连接，相互转动灵活，并在外框架14上取三个支点悬挂涂料桶23等重物，以保证在爬升机构旋转的同时使外框架14及与外框架14相连的工作机构保持稳定的状态。爬升机构前端的外框架14经连接块25与涂装机构的框架24相连，涂装机构的小电机17经曲柄18、连杆19连接内圈，在内圈上均匀设置三套喷枪架26，喷枪架26上的三支喷枪27可通过涂装机构中内外相对旋转构件(II)，沿缆索中心作圆周摆动，均匀地涂装缆索32。涂装框架24上固定支架31，支架31上装有控制箱29和CCD摄像头30，在地面控制台上可以监测高空缆索的涂装质量。同时，为了防止高空随机风对喷涂的影响，在喷枪内侧安装了防风罩28，并在防风罩外设置涂料回收槽。在机器人上还可以系上钢丝绳16，其作用是支撑电缆的自重和在意外情况下拖拽机器人。
图2为本发明中爬升机构的结构示意图。
图中，爬升机构中沿缆索32圆周方向均布三台移动小车5，爬升机构的框架12采用了圆柱形结构，夹紧机构设有粗分档孔11和微调螺母9，并在弹簧8的两边配置两根导向杆10。根据缆索直径的粗细(适应索径φ90～φ200)，选择合适的粗分档孔11用销固接在支承板13上，然后调节螺母9进行微调，使移动小车(包括车体5、前轮6、后轮7)与缆索32保持一定的压力。
图3为图1中I处即爬升机构中内外相对旋转构件的放大图。
图中可见，爬升机构的圆柱内框架12经轴承15与外框架14连接，内外框架相互之间可以转动灵活。
图4为本发明的涂装机构的结构示意图。
图中，外圈21与涂装框架24固接，连杆19固接在内圈上，在内圈上均布三只喷枪架26。当电机经连杆19带动内圈绕缆索32摆动时，喷枪也相应地作摆动，可以比较均匀地涂装缆索32。
图5为图1中II处即涂装机构中内外相对旋转构件的放大图。
图中，内圈20经小轴承22与外圈21连接，内外圈相互转动灵活。连杆19固接于内圈20上，外圈21与涂装框架24固接。
图6为本发明的爬升机构的速度控制原理图。
图中，由变频器33控制三个变频电机1，按作业要求调节电机速度。
图7为本发明喷涂部分的电气原理图。
如图所示，地面控制台上设有电机(内圈摆动)、气阀(喷枪喷涂)、警灯(安全提示)等操作按钮及变频电机的转速显示、作业环境的监控等装置。
图8为本发明喷涂部分的气动原理图。
图中，一路压缩空气经减压阀至涂料桶23使涂料压入喷枪27的FLU，另一路压缩空气经电磁阀(DT1和DT2)至喷枪27的CYL和CAP，控制喷涂的通断和雾化。
本发明结构紧凑、合理，圆周均布的三台移动小车在夹紧机构作用下，产生足以克服自重和负载的摩擦力，在三重动力的驱动下，可以沿任意倾斜度的缆索以较高的速度匀速爬升到缆索的顶端，然后启动涂装机构以较低的速度顺缆索向下作圆周涂装。机器人爬升机构采用了圆柱型框架形式，可以减小高空风振的影响。由于缆索的种类不同，内外框架采用相对旋转构件，相互间转动灵活，可以在爬升机构绕缆索螺旋移动时，保证涂装机构的稳定状态。涂装机构中采用内外圈相对旋转构件，使喷枪工作转动灵活，喷涂均匀。本发明的缆索维护机器人可以用于大型斜拉桥缆索的维护工作，如缆索涂装、清洗和检测等方面，还可以用于其他圆柱杆如电线杆等的维护。
在本发明的一个实施例中，工程样机的功率为1.1KW，自重为150公斤，可载重280公斤，爬升速度范围在每分钟1米至10米之间。该样机在工程试验中，涂装和检测质量的效果非常好，具有推广应用价值。
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