氮氣彈簧在爬纜機器人中的應用

氮氣彈簧在爬纜機器人中的應用

李想，鄧斌，吳文海，于蘭英

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

摘要：爬纜機器人被越來越多地應用于斜拉橋纜索檢測。通過對爬纜機器人在上行途中的越障性能分析，可得到越障時壓緊力改變越小機器人越障能力越好，據(jù)此提出使用氮氣彈簧代替普通彈簧為機器人提供壓緊力。通過實例對比證明了氮氣彈簧在改善機構越障性能上有顯著作用。

關鍵詞:斜拉索爬纜機器人越障氮氣彈簧

中圖分類號：TP242.2文獻標識碼：B

作者簡介：李想(1989-)，女，籍貫云南玉溪，碩士研究生，主要研究方向，機電一體化技術，工業(yè)機器人。

收稿日期：2015-04-05

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 force 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

纜索是斜拉橋最重要的構件之一。隨著斜拉橋建造跨度的加大，纜索的尺寸不斷增長數(shù)量不斷增多，人工目測法和吊籃檢測法已不再適用。近年來纜索檢測機器人技術被提出并得到應用。

由于纜索常年暴露在外部環(huán)境中，表面的PE保護層會出現(xiàn)一定的損壞，需要運用爬纜機器人進行纜索表面檢測。由于纜索表面的破壞會造成爬纜機器人無法越障甚至難以回收的問題。氣動蠕動式的夾緊機構為氣缸驅動的夾緊爪，對纜索表面的障礙物具有良好的適應性，但氣動蠕動式機器人結構復雜且運動呈間歇性，不利于檢測的平穩(wěn)性。電動連續(xù)式由電機驅動滾輪連續(xù)爬升，但遇到較大的凸起障礙物時，滾輪可能會卡死。

本文針對電動連續(xù)式爬纜機器人的越障問題，結合電動連續(xù)式爬纜機器人結構，分析了影響機器人越障的因素，提出選用氮氣彈簧代替一般彈簧來改善其越障能力。

1爬纜機器人的越障能力分析

圖1　爬纜機器人結構

圖1為一款典型的電動連續(xù)式爬纜機器人，其工作原理是由壓緊裝置為三臺移動小車提供壓力，使機器人與纜索表面產(chǎn)生足夠大的摩擦力，電動機經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器及鏈傳動帶動摩擦輪實現(xiàn)爬升。壓緊裝置主要是由剛度一定的壓簧通過鉸鏈和小車連接。在機器人安裝前，需要預調節(jié)壓簧的位置使其產(chǎn)生一定的壓力，將機構安于纜索時，根據(jù)纜索的直徑大小，再一次調節(jié)小車與導向輪，使各個車輪和纜索之間緊密貼合。

如圖2(a)所示，爬纜機器人沿光直纜索向上攀爬時，不考慮風阻，受到電機的驅動力、壓簧的正壓力、纜索的摩擦力以及機器人本身的重力。機器人上行的驅動力條件為：

6Ft≥6Ff+G

(1)

Ff=1/2μN

(2)

式中，F(xiàn)t為單個驅動輪所受牽引力；Ff為單個驅動輪所受摩擦力；μ為驅動輪和纜索表面的動摩擦系數(shù)；N為夾緊裝置給單個小車的壓力；G為機器人的總重量。

(a)機器人在光直纜索上　　　(b)機器人滾輪壓在障礙上 圖2　機器人上行受力分析

摩擦輪在和纜索接觸時，當切反力過大時，輪子會出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。這個傳遞的切反力的極限值稱為附著力，它的大小和驅動輪上法向反作用力成正比。要確保爬纜機器人的驅動輪和纜索之間不發(fā)生打滑，作用在驅動輪上的驅動力不能大于附著力，即

Ft≤FΦ

(3)

FΦ=1/2N×Φ

(4)

式中：FΦ為單個驅動輪的附著力；Φ為附著系數(shù)。

如圖2(b),當前一排主動輪壓過高度為h的環(huán)狀階障礙物時，彈簧的壓縮量增加h/2，機器人能夠越過障礙的驅動力條件為：

6Ft≥6Ff′+G

(5)

Ff′=μN′

(6)

N′=N+1/2kh

(7)

其中,k為彈簧的剛度系數(shù)。

由(1)-(7)得到障礙物的高度條件為：

(8)

根據(jù)(8)可得，選擇剛度系數(shù)較小的彈簧，能夠增加機器人的越障高度。彈簧的剛度系數(shù)描述的是單位形變量產(chǎn)生的彈力的大小，因此可得到：在越障時彈簧壓力的變化量越小，爬纜機器人的越障性能越好。由于爬升又需要一定的壓緊力才能提供驅動力，因此彈簧剛度不能取的太小，為此提出使用氮氣彈簧代替普通彈簧來改善爬纜機器人越障性。

2氮氣彈簧

2.1氮氣彈簧的特點

1.柱塞或活塞桿；2.端面防塵密封；3.鋼絲圈；4.上內套；5支撐環(huán)；6.運動密封圈；7.缸體；8.內控容積；9.螺塞；10.充氣嘴；11.缸底。 圖3　氮氣彈簧的結構圖 [6]

氮氣彈簧的原理是將高壓氮氣密封在缸內，通過活塞對氣體壓縮獲得一定的彈壓力。氮氣彈簧已被應用在先進模具制造中，其最大的特點是能夠在比較長的行程內保持一個基本恒定的彈壓力。除此之外，氮氣彈簧無需預緊就可產(chǎn)生一個較大的初始彈壓力值；相比于普通彈簧受到長度的限制的缺點，氮氣彈簧體積小，能夠簡化機器人結構減輕機器人重量。圖3為氮氣彈簧的結構圖。

2.2設計實例

根據(jù)爬纜機器人爬升時受力分析及運動條件，對于自重為30kg的爬纜機器人，每根彈簧需給小車的壓力值應為N=452N。

圖4　MQB 0.45(450N) 彈壓力-行程曲線圖

如采用螺旋彈簧，由于機器人的結構限制，在允許范圍內，選擇出使彈簧剛度系數(shù)最小的彈簧參數(shù)為：總圈數(shù)n1=18，工作圈數(shù)n=16，彈簧中徑D=25mm，鋼絲直徑d=3.8mm，彈簧剛度K=8.13N/mm。如采用氮氣彈簧，根據(jù)彈壓力值選擇型號為MQB0.45(450)、公稱彈壓力為450N的氮氣彈簧，力特性曲線見圖4?？紤]到初始行程為10mm，纜索上的障礙物高度不會高于10mm以及過長的行程會增加氮氣彈簧的總長從而增加機構的體積，這里選擇行程為20mm的氮氣彈簧，總長為62mm。

當爬纜機器人單排驅動輪壓過障礙物時，障礙物高度和彈壓力增量的對應關系如圖5(a)所示。彈簧的彈壓力增量和障礙物高度呈斜率為k/2的線性關系。而氮氣彈簧的特性是彈壓力在一個比較長的行程里基本恒定，所以使用氮氣彈簧，隨著障礙物高度的增加，彈簧壓力增量幾乎為零。

當遇到較長障礙物，爬纜機器人前后驅動輪都壓于障礙物上，障礙物高度和彈壓力增量的對應關系如圖5(b)所示。彈簧的彈壓力增量和障礙物高度呈斜率為k的線性關系。而采用氮氣彈簧，隨著障礙物高度的增大，彈壓力值的增量始終較小，壓力幾乎不變。

對比兩種彈簧越障時彈壓力的變化值，可得到使用氮氣彈簧能明顯改善爬纜機器人的越障性能。

圖5　障礙物高度-彈壓力增量對應關系

3結論

在爬纜機器人的結構中，采用氮氣彈簧代替普通彈簧為車輪提供比較恒定的正壓力，基本解決了爬纜機器人在工作時遇到的卡死問題，大大提高了其越障性能，保證了爬纜機器人橋梁檢測的工作效率。

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