專利名稱：螺旋線纜索檢測機器人的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種螺旋線纜索檢測機器人，具體的說，是涉及一種用于大跨斜拉橋 螺旋線纜索故障檢測的機器人，屬于機器人技術領域。
技術背景隨著我國交通事業的迅速發展，大跨度橋梁的發展也越來越快，斜拉橋、懸索橋已經 成為現代大跨度橋梁的基本形式。斜拉橋、懸索橋建成后，其主要受力構件之一的纜索長 期暴露在空氣之中，纜索表面的聚乙烯(PE)保護層將出現不同程度的硬化老化等破壞現 象，纜索內部鋼絲束也因空氣中的水分和其他酸性物質而受到腐蝕，嚴重者甚至出現斷絲 現象，危及橋梁的安全。目前，與橋梁纜索檢測相配套的維護措施還不完善，纜索的檢測 與維修主要由人工完成。上海交通大學研制的用于纜索檢測維護工業機器人，其負載能力很強，能很好地完成 大橋纜索的檢測、涂裝、維護等功能，其技術方案公布在專利號為99252056.8的中國實用 新型專利文件中。但是，該纜索檢測維護機器人的爬升裝置結構外形較大；整機采用有纜 供電，其連接電纜的長度必須大于機器人所爬升的大橋纜索的長度，高空作業時受風力影 響較明顯；另外，該機器人沒有設計相關的下降裝置，當作業過程中出現意外情況時，是 采用連接在機器人上的鋼絲繩，從幾十甚至幾百米的高空用人力拖拽回收機器人，具有一 定的危險性，所以該機構僅適用于涂裝工作，不適用于檢測工作。隨著斜拉橋的跨度越來越大，纜索受風振、雨振的影也響越來越大，由于螺旋線纜索 及壓痕凹坑纜索能有效的抑制拉索風雨激振現象，現已被新建橋梁普遍采用，同時也會帶 來一系列新的問題，其一是拉索內部鋼絲強度的檢測極為困難，以蘇通大橋為例，其最長 背索達到575m，如仍然使用巻揚機拖動吊籃小車以人工的方式搭載檢測傳感器對纜索斷 絲、磨損、銹斑等進行檢測，存在費用較高、工作環境惡劣、工作效率低、容易破壞纜索 表面等嚴重問題。由于新型防風振、雨振的螺旋線纜索表面有直徑6—10mm的圓形凸起， 由于凸起的螺旋線與纜索保護層材料相同，承受不住較大外力，巻揚機拖動吊籃小車和上 海交通研制的纜索檢測維護機器人等方案根本無法實現；本課題組已經申請過兩種應用于 光纜索的檢測機器人(申請號為2006101576019.9， 200620016413.X)等特種機器人都不適用 于螺旋線纜索的檢測工作，根據國際聯機檢索，還未見有螺旋線纜索檢測機器人的報道。此專利主要針對螺旋線纜索設計了檢測機構，機構同樣實用于光纜索的檢測。 發明內容本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種結構簡單，適合 于螺旋線纜索高空作業的螺旋線纜索檢測機器人。為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案 一種螺旋線纜索檢測機器人，包括 沿纜索圓周方向設置的一臺小車以及設置在小車車體上端和下端的用于將小車支撐抱緊 在纜索上的抱緊裝置，所述的小車至少包括一帶主動輪的爬升機構，所述的主動輪的徑向 與纜索的軸向成一夾角，該夾角與纜索的螺旋線的螺旋角相同。在所述的小車的車體上設置有一圓弧槽，在該圓弧槽內設置有一平衡架，所述的爬升 機構設置在平衡架上并可繞圓弧槽轉動。所述的抱緊裝置包括與車體固定連接的抱緊固定架，在該固定架上設置有至少兩個距 主動輪間距可調的支撐輪，該至少兩個支撐輪與小車的主動輪形成至少三點支撐夾持。在所述的抱緊固定架上設置有至少四個支撐輪，還包括兩個用于防偏的防偏支撐輪， 且該兩個防偏支撐輪分別位于主動輪的兩側。所述的抱緊固定架由第一支撐簧桿、第二支撐簧桿、第三支撐簧桿組成，第二支撐簧 桿的兩端分別與第一簧桿的一端、第三支撐簧桿的一端固定連接，第一支撐簧桿的另一端、 第三支撐簧桿的另一端分別固定在車體上，所述的至少兩個支撐輪設置在第二支撐簧桿 上，所述的兩個防偏支撐輪分別設置在第一支撐簧桿和第三支撐簧桿上。所述的抱緊裝置還包括一磁吸附結構，該磁吸附結構設置在小車的車體上。所述的磁吸附結構包括至少一塊軛鐵以及設置在軛鐵上的至少一塊磁鐵，所述的軛 鐵通過螺栓固定在小車的車體上。還包括一防落裝置，防落裝置包括一曲柄滑塊機構和帶有小孔的氣缸，所述的曲柄滑 塊機構的曲柄與一離合器的外環連接，該離合器的內環與小車的主動輪的輪軸固定連接， 所述的曲柄滑塊機構的滑塊與氣缸的活塞桿連接，所述的小孔設置在氣缸的底部。所述的主動輪設置在主動輪輪軸上，在該主動輪輪軸上還設置有一第一錐齒輪， 一電 機帶動設置有與第一錐齒輪配合的第二錐齒輪的齒輪軸，所述的主動輪通過所述的第一錐 齒輪、第二錐齒輪實現傳動。與現有技術相比，本發明螺旋線纜索檢測機器人具有如下優點1、本發明螺旋線纜索檢測機器人的主動輪與纜索徑向成一夾角，該夾角與纜索上的螺旋線的螺旋角一致，所以，檢測機器人在爬升時，主動輪正好沿著螺旋線螺旋爬升，而 不會視螺旋線為障礙物，無法爬升，主動輪在爬升的同時，機器人完成檢測過程。2、 本發明主動輪由第一半輪和第二半輪組成，在所述的小車的車體上設置有一圓弧 槽，在該圓弧槽內設置有一平衡架，所述的爬升機構設置在平衡架上并可繞圓弧槽轉動， 在爬升時，第一半輪和第二半輪將螺旋線夾持在中間，爬升機構的主動輪可以在車體的圓 弧槽內轉動，第一半輪和第二半輪正好可以很好的校正爬升的方向，確保與螺旋線的方向 一致，爬升更加穩定、安全。3、 本發明的抱緊裝置由多個定向輪和磁吸附結構構成，定向輪可以采用萬向輪，減 少機器人爬升時的摩擦力，采用磁吸附結構， 一方面可以僅僅的將主動輪和纜索牢靠固定， 另一方面磁吸附結構與纜索之間不接觸，在爬升時，沒有阻力，減少了爬升時的能耗，因 而可以通過鋰電等電池供電完成檢測過程，無需導線接外電源，整個結構簡單，運行可靠。4、 實施本纜索檢測機器人，其爬升裝置采用電機直接驅動，采用機器人自帶鋰電池 的供電方式而不是有源電纜供電，更適合高空作業環境，受風力影響較?。划敵霈F意外斷 電，或者在電能不定、機械故障等其他意外情況時，機構自動切斷電源，機器人可利用自 身和所攜帶的檢測維護設備的重力，通過曲柄滑塊機構連動有孔氣缸的活塞運動的牽滯， 機器人可以從作業高空沿纜索螺旋線緩速的下降，使用安全可靠。5、 機器人控制部分還包括一控制電路，當機構斷電下滑時，電機作為發電機工作， 機器人本體相當于原動機，帶動主動輪驅動電樞旋轉，原動機產生的轉矩r與電機的電磁轉矩^及空載損耗轉矩^相平衡，采用地面搖控方式控制四個繼電器的通斷，調節電路板 中調節電阻的導通與斷開，從而改變電流來控制電磁轉矩，進而調整機構的下降速度。


圖l是本發明的整體結構示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是本發明的抱緊裝置結構示意圖；圖4是本發明的吸附結構結構示意圖；圖5是本發明的小車結構示意圖；圖6是本發明的小車分解結構一爬升裝置結構示意圖；圖7是本發明的小車分解結構一旋轉支撐結構示意圖；圖8是本發明的下降裝置的氣缸原理示意圖；圖9為本發明用于控制機器人下降速度的電路原理圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明做詳細說明如圖1、圖2所示為本發明的螺旋線纜索檢測機器人的總體結構圖，包括沿纜索5圓 周方向設置的一臺小車1以及設置在小車1上端和下端的用于將小車1支撐抱緊在纜索5 上的抱緊裝置3，所述的小車至少包括一帶主動輪21的爬升機構2，主動輪21與纜索5 的軸向成一夾角，該夾角與纜索5的螺旋線51的螺旋角相同。所述的主動輪21設置在主 動輪輪軸22上，在該主動輪輪軸22上還設置有一第一錐齒輪23， 一電機6帶動設置有與 第一錐齒輪23配合的第二錐齒輪24的齒輪軸，所述的主動輪21通過所述的第一錐齒輪 23、第二錐齒輪24實現傳動，電機可以通過鋰電或其他電池供電。所述的主動輪21由第 一半輪211和第二半輪212組成，在小車l的車體ll上設置有一圓弧槽lll,在該圓弧槽 111內設置有一平衡架112，所述的爬升機構2設置在平衡架112上并可繞圓弧槽111轉動 以適應不同角度螺旋線纜索的需要。所述的抱緊裝置3包括與車體11固定連接的抱緊固定 架31，在該抱緊固定架31上設置有至少兩個距纜索5間距可調的支撐輪32，該至少兩個 支撐輪32與小車的主動輪21形成至少三點支撐夾持。在抱緊固定架31上還設置有兩個防偏支撐輪33，且該兩個防偏支撐輪33分別位于主 動輪21的兩側。 .抱緊固定架31由第一支撐簧桿311、第二支撐簧桿312、第三支撐簧桿313組成，第 二支撐簧桿312的兩端分別與第一簧桿311的一端、第三支撐簧桿313的一端固定連接，' 第一支撐簧桿311的另一端、第三支撐簧桿313的另一端分別固定在車體11上，所述的至 少兩個支撐輪32設置在第二支撐簧桿312上，所述的兩個防偏支撐輪33分別設置在第一 支撐簧桿311和第三支撐簧桿313上，兩防偏萬向輪33呈"["型，通過調整螺母、螺釘 安裝在各自的支撐簧桿上，使機器人在纜索上的爬升更穩定，限定機器人爬升軌道，能防 止機構在纜索上運行時偏離纜索。所述的抱緊裝置3還包括一磁吸附結構34，該磁吸附結構34設置在小車1的車體11 上。該磁吸附結構34包括至少一塊軛鐵341以及設置在軛鐵341上的至少一塊磁鐵342， 所述的軛鐵341通過螺栓343固定在小車1的車體11上。作為本發明的進一步改進，本發明機器人還包括一防落裝置4，防落裝置4包括一曲 柄滑塊機構41和帶有小孔421的氣缸42，所述的曲柄滑塊機構41的曲柄通過單向離合器 43與小車1的主動輪輪軸22固定連接，所述的曲柄滑塊機構41的滑塊與氣缸42的活塞桿連接，所述的小孔421設置在氣缸42的底部。如圖3所示，抱緊裝置支撐輪32通過螺栓314固定在第二支撐簧桿312上，在支撐 輪32與第二支撐簧桿312之間還設置彈簧316和支撐套筒317，在第二支撐簧桿312上還 設置調節孔315，用于調節支撐輪32到纜索之間的距離，從而適應不通直徑纜索的抱緊， 應用壓縮彈簧316將套筒317和支撐輪32撐開，機器人安裝好后，松開螺栓314的螺母， 抱緊裝置即可夾緊纜索5，機器人在纜索上行走時，支撐輪32可擠壓彈簧316軸向運動越 過障礙。本發明的又一個優選實施例是，如圖4所示，所述磁吸附結構34包括了固定在小車 車體11上的四根彈簧導桿343和與四根導桿相連的軛鐵341,所述的軛鐵341與一對銣鐵 硼永磁鐵342直接相吸形成磁路對纜索5產生的吸附力將主動輪21壓緊在纜索5上，磁 鐵套344邊緣加工成圓弧形，當遇到障礙擠壓磁鐵套344時，彈簧345壓縮，磁鐵342沿 彈簧導桿伸縮越過障礙后，依靠彈簧將磁鐵342壓回原位置，調節導桿343上的螺母可改 變吸附結構34與纜索5之間間隙。 -本發明的另一個優選實施例是，如圖5、圖6所示，爬升裝置主動輪21由第一半輪 211和第二半輪212組成，通過調節機構螺母及壓縮彈簧調節兩半輪之間距離可適應不同 寬度的螺旋線，主動輪內嵌有滾珠213，與螺旋線成滾動摩擦。本發明的再一個優選實施例是，如圖5、圖6所示，纜索檢測機器人還包括了防落裝 置4，設置在小車車體11主動輪軸爬升機構2的另一側；在主動輪21和防落裝置4之間 的輪軸22上設置超越離合器43。機器人爬升時，超越離合器43處于分離狀態，即防落裝 置4不與主動輪21接觸而不工作；當機器人出現電氣故障，或鋰電池電能耗盡斷電時， 超越離合器43閉合，主動輪21與防落裝置4連接，機器人由于重力沿纜索5下滑將帶動 防落裝置4工作。如圖5、圖7和圖8所示，下降裝置包括了曲柄滑塊機構41和帶有小孔 421的氣缸42，曲柄滑塊機構41的曲柄端連接超越離合器43的外環，另一端連接氣缸42 中的活塞。防落裝置4工作時，通過曲柄滑塊機構41帶動活塞在氣缸42中運動；而氣缸 只有一個小孔421透氣，即活塞將提供與速度相關的阻尼牽滯，使曲柄滑塊機構41只能 平穩而遲緩的運動；而此時曲柄滑塊機構41是與小車主動輪21連接的，當機器人電器系 統出現故障，或蓄電池電能耗盡而斷電時，機器人可以依靠自身的重力，從纜索上下滑平 穩而遲緩，即實現了機器人從作業高空安全回收的目的。本發明的又一個優選實施例是，在所述的電機兩端并聯有用于調節電機電流的電阻模 塊，在電機的供電回路上設置有用于控制電機運行及轉向的繼電器模塊。所述的供電回路上包括一鋰電池，電池電流的正負兩極端分別連接第一繼電器J5的第一動觸點和第二動觸 點，第一繼電器J5的第一常閉觸電與第二繼電器J6的第一動觸點連接，第一繼電器J5的 第一常開觸點連接供電回路的輸入端，第一繼電器J5的第二常閉觸點連接第二繼電器J6 的第二動觸點，第一繼電器J5的第二常開觸點連接至所述的供電回路的輸出端，所述的第 二繼電器J6的第一常閉觸點接地，所述的第二繼電器J6的第一常開觸點連接所述的供電 回路的輸出端，所述的第二繼電器J6的第二常閉觸點也接地，所述的第二繼電器J6的第 二常開觸點連接至供電回路的輸入端，所述的電阻模塊包括第一電阻R1、第二電阻R2、 第三電阻R3、第四電阻R4、第一繼電器J1、第二繼電器J2、第三繼電器J3以及第四繼 電器J4，所述的第一電阻Rl與第一繼電器J1串聯形成第一支路、所述的第二電阻R2與 第二繼電器J2串聯形成第二支路、所述的第三電阻R3與第三繼電器J3串聯形成第三支路， 所述的第四電阻R4與第四繼電器J4串聯形成第四支路，且該上述第一支路、第二支路、 第三支路以及第四支路相互并聯。如圖9所示，其中L、 R分別為電機電感和內阻。當機 構斷電依靠自重下滑時，電機作為發電機工作，機器人本體相當于原動機，帶動主動輪驅動電樞旋轉，原動機產生的轉矩r與電機的電磁轉矩^及空載損耗轉矩^相平衡。其原理 如圖9所示，電阻可調值為20Q， 40Q， 60Q， 80Q，當軸上的機械負載發生變化時(即 纜索傾角發生變化)，電動機的轉速、電動勢、電流及電磁轉矩將自動進行調整，以適應負 載的變化，達到并保持新的平衡，使機構平穩下降。地面上的工作人員采用地面搖控方式 控制四個互鎖繼電器( /,，入，厶，《/4)的通斷，調節電路板中第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4的接通于斷開，從而改變電流'。來控制電磁轉矩，進而 控制機構的下降速度，完成相關的纜索檢測維護工作。總之，上述實施例所描述的幾種實施方式，并不代表本發明所有的實現方式；以上實 施例不是對本機器人的具體限定，比如，機器人也可適用于爬升類似電線桿、路燈柱、旗 桿等柱體，完成相關的檢測維護工作。在本發明的實施例中，樣機功率為90W，機器人自 重6kg，可載重4kg (攝像頭和磁檢測設備)，爬升速度0.2 111/3到0.3111/5，樣機結構簡單， 維修方便，在工程試驗中，工作穩定，具有推廣應用價值。
權利要求
1、一種螺旋線纜索檢測機器人，包括沿纜索圓周方向設置的一臺小車(1)以及設置在小車車體(11)上端和下端的用于將小車支撐抱緊在纜索上的抱緊裝置(3)，所述的小車至少包括一帶主動輪(21)的爬升機構(2)，其特征在于所述的主動輪(21)的徑向與纜索(5)的軸向成一夾角，該夾角與纜索(5)的螺旋線(51)的螺旋角相同。
2、 根據權利要求1所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于在所述的小車(1) 的車體(11)上設置有一圓弧槽(111)，在該圓弧槽(111)內設置有一平衡架(112)，所 述的爬升機構(2)設置在平衡架(112)上并可繞圓弧槽(111)轉動。
3、 根據權利要求1或2所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于所述的抱緊裝 置(3)包括與車體(11)固定連接的抱緊固定架(31)，在該抱緊固定架(31)上設置有 至少兩個距主動輪(21)間距可調的支撐輪(32)，該至少兩個支撐輪(32)與小車的主 動輪(21)形成至少三點支撐夾持。
4、 根據權利要求3所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于在所述的抱緊固定 架(31)上設置有至少四個支撐輪，還包括兩個用于防偏的防偏支撐輪(33)，且該兩個 防偏支撐輪(33)分別位于主動輪(21)的兩側。
5、 根據權利要求4所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于所述的抱緊固定架 (31)由第一支撐簧桿(311)、第二支撐簧桿(312)、第三支撐簧桿(313)組成，第二支撐簧桿(312)的兩端分別與第一簧桿(311)的一端、第三支撐簧桿(313)的一端固定連 接，第一支撐簧桿(311)的另一端、第三支撐簧桿(313)的另一端分別固定在車體(11) 上，所述的至少兩個支撐輪(32)設置在第二支撐簧桿(312)上，所述的兩個防偏支撐 輪(33)分別設置在第一支撐簧桿(311)和第三支撐簧桿(313)上。
6、 根據權利要求3所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于所述的抱緊裝置(3) 還包括一磁吸附結構(34)，該磁吸附結構(34)設置在小車(1)的車體(11)上。
7、 根據權利要求6所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于所述的磁吸附結構 (34)包括至少一塊軛鐵(341)以及設置在軛鐵(341)上的至少一塊磁鐵(342)，所述的軛鐵(341)通過螺栓(343)及彈簧(345)固定在小車(1)的車體(11)上。
8、 根據權利要求4所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于還包括一防落裝置 (4)，防落裝置(4)包括一曲柄滑塊機構(41)和帶有小孔(421)的氣缸(42)，所述的曲柄滑塊機構(41)的曲柄與一離合器(43)的外環連接，該離合器(43)的內環與小車(1)的主動輪(21)的輪軸(22)固定連接，所述的曲柄滑塊機構(41)的滑塊與氣 缸(42)的活塞桿連接，所述的小孔(421)設置在氣缸(42)的底部。
9、 根據權利要求1所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于所述的主動輪(21) 設置在主動輪輪軸(22)上，在該主動輪輪軸(22)上還設置有一第一錐齒輪(23)， 一 電機(6)帶動設置有與第一錐齒輪(23)配合的第二錐齒輪(24)的齒輪軸，所述的主 動輪(21)通過所述的第一錐齒輪(23)、第二錐齒輪(24)實現傳動。
10、 根據權利要求1所述的螺旋線纜索檢測機器人，其特征在于所述的主動輪(21) 由第一半輪(211)和第二半輪(212)組成，在第一半輪(211)和第二半輪(212)之間 還設置有用于調節第一半輪(211)和第二半輪(212)間距的調節機構，在第一半輪(211) 和第二半輪(212)的相對面上分別設置有滾珠(213)。
全文摘要
本發明公開了一種螺旋線纜索檢測機器人，由沿纜索對稱分布的一臺小車和上下兩個支撐抱緊裝置通過聯接件連接組成，其特征在于，在其主動小車上設置有爬升裝置和磁吸附裝置，在兩個支撐橫桿上設置有抱緊裝置；所述爬升裝置包括了固定在小車車體上的鋰電池和固定在小車車體主動輪一側的直流電機，所述直流電機由鋰電池供電通過驅動輪軸驅動小車主動輪轉動，帶動整個機器人沿纜索導水線螺旋爬升；所述抱緊裝置和磁吸附裝置共同作用將主動輪壓緊在纜索表面。爬升裝置可相對車體旋轉任意角度以適應不同螺距的導水線，鋰電池供電更適合高空作業環境，機器人還設置有下降裝置，使用更安全可靠。本發明結構簡單合理，維修方便，可有較高的爬升速度，可應用于大型斜拉橋螺旋線纜索的檢測工作，也可用于其它路燈等桿類的檢測工作。
文檔編號A63B27/00GK101214412SQ20081001916
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月15日 優先權日2008年1月15日
發明者徐豐羽, 王興松, 田富湘, 揚 皮 申請人:東南大學