缆索机器人.docx
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缆索机器人
连续移动式缆索检测维护机器人的设计
简要说明:
1、目录要写
2、报告最少要写满15页
3、注意文中红体字
4、周五上午要PPT演讲并上交报告
5、还有其他不明白的欢迎拨打咨询热线:
501409
附件的内容写:
组长:
王珊珊
主要设计:
王珊珊、陈晨
英文翻译:
葛明超、钱旭斌
PPT演讲:
胡雷、茹立科
资料收集:
刘益舟、胡斌
一、背景
斜拉桥以其观赏性好、承载能力强、跨越能力大、抗风稳定性高、工程造价经济等优点,成为公路、铁路及城镇道路建设中大跨径桥梁常用桥型之一,在世界范围内得到了广泛的应用。
作为斜拉桥的主要受力部件缆索因暴露在空气中,长期受到风吹、日晒、雨淋及大气中污染物的侵蚀,其表面的聚乙烯保护套会出现隆起、破裂等现象,甚至保护套内的钢丝束会出现生锈、断丝等问题,严重影响了斜拉桥的观赏性并且给斜拉桥的安全埋下隐患。
目前,缆索维护作业基本使用人工吊篮方式,成本高、效率低、安全性差。
因此,研制缆索自动化检测机器人对缆索有效维护是十分必要的。
针对潜在的缆索维护市场,国内外多家机构参与了缆索维护机器人研究开发。
现有爬缆机构的运动方式主要有摩擦轮连续滚动式,夹紧蠕动式两种。
连续滚动式机构由于缆索的悬垂曲线、缆索风振动等外界因素影响,摩擦轮的预紧力较难精确调整;过大,因摩擦消耗功率就越多;过小,随机的外部干扰会使夹紧力不足,爬升失效,多数情况下为了提高可靠性只能牺牲能耗比。
夹紧蠕动式机构对于截面尺寸有突变、表面情况恶劣的缆索具有较好的适应能力,但爬升和夹紧运动分别由2套机构实现,运动较复杂,浪费了过多因夹紧所耗的时间和能源。
二、基本要求
本文采用的是电机驱动摩擦轮连续滚动式,这种爬升方式具有快速、平稳、连续性好等优点被越来越多地应用在缆索检测机构中。
针对连续移动并且能够越过障碍的缆索检测机器人,有以下几点要求:
(1)缆索长度不一,最长的缆索的长度接近600m,这就要求缆索机器人有较快的爬行速度,并且能通过缆索表面的隆起、空洞及缆索连接处的关节等。
(2)整座桥梁上的缆索都需要进行全方位地检测,工作量大,这就要求缆索机器人具有安装、拆卸快捷方便的特点,从而提高工作效率。
(3)缆索机器人需携带缆索检测系统,以便及时检测缆索表面和钢丝的生锈、断丝的情况,从而采取相应的补救措施。
(4)缆索机器人应具有一定的智能,如机器人在高空工作过程中能自主判断是否达到缆索的顶端,并采取应变措施。
因此,依据以上要求和特点,研究设计出可快速、平稳爬升并具备越障功能的电驱动连续移动式缆索机器人机构实现方案。
三、基本结构
缆索机器人携带检测工具在高空中完成对缆索的检测修复,在这种复杂危险的情况下完成作业,就要求机器人系统尽可能的小型化、轻量化,提高系统的灵活性和适应环境的能力。
为此提出机器人的性能指标为:
(1)机器人总质量小于20kg;
(2)机器人移动速度不小于5m/min;
(3)缆索的最大倾斜角为90°;
(4)缆索的直径为50mm。
1、机械结构的设计
根据上述性能指标设计出的机器人的总体机械结构如图1所示。
2、机械结构的说明
机器人结构框架呈正六棱柱状,整体分为上位体和下位体两部分,并分别设置有夹紧和移动机构,两体间通过连接管、连接杆等支撑机构相连。
上位体和下位体至少有一个夹紧在缆索上,通过电动机驱动滚轮实现机器人在缆索上连续移动。
正六棱柱的上下两个平面的连接杆上均设有活动开口,通过打开或关闭活动开口就能方便、快捷地将机器人安装到缆索上。
滚轮和线性驱动器通过平行板相连接,线性驱动器提供预紧力使机器人附着在缆索上,这就为机器人在缆索上实现连续移动创造了条件。
并且,线性驱动器的行程会根据缆索的不同直径的要求进行实时调节,从而提高了机器人对不同直径的缆索的适应能力。
机器人框架内部均匀安装3套爬行机构,即3套爬升机构之间呈120°等间距分布,每套爬行机构的驱动力均由电机提供。
因此,机器人采用三重驱动力,并通过链传动使6只滚轮都成为主动轮,这样就能减少缆索机器人在爬升运动过程中遇到的各种阻力,增强了爬升力,保证缆索机器人在大倾度的缆索上也能够顺利工作。
这种分布方式还能使牵引力分散产生,提高了机器人的稳定性,有利于对缆索的检测。
另外,爬行机构通过安装在减速器输出轴上的编码器测量电机的转速,运用速度反馈控制方式实现3对滚轮的同步运动,进一步增强了机器人的稳定性。
四、机构的动力学分析
1、机器人附着力的分析
实现机器人在缆索上运动,需要线性驱动器提供机体对缆索的附着力。
根据前文的分析,机器人的全部重力仅由安装在下位体或上位体上的6只滚轮承载,此时,机体对缆索的附着力达到最大值。
假设机器人处于静止状态,如图2所示,对其中一只滚轮分析可得:
G1cosθ+F1=N
(1)
f1=G1sinθ
(2)
f1=μ1N(3)
由式
(1)~式(3)可得:
F1=G1(sinθ-μ1cosθ)/μ1(4)
式中:
F1———线性驱动器提供的附着力;
G1———由6只滚轮承载全部重力时其中一只滚轮所分担的重力;
θ———缆索倾斜角度;
μ1———最大静摩擦因数。
取滑动摩擦因数μ1=0.2;最大倾斜角θ=90°;每只轮子所承受的重力为G1=33.33N;则求得最大附着力F1=166.65N,为了保证机器人的稳定性,取
F1=250N。
(该图为图2,图中F1与N在同一直线上,没有β角)
2、机器人向上运动时的动力学分析
最大附着力保证机体紧附在缆索上,在电机的驱动下,机器人沿缆索向上爬升。
在机器人启动的一瞬间,向上爬升的加速度很大,此时需要的驱动力最大。
在机器人向上爬升的过程中,机体的受力情况如图3所示,对其进行受力分析为:
F2-f2-G2sinθ=Ma(6)
N=F1+G2cosθ(7)
f2=μ2N(8)
由式(6)~式(8)可以得出:
F2=F1μ2+G2(μ2cosθ+sinθ)+M2a(9)
M2=G2/g
式中:
F2———机器人向上爬升时电机的驱动力;
μ2———滑动摩擦因数;
G2———一只滚轮所承载的重力;
a———机器人启动瞬间的加速度。
驱动轮的橡胶表面与缆索表面的聚乙烯材料接触,取滑动摩擦因数μ2=0.15;为了尽快达到最大工作速度,加速度a取值0.01m/s2;当缆索垂直地面时,机器人的重力全部集中在机器人的6只滚轮上,此时每只滚轮承载机器人的重力最大,所以,在θ=90°,M2=3.33kg,G2=33.33N,a=0.01m/s2时驱动力最大,即最大驱动力F2=70.86N,取F2=100N。
设此时的工作速度为5.0m/min,所以可求得电机的功率为:
(10)
式中:
v———机器人移动的速度;
η———链传动的传动效率,取值85%;
K———电机功率储备系数,一般为1.1~1.25,这里取值1.25。
所以求得电机功率P=12.25W,选用电机功率20W。
(该图为图3图中F1与N在同一直线上,没有β角)
此时机器人工作的速度最小,电机转矩最大,最大转矩:
TN=9.55P/n(11)
式中:
n———电机的转速,r/min。
滚轮半径R=35mm,
故有单排链轮的转速n1为:
n1=v/2πR(12)
求得n1=22.75r/min,
根据链传动的运动特性:
n/n1=z1/z(13)
式中:
z———双排链轮齿数;
z1———单排链轮齿数。
z=16,z1=21,所以,n=29.9r/min,最大转矩TN=8.3N·m。
根据上述分析,拟选用博山金鑫减速电机厂生产的型号为J-SZ(ZYT)-PX系列直流减速电机,编码器选用西安新敏电子科技有限公司生产的型号为IHU-5208的光电编码器。
3、机器人向下运动时的动力学分析
机器人在向上爬升的过程中,完成对缆索的检测维护,当机器人运动到缆索的顶点,就需要对机器人进行安全回收。
在对机器人回收过程中,要求机器人能够平稳、匀速下滑。
当机器人到达缆索顶端,控制电机通过反转从高空返回地面,为实现节能和故障回收,设计了基于反电动势理论的回收方法。
3.1、反电动势下降分析原理
当机构断电下滑时,电机作为发电机工作,机器人本体相当于原动机,带动主动轮驱动电枢旋转.在匀速转动时,驱动转矩(T)必须与发电机的电磁转矩(Tm)及空载损耗转矩(To)相平衡.可以采用调节电阻(Rb)改变电流(ia)的方法来控制电磁转矩,进而控制机构的下降速度.此处仅考虑稳定状态,忽略电机电枢产生的内部摩擦等非线性情况的影响.根据图4可得:
(此处后面的括号里一次为(14)(15)(16)(17))
式中,UR为滑动变阻器电压(V),Ra为电枢电阻(
),La为电枢电感(H),Rb为可变电阻,ia为电枢电流(A),Tm为电磁转矩(N.m),
为磁极的磁通(wb),
为与电机结构有关的常数(V-s/rad),Ea为感应电动势(V),n为电机转速(r/min).
机构下降时的驱动力矩为:
(18)
式中,rl为主动轮半径(m),Ff为缆索作用机构的总摩擦力(N),To为电机摩擦转矩(N.m),M为机构自重及负重(kg)。
当机构沿缆索匀速下滑时:
由式
(1)~(5)得出下降速度vl(m/s):
(19)
此处,i为齿轮箱减速比。
(该图为图4)
当轴上的机械负载发生变化时(即缆索倾角发生变化),电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整,以适应负载的变化,达到并保持新的平衡.为保证机器人匀速下滑,可根据调整阻值Rb改变电磁转矩来适应机构的不同重量、缆索的不同倾角等情况,为满足倾斜不同角度缆索的视频检测要求,根据式(19),初步选取2O
、40
和6O
三档大功率电阻串入控制电路调节下滑速度。
3.2、下滑过程中对机器人的动力分析如图5所示
(该图为图5图中F1与N在同一直线上,没有β角)
F3=f3-G2sinθ(15)
N=F1+G2cosθ(16)
f3=μ2N(17)
由式(15)~式(17)可得:
F3=F1(μ2cosβ-sinβ)+G2(μ2cosθ-sinθ)(18)
式中:
F3———机器人向下爬行时电机驱动力。
五、控制流程
针对以上分析研制的爬升机器人,我们采用PLC控制。
主电机周期性正反转,转向的切换信号由两个限位开关提供。
当机器人接近缆索顶端时,安装在上板的行程开关发出信号,PLC发出主电机停转、放松机构运动的指令,同时,机器人转入下滑行程。
为了保证机器人高速、有效、安全地在缆索上来回移动,即设计该机器人先以一定的加速度上升到5m/s以上,并维持一定的速度上升到离顶部适当的距离开始减速到顶端;下降时,先以一定的加速度下降到5m/s以上并稳定在该速度至下降到离底部一定的距离时开始减速,直至停止在底部,流程图如图6所示:
图6机器人爬行流程图
六、安全性的考虑
为了保证机器人在整个运行过程中遇到紧急情况(如电气系统故障、电能不足)时均仍能正常的、连续的移动,以防止机器人在高空失重,使得机器人从高空落下摔毁。
针对以上提出的问题,我们提出了以下的两点措施:
1、增加备用电机
当电机正常工作时,备用电机处于休眠状态,即备用电机不工作;当遇到故障,电机无法正常工作时,PLC发出指令,使处于休眠状态的备用电机开始工作,让机器人进入下降状态,与普通的下降状态相似,即先以一定的加速度下降到5m/s以上并稳定在该速度至下降到离底部一定的距离时开始减速,直至停止在底部,此时,工作人员将机器人卸下并进行维修护理工作,使机器人能够顺利进行接下来的缆索检测维护工作。
2、增加夹紧自锁机构
如图7所示:
当电机正常工作或备用电机正常工作时,位于弹簧顶端的电磁铁通电并吸引弹簧末端的铁块,使得弹簧压缩,即夹紧自锁机构处于松开状态,不影响机器人的爬行状态;当遇到故障断电时,且备用电机也无法工作时,电磁铁失电,使其与铁块之间的引力消失,使得弹簧松开,即夹紧自锁机构处于夹紧状态,将机器人夹紧与缆索上,此时,依靠工作人员卸下机器人并进行维修护理工作,使机器人能够顺利进行接下来的缆索检测维护工作。
七、结论
根据缆索机器人的各项性能要求,提出电机驱动连续式行走的机器人设计方案:
1.在满足各项性能要求的基础上对机器人进行动力学分析,确定了缆索机器人的附着条件,并给出了驱动电机参数的确定方法,为电机的选型创造了有利条件;
2.运用PLC的控制方案,保证机器人能够以最佳的速度在缆索上稳定运行,使得机器人的控制更加智能化;
3.提出增加备用电机及夹紧自锁机构以避免机器人在遇到紧急情况(如电气系统故障、电能不足)时不能自动回收、故障时必需人工取回而导致高空作业能力差等的缺点。
通过缆索机器人爬升机构不同阶段的研究表明,缆索爬升机构是一种在特定环境下应用的新型机构,它是成功研制缆索维护机器人中最为关键的一步,该机构不仅适于爬升各种倾斜度的缆索,而且还有较强的负载能力。
随着缆索拉桥数量的增加,这种连续移动式缆索检测维护机器人将会为社会带来巨大的经济效益。
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