氮气弹簧在爬缆机器人中的应用
发表时间：2018-09-04 16:50浏览量：
设计 研 究 、分 析 、 ｌ ２ｏ１５￣ｇ ５ Ｄｅｓｉｉｇｎｎ ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｎａｔｌｙｓｉ ｓ Ｉ 氮 气 弹 簧在 爬 缆 机 器 人 中的应 用 李想 ，邓斌 ，吴文海 ，于兰英 （西 南交通 大 学 机 械 工程 学 院 ，四 川 成都 ６１００３１） 摘 要 ：爬 缆机 器人被越 来越 多地应用 于斜拉桥缆 索检测 。通过对爬缆机 器人在 上行 途中的越 障性 能分析 ，可得到 越障 时压 紧力 改变越 小机 器人越 障能力越好 ，据此提 出使 用氮 气弹簧代 替普通 弹簧为机 器人 提供压 紧力。通过 实 例对 比证 明了氮气弹簧在 改善机 构越 障性 能上有显著作用。 关键词 ：斜拉 索 爬缆机 器人 越 障 氮气弹簧 中图 分 类 号 ：ＴＰ２４２．２ 文 献标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００２—６８８６（２０１５）０５—００５３～０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｇａｓ ｓｐｒｉｎｇ ｉｎ ｃａｂｌｅ－－ｃｌｉｍ ｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ＬＩ Ｘｉａｎｇ，ＤＥＮＧ Ｂｉｎ，Ｗ Ｕ Ｗ ｅｎｈａｉ，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 ｓｐｉｒｎｇ． Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｇａｓ ｓｐｒｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ． Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ：ｓｔａｙｅｄ — ｃａｂｌｅ；ｃａｂｌｅ— ｃｌｉｍ ｂｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｏｂｓｔａｃｌｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ；ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｇａｓ ｓｐｒｉｎｇ ０ 引言 缆 索是 斜拉 桥最 重要 的构 件之 一 。随着 斜拉 桥 建 造跨 度 的加大 ，缆 索 的尺 寸 不 断增 长 数 量 不 断增 多 ，人 工 目测法 和 吊篮检 测 法 已不 再 适用 。近 年来 缆 索检 测机 器人 技术 被提 出并 得到 应用 。 由于缆 索 常 年 暴 露 在 外 部 环 境 中 ，表 面 的 ＰＥ 保 护层 会 出现一 定 的损 坏 ，需要 运 用 爬 缆 机 器人 进 行 缆索 表面 检测 。由于缆 索表 面 的破坏会 造 成爬 缆 机 器人 无法 越 障甚至 难 以 回收的 问题 。气动 蠕动 式 的夹紧 机构 为气 缸驱 动 的夹 紧 爪 ，对 缆 索 表 面 的障 碍 物具 有 良好 的适应 性 ，但 气 动蠕 动 式 机 器人 结 构 复 杂且 运动呈 间歇 性 ，不 利 于 检测 的平 稳 性 。 电动 连续 式 由电机驱 动滚 轮 连 续 爬 升 ，但 遇 到较 大 的凸 起 障碍 物 时 ，滚 轮可能 会 卡死 。 本 文针对 电动 连续 式 爬 缆 机 器人 的越 障问题 ， 结合 电动连续 式爬 缆机 器 人 结 构 ，分 析 了影 响机 器 人越 障 的 因素 ，提 出选用 氮气 弹簧 代 替 一般 弹簧 来 改 善其 越 障能力 。 ［７］ 秦 玉兵．控制加载规律 下的 离心压 缩机 叶轮设计 方 法 及数值计 算［Ｊ］．沈 阳：风机技术 ，２００７ ［８］ 田晓平．基 于控制加载规律 的 离心叶轮设 计 方法研 究 ［Ｊ］．西安 ：西 北 工 业 大 学 出版 社 ，２０１１ ［９］ Ｊｏｈｎ Ｄ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ Ｈｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｍ］． Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｐｒｅｓｓ，２００７ ［１０］ 张朝辉．ＡＮＳＹＳ ８．０结构分析及 实例 解析 ［Ｍ］．北京 ： 机 械 工 业 出版 社 ．２００５ 作 者 简 介 ：田 晓 平 （１９８４一），男 ，西 北 工 业 大 学 工 学硕 士 毕 业 ，现 工 作 于 中 国飞 行 试 验研 究 院 。发动 机 所 。 收 稿 日期 ：２０１５—０３—０９ ５３ 现代锻摘 ＩＭⅪｏ ｄ ｅｒｎ Ｍａｃ。ｈｉⅡｃｕ １ 爬缆机器人的越 障能力分析 Ｆ ≤ Ｆ ＝１／２Ｎ × （３） （４） 图 １为一 款典 型 的 电动 连 续 式 爬 缆 机 器 人 ，其 工 作 原 理 是 由压 紧 装置 为三 台移动 小车 提 供压 力 ，使 机 器 人 与 移动小车 ，缆索 式 中 ：， 为单 个 驱动轮 的 附着力 ； 为 附着 系数 。 — — 如 图 ２（ｂ），当前一 排 主动轮压 过 高度 为 ｈ的环 蓐 ） 状阶障碍物时，弹簧的压缩量增加 ｈ／２，机器人能够 越过 障碍 的驱 动力 条件 为 ： ６Ｆ ≥ ６Ｆ， ＋Ｇ （５） 缆 索表 面产生 足够 大 的 ＝／，Ｎ （６） 摩 擦力 ，电动 机 经 过 蜗 图 １ 爬 缆 机 器 人 结 构 轮蜗 杆减 速器 及链 传动 Ｎ ＝Ｎ ＋１／２ｋｈ 其 中 ， 为弹 簧 的刚度 系数 。 （７） 带 动摩擦 轮实 现爬 升 。压紧装 置 主要是 由刚度一定 由（１）一（７）得 到障碍 物 的高度 条件 为 ： 的 压簧通 过铰链 和 小 车连 接 。在 机 器 人安 装 前 ，需 要 预调节 压簧 的位 置 使 其 产生 一 定 的压力 ，将 机 构 安 于缆索 时 ，根据缆 索 的直径 大小 ，再 一次调节 小 车 与导 向轮 ，使各 个 车轮 和缆索 之 间紧密贴 合 。 如图 ２（ａ）所示 ，爬缆机器人沿光直缆索向上攀 爬 时 ，不考 虑风 阻 ，受 到 电机 的驱 动 力 、压 簧 的 正压 力 、缆索 的摩擦 力 以及 机 器人 本 身 的重 力 。机 器 人 上行 的驱 动力 条件 为 ： ６Ｆ ≥ ６ｒ／＋Ｇ （１） ｈ≤ 二ｐ ３ Ｋ （８） 根据 （８）可得 ，选择 刚度 系数 较小 的弹 簧 ，能够 增加机器人的越障高度 。弹簧的刚度系数描述的是 单位 形变 量产 生 的弹力 的大 小 ，因此可 得到 ：在越 障 时 弹簧压 力 的变化 量越 小 ，爬 缆 机器 人 的越 障 性 能 越好 。由于爬 升又 需要 一 定 的压 紧 力才 能 提 供 驱 动 力 ，因此 弹簧 刚度不 能取 的太 小 ，为此提 出使 用氮 气 弹簧代替 普通 弹簧 来改 善爬 缆机器 人越 障性 。 ＝ １／ Ⅳ （２） 式 中 ，Ｆ 为 单个 驱 动轮 所 受 牵 引力 ； 为单 个 驱 动 轮 所受摩 擦 力 ； 为 驱 动 轮 和缆 索 表 面 的动 摩 擦 系 数 ；Ⅳ 为夹 紧装置 给单 个小 车 的压 力 ；Ｇ为 机器 人 的 总 重量 。 ２ 氮气弹簧 ２．１ 氮气 弹簧 的特点 氮气 弹簧 的原 理是 将 高压 氮 气密 封 在缸 内 ， 通 过 活 塞 对 气 体 压 缩 获 得 一定 的弹压 力 。氮 气 弹 簧 已被 应 用 在 先 进 模 具 制造 中 ，其 最 大 的特 点 是 能够 在 比较 长 的 行 程 内 保 持 一 个 基 本 恒 定 的 弹 压力 。除 此 之 外 ，氮 气 弹 （ａ）机 器 人 在 光 直 缆 索 上 （ｂ）机 器 人 滚轮 压在 障碍 上 图 ２ 机 器 人 上 行 受 力分 析 摩擦轮在和缆索接触时 ，当切反力过大时，轮子 会出现打滑的现象 。这个传递的切反力 的极限值称 为 附着力 ，它 的大小 和驱 动 轮 上 法 向反 作 用 力 成 正 比。要确 保爬 缆机 器人 的驱 动 轮 和 缆 索 之 间不 发 生 簧无 需 预 紧 就 可 产 生 一 个较 大 的初 始 弹压 力 值 ；１． 柱 塞 或 活 塞杆 ；２．端 面 防 尘 密 相比于普通 弹簧受 到长 封；３．钢丝圈；４．上内套；５支撑 度的限制的缺点，氮气弹薹薹裳 囊 暑 簧体积小 ，能够简化机器 缸底。 人结 构减 轻 机 器人 重 量 。图３ 氮气弹簧的结构图 图 ３为氮 气 弹簧 的结构 图 。 打 滑 ，作 用在 驱动 轮上 的驱 动力 不能大 于 附着力 ，即 ５４ ｌ● 一… 年…第… 期 设 计 研 究 、分 析 、 Ｄｅｓ￣ｇｉｎｎ ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ ２．２ 设计 实例 根据 爬 缆机 器人 爬 升 时受 力 分 析 及 运 动条 件 ， 对 于 自重 为 ３Ｏ ｋｇ的爬 缆 机 器 人 ，每 根 弹 簧需 给 小 车 的压 力值 应为 Ｎ ＝４５２ Ｎ。 如 采用 螺旋 弹簧 ，由于机 器人 的结 构 限制 ，在 允 许 范 围 内 ，选择 出使 弹 簧 刚 度 系数 最 小 的 弹簧 参 数 为 ：总 圈数 凡 ＝１８，工作 圈数 ｒｂ＝１６，弹 簧 中径 Ｄ ＝ ２５ ｍｍ，钢丝 直径 ｄ ＝３．８ ｍｍ，弹 簧 刚度 Ｋ ＝８．１３ Ｎ／ｍｍ。如 采 用 氮 弹 压 力 Ｆｏｒｃｅ 气 弹 簧 ，根 据 弹 压 ６ｏＯ 力 值 选 择 型 号 为 ５００ ＭＱＢ０．４５（４５０）、 ４００ 公称 弹压 力 为 ４５０ Ｎ 的氮 气 弹 簧 ，力 特 性 曲 线 见 图 ４。 考 虑 到 初 始 行 程 ３ｏｏ ２ｏ０ １ｏｏ Ｓｔｒｏｋｅ 为 １０ ｍｍ，缆 索 上 的 障 碍 物 高 度 不 图 ４ ＭＱＢ ０．４５（４５０Ｎ） 弹 压 力 一行 程 曲线 图 会 高于 １０ ｍｍ以及 过 长 的行 程会 增加 氮气 弹 簧 的总 长从 而增 加 机构 的体 积 ，这 里 选 择行 程 为 ２０ ｍｍ 的 氮 气弹 簧 ，总长 为 ６２ ｍｍ。 当爬缆机器人单 排驱动轮压过障碍物时 ，障碍 物 高度 和弹 压 力 增 量 的 对 应 关 系 如 图 ５（ａ）所 示 。 弹簧 的弹压 力增量 和 障碍 物高 度呈斜 率 为 ｋ／２的 线 性关 系 。而 氮气 弹簧 的特 性是 弹压 力在 一个 比较 长 的行 程里 基本 恒定 ，所 以使 用 氮气 弹簧 ，随着 障碍 物 高度 的增 加 ，弹簧压 力 增量几 乎 为零 。 当遇到较长障碍物 ，爬缆机器人前后驱动轮都 压 于障碍 物上 ，障碍 物 高度 和 弹压 力 增 量 的对 应关 系如图 ５（ｂ）所示。弹簧的弹压力增量和障碍 物高 度呈 斜 率 为 ｋ的线 性关 系 。而采 用 氮 气 弹簧 ，随着 障碍 物高 度 的增大 ，弹 压力值 的增 量始 终 较小 ，压力 几乎 不变 。 对 比两种 弹簧 越 障时 弹 压力 的 变化 值 ，可得 到 使用 氮气 弹 簧能 明显 改善爬 缆 机器人 的越 障性 能 。 ３ 结 论 在爬 缆机 器人 的结 构 中 ，采 用 氮 气 弹 簧代 替 普 通弹 簧为 车轮 提供 比较 恒定 的正 压 力 ，基 本 解 决 了 爬 缆机 器 人在工 作 时 遇 到 的 卡死 问题 ，大大 提 高 了 Ｈｉｇｈｔ （ａ）单 排 驱 动 轮 压 在 障 碍 上 弹压力增量４Ⅳ Ｆｏｒｏｅ ｌ００ ８Ｏ ６０ ４０ ２Ｏ ０ （ｂ）双 排 驱 动 轮 压 在 障碍 上 图 ５ 障 碍 物 高 度 一弹 压 力增 量 对 应 关 系 其越障性能，保证了爬缆机器人桥梁检测 的工作效 率 。 参 考 文 献 ［１］ 张 家梁 ，吕恬 生，罗均．大倾 斜度 缆 索机 器人 的研 制 ［Ｊ］．高技术通讯 ，２００１，ｌ１（１）：８７，８８—９０ ［２］ 张家梁 ，吕恬 生，宋立博 ，王钧功．电动连 续式爬缆 机 器人设 计理 论分 析 与试 验 ［Ｊ］．上 海 交通 大 学学报 ， ２００３，３７（１）：５８—６１ ［３］ 徐丰羽 ．斜拉桥拉 索检 测机 器人 关键技 术研 究 ［Ｄ］． 南 京 ：东南 大学 ，２００９ ［４］ 刘 建军．简介模具弹性元件 的新 秀—— 氮气弹簧 ［Ｊ］． Ｖａｌｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，２９（１１）：８７ ［５］ 刘辉航 ，卢 尚言 ，刘 晶波 ，等．氮气 弹簧的 应用 和发展 ［ｃ］．西安 ：中国机械 工程学会 ，２００１：１—１０ ［６］ 张胜．氮气弹簧在 冲模 中的应 用 ［Ｊ］．模 具制造 ，２００４， （９）：３５—３９ 作者简介 ：李想（１９８９一），女 ，籍贯云南玉溪，硕士研 究生，主 要 研 究 方 向 ，机 电一 体 化技 术 ，工 业机 器人 。
- 苏州斯托尔克精密机械有限公司 版权所有 Copyright 2015 技术支持：乐搜科技
- 联系电话：18136070685;传真：+086 0512-66718353;邮箱：dfs@strack.cn
- *本站相关网页素材及相关资源均来自互联网，如有侵权请速告知，我们将会在24小时内删除*
- 《中华人民共和国电信与信息服务业务经营许可证》备案号：苏ICP备14007014号-1
扫一扫二维码
联系我们：
