一種橋梁檢測爬升機器人結構設計

聶小春，朱洪雷，高 琴，張家樂

（1.廣州工程技術職業學院機電工程學院，廣東 廣州 510925；2.北京科技大學高等工程師學院，北京 100089；3.廣州市保倫電子有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

橋是空中的路，中國橋梁建造數量不斷刷新記錄，呈現出“百橋飛架南北，天塹變通途”的盛況。改革開放40年，中國的GDP 不斷提高，城市化進程加快，交通事業也緊隨其后，取得了驚人的進步，而其中橋梁建設在交通建設事業中是不可或缺的存在。橋梁建筑等行業存在著大量的管架、管狀拉索，需對這些管線、管架進行定期的檢修維護。通常是由人工完成，存在高空作業、環境惡劣、效率低、誤差大、成本高，尤其是給高空作業的工作人員帶來很大的不安全因素等問題[1，2]。

隨著智能化、信息化程度提高，機器人技術越來越多應用在各種公共安全領域，如地震、煤礦救援等[3]，因此，橋梁檢測爬升機器人的出現可以代替人工從事攀爬鋼桿、立柱等進行橋梁結構檢測、涂漆等工作，大大保證了維修人員的安全。本文重點對橋梁檢測爬升機器人的結構進行了設計，通過Solidworks 軟件對機器人進行了結構性建模，通過模擬本機器人運行平穩可靠，有解決高空作業工作人員安全問題的推廣價值和意義。

1 橋梁檢測爬升機器人總體方案確定

橋梁檢測爬升機器人是一個能夠依附在纜索、鋼桿或立柱上自動爬行的機器，不同于地面上平行移動的機器人[4]，它需要克服地心引力對它的作用從而穩當地依附在爬升面上并實現自主的上下爬行運動。為保證機器人能夠攜帶攝像儀器順利完成橋梁檢測的工作并具有較高的效率，設定機器人的載重G≥400 kg、長度a≤600 mm、寬度b≤400 mm、行駛速度V≤3 m/s。

1.1 橋梁檢測爬升機器人傳動方案的確定

借鑒已經研制的同類機器人設計的優點[1-5]，設計了橋梁檢測爬升機器人。該機器人主要由動力系統、可調壓緊機構、制動回收機構、檢測裝置、機體及相關的標準件五大模塊組成，圖1 是基于以上機器人的設定參數設計出的橋梁檢測爬升機器人的結構圖。動力系統由電機和蝸輪蝸桿機構組成，為整個機器人提供爬行動力。可調壓緊機構由電機、齒輪、滾動手爪和小滾輪等組成，用來抱緊圓柱鋼纜并防止機器人跑偏。制動回收機構由制動手爪等組成，用來防止機器人爬升時快速下落。檢測裝置由攝像頭等組成，用來實時拍攝鋼纜的情況。機體用來將整個機構組裝，是機器人的支撐承載件，在滿足剛度和強度的條件下，質量越輕越好，所以機體需要設計得輕巧。

圖1 圓柱橋梁爬升機器人整體結構圖

1.2 橋梁檢測爬升機器人工作原理

該機器人主要是利用電機1 驅動蝸輪蝸桿7，再由輸出軸帶動大滾輪8，同時抱緊圓柱鋼纜1 的兩對滾動手爪4 帶動小滾輪2 進行攀爬，這兩者合為一體，呈現雙層三爪狀保證爬升的穩定性。需要駐留時，采用繼電器控制制動手爪3 壓緊圓柱鋼纜1，同時蝸輪蝸桿機構7 具有自鎖功能，此時就可采用攝像頭5進行拍照采集數據，來完成橋梁勘測的任務。

2 橋梁檢測爬升機器人具體結構設計

橋梁檢測爬升機器人是一個能夠依附在纜索上自動爬行，不同于一般在地面上平行移動的機器，其特點是需要克服地心引力對它的作用從而穩定地依附在爬升面上來實現爬升運動，電動機械式和電動液壓式爬行器的特點對比見表1。

表1 類型桿件自動爬行器的特點

2.1 動力系統設計

經過對表1 爬行器的特點分析及成本考慮，采用電動機械式的爬行器。

動力系統是機器人設計的重要部分。其由伺服電機經由聯軸器3 驅動蝸輪蝸桿機構4，再經由轉軸帶動大滾輪來完成爬升。這種傳動方式的傳動效率高，且蝸輪蝸桿機構具有自鎖功能，可防止機器人駐留時下滑。機器人動力系統裝配效果見圖2。

圖2 動力系統裝配效果圖

2.2 可調壓緊機構設計

為了適應不同橋梁的圓柱鋼纜或者立柱直徑，機器人需具有可調能力的壓緊機構。如圖3 所示，本機器人的可調夾緊機構由電機5 帶動齒輪4，再由齒輪4 帶動手爪3 上的扇形齒來張開或者夾緊手爪3，對能用于不同直徑的圓柱鋼纜，手爪3 上裝有小滾輪2，能用于輔助爬升。該機構具有上下兩對帶有小滾輪的手爪，與動力系統的大滾輪呈120°均布，并同時固定于機體上，不僅可以抱緊圓柱鋼纜并且可以防止機器人跑偏甚至卡死。

圖3 可調壓緊機構裝配效果圖

2.3 制動回收機構設計

此制動回收機構兩側使用鋼板連接，當呈120°均布的大小滾輪呈上升抱緊圓柱鋼纜時，本剎車制動的繼電器斷電，摩擦片1 松開，反之抱緊，防止整個機器人下落。當回收機器人時，利用爬升機構自身的重力勢能進行回收，在回收的過程中不需要消耗電能，但是下降速度會越來越快，此時本剎車制動的繼電器通電，摩擦片1 收緊，下降速度減緩，如圖4 所示。

圖4 制動回收機構裝配圖

2.4 設計的創新性

本設計的創新性在于使用了單電機驅動蝸輪蝸桿機構來實現爬行：（1）減輕了爬升機器人的質量；（2）防止機器人檢測時暫停滑落的可能。還有將可調壓緊機構設計成上下兩對呈120°均布的三爪模式，這樣不但可以方便根據綱纜直徑調整，還可以防止機器人爬偏。為模擬本設計的結構是否合理正確，利用Solidworks 軟件對機器人進行了結構性建模，如前文圖1 所示，通過軟件模擬橋梁檢測爬升機器人具有良好的可靠性及可行性，下步將制作樣機并進入試制工作。

3 結束語

針對橋梁的自動檢測與維護，設計了一種橋梁檢測爬升機器人，以電機驅動具有自鎖功能的蝸輪蝸桿機構帶動大滾輪，及電機驅動可調壓緊機構帶動雙層和大滾輪呈120°均布的小滾輪，實現該機器不跑偏地輕易爬升，并且通過制動回收機構實現了節能回收。