悬浮履带式爬索机器人论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及一种悬浮履带式爬索机器人，它包括六方体机架(1)，所述立方体机架(1)由左右两半机架对接而成，每半机架均由三个面板固定连接而成，述六方体机架(1)内侧设置有三套悬浮履带式抱紧机构(4)，其中一套悬浮履带式抱紧机构(4)设置于其中一半机架的中间面板上，另外两套悬浮履带式抱紧机构(4)设置于另一半机架左右两边的面板上，三套悬浮履带式抱紧机构(4)呈120°角度布置。本实用新型一种悬浮履带式爬索机器人，其结构简单、重量轻、有效负载大、越障能力强，适用于高空环境的悬索桥悬吊索、斜拉桥拉索等索体的外表面检查。

设计方案

1.一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：它包括六方体机架（1），所述六方体机架（1）由左右两半机架对接而成，每半机架均由三个面板固定连接而成，述六方体机架（1）内侧设置有三套悬浮履带式抱紧机构（4），其中一套悬浮履带式抱紧机构（4）设置于其中一半机架的中间面板上，另外两套悬浮履带式抱紧机构（4）设置于另一半机架左右两边的面板上，三套悬浮履带式抱紧机构（4）呈120°角度布置。

2.根据权利要求1所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述悬浮履带式抱紧机构（4）包括左右两排限位支座（41），左右两排限位支座（41）之间设置有同步轮机构（42），所述同步轮机构（42）包括左右两块同步轮架（421），左右两块同步轮架（421）前后两端分别设置有主动轮（422）和被动轮（423），所述主动轮（422）和被动轮（423）之间设置有履带（424），所述同步轮架（421）外侧设置有限位杆（43），所述限位支座（41）上沿竖直方向开设有限位槽（44），所述限位杆（43）插装于限位槽（44）内，所述同步轮机构（42）外侧设置有前后两组弹簧（46），所述弹簧（46）上端与同步轮架（421）外侧面固定连接，所述弹簧（46）下端与机架面板固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述履带（424）背面为与主动轮（422）和被动轮（423）相接触的同步带，所述履带（424）正面沿长度方向为与索体相抱合的U型槽。

4.根据权利要求2所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述主动轮（422）和被动轮（423）之间设置有多个过渡轮（425）。

5.根据权利要求2所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述同步轮机构（42）的主动轮（422）一侧设置有驱动机构（410），所述驱动机构（410）包括驱动电机，所述驱动电机的输出端通过蜗轮蜗杆机构或伞齿轮机构与主动轮（422）的主轴相连接。

6.根据权利要求2所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述同步轮架（421）外侧设置有弹簧套（47），所述弹簧（46）上端与弹簧套（47）固定连接，所述机架面板上设置有弹簧垫板（48），所述弹簧（46）下端与弹簧垫板（48）固定连接。

7.根据权利要求2所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述弹簧（46）中心设置有导向套（49）。

8.根据权利要求1所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：所述六方体机架（1）上下两侧设置有端板（5），所述端板（5）中心开设有供索体（6）穿过的通孔（7），上侧端板（5）上设置有检测机构（8），所述检测机构（8）位于通孔（7）外围，所述检测机构（8）包括有多个摄像头（81）和障碍传感器（82），下侧端板（5）上设置有测距编码器。

9.根据权利要求1所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：左右两半机架一端通过铰链（2）相铰接，另一端通过搭扣锁（3）相连接。

10.根据权利要求1所述的一种悬浮履带式爬索机器人，其特征在于：左右两半机架通过多个抱箍（9）相固定，所述抱箍（9）呈六边形，所述抱箍（9）包括左右两半箍体，左右两半箍体一端通过铰链（2）相连接，左右两半箍体另一端通过搭扣锁（3）相连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种悬浮履带式爬索机器人，主要用于悬索桥主缆、吊索以及斜拉桥拉索的PE护套表面状态(老化、损伤、螺旋线脱落等)自动检查的机器人，属于检测机器人技术领域。

背景技术

悬索桥和斜拉桥的缆(拉))索系统是全桥的“生命线”，其防腐效果关系到索体使用寿命，进而关系到桥梁上部结构的安全。目前桥梁索体几乎均采用高密度聚乙烯(HDPE，简称PE)护套作为防护层，由于大型桥梁位置大多处于江、海、大型水体或深山峡谷，暴露在风吹、雨淋、日晒的环境中，使得PE护套的服役条件严苛、复杂，老化、损伤在所难免。另外，悬索桥的吊索通过索夹与主缆连接，索夹在主缆表面形成较高的凸起；斜拉索为避免在恶劣天气中产生风雨共振，在表面附加制作了螺旋线或压花凹坑，这些必要的技术措施满足了桥梁设计和运行要求，但给后续索体检测提出了新的课题。

大型桥梁的安全服役是头等大事，检查养护是重要且必须的管理措施，JTG H11-2004《公路桥涵养护规范》中就规定了大型桥梁必须定期检查索体的要求。其中，索体表面状态检查，可及时发现PE护套鼓胀、损伤、老化等不良状况，及时采取对策，保护索体内钢丝、保证索体使用寿命，确保大桥使用安全。目前采用的索体PE护套检查方法主要是人工检查和机器人检查，人工检查受到桥梁通行、高空危险、效率低下等限制，近年来已很少采用，机器人检查因安全、方便、高效而较多采用，一些企业和研究机构进行了研究和应用，如上海交通大学(专利号99252056.8)、江苏法尔胜材料测试分析有限公司(专利号CN201010529828.8)研制的爬索机器人，初步解决了非人工索体检查的需要，但还存在结构复杂、笨重、电缆供电、效率低，或者是跨越障碍能力差、容易高空抛锚等现象，使得检查工作不能顺畅，往往需要另准备救援机器人以备高空卡壳后的事故处理。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种适用于高空环境的悬索桥悬吊索、斜拉桥拉索等索体外表面检查、结构简单、重量轻、有效负载大、越障能力强的悬浮履带式爬索机器人。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种悬浮履带式爬索机器人，它包括六方体机架，所述立方体机架由左右两半机架对接而成，每半机架均由三个面板固定连接而成，述六方体机架内侧设置有三套悬浮履带式抱紧机构，其中一套悬浮履带式抱紧机构设置于其中一半机架的中间面板上，另外两套悬浮履带式抱紧机构设置于另一半机架左右两边的面板上，三套悬浮履带式抱紧机构呈120°角度布置。

优选的，所述悬浮履带式抱紧机构包括左右两排限位支座，左右两排限位支座之间设置有同步轮机构，所述同步轮机构包括左右两块同步轮架，左右两块同步轮架前后两端分别设置有主动轮和被动轮，所述主动轮和被动轮之间设置有履带，所述同步带轮架外侧设置有限位杆，所述限位支座上沿竖直方向开设有限位槽，所述限位杆插装于限位槽内，所述同步轮机构外侧设置有前后两组弹簧，所述弹簧上端与同步轮架外侧面固定连接，所述弹簧下端与机架面板固定连接。

优选的，所述履带背面为与主动轮和被动轮相接触的同步带，所述履带正面沿长度方向为与索体相抱合的U型槽。

优选的，所述主动轮和被动轮之间设置有多个过渡轮。

优选的，所述同步轮机构的主动轮一侧设置有驱动机构，所述驱动机构包括驱动电机，所述驱动电机的输出端通过蜗轮蜗杆机构或伞齿轮机构与主动轮的主轴相连接。

优选的，所述同步轮架外侧设置有弹簧套，所述弹簧上端与弹簧套固定连接，所述机架面板上设置有弹簧垫板，所述弹簧下端与弹簧垫板固定连接。

优选的，所述弹簧中心设置有导向套。

优选的，所述六方体机架上下两侧设置有端板，所述端板中心开设有供索体穿过的通孔，上侧端板上设置有检测机构，所述检测机构位于通孔外围，所述检测机构包括有多个摄像头和障碍传感器，下侧端板上设置有测距编码器。

优选的，左右两半机架一端通过铰链相铰接，另一端通过搭扣锁相连接。

优选的，左右两半机架通过多个抱箍相固定，所述抱箍呈六边形，所述抱箍包括左右两半箍体，左右两半箍体一端通过铰链相连接，左右两半箍体另一端通过搭扣锁相连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1、本实用新型机架和同步轮架采用碳钎维板制作，履带轮和履带采用尼龙材料，机架上下端面采用有机玻璃制作，满足结构强度的同时，大大减轻机器自重(整机重量十多公斤)，有效负载大，为后续功能开发提供了条件；

2、本实用新型机架采用两半设计，用铰链和搭扣锁连接和固定，形成封闭、稳定六边体，不会有松脱掉落风；整体重量轻、两半设计使安装就位方便，一个人即可完成上索就位，大大方便爬索检测操作；

3、本实用新型悬浮履带式抱紧机构采用尼龙材质履带，与索体摩擦力大、不会打滑，也不会对索体表面PE层产生损伤，尼龙耐磨性好，使用寿命长，可满足连续检测需要；

4、本实用新型履带同步轮机构通过弹簧与机架连接，悬浮在机架前面，柔性好，变形能力强，采用三面均布方式，通过障碍物时，三套悬浮机构协调变形，轻松越过，越障可靠且能力强；

5、本实用新型采用蜗轮蜗杆或伞齿轮电机驱动模式，使电机和同步轮架平行，大大节约了机构内部空间，蜗轮蜗杆的自锁功能也避免了机器人在电机停止转动后向下滑动；采用的蜗轮蜗杆电机扭矩大、用电省，加上机器整体重量轻，经过电路调教后，电池一次充满电，可爬索超过5000m。

附图说明

图1为本实用新型一种悬浮履带式爬索机器人实施例1的结构示意图。

图2为图1中悬浮履带式抱紧机构的结构示意图。

图3为图2的侧视图。

图4为图3的俯视图。

图5为本实用新型一种悬浮履带式爬索机器人实施例2的结构示意图。

其中：

六方体机架 1

铰链 2

搭扣锁 3

悬浮履带式抱紧机构 4

限位支座 41

同步轮机构 42

同步轮架 421

主动轮 422

被动轮 423

履带 424

过渡轮 425

限位杆 43

限位槽 44

防脱螺母 45

弹簧 46

弹簧套 47

弹簧垫板 48

导向套 49

驱动机构 410

端板 5

索体 6

通孔 7

检测机构 8

摄像头 81

障碍传感器 82

抱箍 9。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

如图1～图4所示，本实施例中的一种悬浮履带式爬索机器人，它包括六方体机架1，所述六方体机架1的六个侧面尺寸大小一致，所述立方体机架1由左右两半机架对接而成，每半机架均由三个面板固定连接而成，左右两半机架一端通过铰链2相铰接，另一端通过搭扣锁3相连接，搭扣锁3打开左右两半机架可以打开，搭扣锁3扣上左右两半机架固定形成一个刚性的六方体机架1，所述六方体机架1内侧设置有三套悬浮履带式抱紧机构4，其中一套悬浮履带式抱紧机构4设置于其中一半机架的中间面板上，另外两套悬浮履带式抱紧机构4设置于另一半机架左右两边的面板上，三套悬浮履带式抱紧机构4呈120°角度布置；

所述悬浮履带式抱紧机构4包括左右两排限位支座41，左右两排限位支座41之间设置有同步轮机构42，所述同步轮机构42包括左右两块同步轮架421，左右两块同步轮架41前后两端分别设置有主动轮422和被动轮423，所述主动轮422和被动轮423之间设置有履带424，所述履带424背面为与主动轮422和被动轮423相接触的同步带，所述履带424正面沿长度方向为与索体相抱合的U型槽，所述同步带轮架421外侧设置有限位杆43，所述限位支座41上沿竖直方向开设有限位槽44，所述限位杆43插装于限位槽44内，所述限位杆43外端设置有防脱螺母45，所述同步轮机构42外侧设置有前后两组弹簧46，所述弹簧46上端与同步轮架421外侧面固定连接，所述弹簧46下端与机架面板固定连接；

所述主动轮422和被动轮423之间设置有多个过渡轮425；

所述同步轮架421外侧设置有弹簧套47，所述弹簧46上端与弹簧套47固定连接；

所述机架面板上设置有弹簧垫板48，所述弹簧46下端与弹簧垫板48固定连接；

所述弹簧46中心设置有导向套49；

所述同步轮机构42的主动轮422一侧设置有驱动机构410，所述驱动机构410包括驱动电机，所述驱动电机的输出端通过蜗轮蜗杆机构或伞齿轮机构与主动轮422的主轴相连接；

所述六方体机架1内侧或外侧设置有电池，电池通过导线与驱动电机491相连接；

所述六方体机架1上下两侧设置有端板5，所述端板5中心开设有供索体6穿过的通孔7，上侧端板5上设置有检测机构8，所述检测机构8位于通孔7外围，所述检测机构8包括有多个摄像头81和障碍传感器82，下侧端板5上设置有测距编码器，测距编码器计数轮朝向内侧，在机器人爬索时与索体接触；

所述六方体机架1和同步轮架421采用碳纤维板制成；所述主动轮422、被动轮423、过渡轮425和履带424均采用尼龙材料制成；所述端板5采用有机玻璃制成；满足结构强度的同时，大大减轻机器自重(整机重量十多公斤)，有效负载大，为后续功能开发提供了条件。

多个摄像头对称布置，机器人在索体表面就位后，根据显示器图像调整多个摄像头位置，使所摄图像清晰、覆盖整个索体360°表面，调整到位后开始启动检测；多个传感器对称布置在机架前端面，到达塔端时能感应并给出信号，机器人停止前进。测距编码器可以计数测量机器人爬升位置与两端起始位置的距离，方便测量检测中发现的缺陷位置。

使用时打开搭扣锁将机器人两半展开，使抱紧机构的履带紧贴索体表面，围着索体合上，扣上搭扣锁，调整机器人位置和4个摄像头位置，使显示器上四个图像能覆盖整个索体表面，检查编码器使计数轮与索体表面紧密接触。开启检测，调节机器人爬升速度，通过显示器观察索体表面状况，如发现有疑似缺陷，可调整机器人，下行后再缓慢爬升并停在缺陷处，确认缺陷状况，记录编码器距离数值，截图保存缺陷图片。继续爬升检测。机器人的SD存贮卡信息及时考录到电脑保存，以备后续验证检查。

实施例2：

参见图5，实施例2与实施例1的区别在于：左右两半机架通过多个抱箍9相固定，所述抱箍9呈六边形，所述抱箍9包括左右两半箍体，左右两半箍体一端通过铰链2相连接，左右两半箍体另一端通过搭扣锁3相连接。

除上述实施例外，本实用新型还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本实用新型权利要求的保护范围之内。

设计图

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