四驱式爬缆机器人的结构设计与分析

摘要

随着我国桥梁技术的高速发展，斜拉桥的建造数目和规模也出现了很大的增长。缆索是斜拉桥上的主要承重构件，它的可靠性直接影响了桥梁的安全性。为了确保缆索的安全使用，需要定时对缆索的安全性能进行检测。人工检测不仅效率低下，而且难以保障人员安全。人工检测已不再实用，使用工业机器人代替人工检测缆索成为必然趋势。针对现有爬缆机器人存在的抱缆力抱缆直径不可调和越障能力差等问题，设计开发出一种新型的电驱动式爬缆机器人。该机器人在爬缆过程中能够接受地面指令调节抱缆直径和压力，有很好的越障能力，能够解决卡死问题。
　　本文对新型爬缆机器人的结构设计以及分析做了详细的介绍。爬缆机器人的结构分为外部框架和内部抱缆爬行机构，外部框架为立方体结构，四个侧面搭载控制抱缆机构运动的传动零件。内部抱缆爬行机构由四边滑架及小车组成，机器人大部分机构使用铝型材及其配件连接组成，有利于机器人的快速制造。对新型爬缆机器人的动力学分析，得出了机器人的驱动力和夹紧力条件。根据设计目标及动力学分析，计算并选型出了机器人中的重要零件，包括电机、丝杠和压紧弹簧。分析了机器人的越障条件，得到了影响越障的主要因素，据此优化了压紧弹簧的参数，并提出了用氮气弹簧代替钢丝弹簧来增加爬缆机器人的越障性能，通过对比证明了使用氮气弹簧后机器人的越障性能得到了改善。
　　使用有限元分析软件ANSYS Workbench对爬缆机器人结构进行了静态和动态分析。主要对机器人心轴与框架部分做了结构静力学分析，证明零件强度符合要求;对机器人装配体进行了模态分析得到了机器人整体的固有频率和振型，通过分析结果对装配体的部分零件进行了改进，提高了机器人的整体刚度;分析了机器人在爬缆过程中受到简谐力激励和简谐位移激励时的谐响应。对爬缆机器人静态和动态分析保证了机器人工作过程中结构稳定，性能正常。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 缆索检测的传统方式

1．3 爬缆机器人国内外研究现状

1．3．1 国内爬缆机器人的发展概况

1．3．2 国外爬缆机器人的发展概况

1．4 爬缆机器人研究面I临的技术难点

1．5 论文的研究内容和目标

第2章 总体设计方案与运动分析

2．1 爬缆机器人的工作原理

2．2 爬升机器人运动方式的比较分析

2．3 机器人结构方案设计

2．3．1 设计目标

2．3．2 总体结构方案

2．4 机器人静态动力学分析

2．4．1 机器人静止受力分析

2．4．2 机器人爬升受力分析

2．4．3 驱动电机的选择

2．5 爬缆机器人快速制造性

2．6 本章小结

第3章 结构设计和越障性能优化

3．1 机器人的本体设计

3．2 机器人的夹紧机构设计

3．2．1 滚珠丝杠的设计

3．2．2 夹紧电机计算

3．3 机器人的爬行机构设计

3．3．1 压缩弹簧设计

3．3．2 拉伸弹簧设计

3．4 爬缆机器人越障性能优化

3．4．1 越障能力分析

3．4．2 建立数学模型

3．5 氮气弹簧优化方案

3．5．1 氮气弹簧的特点

3．5．2 设计计算

3．6 本章小结

第4章 机器人静态与动态分析

4．1 ANSYS Wbrkbench概述

4．2 框架静强度分析

4．3 弹簧轴静强度分析

4．3．1 受力分析

4．3．2 刚度分析

4．4 模态分析

4．4．1 模态分析理论

4．4．2 有限元建模的建立

4．4．3 模态计算

4．4．4 优化及结果分析

4．5 谐响应分析

4．5．1 机器人在简谐力激励下的响应

4．5．2 机器人在简谐位移激励下的响应

4．6 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文