斜拉桥缆索检测机器人爬行机构中拉簧的设计

斜拉桥缆索检测机器人的检测对象是标高高、斜度大、有-定的挠度且爬行距离长的斜拉桥缆索。检测机器人不仅要在缆索表面上下爬行，有时也需要在缆索表面安全停留，因此强大的夹持能力是机器人可靠工作的重要保障。

斜拉桥缆索检测机器人的本体结构采用类似等边三角形结构，在三角形的边上对称设置了三个轮式爬行机构。每个爬行机构主要由上推杆、下推杆、上推杆拉簧、下推杆拉簧、主动轮、从动轮和连接支架等组成。斜拉桥缆索检测机器人三维实体模型如图 1所示，机器人爬行机构简图如图2所示。

上、下推杆拉簧提供强大的拉力，使缆索检测机器人的轮子紧紧依附于缆索表面而产生强大的夹持能力，在驱动系统的推力作用下实现机器人的上下爬行运动，在制动弹簧的配合下实现机器人可靠地停留重庆市科技攻关项 目(CSTC，2008AC6083)38图 1 斜拉桥缆索检测机器人三维实体模型在缆索的某-位置。

由此可见，上、下推杆拉簧成为了机器人完成检测任务的关键部件，对上、下推杆拉簧进行计算并验证其合理性就变得非常重要。

赵淑娟，等：斜拉桥缆索检测机器人爬行机构中拉簧的设计 2013年第 l期图2 斜拉桥缆索检测机器人爬行机构简图1 推杆拉簧的计算与验证根据设计要求，检测 机器人 在直径 为 gbl00～b200mm的斜拉桥缆索上做上下爬行。拉簧在实际工作过程中，载荷作用次数N<10 次，所以推杆拉簧是Ⅲ类负载。根据拉簧的实际工作环境，拉簧端部结构为半圆环钩，拉簧材料选用碳素弹簧钢丝 c级。根据机器人的整体尺寸设计和拉簧的使用情况，拉簧的外径 D≤35mm。分析时，各参数下标的第-位数字1”代表下推杆，2”代表上推杆。

根据推杆及拉簧 的工作特点，设缆 索直径为gbl00mm时的工作状态为状态 1，此时下推杆拉簧的工作载荷为最小 工作载荷 Pl；设 定缆 索直径 为gb200mm时的工作状态为状态 2，此时下推杆拉簧的工作载荷为最大工作载荷 P1.1 下推杆拉簧的设计在最小工作载荷 P ，时下推杆及其拉簧简图如图3所示，在最大工作载荷 P 时下推杆及其拉簧简图如图4所示♂合图 1和图 2所示可知， 为下推杆的长度， 。为下推杆拉簧的长度，∞为上、下推杆底部与拉簧之间连接支架的长度。0c 为工作状态 时缆索对主动轮的法向与下推杆之间的夹角， 为工作状态 时下推杆与拉簧之间的夹角，i1，2。

在图3和图4中，F 为缆索对主动轮的法向反作用力，大小等于机器人主动轮对缆索表面产生的法向压力，该压力为机器人停留在缆索表面提供相应的夹持能力。综合考虑检测机器人的受力情况和机器人的特殊结构，设定 F ，100N。根据机器人的本体设计结构，设定 LAc：140mm，LBc100mm， cD80mm；缆索 直 径 为 bl00mm 时 38。，缆 索 直 径 为b200mm时 l265。。

A图3 尸. 时下推杆及拉簧简图 图4 P 时下推杆及拉簧简图在图3中，下推杆拉簧形变后的长度为 L 。肋，JB i是此时下推杆与拉簧之间的夹角，根据三角函数关系和力矩平衡关系，可知：1LAcsin l1PllLBcsi ll，J c 1B口-2 口cLl18ocos#l1化简后可以求得：fl 。47.86。，L 肋121.88mm，Pl1117N。

是此时下推杆与拉簧之间的夹角，根据三角函数关系和力矩平衡关系，可知：F 1LAcsina12Pl2LBcsi l2，J c 2B口-2 BcLI2BDc0 !2化简后可以求得：fl。235.43。，L ：肋153.16mm，Pl2220N。

1.1.1 拉簧的原始设计条件由上述分析计算可知，最大工作载荷 P ：220N，最小工作载荷 P l17N，工作行程 h1L 肋- 1 肋31.28mm。

1.1.2 拉簧参数计算初算弹簧刚度 为：K (P - P1)/h1 (220 - 117)/31.283.29N/ram因为拉簧是Ⅲ类负载，因此，拉簧的工作极限载荷 P 应该大于等于拉簧的最大工作载荷 P 。，即P ≥P 。根据机械手册相关估算公式，可以得到估算极限载荷 Plimt为：P1li 1.25P121.25×220275N根据估算出的Plim t大小查机械手册，选取弹簧的有关参数：拉簧材料截面的直径d 3.0mm，拉簧中径D。

25mm，工作极限载荷P.i 292.2N，单圈弹簧极限载荷下的变形量6 5.739mm，单圈弹簧刚度 K 50.9N/min，弹簧初拉力P 。30.5N。由此计算下推杆拉簧。

1)拉簧有效圈数n.为：lK1d /K1 50.9/3.29 15.47392013年第 l期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)取 /Z 116。

2)弹簧刚度 K 为：K1K1d /nl50.9/163.18N/mm3)最小工作载荷下的变形量6 为：fI(Pil-P10)/KI(117-30.5)/3.1827.20ram4)最大工作载荷下的变形量6 为：612(P12-Plo)/Kl(220-3O.5)/3.1859.59ram5)工作极限载荷下的变形量81im为：6ll 0.88ldlim 10.8×5.739×1673.46mm1.1.3 验算实际极限变形量为：612P1o/K159.5930.5/3.18-69.18mm <61 dli实际极限载荷为：0.8Pll。 0.8×292.2-233.76N>P12综合以上设计过程可知，下推杆拉簧的设计在强度及尺寸上完全符合设计和使用要求。

1.2 上推杆拉簧的设计上推杆拉簧的设计分析方法与下推杆拉簧的设计方法类似，对照上推杆拉簧工作于最小工作载荷状态 1和最大工作载荷状态 2，即最小工作载荷 P：。和最大工作载荷 P：时的机构简图如图5和图6所示。

FD图5 P：，时上推杆及拉簧简图 图6 P 时上推杆及拉簧简图结合图1斜拉桥缆索检测机器人三维实体模型和图2斜拉桥缆索检测机器人爬行机构简图可知，L， 为上推杆的长度，Leo为上推杆拉簧的长度， cD为上、下推杆底部与拉簧之间连接支架的长度。Ot： 为工作状态 i时缆索对从动轮的法向与上推杆之间的夹角，为工作状态 i时上推杆与拉簧之间的夹角，i1，2，F ：为缆索对从动轮的法向反作用力，大小等于机器人从动轮对缆索表面产生的法向压力。

综合考虑检测机器人的受力情况和机器人的特殊结构设定：Fx，70N。根据机器人的本体设计结构设定：，J，c114ram，LEc78mm，LcD80mm；缆索直径为 bl00mm 时 O/： 30。，缆 索 直 径 为 b200mm40时 2280。。

通过运用本文第 1.1节相同的分析和计算方法可知，在图5中，J82160。，L2l肋81.76ram，P2158N。

1.2.1 拉簧的原始设计条件由 匕述分析计算有：最大工作载荷 P笠155N，最小工作载荷P2 58N，工作行程h： 肋- l肋34.57mm。

1.2.2 拉簧参数计算初算弹簧刚度 砭 为：K2 (P2 -P21)/h2：(155-58)/34.57：2.8lN/mm因为拉簧是Ⅲ类负载，因此拉簧的工作极限载荷P 。 ≥P ，根据机械手册相关估算公式得到估算极限载荷 P21im r为：P21i 。 1.25P221.25×155193.75N根据估算出的P i 的大小查机械手册，选取有关拉簧参数：拉簧材料截面的直径d 2.5mm，拉簧中径D220mm，工作极限载荷 P l 209.9N，单圈弹簧极限载荷下的变形量6： 4.378mm，单圈弹簧刚度 47.9N/ram，弹簧初拉力P：。19N。由此计算上推杆拉簧。

1)拉簧有效圈数n：为：2：K2d /K2 47.9/2.81 17.05取 n218。

2)弹簧刚度 为：K2dt/n247.9/182.66N/mm3)最小工作载荷下的变形量 为： (P21-P20)/K2(58-19)/2.6614.66mm4)最大工作载荷下的变形量 6 为：82(P2-P加)/ (155-19)/2.66 51.13mm5)工作极限载荷下的变形量 82jlim为：62l 0.882dim/'t20.8×4.378×1863.04mm1.2.3 验算实际极限变形量为：622P20/K251.1319/2.66 58.27mm P22综合以上设计过程可知，上推杆拉簧的设计在强度与尺寸上完全符合设计和使用要求。

2 检测机器人的测试试验根据对缆索检测机器人的分析和研究制作了试验样机，围绕安装简便性、运行稳定性等方面进行试赵淑娟，等：斜拉桥缆索检测机器人爬行机构中拉簧的设计 2013年第1期验，其试验样机如图7所示。

图7 缆索检测机器人试验样机试验在直径为lOOmm的缆索上进行 ，缆索初始倾斜角度为20。左右。安装时将缆索检测机器人的压紧螺杆预调，使滚轮直径大致与缆索直径相当，然后再安装到直径为 (blOOmm的缆索上，以保证滚轮和缆索表面紧密贴合，保证缆索检测机器人在缆索表面具有-定的夹持能力。

试验结果表明，机器人在自由状态下，因为受上、下推杆拉簧的作用，能够安全、可靠地停留在缆索表面。

在驱动电动机的驱动力作用下，机器人可以沿着缆索表面以6m/s左右的速度上下正常爬行，运动平稳。

3 结语缆索检测机器人在工作于不同直径的缆索过程中，都要通过拉簧使检测机器人在缆索表面上产生足够的夹持力 ，确保机器人能够高效、安全地完成检测任务。本文所设计的机器人爬行机构的上、下推杆拉簧，完全能够为机器人提供可靠的夹持性能。本文的研究为机器人整体性能的优化奠定了基矗