电磁吸附轮式索桥检测机器人的设计

电磁吸附轮式索桥检测机器人的设计

陈智 陈荣万 苏善烨 乔诗强 徐建荣

物理与机电工程学院 河池学院 广西河池 546300

摘要：目前国内外还没有针对斜拉索桥的索道维护问题，还没有完整的系统解决方案，往往现有爬壁机器人的攀爬能力、转向能力、检测能力、吸附能力等不足一胜任这一任务。本文设计了一种电磁吸附轮式机器人，拥有稳定的结构吸附装置，优越的攀爬越障、检测等性能。在设计上，通过对比现有的机器人自重过大、螺旋爬升检测卡死的问题，采用了对称式的结构框架，且相应的体积减少、自重轻、便于拆装等。能有效的解决当前斜拉桥梁索道维护等问题，大大减轻维护成本。

关键词：电磁吸附、索道检测、对称框架

1 引言

随着“一带一路”的发展，中国必将帮助沿途国家桥梁建设的发展，就单单我国目前的已建成各类的斜拉桥就有100多座，此类的斜拉桥跨度大、抗震性能优越、结构简单而被广泛应用。但是相应的桥梁的检测、维护危险性大幅度增大，但是国内目前并没有十分完整的桥梁钢缆的自动检测系统，大都是靠人工爬上去检测，维护。一种安全、高效、便捷的攀爬类机器人是目前机器人领域中研究的热点之一，主要目的是为了代替人类去完成各种危险、复杂的工作，从而降低人身财产安全。

2. 工作原理分析

电磁轮的装置最主要的是为了让机器人能吸附在钢缆上，其攀爬方式：电磁通过连接在电刷上的铁片，通电使其产生回路进而利用磁吸附的方式，使整个机器人的滑轮和钢缆之间产生一个磁性的吸附，在电机的作用下，通过减速器调整转速和电磁吸附中驱动机器人整体向上攀爬。整款机器人的主要功能是在一定速度下，能在圆形的杆还有钢缆等形状相似的物体上爬行，机器上所携带的检测钢缆是否有裂纹，腐蚀等，能将其检测结果实时回报到地面上的操作人员，另外能也进行简单的维护，防止过度的损坏钢缆绳索。

3 机械结构整体设计

电磁吸附轮式索桥机器人由主臂杆、行星轮、电磁刷、链轮等结构构成，主臂杆上安装的轴旋转是，齿轮传动的力带动行星轮转动，把力传动到轮子上，从而实现轮子的不同转向，这样就能适应各种环境下的作业条件和运动。在电磁轮上的安装有一对电刷，在电刷的连接器上有一队接线柱，对应着正负极的连接。在电刷的每个连接关节电磁铁上连有铁片，在两者相互连接导通时，形成回路，从而产生磁力吸附在钢缆上^。

3.2 传动机构

机器人的结构设计和装配，其中最为主要的是电机减速器，减速器是一种传达动力的机构，是利用了齿轮的速度转换器，从而将马达的回转速减速到所需要达到预期效果的回转速，并能得到较大的转矩的机构。在机器人在进行作业时，需要攀爬上索桥，减速器就降低速度同时提高输出扭矩，扭矩的输出比例按电机输出乘减速比，这样一来机器人就能在索桥上平稳攀爬。

4 控制系统设计

4.1 PID控制

控制系统是机器人的核心，就是控制机器人运动的系统驱动方式，通过对比验证，直流电机体积小，寿命长，成本相对的低廉，驱动简单，速度快等性能，符合整体设计的需求。直流电机广泛应用于工业建设中，直流电机的控制转速的算法很多，其中PID算法是最为常见的，其在工业建设中采用的也是最为多样化，能精准的控制电机的转速，在操作方面也是简单、稳定。具有优越的性能，能贴合本设计的要求。

在进行模拟分析量时，通过三维软件进行运动分析，进而在matlab软件上运算PID算法控制中的：

（1）

电机的转速在实际控制中，是由PID控制调节出的，给其输出的信号，从而控制电压，给定到偏差信号到运算公式中。对PID算法控制电机的电压输出量，是进行电机转速的转变，通过特定的频率脉冲，使得输出量和输入量所提供的电能，平均分配到同一个给定的信号上，这样更好的对比电机的额定转速和实际转速之比，能更快速的调节两者之间的差值，完成电机的调速^[3]。在实际环境中，为了提高系统的性能，反馈调节是一种相当不错的调节方式，能更精准的调控电机的转速，在反馈调节中，采用双闭环直流调速系统结构图如图1所示：

图1 双闭环直流调速系统结构图

直流电机需要的是反馈控制系统，可用PWM脉宽调制，对于系统在运转的过程中控制运动中的脉冲信号，进而实时监测使用性能。在电机驱动的电路下，系统将信号转化为转换成相应的输出电流。

其中，PID的控制规律为:

（2）

转换成传递函数形式：

（3）

式中， ------微分时间常数；T------积分时间常数； ------比例系数。

5 小结

本文通过了对攀爬类机器人的结构设计研究，提出了应用磁吸附的能力使得机器人能有效的吸附在钢缆上，整体的机械结构，采用了“抱箍”式的方法，能保证机构的加紧力，通过主动轮和行星轮的相互配合，保证机器人在钢缆上的动力传动能力的有效完整，从而实现机器人在钢缆上的爬行能力，相应的配合，电磁轮的设计，更是实现了吸附能力，同步运动，使得机械结构更为轻巧，运动的轨迹更为的精确。其主要机构的连接方式采用了铰链连接，这样能保证拆装的过程简单方便。

本项目由2019年校级大学生创新创业项目支持（NO. SJ2019024）

6 参考文献：

[1]童君华，行星轮式爬楼机器人小车的研究[J].机械电子工程，2009；12-16. [2]柳忠彬，周忆.斜拉桥拉索检测机器人的自适应研究[J].机械与电子，2009，12::48-51.

[3]蒋新松机器人学导论[M].辽宁:辽宁科学技术出版社，1994:12-18

[4]刘极峰机器人技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006;5-11

