斜拉桥缆索检测机器人运动学及结构研究

论文摘要

缆索机器人是一种能够携带相关设备攀爬缆索并对其进行高空作业的爬行机器人。它的出现是近年来各学科技术发展、人类对生产方式不断探索和改进的必然产物。这种自动化装备不但可以完成斜拉桥缆索的检测、清洗、喷涂、彩装等任务,而且还可以应用在其它类似缆索结构的生产领域,经济效益十分可观。本论文以实现斜拉桥缆索的智能、快速检测为目标,通过分析研究,提出了一种新型、电驱动的斜拉桥缆索检测机器人的结构方案。该机器人在设计上采用对称框架式结构,体积小、重量轻,除了能实现斜拉桥缆索的高效检测功能外,经过改装,还可以完成其它的高空作业任务。机器人的主体部分近似一个等边三角形,由三个相同型号的电机驱动,通过对称均布于本体两侧的六个轮子实现机器人的运动。机器人驱动系统采用同步带传动,检测速度要求大约为1.5m/min左右,通过各驱动轮上的编码器实现系统的闭环运动控制。在提出总体结构方案的基础之上,本文还对机器人进行了运动学和运动同步分析,综合考虑机器人向上爬行和向下爬行的运动要求,推导出了机器人的驱动附着条件,从而对电机的选型计算和零部件的设计提供了必要的依据和参考。同时,本论文还运用了三维设计软件Pro/ENGINEENR建立了机器人的实体模型,并结合机器人的结构特点,运用该软件中的Mechanica模块对机器人的关键零部件进行了结构优化设计,使其结构达到了轻质优化的目的,大大降低了机器人机体质量。最后,在该软件的机构设计模块中对机器人进行了运动仿真分析,模拟机器人的运动过程,检验各元件之间的干涉情况和机器人的运行轨迹。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 缆索机器人在国内外的发展现状
• 1.2.1 国内缆索机器人的发展概况
• 1.2.2 国外缆索机器人的发展概况
• 1.3 缆索检测机器人的应用前景
• 1.4 缆索检测机器人研究面临的主要技术难点
• 1.5 论文研究的主要内容
• 2 总体结构方案与运动分析
• 2.1 机器人检测工作原理
• 2.2 机器人设计性能参数
• 2.2.1 设计目标
• 2.2.2 主要技术参数
• 2.3 机器人总体结构方案设计
• 2.3.1 方案设计流程
• 2.3.2 总体结构方案
• 2.4 机器人静态动力学分析
• 2.4.1 向上爬行动力学分析
• 2.4.2 向下爬行动力学分析
• 2.4.3 机器人驱动--附着条件
• 2.4.4 电机的选用
• 2.5 机器人运动同步性分析
• 2.5.1 影响因素
• 2.5.2 改进措施
• 2.6 本章小节
• 3 结构设计与实体建模
• 3.1 Pro/E 软件简介
• 3.2 Pro/E 实体建模方法
• 3.3 本体结构设计
• 3.4 爬行机构设计
• 3.5 驱动系统设计
• 3.5.1 驱动系统的组成
• 3.5.2 同步带传动机构的设计
• 3.6 拉簧的设计
• 3.6.1 下推杆拉簧的设计
• 3.6.2 上推杆拉簧的设计
• 3.7 安全保护系统设计
• 3.7.1 组成及作用
• 3.7.2 保护原理
• 3.8 基于Pro/E 虚拟装配
• 3.8.1 装配方式
• 3.8.2 装配模型
• 3.8.3 装配体的检查
• 3.9 本章小节
• 4 结构优化设计与运动仿真
• 4.1 PRO/MECHANICA 简介
• 4.2 PRO/MECHANICA的模式和分析流程
• 4.2.1 工作模式
• 4.2.2 分析流程
• 4.3 连接支架的优化设计
• 4.3.1 建立有限元模型
• 4.3.2 基本应力分析
• 4.3.3 灵敏度分析
• 4.3.4 优化设计分析
• 4.4 其它零件的优化设计
• 4.4.1 上推杆的优化设计
• 4.4.2 下推杆的优化设计
• 4.5 机器人机构设计与分析
• 4.5.1 机构设计简介
• 4.5.2 机构设计的基本流程
• 4.5.3 机构分析的类型
• 4.5.4 机器人运动仿真
• 4.6 本章小节
• 5 总结和展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录