斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构及减振方法技术

本发明专利技术公开了一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构及减振方法，包括磁流变阻尼器和螺旋弹簧阻尼组件；磁流变阻尼器包括阻尼缸、活塞、活塞杆和励磁线圈；励磁线圈设在活塞中，活塞将阻尼缸分为左腔体和右腔体；活塞杆一端连接活塞，另一端从左腔体伸出，与上或下机架相铰接；右腔体通过吊耳与下或上机架相铰接；螺旋弹簧阻尼组件包括套筒、外螺旋弹簧、浮动活塞和内螺旋弹簧；套筒同轴罩设在左腔体外周，且与活塞杆滑动连接；外螺旋弹簧同轴套在阻尼缸外周，右端位置固定，左端与套筒连接；浮动活塞滑动设在右腔体中；内螺旋弹簧设在浮动活塞右侧的右腔体中。本发明专利技术能适用于各类斜拉索攀爬机器人的减振控制，提高机器人的攀爬稳定性。的攀爬稳定性。的攀爬稳定性。

【技术实现步骤摘要】
斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构及减振方法


[0001]本专利技术涉及斜拉桥缆索检测
，特别是一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构及减振方法。

技术介绍

[0002]随着我国交通建设的飞速发展，大跨度斜拉桥和悬索桥越来越多的出现在大江大河上。拉索作为桥梁的主要构件经风吹日晒，表面PE层出现不同程度的硬化和龟裂现象，内部钢丝束受到腐蚀，严重者甚至出现断丝、桥梁坍塌事故；另一方面，由于风振、雨振等原因，加大钢丝束磨损，严重者也会发生断丝现象。
[0003]然而，斜拉桥运维的关键—拉索无损检测技术，目前仍以人工检测为主，主要使用卷扬机经定滑轮拖动吊篮方式，或使用升降车搭载工人对拉索进行检测和维护。该方法不但效率低，成本高，检测人员安全难以保证，而且仅适用于小型斜拉桥，无法胜任大跨度、高振幅、强扰动、超长拉索检测工作。因此，应用安全、稳定、高效的机器人系统，解决桥梁拉索自动检测的行业需求，成为必然要求。现代大跨度斜拉桥通常建设在大型江河湖海之上，超长柔性拉索易受风载荷等扰动影响而产生不同形式的振动。在爬升过程中，攀爬机器人与拉索一起振动，因而存在着如下方面的不足，有待进行改进：
[0004]1、由于攀爬机器人与拉索之间主要靠滚动摩擦，实现爬升；攀爬机器人在随拉索振动的同时，攀爬机器人与拉索之间的滚动摩擦将发生变化，故而会出现打滑或卡死等现象，降低了爬升稳定性。
[0005]2、由于攀爬机器人上携带有精度较高的缆索检测设备，当攀爬机器人在随拉索振动的同时，若振动幅度大，会严重影响缆索检测设备的自身检测精度；尤其是当两者发生共振时，甚至会损坏缆索检测设备。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构及减振方法，该斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构及减振方法能适用于各类斜拉索攀爬机器人的减振控制，提高机器人的攀爬稳定性。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，包括磁流变阻尼器和螺旋弹簧阻尼组件。
[0009]斜拉桥攀爬机器人包括活动连接的上机架和下机架。
[0010]磁流变阻尼器包括阻尼缸、活塞、活塞杆和励磁线圈；励磁线圈绕设在活塞中，活塞间隙滑动式设置在阻尼缸中，并将阻尼缸的流体腔分为左腔体和右腔体；活塞杆的一端连接活塞，另一端从左腔体中伸出，并与上机架或下机架相铰接；右腔体通过吊耳与下机架或上机架相铰接。
[0011]螺旋弹簧阻尼组件包括套筒、外螺旋弹簧、浮动活塞和内螺旋弹簧。
[0012]套筒同轴罩设在阻尼缸的左腔体外周，且与活塞杆滑动连接。
[0013]外螺旋弹簧同轴套设在阻尼缸外周，右端位置固定，左端与套筒相连接或弹性接触配合。
[0014]浮动活塞滑动安装在阻尼缸的右腔体中。
[0015]内螺旋弹簧安装在浮动活塞右侧的阻尼缸右腔体中。
[0016]活塞的外圆周面上设置有环形凹槽，励磁线圈绕设在环形凹槽中。
[0017]活塞和活塞杆中均设置有引线孔，励磁线圈的引线从引线孔中穿出。
[0018]阻尼缸包括缸筒、以及密封安装在缸筒左右两侧的左端盖和右端盖；右端盖外径大于缸筒外径；外螺旋弹簧套设在套筒与右端盖之间的缸筒外周。
[0019]套筒的右侧外缘以及右端盖的左侧外缘均设置有弹簧挡。
[0020]右端盖的右侧中心设置有连接轴，连接轴的右侧与吊耳螺纹连接。
[0021]一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构的减振方法，当缆索发生振动时，安装在斜拉桥攀爬机器人中的弹簧磁流变耦合加载机构，通过模糊PID算法，调节自身的总阻尼值F进行耗能，使得弹簧磁流变耦合加载机构或斜拉桥攀爬机器人的实时振动加速度c(t)达到设定的目标振动加速度r(t)。
[0022]总阻尼值F的计算公式为：
[0023][0024]τ
y
＝τ
y
(v,I)＝A1e
‑
I
+A2ln(I+e)+A3I
[0025]式中，η为磁流变液的粘度；l为阻尼缸中活塞的长度；b为阻尼缸与活塞之间环形间隙的周长；h为阻尼缸与活塞之间环形间隙的高度；A
p
为活塞的有效横截面积；τ
y
为磁流变液的屈服应力；v为弹簧磁流变耦合加载机构的振动速度；I为励磁线圈中的激励电流；x为活塞运动位移，k为外螺旋弹簧的弹性系数；A1、A2和A3为方程仿真拟合系数。
[0026]总阻尼值F的调节方法具体为：当缆索发生振动时，活塞杆在励磁线圈产生的励磁磁场以及外螺旋弹簧的共同作用下，进行拉伸或压缩，产生总阻尼值F；总阻尼值F在使斜拉桥攀爬机器人夹紧拉索的同时，并对振动进行耗能；与此同时，浮动活塞和内螺旋弹簧则能补偿活塞杆拉伸或压缩时产生的体积差。
[0027]通过向缆索或斜拉桥攀爬机器人，施加外部的正弦激励信号，进而仿真模拟缆索的所受的外部振动荷载，同时，正弦激励信号的幅值和频率能够调节。
[0028]本专利技术具有如下有益效果：
[0029](1)本专利技术设计了一种弹簧
‑
磁流变耦合加载机构，并将其应用于攀爬机器人
‑
斜拉索耦合振动系统，所专利技术的耦合加载机构既能使机器人夹紧拉索，又能对拉索
‑
检测机器人发生的振动能起到双重减振的效果。
[0030](2)本专利技术揭示了螺旋弹簧与磁流变阻尼耦合机构变阻尼形成与振动抑制机理。结合磁流变机构可变阻尼的优势，设计刚柔可控的拉索攀爬机器人的加载机构，建立螺旋弹簧与磁流变阻尼耦合的加载机构动力学模型，分析变阻尼对机器人振动的抑制机理，确保拉索振动时机器人仍可稳定爬升。
[0031](3)本专利技术提出基于模糊PID控制算法的拉索攀爬机器人自适应控制方法。通过对
风载、振动和车辆等不确定扰动进行分析，提出基于模糊PID的机器人自适应控制方法，很好地解决了磁流变阻尼器系统非线性、回滞性和饱和性问题，能对耦合加载机构中的迟滞、时滞进行实时补偿；进而预测机器人
‑
斜拉索的振动状态，对多个加载机构进行协调控制，保证大振幅/高柔性拉索振动条件下机器人
‑
斜拉索系统的稳定性和刚柔可控性，是专利技术的又一特色与创新。
附图说明
[0032]图1显示了本专利技术的弹簧磁流变耦合加载机构在斜拉桥攀爬机器人中的应用实例图。
[0033]图2显示了本专利技术一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构的结构示意图。
[0034]图3显示了磁流变液在平板中的流动示意图。
[0035]图4显示了磁流变液在平板中的流速分布图。
[0036]图5显示了本专利技术中模糊PID算法的原理图。
[0037]图6显示了本专利技术中的SIMULINK仿真模型图。
[0038]图7显示了A＝10m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，其特征在于：包括磁流变阻尼器和螺旋弹簧阻尼组件；斜拉桥攀爬机器人包括活动连接的上机架和下机架；磁流变阻尼器包括阻尼缸、活塞、活塞杆和励磁线圈；励磁线圈绕设在活塞中，活塞间隙滑动式设置在阻尼缸中，并将阻尼缸的流体腔分为左腔体和右腔体；活塞杆的一端连接活塞，另一端从左腔体中伸出，并与上机架或下机架相铰接；右腔体通过吊耳与下机架或上机架相铰接；螺旋弹簧阻尼组件包括套筒、外螺旋弹簧、浮动活塞和内螺旋弹簧；套筒同轴罩设在阻尼缸的左腔体外周，且与活塞杆滑动连接；外螺旋弹簧同轴套设在阻尼缸外周，右端位置固定，左端与套筒相连接或弹性接触配合；浮动活塞滑动安装在阻尼缸的右腔体中；内螺旋弹簧安装在浮动活塞右侧的阻尼缸右腔体中。2.根据权利要求1所述的斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，其特征在于：活塞的外圆周面上设置有环形凹槽，励磁线圈绕设在环形凹槽中。3.根据权利要求2所述的斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，其特征在于：活塞和活塞杆中均设置有引线孔，励磁线圈的引线从引线孔中穿出。4.根据权利要求1所述的斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，其特征在于：阻尼缸包括缸筒、以及密封安装在缸筒左右两侧的左端盖和右端盖；右端盖外径大于缸筒外径；外螺旋弹簧套设在套筒与右端盖之间的缸筒外周。5.根据权利要求4所述的斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，其特征在于：套筒的右侧外缘以及右端盖的左侧外缘均设置有弹簧挡。6.根据权利要求4所述的斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构，其特征在于：右端盖的右侧中心设置有连接轴，连接轴的右侧与吊耳螺纹连接。7.一种斜拉桥攀爬机器人用弹簧磁流变耦合加载机构的减振方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：石微，常天水，林金星，徐丰羽，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：