[发明专利]高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作用力控制方法

说明书

本发明涉及一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作用力控制方法。根据喷砂除锈作业机理，喷砂枪会产生较大的射流反作用力对机器人结构的负载能力和轨迹跟踪控制两个方面产生不良影响。该机器人结构包括移动载具1和喷砂作业机构两个功能部分，喷砂作业机构包括升降机架2、升降机平台3、运动底座4、Stewart型六自由度并联机构5、钢砂输送软管6、直型刚性夹持杠杆7、喷砂枪8；该控制方法设计思路为采用建模方法将射流反作用力量化并结合自适应滑模方法进行前馈补偿，使得机器人具有较好轨迹跟踪性能。该方法结合本发明设计机器人结构实现驱动喷砂枪8进行横向或者纵向喷扫动作，从而达到高效清除钢箱梁表面锈渍的效果。

技术领域

本发明涉及大型工件喷砂清理技术领域，具体涉及高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作用力控制方法。

背景技术

钢铁等金属材料长期暴露在大气中必然会发生腐蚀，形成结构疏松的铁锈。目前我国因腐蚀及其影响造成的直接和间接经济损失总和约占国民经济总值的5％，腐蚀代价大于所有自然灾害损失的总和。钢铁腐蚀不仅造成大量的经济损失，而且会导致工程设备、关键结构以及基础设施损坏，进而引发灾难性事故。

钢箱梁又叫钢板箱形梁，是大跨径桥梁常用的结构形式。在大跨度缆索支承桥梁中，钢箱主梁的跨度达几百米及至上千米，一般分为若干梁段制造和安装，其横截面具有宽幅和扁平的外形特点，高宽比达到1：10左右，如附图1所示。作为大型桥梁的关键组成，钢箱梁的除锈防腐处理尤为重要。目前，除锈防腐可采用的处理方式主要有手工打磨、化学溶剂清理和喷砂。手工打磨可以打出毛面但速度太慢；化学溶剂清理则清理表面过于光滑，不利于涂层粘接。因此对于钢箱梁的除锈防腐处理，主要采用喷砂方式。喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需处理工件表面，使工件表面的外表或形状发生变化。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。喷砂处理是彻底、通用、迅速、高效的清理方法。喷砂处理可以在不同粗糙度之间任意选择，这是其它工艺无法实现的。桥梁钢箱梁体积庞大，常见长度达40米，宽度达16米，高度达3.5米，且表面附有很多不规则件，例如U形肋等，实现自动喷砂除锈作业具有较大难度。此外，由于钢箱梁体积庞大不易运输，其制造和防腐处理通常在离建桥不远的地方进行，所以钢箱梁的除锈防腐作业又具有一定的流动性，能实现大型钢构件自动喷砂除锈作业的设备需要随之搬迁，这就进一步加大了相关自动化设备研发的难度。当前，世界各地及我国机器人的研发及应用发展迅猛，但专门用于桥梁钢箱梁喷砂除锈作业的机器人还未问世，桥梁钢箱梁的喷砂除锈作业，基本采用人工手持操作移动喷出钢砂，不仅耗时而且劳动强度很大，喷砂过程中所产生的粉尘，对人体呼吸道影响很大，严重危害操作人员的身体健康，同时其喷砂效果取决于操作人员的素质、经验和操作水平，且工作效率较低。为此，本发明创新设计了一种高效纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人。

目前针对大型钢构件现有喷砂机器人主要有两种：天车式喷砂机器人和爬壁式喷砂机器人。爬壁式喷砂机器人具有体积小运动灵活的特点，适合于作业表面平坦的大型钢构件，多用于大型轮船船体表面的清理，面对钢箱梁这类具有各种复杂曲面的钢构件难以胜任喷砂任务。天车式喷砂机器人以芬兰博斯曼公司的喷砂机器人技术最为成熟，可以应对各种复杂的钢构件。由于钢箱梁体积巨大，不便于运输，需在桥梁施工地点就近进行喷砂表面处理，但天车式喷砂机器人需要搭建特殊厂房，且国外专利技术垄断，导致喷砂处理成本大幅上涨。因此如何解决在特定条件下大型复杂钢构件的自动喷砂清理问题，成为喷砂行业提高效率降低成本的关键。

文献《基于六维力_力矩传感器和关节力矩的仿人机器人步态补偿算法》(徐凯等，机器人，2006年)为实现仿人机器人的稳定性行走，根据足底六维力/力矩传感器信息提出了针对关节力矩的步态补偿算法，改善了仿人机器人在大负载扰动下的动态性能，并实验证明了该算法在离线实施过程中的有效性。