一種采用自夾緊模糊控制的纜索檢測機(jī)器人設(shè)計

秦理，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州510006)

改革開放以來，斜拉索橋作為現(xiàn)代橋梁的新形式，在中國得到了廣泛的應(yīng)用，纜索作為斜拉橋的主要構(gòu)件之一，造價占整座橋梁的25%～30%。20世紀(jì)80年代之后興建起大批的斜拉橋，目前正在逐步進(jìn)入老化期，由于拉索長期處于露天服役狀態(tài)，經(jīng)20來年風(fēng)吹雨淋日曬，其聚乙烯護(hù)套會產(chǎn)生不同程度的硬化和開裂現(xiàn)象，從而使護(hù)套內(nèi)的鋼絲束發(fā)生腐蝕;另外，隨機(jī)振動也會引起鋼絲的磨損，這些都會嚴(yán)重影響拉索的使用壽命，給斜拉橋的正常使用埋下嚴(yán)重的隱患。

目前的纜索檢測機(jī)器以電驅(qū)動式和氣動蠕動式兩種機(jī)器人為典型［1］，爬行時需要施加一個夾緊力在滾動輪與纜索之間，夾緊力保證輪與纜索之間產(chǎn)生一個足夠大的摩擦力，來克服自身重力、風(fēng)力，保證爬升過程中不發(fā)生墜落或打滑。然而纜索的表面通常都涂有防止聚乙烯護(hù)套老化的防護(hù)漆，夾緊過度將會損壞防護(hù)漆并且使纜索產(chǎn)生變形，對纜索造成二次傷害［2］。斜拉橋纜索機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵問題是:如何在輪與纜索之間施加一個大小合適的夾緊力，夾緊力過大會造成拉索損傷;夾緊力不夠，機(jī)器人由于摩擦力不足很難運動，在斜纜索上容易晃動，當(dāng)檢測機(jī)器人沿較大傾斜度的纜索爬升時，必須在纜索表面施加較大的夾緊力，以保證與纜索之間產(chǎn)生的摩擦力足以克服自重、負(fù)載及風(fēng)力等而不下落或打滑。目前可查的幾款機(jī)器人都是采用彈簧施壓的方式產(chǎn)生夾緊力，該夾緊力均按機(jī)器人垂直狀態(tài)的最大力進(jìn)行設(shè)計，不能根據(jù)所攀爬的纜索狀態(tài)自動進(jìn)行調(diào)整，這顯然對于減少機(jī)器人爬行的二次損壞和合理選用電機(jī)功率將產(chǎn)生重大影響［3］，同時結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，質(zhì)量太大，從而給機(jī)器人的驅(qū)動、控制、安全保護(hù)帶來一系列的問題。

針對以上不足，作者在改進(jìn)現(xiàn)有纜索機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計之上，設(shè)計了一種帶自夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的纜索機(jī)器人，能根據(jù)纜索狀態(tài)進(jìn)行夾緊力的自適應(yīng)模糊控制。根據(jù)打滑檢測器對爬行狀態(tài)進(jìn)行判斷，氣動夾緊裝置的夾緊壁視需求以最適宜的夾緊力對纜索進(jìn)行夾持，可實現(xiàn)只用一個檢測機(jī)器人就能檢測同一座斜拉橋上所有直徑的纜索。自夾緊功能的實現(xiàn)對于纜索機(jī)器人的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和保護(hù)纜索免受檢測二次傷害，將具有積極的意義［4］。

1 自夾緊纜索機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計

針對一款電驅(qū)動式纜索機(jī)器人進(jìn)行自夾緊設(shè)計，機(jī)器人由主從動輪、驅(qū)動電機(jī)、傳動系統(tǒng)、氣動夾緊裝置、輔助夾緊彈簧和連接件組成。驅(qū)動輪選擇有較大摩擦因數(shù)的橡膠材料做成，能與整個纜索圓周表面飽滿接觸。整個機(jī)器人結(jié)構(gòu)較緊湊、具有較高的機(jī)動能力，機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

夾緊機(jī)構(gòu)包括輔助夾緊和模糊控制夾緊:輔助夾緊裝置的作用是將機(jī)器人安裝到纜索上后，提供一個壓緊力，使機(jī)器人附著于纜索表面，處于臨界平衡狀態(tài);輔助夾緊裝置中，由50CrVA彈簧鋼制作成壓縮彈簧，彈簧上端裝有預(yù)緊螺母，可以調(diào)整彈簧提供給橡膠輪的預(yù)壓力大小，同時夾緊彈簧上還裝有限位剛性部件，限制纜索的最大檢測直徑。模糊控制夾緊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動裝置，在模糊控制器下達(dá)指令后，氣壓泵驅(qū)動壓桿向下運動，壓桿可以在氣缸內(nèi)自動伸縮，夾緊觸頭實現(xiàn)對橡膠輪依照給定力進(jìn)行夾持。

機(jī)器人安裝到斜纜索上后，主輔夾緊機(jī)構(gòu)共同施加夾緊力，將上下滾輪緊壓于斜拉橋纜索上。夾緊力合力的大小決定了整套裝置的驅(qū)動能力，在足夠的摩擦力作用下，機(jī)器人緊緊貼合在纜索上，在驅(qū)動電機(jī)的帶動下上行與下行［5］。

2 纜索檢測機(jī)器人自適應(yīng)模型的建立

將機(jī)器人安裝到纜索上后，必須把輔助夾緊彈簧調(diào)整到合適位置，使機(jī)器人處于臨界平衡狀態(tài)，此時纜索機(jī)器人的自重全部落在纜索上方的輪子上，如圖2所示。作者對其進(jìn)行受力分析，機(jī)器人受斜面法線方向的力N是重力G的法向分量和預(yù)夾緊力FN之和即:N=FN+G·cosα，α為纜索的傾斜角 (0～ 90°)。沿切線方向向上的摩擦力F與重力G的切向分量彼此平衡，有G·sinα=μN(yùn)=F，μ為滾輪和纜索表面的摩擦因數(shù)。此時

圖2 機(jī)器人輔助夾緊力分析

在機(jī)器人正常運動時，輔助夾緊和模糊控制夾緊裝置共同起作用，假設(shè)纜索機(jī)器人處在勻速運動狀態(tài)，對其進(jìn)行受力分析。為使分析簡單明了，不考慮各構(gòu)件質(zhì)量及彈性變形，將機(jī)器人各構(gòu)成部分按功能與布局進(jìn)行簡化，形成圖3所示簡化模型［6］。其中G1，G2，G3，G4，Ge，Gf為簡化后各部分質(zhì)點;N1，N2，N3，N4為纜索各個輪的彈力;f1、f2、f3、f4為纜索表面對各個滾輪的摩擦力［7］。

圖3 機(jī)器人簡化模型

根據(jù)靜力學(xué)平衡方程，有:

如圖3所示，以主動輪和纜索的接觸點A為支點，用質(zhì)點分析法建立力矩平衡方程，且設(shè)d為纜索直徑;μ為滾輪與纜索表面摩擦因數(shù);L為圖中質(zhì)點e、f到纜索表面距離。由動力矩和阻力矩平衡，有下式:

由于N1＜＜N2，故

由于機(jī)器人上下結(jié)構(gòu)具有對稱性，以接觸點B為支點，得出N4亦同。

對式 (2)進(jìn)行分析，由于同一根纜索傾斜角α、纜索半徑d是常量，且機(jī)器人的輪半徑r、質(zhì)點f到纜索的距離L都恒定，唯一不定因素是動摩擦因數(shù)μ。機(jī)器人在檢測作業(yè)時必須經(jīng)過纜索表面的導(dǎo)流線和一些產(chǎn)生銹蝕的凹凸槽，動摩擦因數(shù)μ是一個變化值。因為不能直接測量μ，作者采用DH-III型打滑檢測器。打滑檢測器附帶一個觸輪隨同機(jī)器人在纜索上同步滾動，觸輪帶動檢測器內(nèi)傳動軸，軸連接的輪片切割光電信號，傳感頭再把所檢測的光電信號變成脈沖信號，送入89C51單片機(jī)在單位時間內(nèi)計數(shù)，然后同電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號相比較，做出大于、等于或小于的判斷。如果觸輪測得的脈沖信號與編碼器反饋的脈沖信號不同步并低于反饋脈沖時，說明機(jī)器人滾輪打滑，此時模糊控制器發(fā)出指令，氣動夾緊裝置工作，增大夾緊力。

3 自夾緊模糊控制模型

(1)輸入輸出量的確定

從精度和速度兩方面考慮，采用觸輪脈沖信號與編碼器脈沖信號的偏差和偏差變化率兩個變量作為輸入。

兩輸入單輸出模糊控制器基本原理如圖4所示，通過比較電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號和打滑檢測器檢測的脈沖信號，將其差值R和差值的變化率ΔR送入模糊控制器進(jìn)行模糊運算，再經(jīng)過解模糊得出所需壓緊力值，向纜索檢測機(jī)器人氣動夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動作指令。

圖4 二輸入單輸出模糊控制原理圖

根據(jù)纜索檢測機(jī)器人自適應(yīng)模型的特點，模糊控制器采用兩輸入單輸出的控制方式，即讀取R、ΔR兩個變量數(shù)據(jù)作為模糊控制器的輸入量。

(2)模糊化

取5個模糊子集來描述R、ΔR兩個變量，取5個模糊子集為:NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，ZE (零)，PS(正小)，PB(正大)。并把它們的論域化為7個等級 (-3，-2，-1，0，1，2，3)，模糊子集的隸屬函數(shù)選為三角形，模糊集合的隸屬函數(shù)分布在論域 (-3，-2，-1，0，1，2，3)上。

圖5 輸入變量R、ΔR隸屬函數(shù)

在兩輸入單輸出控制方式中，采用的控制規(guī)則是“if A and B then C”，因此模糊關(guān)系矩陣Q可表示為

其中:A為電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號和打滑檢測器檢測的脈沖差值R;

B為電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號和打滑檢測器檢測的脈沖差值的變化率ΔR。

那么任一狀態(tài)下的氣動夾緊裝置壓緊力模糊值可表示為

式中:C為所需的氣動夾緊裝置壓緊力值。

根據(jù)實際情況，可以先得出模糊關(guān)系矩陣Q，見表，再由式 (4)算出某一狀態(tài)下的氣動夾緊裝置壓緊力模糊值C，最后根據(jù)C值確定氣動夾緊裝置的工作狀態(tài)S。

表1 氣動夾緊裝置壓緊力模糊規(guī)則表

(3)氣動夾緊裝置工作狀態(tài)的確定

在實際爬桿機(jī)器人系統(tǒng)中，氣動夾緊裝置采用的是活塞式結(jié)構(gòu)，可以提供較大的推力。按照實際夾緊的需要可將輸出推力分為很高、高、中高、中、中低、低擋。

根據(jù)實驗可確定:當(dāng)脈沖偏差為0≤C≤0.15，時，用低壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.15≤C≤0.3時，用中低壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.3≤C≤0.45，用中壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.45≤C≤0.6，用中高壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.6≤C≤0.75，用高壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.75≤C≤1用很高壓力擋。

由此可得到氣動夾緊裝置的工作狀態(tài)，如表2所示。

表2 氣動夾緊裝置的工作狀態(tài)

4 實地測試

對纜索檢測機(jī)器人在不同傾角條件下進(jìn)行測試，在試驗架傾角為30°～90°時，氣動夾緊裝置輸出的夾緊力隨傾斜角度不同變化，機(jī)器人在實驗過程中爬行穩(wěn)定，符合模糊控制模型的預(yù)期結(jié)果，如圖6所示。

在進(jìn)行多次的地面試驗之后，在惠州合生大橋上實地測試該樣機(jī)。在帶有導(dǎo)流槽的纜索上反復(fù)進(jìn)行長距離爬升試驗，共測試12根不同直徑、傾斜角的纜索，結(jié)果證實:帶自適應(yīng)夾緊裝置的檢測機(jī)器人爬升平穩(wěn)，在纜索上基本沒有發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，經(jīng)多次往返運動沒有對纜索表面的聚乙烯護(hù)套造成損傷，如圖7所示。

圖7 纜索機(jī)器人實地測試

5 小結(jié)

斜拉橋拉索機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵問題是使機(jī)器人獲得對纜索的夾緊力，夾緊力過大會造成對拉索的二次損傷;夾緊力不夠，機(jī)器人不能實現(xiàn)爬行。人為施加夾緊力一般都是按照檢測機(jī)器人在垂直狀態(tài)爬行的最大力施加，不能適應(yīng)拉索不同傾角和繞度的變化，過大的夾緊力容易給纜索造成二次傷害，同時也給機(jī)器人的驅(qū)動、控制、安全保護(hù)帶來一系列的問題。這也是雖然國內(nèi)外針對拉索檢測機(jī)器人開展的研究不少，但實用商品化的產(chǎn)品不多的一個重要原因［8］。

作者在對纜索檢測機(jī)器人進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出一種斜纜索檢測機(jī)器人自夾緊模糊控制方案，可根據(jù)纜索機(jī)器人自身重力與纜索狀態(tài)進(jìn)行模糊控制，根據(jù)不同的纜索直徑，調(diào)節(jié)夾緊彈簧的伸縮對纜索進(jìn)行夾持，提供合適的夾緊力，可實現(xiàn)只用一個檢測機(jī)器人就能檢測同一座斜拉橋上所有不同直徑的纜索。

【1】袁建明，武新軍，康宜華，等.可重構(gòu)斜拉索磁性無損檢測機(jī)器人技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2008，32(3):442-445.

【2】王亞斌，周憶.一種輕型斜拉橋纜索檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與動力學(xué)分析［J］.機(jī)械與電子，2008(1):48-50.

【3】鄭李明，王興松.斜拉橋拉索檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子機(jī)械工程，2008，24(6):57-60.

【4】柳忠彬，周憶.斜拉橋拉索檢測機(jī)器人的自適應(yīng)研究［J］.機(jī)械與電子，2009(12):48-51.

【5】羅均.纜索維護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)的研制［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2000，34(3):360-362.

【6】張家梁.氣動蠕動式纜索維護(hù)機(jī)器人的研制［J］.機(jī)器人，2002，22(9):397-401.

【7】OH J K，LEE A Y，OH S M，et al.Design and Control of Bridge Inspection Robot System［C］//IEEE Int Conf on Mechatronics and Automation，2007:3634-3639.

【8】XU F，WANG X.Design and Experiments on a New Wheelbased Cable Climbing Robot［C］//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，2008:418-423.