斜拉橋纜索檢測機(jī)器人系統(tǒng)研究

秦雪濤+陳衛(wèi)東

摘 要：文章介紹了斜拉橋纜索檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成。斜拉橋纜索是斜拉橋至關(guān)重要的組成部分，其壽命決定了整個(gè)橋梁的使用壽命。因此迫切需要定期對斜拉橋的拉索進(jìn)行檢測和維護(hù)。而機(jī)器人檢測法是進(jìn)行斜拉橋檢測的眾多方法中最便捷、高效、經(jīng)濟(jì)的。文章介紹的斜拉索機(jī)器人由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部分、數(shù)據(jù)采集部分組成，將機(jī)械、電氣、傳感器融合在一起組成了一套全新的機(jī)電設(shè)備。該設(shè)備具有操作簡便、結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。從而為斜拉橋纜索檢測提供了一套完整可行的方法。

關(guān)鍵詞：斜拉橋纜索；機(jī)電一體；多傳感器融合

引言

斜拉橋由于其采用拉索來代替梁式橋的支墩，因此其成為了大跨度橋梁的主要橋型。斜拉橋主要由索塔、主梁、斜拉索組成。拉索作為斜拉橋的主要承重構(gòu)件，是斜拉橋的"生命線"，造價(jià)占整座橋梁的30%左右[1]。定期針對拉索進(jìn)行檢測及維護(hù)工作對延長其服役壽命具有重要的意義。

斜拉索是一種架設(shè)在高空的特殊桿狀構(gòu)件，內(nèi)部鋼絲束是拉索主要受力部分，鋼絲束外層沿拉索長度方向連續(xù)纏繞右旋的細(xì)鋼絲，或使用纖維增強(qiáng)聚氨酯帶替代細(xì)鋼絲纏繞，最外層使用黑色或彩色的高密度聚乙烯護(hù)套。索纜斷面結(jié)構(gòu)呈正六邊形或缺角六邊形緊密排列[2]。

注：1-高強(qiáng)度鋼絲繩；2-纏繞細(xì)鋼絲或纖維增強(qiáng)聚氨酯帶；3-聚乙烯保護(hù)套；4-最外層聚乙烯保護(hù)套

斜拉橋索纜長期處于露天服役狀態(tài)，經(jīng)歷風(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，導(dǎo)致保護(hù)套內(nèi)的鋼絲束產(chǎn)生腐蝕。另外，拉索的無規(guī)則振動(dòng)也會引起鋼絲磨損。上述情況都會減低索纜的使用壽命，從而在斜拉橋使用過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的隱患。國內(nèi)外已發(fā)生過多起斜拉橋斷纜或是因索纜嚴(yán)重腐蝕而導(dǎo)致斜拉橋整體換索的不幸事件[3]。例如委內(nèi)瑞拉的Maracibo橋，英國的Wye橋，中國的廣州海印橋，四川宜賓南門大橋，濟(jì)南黃河大橋等。因此，為減少斜拉橋拉索高昂的維護(hù)費(fèi)用同時(shí)延長索纜的使用壽命，對在役拉索進(jìn)行定期的檢測和維護(hù)顯得尤為重要。

世界第一座斜拉橋是1955年德國DEMAG公司在瑞典修建的主跨為182.6m的斯特倫松德（Stromsund）橋[4]。斜拉橋的發(fā)展至今也僅經(jīng)歷了62年，屬于新橋型，因此針對拉索的檢測措施還很不完善。目前索纜常規(guī)檢查方法包括以下三種：人工目測法、支架法、吊籃檢測和維護(hù)法。人工目測法是未借助其它機(jī)械外力，單單依靠目測設(shè)備進(jìn)行觀測、檢查。由于纜索表面一般布滿灰塵，此法不能把纜索表面所有部分檢查清楚，并且并非每一個(gè)位置都具備通視的條件。而支架法只適用于斜拉索較少的情況，這是因?yàn)樵摲椒ú僮餍实拖?，使用成本高且影響交通，操作人員工作環(huán)境極端惡劣，甚至?xí)霈F(xiàn)人員傷亡事故。至于吊籃檢測和維護(hù)法，在索塔塔頂設(shè)立定滑輪吊點(diǎn)，使用卷揚(yáng)機(jī)經(jīng)定滑輪將載有人和涂料的吊籃緩慢拉升至塔頂。操作人員在高空中對全部纜索實(shí)行檢查和維護(hù)工作。此方法可滿足斜拉索的日常維護(hù)檢查需求，并且可以維修表層的PE管，整體效果較好。然而檢查設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用高昂，僅適合大跨度斜拉索橋，同時(shí)該設(shè)備質(zhì)量大，會造成纜索護(hù)套的二次損傷[5]。

以上三種檢測方法各有局限，都不能便捷有效地對纜索實(shí)現(xiàn)定期檢測和保養(yǎng)。因此本課題組開發(fā)了一種可以沿著索纜自動(dòng)爬升的檢測機(jī)器人，通過機(jī)器人攜帶的攝像頭對拉索表觀病害進(jìn)行拍攝并將信號遠(yuǎn)程傳回地面，通過人工判斷拉索表皮的缺損狀況及損壞位置。該技術(shù)可以提高拉索檢測維護(hù)的效率和安全性，降低維護(hù)成本，具有良好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 爬升系統(tǒng)

注：1-纜索；2-機(jī)身圈；3-控制模塊；4-機(jī)身連桿；5-驅(qū)動(dòng)輪；6-步進(jìn)電機(jī)；7-從動(dòng)輪；8-壓緊彈簧

纜索檢測機(jī)器人機(jī)械部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)器人由兩個(gè)機(jī)身環(huán)以及聯(lián)接兩個(gè)機(jī)身環(huán)的四根連桿組成。機(jī)器人爬升動(dòng)力系統(tǒng)由四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以及兩個(gè)自適應(yīng)調(diào)整從動(dòng)輪組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸僅提供爬升所需的扭矩，爬升時(shí)所需的摩擦力由驅(qū)動(dòng)輪提供，驅(qū)動(dòng)輪所受到的徑向力由驅(qū)動(dòng)輪支架提供?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)六個(gè)分別均布在圓周上的導(dǎo)輪支架距離索纜的距離實(shí)現(xiàn)適應(yīng)各不同直徑的索纜。支撐從動(dòng)輪的彈簧可以實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的越障功能。該機(jī)器人的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于制造及使用。

2.2 控制系統(tǒng)

爬索機(jī)器人的電氣部分分成以下五個(gè)子系統(tǒng)：

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，無線通訊系統(tǒng)，圖像傳輸系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，以及地面圖像接收及控制系統(tǒng)，其框架示意圖如下：

地面控制系統(tǒng)是由圖像接受、運(yùn)動(dòng)控制軟件和無線通訊模塊組成，機(jī)器人通過地面控制實(shí)現(xiàn)上下爬行動(dòng)作，將特定位置處的病害信息通過圖像傳輸系統(tǒng)返回控制端電腦。通過控制端，操作人員可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)諸如：前進(jìn)、后退、停止、加速、減速、拍攝、視頻傳輸?shù)葎?dòng)作。上位機(jī)發(fā)送指令，該指令通過串口傳輸給無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b在纜索檢測機(jī)器人上的無線接受模塊，該模塊再通過串口將指令發(fā)給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對纜索檢測機(jī)器人的運(yùn)行控制。纜索檢測機(jī)器人控制流程圖如下：

纜索檢測機(jī)器人前端裝有四個(gè)攝像頭，可以覆蓋整個(gè)圓周范圍纜索表面病害情況。無線圖像傳輸模塊將錄制的視頻實(shí)時(shí)的傳輸?shù)降孛婵刂破脚_的電腦終端上，電腦終端上裝有視頻采集卡，將圖像通過顯示器顯示同時(shí)將視頻保存在本地。機(jī)器人通過記錄步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)以及編碼器行走過的脈沖數(shù)計(jì)算并校準(zhǔn)其行走的距離，實(shí)施反饋機(jī)器人在纜索上所處的位置，便于后期病害確切位置的確認(rèn)和整理。

電源系統(tǒng)提供給各子系統(tǒng)能量，因?yàn)槔|索檢測機(jī)器人有四個(gè)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)消耗的電量較大，爬升系統(tǒng)對重量要求比較苛刻，而鋰電池的重量跟該系統(tǒng)的功率成正比，因此要選擇一個(gè)合適容量的電池，既能滿足該系統(tǒng)的功率消耗，又能滿足該系統(tǒng)的工作時(shí)間。

2.2.1 主控模塊

控制系統(tǒng)包括信號轉(zhuǎn)化模塊、主控模塊和I/O量控制模塊，信號轉(zhuǎn)化模塊為M-7520，該模塊作用是將無線模塊的232信號轉(zhuǎn)化為主控模塊需要的485信號[6]。

主控模塊為M-7055，該模塊為步進(jìn)電機(jī)控制模塊，該模塊可以同時(shí)控制四路步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及剎車功能。纜索檢測機(jī)器人裝置有四個(gè)電機(jī)，該模塊可以滿足要求。

纜索檢測機(jī)器人在檢測到纜索有異常情況時(shí)，需要定位纜索異常位置，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，可以計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的位移，從而定位出纜索有異常情況的位置。同時(shí)通過安裝在機(jī)身上的編碼器對計(jì)算得的電機(jī)位移進(jìn)行校準(zhǔn)。從而得到準(zhǔn)確的位置信息。需要注意的是每次機(jī)器人爬升之前，要把該模塊的正轉(zhuǎn)脈沖和反轉(zhuǎn)脈沖清零。不能在啟動(dòng)時(shí)給予步進(jìn)電機(jī)很高的初始加速度，如果啟動(dòng)時(shí)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)很高的頻率，步進(jìn)電機(jī)將發(fā)生堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這點(diǎn)在應(yīng)用的過程中要特別注意，以免損壞步進(jìn)電機(jī)。

2.2.2 無線通訊系統(tǒng)

纜索檢測機(jī)器人是通過地面控制平臺進(jìn)行操作的，因此采用2.4G無線技術(shù)。2.4G無線技術(shù)，是其頻段處于2.405-2.485GHZ（科學(xué)，醫(yī)藥，農(nóng)業(yè)）之間，所以簡稱2.40G無線技術(shù)[7]。這個(gè)頻段是國際規(guī)定的免費(fèi)頻段，是不需要向國際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)用的。2.4G工作方式是全雙工模式傳輸，在抗干擾性，傳輸距離上比較有優(yōu)勢。

2.2.3 圖像系統(tǒng)

圖像系統(tǒng)由4個(gè)攝像頭和圖像傳輸模塊組成，在圖像無線傳輸?shù)耐瑫r(shí)，圖像數(shù)據(jù)保存在攝像頭內(nèi)部硬盤里。圖像傳輸模塊也是采用2.4G技術(shù)，在地面控制平臺上，筆記本裝有數(shù)據(jù)采集卡，可以將圖像顯示在筆記本上。

2.2.4 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)采用鋰電池供電的方式，鋰電池比傳統(tǒng)的鉛酸電有著重量輕、能量大等優(yōu)點(diǎn)，因此，雖然從價(jià)格上鋰電池比傳統(tǒng)的鉛酸電池要貴，但是現(xiàn)代儀表一般都采用鋰電池的供電方式。

2.2.5 爬升系統(tǒng)

爬升系統(tǒng)是由4個(gè)扭矩為5Nm的步進(jìn)減速電機(jī)構(gòu)成的，機(jī)器人靜止時(shí)，由剎車提供的扭矩來克服系統(tǒng)的重力，機(jī)器人運(yùn)行的時(shí)候，由電機(jī)產(chǎn)生向上的扭矩來克服重力。

2.2.6 地面控制平臺

地面控制平臺是由運(yùn)行在筆記本上的程序和無線收發(fā)模塊組成的。由于C#界面友好，執(zhí)行效率高，因此采用C#開發(fā)的程序作為控制界面，可以在界面上對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并可以實(shí)時(shí)讀取攝像頭的視頻畫面[8]。

3 索纜檢測機(jī)器人試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證機(jī)器人各組成部分的工作性能和穩(wěn)定性，以及纜索外觀病害的測試效果，爬索機(jī)器人完成試制后，在室內(nèi)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，分別對機(jī)器人的控制性能、負(fù)載能力、遠(yuǎn)程有效控制距離，圖像傳輸性能和回收機(jī)制進(jìn)行了測試和分析。

試驗(yàn)采用長6m、直徑160mm的PVC圓形管線對拉索進(jìn)行模擬，這個(gè)直徑也是目前上海越江大橋中最為典型的一種拉索直徑。通過調(diào)整PVC管的傾斜角度以模擬不同位置的拉索情況。由于PVC管表面要比實(shí)際拉索護(hù)套光滑，所以使纜索檢測機(jī)器人的爬行處于不利情況，其測試結(jié)果偏于保守。

3.2 爬行角度測試

由于現(xiàn)場拉索的角度隨著橋梁規(guī)模的不同差異很大，通常位于邊緣的索纜角度較為緩和，索纜越靠近主塔，其角度越大。如果是拱橋，其吊桿處于豎直狀態(tài)。不同傾斜角度對機(jī)器人的爬升性能有不同的要求，這就要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有足夠動(dòng)力和爬升能力可以適應(yīng)拉索不同角度的變化。

試驗(yàn)中將機(jī)器人在模型拉索上安裝完成后進(jìn)行上下爬升試驗(yàn)，主要測試機(jī)器人爬行姿態(tài)的可操控性和爬行穩(wěn)定性。根據(jù)不同傾斜角度，模型試驗(yàn)中共設(shè)計(jì)了0°、30°、45°、60°和90°等五個(gè)不同工況，對機(jī)器人的爬升性能進(jìn)行測試，如圖6所示。

實(shí)測結(jié)果顯示，根據(jù)索徑調(diào)整彈簧夾緊程度，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)不同傾斜角度的自由爬升，整個(gè)爬升過程中速度均勻，姿態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)打滑或者卡死狀態(tài)，能夠很好的滿足預(yù)定的爬升功能。

3.3 爬升速度測試

分別在拉索傾斜角為0°、45°和90°狀態(tài)，對機(jī)器人的爬行速度進(jìn)行測試，主要考察機(jī)器人在遠(yuǎn)程控制條件下速度的可操控性和穩(wěn)定性。實(shí)際測試顯示，在空載的情況下，機(jī)器人最快可以達(dá)到8m/min的爬行速度，在橋梁檢測中，如果對一根300m的纜索進(jìn)行測試，檢測機(jī)器人最快可以在40min內(nèi)完成一根纜索的測試，這個(gè)效率能夠完全滿足我們的測試要求。

3.4 負(fù)載能力測試

為了進(jìn)一步考察機(jī)器人的負(fù)載能力，選擇拉索處于90°的最不利狀態(tài)，通過砝碼逐級加載，對機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)和爬行狀態(tài)下的負(fù)載能力進(jìn)行測試（如下圖7所示）。在每一級加載完成后分別對機(jī)器人的靜止?fàn)顟B(tài)和爬行狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，逐級加載，直至機(jī)器人出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

測試結(jié)果顯示，在現(xiàn)有的模型拉索表觀特征的前提下，機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下的負(fù)載能力可以達(dá)到20kg；勻速爬升時(shí)，負(fù)載能力為10kg?？梢酝茰y，隨著拉索測試角度的變小，機(jī)器人的負(fù)載能力則進(jìn)一步提高。

3.5 遠(yuǎn)程有效控制距離測試

由于橋梁規(guī)模和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，拉索之間的長度差異很大，短的只有幾米，長的可以達(dá)到500m。為了確保機(jī)器人始終在有效的通訊范圍之內(nèi)，要求機(jī)器人的遠(yuǎn)程通訊范圍能夠覆蓋拉索的最大長度。

試驗(yàn)中通過移動(dòng)控制端和機(jī)器人的距離進(jìn)行遠(yuǎn)程有效控制距離測試。通過測試，在空曠的無障礙物條件下，500m之內(nèi)可以對機(jī)器人進(jìn)行有效的控制，這個(gè)距離可以滿足大部分拉索的遠(yuǎn)程測試要求。

3.6 圖像傳輸性能測試

由于索纜表觀缺陷只能通過攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂婆_進(jìn)行遠(yuǎn)程觀測和定位。圖像清晰度主要取決于攝像頭的配置，而數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性則取決于圖像的傳輸系統(tǒng)。實(shí)測效果顯示，機(jī)器人在爬行過程中返回的圖像信號清晰穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場測試的需求。

3.7 爬索機(jī)器人現(xiàn)場測試

測試結(jié)果顯示纜索檢測機(jī)器人可以根據(jù)索徑調(diào)整彈簧夾緊程度，實(shí)現(xiàn)不同傾斜角度的自由爬升（如圖9所示），能夠通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)病害的實(shí)時(shí)分析和定位，可以有效提高拉索表觀缺陷檢測的效率和安全性，降低維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)

[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(bào)，2008（6）.

[2]余朝陽.利用機(jī)器人檢查斜拉索初探[J].廣東公路交通，2009（4）.

[3]劉建民，徐寶富，梁衛(wèi)沖.斜拉橋拉索特種作業(yè)機(jī)器人[A]//中國工程機(jī)械學(xué)會.2003年年會論文集[C].2003.

[4]徐豐羽.斜拉橋拉索檢測機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2009.

[5]張家梁，呂恬生，羅均.大傾斜度纜索機(jī)器人的研制[J].高技術(shù)通訊，2001（1）.

[6]Pradip N.Sheth.The Use of Robotics for Nondestructive Inspection of Steel Highway Bridges and Structures[J].VTRC OS-CR8 Virginia Transportation Research Council，2005（1）：30.

[7]Cetinkaya U.Robotic System for NDE Inspection of Highway High-mast Light/Camera Poles[D].Deparhnent of Mechanical and Aerospace Engineering， University of Virginia Charlottesville，2000.

[8]Ali Baghani，Majid Nili Ahmadabadi，Ahad Harati. Kinematics Modeling of a Wheel-Based Pole Climbing Robot（UT-PCR）[J].Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation Barcelona Spain，2005（5）：2099-2104.