適應(yīng)寬范圍拉索直徑的拉索機(jī)器人研制

付雪奇, 胡小立, 陳華平, 趙 敏,丁 寧

(1.香港中文大學(xué)(深圳)機(jī)器人與智能制造研究院，廣東 深圳 518000)(2.深圳市人工智能與機(jī)器人研究院，廣東 深圳 518000)

斜拉橋作為近幾十年才興起的一種新型橋梁，因其具有良好的抗震性能和較低的建造成本，在世界上被廣泛應(yīng)用。目前我國斜拉橋總跨徑居世界前列，需要進(jìn)行維修的橋梁數(shù)量逐漸增多，橋梁養(yǎng)護(hù)問題凸顯[1-2]。拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，一般由PE保護(hù)層、包覆層、內(nèi)部鋼絲束組成[3]。拉索長(zhǎng)期暴露在空氣中，拉索表面PE層易因老化和外力作用而出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，使內(nèi)部鋼絲束腐蝕，甚至出現(xiàn)斷絲。同時(shí)，由于風(fēng)振、雨振及車輛在橋上行駛產(chǎn)生的振動(dòng)等因素，拉索內(nèi)部鋼絲束之間相互摩擦，產(chǎn)生磨損，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成鋼絲束斷絲[4]。

與斜拉索維護(hù)配套的相關(guān)措施還不完善，現(xiàn)階段主要是依靠人工完成，大多是采用吊籃或升降裝置搭載工作人員和設(shè)備對(duì)拉索進(jìn)行檢修。檢修人員在戶外高空作業(yè)，環(huán)境惡劣，存在安全隱患。同時(shí)每進(jìn)行一根拉索維護(hù)都得預(yù)固定錨固裝置，工作量大，效率低，幾百千克重的設(shè)備在拉索上移動(dòng)極易造成拉索二次損傷。為此，許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。韓國成均館大學(xué)的Kim等[5]設(shè)計(jì)了六輪拉索檢測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人可以根據(jù)拉索表面情況調(diào)節(jié)機(jī)器人對(duì)拉索的抱緊力，但能耗較大；德黑蘭大學(xué)的Mahdavi等[6-7]研制了一種路燈清洗機(jī)器人，跟橋梁拉索機(jī)器人類似，該機(jī)器人可以調(diào)節(jié)連桿角度以適應(yīng)在不同直徑的拉索上爬升。美國IPC公司是少有的幾個(gè)可以使用拉索機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的公司之一，該公司的機(jī)器人有4個(gè)攝像頭，可以360°視角檢測(cè)拉索表面是否存在損傷[8]。我國對(duì)拉索維護(hù)機(jī)器人的研究晚于國外，上海交通大學(xué)先后研制了三代拉索維護(hù)機(jī)器人,其自重均達(dá)上百千克[9-13]；在“863”計(jì)劃資助下，東南大學(xué)研制了螺旋爬升拉索機(jī)器人，提出了以行走輪半徑的單位越障能力h/r作為評(píng)價(jià)機(jī)器人越障性能的指標(biāo)[4]；重慶大學(xué)開發(fā)了一款可用彈簧調(diào)節(jié)壓緊力大小的拉索機(jī)器人[14]；華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種雙邊輪式拉索機(jī)器人，通過螺栓調(diào)節(jié)機(jī)器人可適應(yīng)不同直徑的拉索[15]；華南理工大學(xué)還對(duì)蛇形拉索機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行了研究，并給出了機(jī)器人的仿真結(jié)果[16-17]；中鐵大橋局武漢橋梁科學(xué)研究院已研制了4代拉索智能檢測(cè)機(jī)器人“探索者號(hào)”，是目前國內(nèi)最具代表性并已開始使用的拉索檢測(cè)機(jī)器人之一。

綜觀國內(nèi)外拉索機(jī)器人,根據(jù)爬行部件形態(tài)可以分為輪式和足式拉索機(jī)器人。輪式拉索機(jī)器人行走速度快但負(fù)載小，而足式拉索機(jī)器人行走速度慢、負(fù)載大。目前的機(jī)器人尚不能同時(shí)做到行走速度快、負(fù)載大，且現(xiàn)有機(jī)器人僅能適應(yīng)拉索直徑在小范圍內(nèi)變化，不能滿足寬范圍直徑拉索的檢測(cè)。因此,研制一款能適應(yīng)寬范圍直徑且具有速度快、負(fù)載大特點(diǎn)的拉索機(jī)器人很有必要。

1 拉索機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

綜合國內(nèi)外拉索機(jī)器人性能和橋梁拉索實(shí)際情況，制定了本文拉索機(jī)器人性能指標(biāo)，見表1。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由小車模塊、調(diào)節(jié)模塊、足掌模塊和控制模塊組成。小車模塊有2個(gè)，是用于機(jī)器人在拉索上爬行的功能模塊，對(duì)向布置；2個(gè)調(diào)節(jié)模塊分別與2個(gè)小車模塊相連，也為對(duì)向布置；足掌模塊有2個(gè)，分別裝在2個(gè)調(diào)節(jié)模塊上。

表1 拉索機(jī)器人性能指標(biāo)

圖1 拉索機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

1.1 小車模塊

小車模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，機(jī)架上裝有滾輪軸，每個(gè)滾輪軸上安裝兩個(gè)錐形滾輪，兩個(gè)錐形輪可以等效成一個(gè)V形輪，能有效減少機(jī)器人自旋[18]。滾輪為表面包覆有軟橡膠的鋁合金輪，包覆軟橡膠可以在增加摩擦力的同時(shí)防止傷及拉索表面。兩個(gè)錐形輪間中空柱狀擋圈為兩個(gè)半圓柱形的組合擋圈，更換組合擋圈，可以使?jié)L輪分別適應(yīng)100～150 mm和150～200 mm兩種直徑范圍的拉索。小車模塊由伺服電機(jī)經(jīng)渦輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾輪軸通過同步帶帶動(dòng)使小車模塊的驅(qū)動(dòng)方式為四驅(qū)，可以增加小車模塊的爬行能力和越障能力。兩側(cè)的減震裝置可以使機(jī)器人適應(yīng)振動(dòng)和越障產(chǎn)生的兩小車模塊相對(duì)位置的車體變化。

圖2 小車模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 調(diào)節(jié)模塊

調(diào)節(jié)模塊連接足掌模塊和小車模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過邊上的銷孔與小車模塊的減震裝置連接，足掌模塊固定在兩個(gè)連接邊和連接塊1的安裝孔上。擰動(dòng)旋輪帶動(dòng)T型絲桿旋轉(zhuǎn)，改變連接塊1和連接塊2之間的距離從而改變兩個(gè)連接邊之間的距離，達(dá)到改變兩個(gè)小車模塊之間距離的目的，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)小車模塊對(duì)不同直徑拉索的貼合。調(diào)節(jié)到合適位置，并使小車模塊上的減震彈簧有適當(dāng)?shù)膲嚎s量后，鎖緊絲桿，防止T型絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使兩個(gè)連接邊之間距離固定。

圖3 調(diào)節(jié)模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 足掌模塊

足掌模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，導(dǎo)軌1和導(dǎo)軌2連接調(diào)節(jié)模塊，可以保證足掌模塊始終處于調(diào)節(jié)模塊中間位置(即機(jī)器人中間位置)。足掌通過導(dǎo)軌3與連接座連接，可以伸出和縮回，桿1和桿2鉸接，兩者的鉸接處裝有吊環(huán)，連接座和足掌之間由彈簧連接。當(dāng)?shù)醐h(huán)受力往下拉時(shí)，足掌伸出，當(dāng)?shù)醐h(huán)不受拉力作用時(shí)，在彈簧的作用下足掌收回。該足掌模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)三角增力機(jī)構(gòu)，將施加在吊環(huán)上的力轉(zhuǎn)化為施加在拉索上的抱緊力，使足掌產(chǎn)生的摩擦力大于吊環(huán)的拉力。足掌模塊自鎖條件如下：

圖4 足掌模塊結(jié)構(gòu)圖

Ff=G0/2

(1)

acosθG0/2+NH=FfL

(2)

μN(yùn)≥G0/2

(3)

μ(L-acosθ)/H≥1

(4)

式中：Ff為拉索對(duì)足掌的摩擦力；G0為作用在吊環(huán)上的拉力；a為桿2兩鉸接點(diǎn)之間距離；θ為桿2與水平線夾角；N為拉索對(duì)足掌的反作用力；H為足掌受力中心與桿2下鉸接點(diǎn)的垂直距離；L為足掌受力中心與桿2下鉸接點(diǎn)的水平距離；μ為摩擦系數(shù)。

足掌模塊為本文機(jī)器人用于功能拓展的組件，作業(yè)機(jī)器人、檢測(cè)作業(yè)模塊(本文統(tǒng)稱負(fù)載本體)通過柔性繩索掛在足掌模塊的吊環(huán)上，在負(fù)載本體上有收放繩索的卷揚(yáng)機(jī)，足掌模塊和機(jī)器人組成仿生機(jī)器人系統(tǒng)。將機(jī)器人系統(tǒng)分解為較輕的攀爬前體(本文所述機(jī)器人)和較重的負(fù)載本體(有電驅(qū)足掌)，可有效拓展機(jī)器人的負(fù)載能力。兩者之間通過可收放的柔性繩索連接組成仿生機(jī)器人系統(tǒng)，模擬自然界蠕蟲爬行方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的交替攀爬，如圖5所示。當(dāng)負(fù)載本體的電驅(qū)足掌不抱緊拉索時(shí)，因負(fù)載本體的重力作用，負(fù)載本體通過繩索拉緊吊環(huán)，足掌模塊足掌抱緊拉索，負(fù)載本體可通過卷揚(yáng)機(jī)收放繩索使自身上下攀爬；當(dāng)負(fù)載本體的電驅(qū)足掌抱緊拉索時(shí)，卷揚(yáng)機(jī)同時(shí)收放繩索，足掌模塊吊環(huán)不受力，其上足掌在彈簧作用下不去抱緊拉索，機(jī)器人可進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。

圖5 仿生機(jī)器人系統(tǒng)

2 拉索機(jī)器人動(dòng)力分析

2.1 拉索機(jī)器人力學(xué)分析

機(jī)器人攀爬的最大角度為90°，即沿垂直拉索向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力最大。機(jī)器人小車模塊同一滾輪軸上兩個(gè)錐形滾輪可以等效于一個(gè)正壓在拉索上的輪子，拉索直徑越大，等效輪的直徑越大，在其他條件不變的情況下，輪子直徑越大，需要的驅(qū)動(dòng)力越大，因此本文拉索機(jī)器人在攀爬直徑為200 mm的垂直拉索時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力最大，其受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 受力簡(jiǎn)圖

機(jī)器人在拉索上運(yùn)動(dòng)時(shí)滾動(dòng)摩擦系數(shù)f<靜摩擦系數(shù)f0，輪子所受壓力恒定及爬行動(dòng)力足夠時(shí)，靜止時(shí)機(jī)器人也不會(huì)滑落。機(jī)器人在拉索上不下滑所需的最小靜摩擦力F0為：

F0=4fMG

(5)

機(jī)器人保持不下滑時(shí)單個(gè)等效輪所需要的扭矩T:

T=F0r/4=fMGr

(6)

機(jī)器人往上攀爬時(shí)單個(gè)等效輪所需驅(qū)動(dòng)力Q：

Q=G/4=fM

(7)

電機(jī)功率P：

P=2Qv/η=2fMv/η

(8)

式中：M為正壓力；G為重力；r為等效輪半徑；v為機(jī)器人爬行速度；η為驅(qū)動(dòng)效率。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及校核

計(jì)算時(shí)等效輪取最大等效直徑r=30 mm。其他參數(shù)為：G=200 N(含5 kg負(fù)載)，f0=0.3，f=0.2，v=0.2 m/s，η=0.75。

由式(5)～(8)得機(jī)器人不下滑等效輪最小正壓力為：

M=G/(4f)=25(N)

(9)

所需最小電機(jī)功率P為：

P=2fMv/η=26.67(W)

為使住培相關(guān)制度“落地”，齊魯醫(yī)院完善了畢業(yè)后醫(yī)學(xué)教育委員會(huì)-職能部門-?？瓶己宋瘑T會(huì)-科室住培領(lǐng)導(dǎo)小組四級(jí)管理機(jī)構(gòu)與職能，確立醫(yī)院層面一把手親自抓、分管院長(zhǎng)具體抓、定期召開院級(jí)住培專項(xiàng)工作會(huì)議、重大議題經(jīng)由黨政聯(lián)席會(huì)討論決定的工作機(jī)制。強(qiáng)化職能部門作用，增加配備專職管理人員至15人。明確?？婆嘤?xùn)主體定位，適當(dāng)放權(quán)與加強(qiáng)監(jiān)督并重，強(qiáng)化?？乒芾砹Χ取Ｔ诟鲗？圃O(shè)置專管住培項(xiàng)目的分管主任和秘書，并在涉及多學(xué)科的?？圃O(shè)置專職培訓(xùn)助管，與?？沏暯訁f(xié)管，進(jìn)一步強(qiáng)化了?？茖用婀芾硪?guī)范性。以“確保管理鏈條無斷點(diǎn)，培訓(xùn)要求逐層落實(shí)到位?！?/p>

(10)

機(jī)器人在垂直拉索上保持不下滑時(shí)一側(cè)兩個(gè)等效輪需要的最小扭矩Ts為：

Ts=2T=2fMGr=3(N·m)

(11)

機(jī)器人以0.2 m/s速度爬行時(shí)滾輪的轉(zhuǎn)速n1為：

n1=60v/(2πr)=63.69(r/min)

(12)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，初步選定電機(jī)，其額定功率P電機(jī)為130 W，額定轉(zhuǎn)速n2為3 990 r/min，額定扭矩T電機(jī)為299 mN·m。初步選定的減速機(jī)減速比i為30，輸入端允許最大扭矩為2 N·m，效率為0.70。

為判斷所選驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)器人所選電機(jī)進(jìn)行功率校核，電機(jī)的功率安全系數(shù)取1.6。

P輸出=130×0.70=91(W)>1.6P=

42.67(W)

(13)

式中：P輸出為電機(jī)經(jīng)減速機(jī)后的輸出功率。

取電機(jī)輸出扭矩安全系數(shù)為2，則電機(jī)經(jīng)減速機(jī)后輸出扭矩T輸出為：

T輸出=T電機(jī)iη=6.29(N·m)>2Ts=

6(N·m)

(14)

速度校核：

v=2πrn2/(60i)=0.42(m/s)>0.2(m/s)

(15)

由以上計(jì)算和校核結(jié)果可知，所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)滿足機(jī)器人攀爬需求。

3 拉索機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

本文所述機(jī)器人有爬行速度和負(fù)載能力要求。垂直爬升狀態(tài)是機(jī)器人爬行的極限狀態(tài)，機(jī)器人在極限攀爬狀態(tài)攀爬速度和負(fù)載能力若能滿足指標(biāo)要求，則認(rèn)為機(jī)器人可以滿足指標(biāo)要求。

拉索機(jī)器人及其在斜拉索上進(jìn)行攀爬情況如圖7所示。用于驗(yàn)證機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)的仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)為豎直的拉索，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18365—2018《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索》中纜索規(guī)格，選擇直徑為100,145,200 mm 3種規(guī)格拉索進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的拉索為鋁管材機(jī)加工而成，每段1 m，中間用連接件連接，外面包覆PE材質(zhì)，模擬真實(shí)的拉索表面環(huán)境。每種規(guī)格的拉索總長(zhǎng)為4 m，由4段包覆PE的鋁管材組合而成，每種規(guī)格拉索底部都有個(gè)固定座。

圖7 拉索機(jī)器人在斜拉索上攀爬

機(jī)器人性能指標(biāo)測(cè)試方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 機(jī)器人性能指標(biāo)測(cè)試方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)器人在直徑分別為100,145,200 mm的仿真拉索上垂直向上攀爬，如圖8所示。機(jī)器人攀爬時(shí)拍攝視頻，根據(jù)視頻中從1 m處攀爬至3 m處所用時(shí)間計(jì)算機(jī)器人攀爬速度。3種規(guī)格拉索上機(jī)器人的攀爬速度見表3，表中1 m處時(shí)間為t1，3 m處時(shí)間為t2。機(jī)器人在攀爬時(shí)其上掛的負(fù)載為啞鈴配重塊，兩側(cè)各配2.0 kg和2.5 kg組合的配重塊，共9 kg，電子秤實(shí)際稱量為8.85 kg。由測(cè)試結(jié)果可知，機(jī)器人滿足性能指標(biāo)1～4要求。

圖8 機(jī)器人在垂直拉索上進(jìn)行攀爬

表3 機(jī)器人在各規(guī)格拉索上攀爬速度

對(duì)機(jī)器人本體稱重，為12.8 kg，滿足性能指標(biāo)5要求。選用的電池為24 V 15 A·h，測(cè)試中機(jī)器人連續(xù)運(yùn)行1 h后，電池仍能對(duì)機(jī)器人供電保證機(jī)器人正常運(yùn)行，滿足性能指標(biāo)6要求。在戶外相隔300 m對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制測(cè)試，如圖9所示。兩個(gè)操作員攜帶機(jī)器人到距控制人員346 m遠(yuǎn)的地方，控制人員對(duì)機(jī)器人發(fā)送控制指令和接收機(jī)器人反饋的數(shù)據(jù)，機(jī)器人側(cè)操作人員觀察機(jī)器人是否能按接收到的指令正常運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人可以接受指令并正常運(yùn)行，控制人員也可以接收到機(jī)器人反饋的數(shù)據(jù)，滿足性能指標(biāo)7要求。

圖9 機(jī)器人遠(yuǎn)程操控測(cè)試

為了驗(yàn)證機(jī)器人足掌模塊的可行性，同時(shí)驗(yàn)證采用該足掌模塊的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行大負(fù)載仿生攀爬的可行性，對(duì)由攀爬前體(本文所述機(jī)器人)和負(fù)載本體組成的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行攀爬測(cè)試，如圖10所示。測(cè)試證明，該欠驅(qū)動(dòng)足掌模塊和仿生式機(jī)器人系統(tǒng)攀爬是可行的。

圖10 仿生機(jī)器人系統(tǒng)攀爬

4 結(jié)束語

本文研制的拉索機(jī)器人可以適應(yīng)寬范圍直徑拉索的攀爬，汲取了輪式拉索機(jī)器人速度快和足掌式拉索機(jī)器人負(fù)載大的優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于國內(nèi)外現(xiàn)有拉索機(jī)器人的性能指標(biāo)。有拓展的足掌模塊，可以與負(fù)載本體組成仿生式機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人具有更大的負(fù)載能力。后續(xù)將對(duì)機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)器人的安裝便捷性；搭載視覺系統(tǒng)，可以對(duì)拉索進(jìn)行表面缺陷視覺檢測(cè)；設(shè)計(jì)帶有漏磁檢測(cè)、清洗、修復(fù)等大質(zhì)量設(shè)備的負(fù)載本體；研究機(jī)器人如何進(jìn)行拉索內(nèi)部檢測(cè)和修復(fù)工作等。