【博士】斜拉橋拉索檢測機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究【2009】

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內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：機(jī)械電子工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　拉索檢測機(jī)器人是針對斜拉橋的拉索進(jìn)行自動檢測所研制的特種機(jī)器人，它綜合了智能移動載體技術(shù)、鋼絲的無損檢測技術(shù)和視覺檢測技術(shù)。斜拉橋已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣范應(yīng)用，其主要受力構(gòu)件的拉索必需定期檢測以保證大橋的安全性。因此，開展拉索檢測機(jī)器人的研究具有重要的科學(xué)意義和明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。　　依托國家863計劃資助項目“橋梁懸索檢測機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”(項目編號：2006AA042234)，結(jié)合深圳某檢測公司的實際工程需求，本文以300米高空的斜拉索為應(yīng)用環(huán)境，對拉索檢測機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析、拉索和機(jī)器人的動態(tài)響應(yīng)及無損檢測等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出的雙邊輪式機(jī)器人能在不受風(fēng)力的影響下進(jìn)入人所不及的高空斜拉索環(huán)境中，通過攜帶的視頻設(shè)備和無損檢測裝置，對拉索保護(hù)層的表面狀況和內(nèi)部鋼絲的斷絲情況進(jìn)行無損檢測。論文的主要研究工作概如下：　　1．深入細(xì)致地分析了各種特種爬升機(jī)器人的運動方式和運動機(jī)理，通過綜合對比分析，結(jié)合拉索特定的環(huán)境及檢測作業(yè)需求，確定了機(jī)構(gòu)的運動方式，設(shè)計了輕型拉索檢測機(jī)器人的總體方案及本體爬升機(jī)構(gòu)?！　?．針對橋梁拉索檢測專用機(jī)器人的安全回收要求，提出了一種基于反電動勢理論的安全節(jié)能回收方法。應(yīng)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣缸設(shè)計了氣體阻尼裝置，以消耗機(jī)器人下降過程中因重力作用產(chǎn)生的多余動能。建立了機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并對下降速度進(jìn)行了仿真，實驗室及長江某斜拉橋現(xiàn)場試驗結(jié)果表明機(jī)器人能夠攜帶3．5 kg重物，沿直徑為65 mm一205 mm、傾角為300～900的拉索自動平穩(wěn)勻速下滑，實現(xiàn)了電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時機(jī)器人的安全快速回收?！　?．對雙邊輪式爬升機(jī)器人的越障性能進(jìn)行了分析，為了增強(qiáng)機(jī)器人越障能力，提出了一種改進(jìn)的獨立彈簧支撐結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)機(jī)器人本體是否偏轉(zhuǎn)，分別對主、從輪越障時的運動學(xué)、動力學(xué)進(jìn)行了分析；建立了機(jī)器人越障的數(shù)學(xué)模型，提出了機(jī)器人爬升能力的評價指標(biāo)。仿真分析結(jié)果表明機(jī)構(gòu)的越障能力有了很大的提高?！　?．分析了斜拉橋拉索的動態(tài)特性，推導(dǎo)了機(jī)器人勻速爬升時，拉索的動態(tài)響應(yīng)，計算了拉索振動對機(jī)器人的影響；為了分析機(jī)器人爬升時高空風(fēng)載對高柔性的拉索系統(tǒng)的影響，根據(jù)相似原理建立了拉索的相似模型；設(shè)計了小型射流風(fēng)洞系統(tǒng)對機(jī)器人在高空的運行狀態(tài)進(jìn)行等效實驗；為有效地避開拉索與機(jī)器人的共振點，建立了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的有限元模型，并根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。5．基于電磁檢測原理，設(shè)計了一種可由拉索檢測機(jī)器人牽引的模塊化勵磁檢測傳感器。該傳感器由若干片單節(jié)勵磁器連接而成，圓周均布環(huán)抱于拉索周圍。每節(jié)勵磁器上分別設(shè)置兩塊永磁鐵及霍爾元件來檢測斷絲信號。該勵磁器易安裝可方便調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對不同直徑的拉索圓周方向的均勻勵磁。在實驗室內(nèi)，采用裝有鋼絲束的PVC管模擬斜拉索進(jìn)行斷絲檢測實驗，并應(yīng)用滑動平均法、分步去趨勢算法、帶通濾波器等多種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實驗結(jié)果表明，信號分析結(jié)果與拉索斷絲情況基本相符，所研制的無損檢測系統(tǒng)可以滿足橋梁斜拉索斷絲檢測的需要?！　?．根據(jù)斜拉索現(xiàn)場檢測要求，規(guī)劃了拉索表面損傷視覺檢測系統(tǒng)整體實現(xiàn)方案，設(shè)計了視覺檢測系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和地面監(jiān)控系統(tǒng)，提出了一種拉索表面?zhèn)蹤z測算法提出損傷特征。針對拉索檢測機(jī)器的爬升能力、節(jié)能安全回收方法和視覺檢測等進(jìn)行了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明了該機(jī)器人系統(tǒng)的可行性和有效性。最后，針對機(jī)器人系統(tǒng)在實際工程應(yīng)用中存在的主動輪脫膠、機(jī)構(gòu)安裝效率和電池容量較低等問題提出了解決方案。　　

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