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

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　　學(xué)科專(zhuān)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(cè)機(jī)器人是針對(duì)斜拉橋的拉索進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)所研制的特種機(jī)器人，它綜合了智能移動(dòng)載體技術(shù)、鋼絲的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和視覺(jué)檢測(cè)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(cè)以保證大橋的安全性。因此，開(kāi)展拉索檢測(cè)機(jī)器人的研究具有重要的科學(xué)意義和明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。　　依托國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目“橋梁懸索檢測(cè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2006AA042234)，結(jié)合深圳某檢測(cè)公司的實(shí)際工程需求，本文以300米高空的斜拉索為應(yīng)用環(huán)境，對(duì)拉索檢測(cè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析、拉索和機(jī)器人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及無(wú)損檢測(cè)等問(wèn)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(guò)攜帶的視頻設(shè)備和無(wú)損檢測(cè)裝置，對(duì)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(wú)損檢測(cè)。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(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過(guò)綜合對(duì)比分析，結(jié)合拉索特定的環(huán)境及檢測(cè)作業(yè)需求，確定了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了輕型拉索檢測(cè)機(jī)器人的總體方案及本體爬升機(jī)構(gòu)。　　2．針對(duì)橋梁拉索檢測(cè)專(zhuān)用機(jī)器人的安全回收要求，提出了一種基于反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)氣缸設(shè)計(jì)了氣體阻尼裝置，以消耗機(jī)器人下降過(guò)程中因重力作用產(chǎn)生的多余動(dòng)能。建立了機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)下降速度進(jìn)行了仿真，實(shí)驗(yàn)室及長(zhǎng)江某斜拉橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(dòng)平穩(wěn)勻速下滑，實(shí)現(xiàn)了電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)機(jī)器人的安全快速回收?！　?．對(duì)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(dú)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(duì)主、從輪越障時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(píng)價(jià)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(dòng)態(tài)特性，推導(dǎo)了機(jī)器人勻速爬升時(shí)，拉索的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算了拉索振動(dòng)對(duì)機(jī)器人的影響；為了分析機(jī)器人爬升時(shí)高空風(fēng)載對(duì)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(jì)了小型射流風(fēng)洞系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人在高空的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行等效實(shí)驗(yàn)；為有效地避開(kāi)拉索與機(jī)器人的共振點(diǎn)，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(duì)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。5．基于電磁檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了一種可由拉索檢測(cè)機(jī)器人牽引的模塊化勵(lì)磁檢測(cè)傳感器。該傳感器由若干片單節(jié)勵(lì)磁器連接而成，圓周均布環(huán)抱于拉索周?chē)?。每?jié)勵(lì)磁器上分別設(shè)置兩塊永磁鐵及霍爾元件來(lái)檢測(cè)斷絲信號(hào)。該勵(lì)磁器易安裝可方便調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同直徑的拉索圓周方向的均勻勵(lì)磁。在實(shí)驗(yàn)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(cè)實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用滑動(dòng)平均法、分步去趨勢(shì)算法、帶通濾波器等多種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號(hào)分析結(jié)果與拉索斷絲情況基本相符，所研制的無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)可以滿足橋梁斜拉索斷絲檢測(cè)的需要?！　?．根據(jù)斜拉索現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，規(guī)劃了拉索表面損傷視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)了視覺(jué)檢測(cè)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(cè)算法提出損傷特征。針對(duì)拉索檢測(cè)機(jī)器的爬升能力、節(jié)能安全回收方法和視覺(jué)檢測(cè)等進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(duì)機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的主動(dòng)輪脫膠、機(jī)構(gòu)安裝效率和電池容量較低等問(wèn)題提出了解決方案?！　?

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