斜拉橋纜索檢測機器人系統研究

秦雪濤+陳衛東

摘 要：文章介紹了斜拉橋纜索檢測機器人的結構組成。斜拉橋纜索是斜拉橋至關重要的組成部分，其壽命決定了整個橋梁的使用壽命。因此迫切需要定期對斜拉橋的拉索進行檢測和維護。而機器人檢測法是進行斜拉橋檢測的眾多方法中最便捷、高效、經濟的。文章介紹的斜拉索機器人由機械結構、驅動部分、數據采集部分組成，將機械、電氣、傳感器融合在一起組成了一套全新的機電設備。該設備具有操作簡便、結構簡單、故障率低、運行效率高等優點。從而為斜拉橋纜索檢測提供了一套完整可行的方法。

關鍵詞：斜拉橋纜索；機電一體；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件，是斜拉橋的"生命線"，造價占整座橋梁的30%左右[1]。定期針對拉索進行檢測及維護工作對延長其服役壽命具有重要的意義。

斜拉索是一種架設在高空的特殊桿狀構件，內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纏繞右旋的細鋼絲，或使用纖維增強聚氨酯帶替代細鋼絲纏繞，最外層使用黑色或彩色的高密度聚乙烯護套。索纜斷面結構呈正六邊形或缺角六邊形緊密排列[2]。

注：1-高強度鋼絲繩；2-纏繞細鋼絲或纖維增強聚氨酯帶；3-聚乙烯保護套；4-最外層聚乙烯保護套

斜拉橋索纜長期處于露天服役狀態，經歷風吹雨淋日曬，其聚乙烯護套會產生不同程度的硬化和開裂現象，導致保護套內的鋼絲束產生腐蝕。另外，拉索的無規則振動也會引起鋼絲磨損。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生嚴重的隱患。國內外已發生過多起斜拉橋斷纜或是因索纜嚴重腐蝕而導致斜拉橋整體換索的不幸事件[3]。例如委內瑞拉的Maracibo橋，英國的Wye橋，中國的廣州海印橋，四川宜賓南門大橋，濟南黃河大橋等。因此，為減少斜拉橋拉索高昂的維護費用同時延長索纜的使用壽命，對在役拉索進行定期的檢測和維護顯得尤為重要。

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]。斜拉橋的發展至今也僅經歷了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、吊籃檢測和維護法。人工目測法是未借助其它機械外力，單單依靠目測設備進行觀測、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，這是因為該方法操作效率低下，使用成本高且影響交通，操作人員工作環境極端惡劣，甚至會出現人員傷亡事故。至于吊籃檢測和維護法，在索塔塔頂設立定滑輪吊點，使用卷揚機經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行檢查和維護工作。此方法可滿足斜拉索的日常維護檢查需求，并且可以維修表層的PE管，整體效果較好。然而檢查設備結構復雜，費用高昂，僅適合大跨度斜拉索橋，同時該設備質量大，會造成纜索護套的二次損傷[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現定期檢測和保養。因此本課題組開發了一種可以沿著索纜自動爬升的檢測機器人，通過機器人攜帶的攝像頭對拉索表觀病害進行拍攝并將信號遠程傳回地面，通過人工判斷拉索表皮的缺損狀況及損壞位置。該技術可以提高拉索檢測維護的效率和安全性，降低維護成本，具有良好的應用前景。

2 系統構成

2.1 爬升系統

注：1-纜索；2-機身圈；3-控制模塊；4-機身連桿；5-驅動輪；6-步進電機；7-從動輪；8-壓緊彈簧

纜索檢測機器人機械部分結構如圖3所示。機器人由兩個機身環以及聯接兩個機身環的四根連桿組成。機器人爬升動力系統由四個驅動電機帶動四個驅動輪以及兩個自適應調整從動輪組成。驅動電機輸出軸僅提供爬升所需的扭矩，爬升時所需的摩擦力由驅動輪提供，驅動輪所受到的徑向力由驅動輪支架提供。可以通過調節六個分別均布在圓周上的導輪支架距離索纜的距離實現適應各不同直徑的索纜。支撐從動輪的彈簧可以實現該機器人的越障功能。該機器人的特點是結構簡單，易于制造及使用。

2.2 控制系統

爬索機器人的電氣部分分成以下五個子系統：

運動控制系統，無線通訊系統，圖像傳輸系統，電源系統，以及地面圖像接收及控制系統，其框架示意圖如下：

地面控制系統是由圖像接受、運動控制軟件和無線通訊模塊組成，機器人通過地面控制實現上下爬行動作，將特定位置處的病害信息通過圖像傳輸系統返回控制端電腦。通過控制端，操作人員可以實現機器人遠程操控，實現諸如：前進、后退、停止、加速、減速、拍攝、視頻傳輸等動作。上位機發送指令，該指令通過串口傳輸給無線收發模塊，無線收發模塊將數據傳輸到安裝在纜索檢測機器人上的無線接受模塊，該模塊再通過串口將指令發給控制系統，從而實現對纜索檢測機器人的運行控制。纜索檢測機器人控制流程圖如下：

纜索檢測機器人前端裝有四個攝像頭，可以覆蓋整個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時的傳輸到地面控制平臺的電腦終端上，電腦終端上裝有視頻采集卡，將圖像通過顯示器顯示同時將視頻保存在本地。機器人通過記錄步進電動機的脈沖數以及編碼器行走過的脈沖數計算并校準其行走的距離，實施反饋機器人在纜索上所處的位置，便于后期病害確切位置的確認和整理。

電源系統提供給各子系統能量，因為纜索檢測機器人有四個步進電機，電機消耗的電量較大，爬升系統對重量要求比較苛刻，而鋰電池的重量跟該系統的功率成正比，因此要選擇一個合適容量的電池，既能滿足該系統的功率消耗，又能滿足該系統的工作時間。

2.2.1 主控模塊

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

主控模塊為M-7055，該模塊為步進電機控制模塊，該模塊可以同時控制四路步進電機的運行及剎車功能。纜索檢測機器人裝置有四個電機，該模塊可以滿足要求。

纜索檢測機器人在檢測到纜索有異常情況時，需要定位纜索異常位置，根據步進電機正轉和反轉的脈沖數，可以計算出步進電機的位移，從而定位出纜索有異常情況的位置。同時通過安裝在機身上的編碼器對計算得的電機位移進行校準。從而得到準確的位置信息。需要注意的是每次機器人爬升之前，要把該模塊的正轉脈沖和反轉脈沖清零。不能在啟動時給予步進電機很高的初始加速度，如果啟動時給步進電機一個很高的頻率，步進電機將發生堵轉的現象，這點在應用的過程中要特別注意，以免損壞步進電機。

2.2.2 無線通訊系統

纜索檢測機器人是通過地面控制平臺進行操作的，因此采用2.4G無線技術。2.4G無線技術，是其頻段處于2.405-2.485GHZ（科學，醫藥，農業）之間，所以簡稱2.40G無線技術[7]。這個頻段是國際規定的免費頻段，是不需要向國際相關組織繳納任何費用的。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勢。

2.2.3 圖像系統

圖像系統由4個攝像頭和圖像傳輸模塊組成，在圖像無線傳輸的同時，圖像數據保存在攝像頭內部硬盤里。圖像傳輸模塊也是采用2.4G技術，在地面控制平臺上，筆記本裝有數據采集卡，可以將圖像顯示在筆記本上。

2.2.4 電源系統

電源系統采用鋰電池供電的方式，鋰電池比傳統的鉛酸電有著重量輕、能量大等優點，因此，雖然從價格上鋰電池比傳統的鉛酸電池要貴，但是現代儀表一般都采用鋰電池的供電方式。

2.2.5 爬升系統

爬升系統是由4個扭矩為5Nm的步進減速電機構成的，機器人靜止時，由剎車提供的扭矩來克服系統的重力，機器人運行的時候，由電機產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行在筆記本上的程序和無線收發模塊組成的。由于C#界面友好，執行效率高，因此采用C#開發的程序作為控制界面，可以在界面上對機器人進行實時控制，并可以實時讀取攝像頭的視頻畫面[8]。

3 索纜檢測機器人試驗驗證

3.1 試驗條件

為了驗證機器人各組成部分的工作性能和穩定性，以及纜索外觀病害的測試效果，爬索機器人完成試制后，在室內進行了模型試驗，分別對機器人的控制性能、負載能力、遠程有效控制距離，圖像傳輸性能和回收機制進行了測試和分析。

試驗采用長6m、直徑160mm的PVC圓形管線對拉索進行模擬，這個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管表面要比實際拉索護套光滑，所以使纜索檢測機器人的爬行處于不利情況，其測試結果偏于保守。

3.2 爬行角度測試

由于現場拉索的角度隨著橋梁規模的不同差異很大，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。不同傾斜角度對機器人的爬升性能有不同的要求，這就要求所設計的機器人具有足夠動力和爬升能力可以適應拉索不同角度的變化。

試驗中將機器人在模型拉索上安裝完成后進行上下爬升試驗，主要測試機器人爬行姿態的可操控性和爬行穩定性。根據不同傾斜角度，模型試驗中共設計了0°、30°、45°、60°和90°等五個不同工況，對機器人的爬升性能進行測試，如圖6所示。

實測結果顯示，根據索徑調整彈簧夾緊程度，機器人可以實現不同傾斜角度的自由爬升，整個爬升過程中速度均勻，姿態穩定，沒有出現打滑或者卡死狀態，能夠很好的滿足預定的爬升功能。

3.3 爬升速度測試

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

3.4 負載能力測試

為了進一步考察機器人的負載能力，選擇拉索處于90°的最不利狀態，通過砝碼逐級加載，對機器人在靜止狀態和爬行狀態下的負載能力進行測試（如下圖7所示）。在每一級加載完成后分別對機器人的靜止狀態和爬行狀態的穩定性進行測試，逐級加載，直至機器人出現打滑現象。

測試結果顯示，在現有的模型拉索表觀特征的前提下，機器人在靜止狀態下的負載能力可以達到20kg；勻速爬升時，負載能力為10kg。可以推測，隨著拉索測試角度的變小，機器人的負載能力則進一步提高。

3.5 遠程有效控制距離測試

由于橋梁規模和設計結構的不同，拉索之間的長度差異很大，短的只有幾米，長的可以達到500m。為了確保機器人始終在有效的通訊范圍之內，要求機器人的遠程通訊范圍能夠覆蓋拉索的最大長度。

試驗中通過移動控制端和機器人的距離進行遠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之內可以對機器人進行有效的控制，這個距離可以滿足大部分拉索的遠程測試要求。

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實時傳輸到地面控制臺進行遠程觀測和定位。圖像清晰度主要取決于攝像頭的配置，而數據的穩定性和可靠性則取決于圖像的傳輸系統。實測效果顯示，機器人在爬行過程中返回的圖像信號清晰穩定，可以滿足現場測試的需求。

3.7 爬索機器人現場測試

測試結果顯示纜索檢測機器人可以根據索徑調整彈簧夾緊程度，實現不同傾斜角度的自由爬升（如圖9所示），能夠通過遠程控制實現病害的實時分析和定位，可以有效提高拉索表觀缺陷檢測的效率和安全性，降低維護成本。

參考文獻

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