【博士】斜拉桥拉索检测机器人关键技术研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：机械电子工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：东南大学　　学位年度： 2009年　　拉索检测机器人是针对斜拉桥的拉索进行自动检测所研制的特种机器人，它综合了智能移动载体技术、钢丝的无损检测技术和视觉检测技术。斜拉桥已经在世界范围内得到广范应用，其主要受力构件的拉索必需定期检测以保证大桥的安全性。因此，开展拉索检测机器人的研究具有重要的科学意义和明显的社会经济效益。　　依托国家863计划资助项目“桥梁悬索检测机器人关键技术研究”(项目编号：2006AA042234)，结合深圳某检测公司的实际工程需求，本文以300米高空的斜拉索为应用环境，对拉索检测机器人的本体结构设计、动力学分析、拉索和机器人的动态响应及无损检测等问题进行了系统研究，提出的双边轮式机器人能在不受风力的影响下进入人所不及的高空斜拉索环境中，通过携带的视频设备和无损检测装置，对拉索保护层的表面状况和内部钢丝的断丝情况进行无损检测。论文的主要研究工作概如下：　　1．深入细致地分析了各种特种爬升机器人的运动方式和运动机理，通过综合对比分析，结合拉索特定的环境及检测作业需求，确定了机构的运动方式，设计了轻型拉索检测机器人的总体方案及本体爬升机构。　　2．针对桥梁拉索检测专用机器人的安全回收要求，提出了一种基于反电动势理论的安全节能回收方法。应用曲柄滑块机构驱动气缸设计了气体阻尼装置，以消耗机器人下降过程中因重力作用产生的多余动能。建立了机构数学模型，并对下降速度进行了仿真，实验室及长江某斜拉桥现场试验结果表明机器人能够携带3．5 kg重物，沿直径为65 mm一205 mm、倾角为300～900的拉索自动平稳匀速下滑，实现了电路系统出现故障时机器人的安全快速回收。　　3．对双边轮式爬升机器人的越障性能进行了分析，为了增强机器人越障能力，提出了一种改进的独立弹簧支撑结构模型。依据机器人本体是否偏转，分别对主、从轮越障时的运动学、动力学进行了分析；建立了机器人越障的数学模型，提出了机器人爬升能力的评价指标。仿真分析结果表明机构的越障能力有了很大的提高。　　4．分析了斜拉桥拉索的动态特性，推导了机器人匀速爬升时，拉索的动态响应，计算了拉索振动对机器人的影响；为了分析机器人爬升时高空风载对高柔性的拉索系统的影响，根据相似原理建立了拉索的相似模型；设计了小型射流风洞系统对机器人在高空的运行状态进行等效实验；为有效地避开拉索与机器人的共振点，建立了机器人结构的有限元模型，并根据模态分析结果对机器人进行了结构优化。5．基于电磁检测原理，设计了一种可由拉索检测机器人牵引的模块化励磁检测传感器。该传感器由若干片单节励磁器连接而成，圆周均布环抱于拉索周围。每节励磁器上分别设置两块永磁铁及霍尔元件来检测断丝信号。该励磁器易安装可方便调节，实现了对不同直径的拉索圆周方向的均匀励磁。在实验室内，采用装有钢丝束的PVC管模拟斜拉索进行断丝检测实验，并应用滑动平均法、分步去趋势算法、带通滤波器等多种方法进行数据处理。实验结果表明，信号分析结果与拉索断丝情况基本相符，所研制的无损检测系统可以满足桥梁斜拉索断丝检测的需要。　　6．根据斜拉索现场检测要求，规划了拉索表面损伤视觉检测系统整体实现方案，设计了视觉检测系统，控制系统和地面监控系统，提出了一种拉索表面伤痕检测算法提出损伤特征。针对拉索检测机器的爬升能力、节能安全回收方法和视觉检测等进行了相关实验，实验结果表明了该机器人系统的可行性和有效性。最后，针对机器人系统在实际工程应用中存在的主动轮脱胶、机构安装效率和电池容量较低等问题提出了解决方案。　　

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