付雪奇, 胡小立, 陳華平, 趙 敏,丁 寧

(1.香港中文大學(xué)(深圳)機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，需要進行維修的橋梁數(shù)量逐漸增多，橋梁養(yǎng)護問題凸顯[1-2]。拉索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件，一般由PE保護層、包覆層、內(nèi)部鋼絲束組成[3]。拉索長期暴露在空氣中，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，由于風(fēng)振、雨振及車輛在橋上行駛產(chǎn)生的振動等因素，拉索內(nèi)部鋼絲束之間相互摩擦，產(chǎn)生磨損，嚴(yán)重時也會造成鋼絲束斷絲[4]。

與斜拉索維護配套的相關(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)備對拉索進行檢修。檢修人員在戶外高空作業(yè)，環(huán)境惡劣，存在安全隱患。同時每進行一根拉索維護都得預(yù)固定錨固裝置，工作量大，效率低，幾百千克重的設(shè)備在拉索上移動極易造成拉索二次損傷。為此，許多學(xué)者進行了深入的研究。韓國成均館大學(xué)的Kim等[5]設(shè)計了六輪拉索檢測機器人，該機器人可以根據(jù)拉索表面情況調(diào)節(jié)機器人對拉索的抱緊力，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器人，跟橋梁拉索機器人類似，該機器人可以調(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公司是少有的幾個可以使用拉索機器人進行實際應(yīng)用的公司之一，該公司的機器人有4個攝像頭，可以360°視角檢測拉索表面是否存在損傷[8]。我國對拉索維護機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機器人,其自重均達上百千克[9-13]；在“863”計劃資助下，東南大學(xué)研制了螺旋爬升拉索機器人，提出了以行走輪半徑的單位越障能力h/r作為評價機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器人[14]；華南理工大學(xué)設(shè)計了一種雙邊輪式拉索機器人，通過螺栓調(diào)節(jié)機器人可適應(yīng)不同直徑的拉索[15]；華南理工大學(xué)還對蛇形拉索機器人應(yīng)用進行了研究，并給出了機器人的仿真結(jié)果[16-17]；中鐵大橋局武漢橋梁科學(xué)研究院已研制了4代拉索智能檢測機器人“探索者號”，是目前國內(nèi)最具代表性并已開始使用的拉索檢測機器人之一。

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

1 拉索機器人整體結(jié)構(gòu)

綜合國內(nèi)外拉索機器人性能和橋梁拉索實際情況，制定了本文拉索機器人性能指標(biāo)，見表1。機器人采用模塊化設(shè)計，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，是用于機器人在拉索上爬行的功能模塊，對向布置；2個調(diào)節(jié)模塊分別與2個小車模塊相連，也為對向布置；足掌模塊有2個，分別裝在2個調(diào)節(jié)模塊上。

表1 拉索機器人性能指標(biāo)

圖1 拉索機器人結(jié)構(gòu)圖

1.1 小車模塊

小車模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，機架上裝有滾輪軸，每個滾輪軸上安裝兩個錐形滾輪，兩個錐形輪可以等效成一個V形輪，能有效減少機器人自旋[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防止傷及拉索表面。兩個錐形輪間中空柱狀擋圈為兩個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經(jīng)渦輪蝸桿減速機驅(qū)動，滾輪軸通過同步帶帶動使小車模塊的驅(qū)動方式為四驅(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器人適應(yīng)振動和越障產(chǎn)生的兩小車模塊相對位置的車體變化。

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連接邊和連接塊1的安裝孔上。擰動旋輪帶動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連接邊之間的距離，達到改變兩個小車模塊之間距離的目的，實現(xiàn)兩個小車模塊對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，從而使兩個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，足掌伸出，當(dāng)?shù)醐h(huán)不受拉力作用時，在彈簧的作用下足掌收回。該足掌模塊實質(zhì)上是一個三角增力機構(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≥G0/2

(3)

μ(L-acosθ)/H≥1

(4)

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

足掌模塊為本文機器人用于功能拓展的組件，作業(yè)機器人、檢測作業(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機，足掌模塊和機器人組成仿生機器人系統(tǒng)。將機器人系統(tǒng)分解為較輕的攀爬前體(本文所述機器人)和較重的負(fù)載本體(有電驅(qū)足掌)，可有效拓展機器人的負(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器人系統(tǒng)，模擬自然界蠕蟲爬行方式，實現(xiàn)機器人系統(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，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)載本體可通過卷揚機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，卷揚機同時收放繩索，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，機器人可進行上下運動。

圖5 仿生機器人系統(tǒng)

2 拉索機器人動力分析

2.1 拉索機器人力學(xué)分析

機器人攀爬的最大角度為90°，即沿垂直拉索向上運動，此時所需的驅(qū)動力最大。機器人小車模塊同一滾輪軸上兩個錐形滾輪可以等效于一個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)動力越大，因此本文拉索機器人在攀爬直徑為200 mm的垂直拉索時所需要的驅(qū)動力最大，其受力簡圖如圖6所示。

圖6 受力簡圖

機器人在拉索上運動時滾動摩擦系數(shù)f<靜摩擦系數(shù)f0，輪子所受壓力恒定及爬行動力足夠時，靜止時機器人也不會滑落。機器人在拉索上不下滑所需的最小靜摩擦力F0為：

F0=4fMG

(5)

機器人保持不下滑時單個等效輪所需要的扭矩T:

T=F0r/4=fMGr

(6)

機器人往上攀爬時單個等效輪所需驅(qū)動力Q：

Q=G/4=fM

(7)

電機功率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為機器人爬行速度；η為驅(qū)動效率。

2.2 驅(qū)動電機選型及校核

計算時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-職能部門-?？瓶己宋瘑T會-科室住培領(lǐng)導(dǎo)小組四級管理機構(gòu)與職能，確立醫(yī)院層面一把手親自抓、分管院長具體抓、定期召開院級住培專項工作會議、重大議題經(jīng)由黨政聯(lián)席會討論決定的工作機制。強化職能部門作用，增加配備專職管理人員至15人。明確專科培訓(xùn)主體定位，適當(dāng)放權(quán)與加強監(jiān)督并重，強化?？乒芾砹Χ取Ｔ诟鲗？圃O(shè)置專管住培項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，進一步強化了?？茖用婀芾硪?guī)范性。以“確保管理鏈條無斷點，培訓(xùn)要求逐層落實到位?！?/p>

(10)

機器人在垂直拉索上保持不下滑時一側(cè)兩個等效輪需要的最小扭矩Ts為：

Ts=2T=2fMGr=3(N·m)

(11)

機器人以0.2 m/s速度爬行時滾輪的轉(zhuǎn)速n1為：

n1=60v/(2πr)=63.69(r/min)

(12)

根據(jù)以上計算結(jié)果，初步選定電機，其額定功率P電機為130 W，額定轉(zhuǎn)速n2為3 990 r/min，額定扭矩T電機為299 mN·m。初步選定的減速機減速比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)動器和電機是否滿足設(shè)計要求，對機器人所選電機進行功率校核，電機的功率安全系數(shù)取1.6。

P輸出=130×0.70=91(W)>1.6P=

42.67(W)

(13)

式中：P輸出為電機經(jīng)減速機后的輸出功率。

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

T輸出=T電機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)

由以上計算和校核結(jié)果可知，所選驅(qū)動電機滿足機器人攀爬需求。

3 拉索機器人實驗

本文所述機器人有爬行速度和負(fù)載能力要求。垂直爬升狀態(tài)是機器人爬行的極限狀態(tài)，機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)為機器人可以滿足指標(biāo)要求。

拉索機器人及其在斜拉索上進行攀爬情況如圖7所示。用于驗證機器人技術(shù)指標(biāo)的仿真測試平臺設(shè)計為豎直的拉索，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)格拉索進行實驗。設(shè)計的拉索為鋁管材機加工而成，每段1 m，中間用連接件連接，外面包覆PE材質(zhì)，模擬真實的拉索表面環(huán)境。每種規(guī)格的拉索總長為4 m，由4段包覆PE的鋁管材組合而成，每種規(guī)格拉索底部都有個固定座。

圖7 拉索機器人在斜拉索上攀爬

機器人性能指標(biāo)測試方法和評估標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 機器人性能指標(biāo)測試方法和評估標(biāo)準(zhǔn)

機器人在直徑分別為100,145,200 mm的仿真拉索上垂直向上攀爬，如圖8所示。機器人攀爬時拍攝視頻，根據(jù)視頻中從1 m處攀爬至3 m處所用時間計算機器人攀爬速度。3種規(guī)格拉索上機器人的攀爬速度見表3，表中1 m處時間為t1，3 m處時間為t2。機器人在攀爬時其上掛的負(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，電子秤實際稱量為8.85 kg。由測試結(jié)果可知，機器人滿足性能指標(biāo)1～4要求。

圖8 機器人在垂直拉索上進行攀爬

表3 機器人在各規(guī)格拉索上攀爬速度

對機器人本體稱重，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，測試中機器人連續(xù)運行1 h后，電池仍能對機器人供電保證機器人正常運行，滿足性能指標(biāo)6要求。在戶外相隔300 m對機器人進行控制測試，如圖9所示。兩個操作員攜帶機器人到距控制人員346 m遠(yuǎn)的地方，控制人員對機器人發(fā)送控制指令和接收機器人反饋的數(shù)據(jù)，機器人側(cè)操作人員觀察機器人是否能按接收到的指令正常運行。測試結(jié)果表明，機器人可以接受指令并正常運行，控制人員也可以接收到機器人反饋的數(shù)據(jù)，滿足性能指標(biāo)7要求。

圖9 機器人遠(yuǎn)程操控測試

為了驗證機器人足掌模塊的可行性，同時驗證采用該足掌模塊的機器人系統(tǒng)進行大負(fù)載仿生攀爬的可行性，對由攀爬前體(本文所述機器人)和負(fù)載本體組成的機器人系統(tǒng)進行攀爬測試，如圖10所示。測試證明，該欠驅(qū)動足掌模塊和仿生式機器人系統(tǒng)攀爬是可行的。

圖10 仿生機器人系統(tǒng)攀爬

4 結(jié)束語

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