斜拉桥拉索检测机器人关键技术研究

摘要

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：2006AA04Z234)，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3.5kg重物，沿直径为65mm～205 mm、倾角为30°～90°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。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2课题研究意义及社会经济效益分析

1.1.3课题来源

1.2国内外相关研究现状

1.2.1缆索涂装机器人

1.2.2杆类及管道类爬升机器人

1.2.3桥梁拉索内部钢丝无损检测研究现状

1.3可借鉴的爬壁机器人的吸附方式和驱动方式分析

1.3.1爬壁机器人的吸附方式分析

1.3.2机器人的驱动方式分析

1.4拉索检测机器人

1.5论文的主要内容安排

第2章拉索检测机器人总体方案

2.1拉索检测机器人总体方案

2.2特种爬升机器人运动方案的分析与比较

2.2.1夹紧蠕动式移动机器人

2.2.2多足式行走机器人

2.2.3履带式行走机器人

2.2.4轮式移动机器人

2.3拉索检测机器人的爬升方案

2.3.1机器人工作环境

2.3.2几种典型爬升方案的分析比较

2.4两种光直斜拉索检测机器人本体结构

2.4.1机器人爬升原理

2.4.2三边轮式爬升机器人

2.4.3双边轮式爬升机器人

2.4.4拉索检测机器人动力系统

2.5磁吸附—弹簧支撑式螺旋爬升拉索检测机器人

2.6本章小结

第3章 拉索检测机器人节能安全回收方法研究

3.1基于反电动势理论的节能回收方法

3.2机器人故障安全回收方法研究

3.2.1机器人故障安全回收机构研究

3.2.2故障安全回收机构分析

3.3机构偏转安全性能分析与救援方案设计

3.3.1机构跑偏安全性能分析

3.3.2机器人救援方案设计

3.4本章小结

第4章 拉索检测机器人越障性能分析

4.1拉索障碍的描述

4.2双边轮式拉索检测机器人越障性能分析

4.3从动轮独立支撑模型

4.4机器人主动轮越障运动学、动力学分析

4.4.1机器人主动轮越障时运动学分析

4.4.2机器人主动轮越障动力学分析

4.5机器人从动轮2越障运动学、动力学分析

4.5.1机器人从动轮2越障运动学分析

4.5.2机器人从动轮2越障动力学分析

4.6机器人爬升性能的评价方法

4.6.1主动轮爬升能力分析

4.6.2从动轮2爬升能力分析

4.6.3主动轮橡胶承载能力分析

4.7机器人越障能力仿真分析

4.8本章小结

第5章 拉索检测机器人结构动态性能分析与设计

5.1斜拉桥拉索的自由振动特性分析

5.2拉索和机器人的相互影响分析

5.2.1机器人对拉索固有频率的影响

5.2.2机器人匀速运动时拉索的动态响应

5.3拉索振动仿真分析

5.3.1拉索的固有频率及主振型

5.3.2拉索的动态响应分析

5.4拉索相似性动力分析与实验研究

5.4.1相似准则和相似常数的建立

5.4.2拉索相似模型

5.4.3模型拉索的固有频率

5.4.4模型拉索的振动响应

5.5高空风载实验仿真系统研制

5.5.1平均风速廓线的模拟计算

5.5.2小型低速风洞系统的研制

5.5.3拉索检测机器人高空风振响应研究

5.6机器人固有频率特性分析

5.7本章小结

第6章 模块化索丝断裂检测传感器设计

6.1钢丝无损检测原理

6.1.1漏磁检测原理

6.1.2钢丝的磁化

6.1.3检测传感器

6.2磁检测系统总体方案

6.2.1斜拉桥拉索磁检测的特殊性

6.2.2磁检测系统整体方案

6.3模块化励磁检测传感器

6.3.1模块化励磁检测传感器的结构

6.3.2改进的模块化励磁检测传感器

6.4斜拉桥拉索检测实验平台

6.4.1实验钢丝与拉索

6.4.2实验平台的组成

6.5基于滑动平均法的拉索检测信号处理

6.5.1滑动平均法的基本原理

6.5.2应用滑动平均法处理拉索损伤信号

6.6基于分步去趋势算法(Detrending Algorithm)的信号处理

6.6.1分步去趋势算法简介

6.6.2应用分步去趋势算法处理拉索损伤信号

6.7基于数字滤波器的信号处理算法

6.8改进后的励磁检测传感器采集的数据

6.9本章小结

第7章 拉索表面损伤视觉检测系统及现场实验

7.1拉索表面损伤视觉检测系统的总体功能

7.2拉索表面损伤视觉检测系统的实现

7.2.1机器人的视觉检测系统

7.2.2机器人的控制系统

7.2.3机器人的地面监控系统

7.3拉索检测机器人系统实验

7.3.1机器人室内爬升实验

7.3.2机器人安全节能回收方法实验

7.3.3机器人大桥现场爬升实验

7.3.4拉索表面损伤视觉检测系统实验

7.4拉索保护层表面伤痕检测算法设计

7.4.1拉索保护层表面边界检测与图像提取算法的设计

7.4.2拉索表面伤痕图像检测算法的设计

7.5拉索检测机器人的实际工程应用

7.6机器人结构的模块化改进

7.7未来斜拉索故障检测系统的总体功能

7.8本章小结

第8章 总结与展望

8.1研究工作总结

8.2本文的主要贡献和创新

8.3未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文及申请的专利

附录