斜拉桥缆索检测机器人系统研究

秦雪涛+陈卫东

摘 要：文章介绍了斜拉桥缆索檢测机器人的结构组成。斜拉桥缆索是斜拉桥至关重要的组成部分，其寿命决定了整个桥梁的使用寿命。因此迫切需要定期对斜拉桥的拉索进行检测和维护。而机器人检测法是进行斜拉桥检测的众多方法中最便捷、高效、经济的。文章介绍的斜拉索机器人由机械结构、驱动部分、数据采集部分组成，将机械、电气、传感器融合在一起组成了一套全新的机电设备。该设备具有操作简便、结构简单、故障率低、运行效率高等优点。从而为斜拉桥缆索检测提供了一套完整可行的方法。

关键词：斜拉桥缆索；机电一体；多传感器融合

引言

斜拉桥由于其采用拉索来代替梁式桥的支墩，因此其成为了大跨度桥梁的主要桥型。斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成。拉索作为斜拉桥的主要承重构件，是斜拉桥的"生命线"，造价占整座桥梁的30%左右[1]。定期针对拉索进行检测及维护工作对延长其服役寿命具有重要的意义。

斜拉索是一种架设在高空的特殊杆状构件，内部钢丝束是拉索主要受力部分，钢丝束外层沿拉索长度方向连续缠绕右旋的细钢丝，或使用纤维增强聚氨酯带替代细钢丝缠绕，最外层使用黑色或彩色的高密度聚乙烯护套。索缆断面结构呈正六边形或缺角六边形紧密排列[2]。

注：1-高强度钢丝绳；2-缠绕细钢丝或纤维增强聚氨酯带；3-聚乙烯保护套；4-最外层聚乙烯保护套

斜拉桥索缆长期处于露天服役状态，经历风吹雨淋日晒，其聚乙烯护套会产生不同程度的硬化和开裂现象，导致保护套内的钢丝束产生腐蚀。另外，拉索的无规则振动也会引起钢丝磨损。上述情况都会减低索缆的使用寿命，从而在斜拉桥使用过程中产生严重的隐患。国内外已发生过多起斜拉桥断缆或是因索缆严重腐蚀而导致斜拉桥整体换索的不幸事件[3]。例如委内瑞拉的Maracibo桥，英国的Wye桥，中国的广州海印桥，四川宜宾南门大桥，济南黄河大桥等。因此，为减少斜拉桥拉索高昂的维护费用同时延长索缆的使用寿命，对在役拉索进行定期的检测和维护显得尤为重要。

世界第一座斜拉桥是1955年德国DEMAG公司在瑞典修建的主跨为182.6m的斯特伦松德（Stromsund）桥[4]。斜拉桥的发展至今也仅经历了62年，属于新桥型，因此针对拉索的检测措施还很不完善。目前索缆常规检查方法包括以下三种：人工目测法、支架法、吊篮检测和维护法。人工目测法是未借助其它机械外力，单单依靠目测设备进行观测、检查。由于缆索表面一般布满灰尘，此法不能把缆索表面所有部分检查清楚，并且并非每一个位置都具备通视的条件。而支架法只适用于斜拉索较少的情况，这是因为该方法操作效率低下，使用成本高且影响交通，操作人员工作环境极端恶劣，甚至会出现人员伤亡事故。至于吊篮检测和维护法，在索塔塔顶设立定滑轮吊点，使用卷扬机经定滑轮将载有人和涂料的吊篮缓慢拉升至塔顶。操作人员在高空中对全部缆索实行检查和维护工作。此方法可满足斜拉索的日常维护检查需求，并且可以维修表层的PE管，整体效果较好。然而检查设备结构复杂，费用高昂，仅适合大跨度斜拉索桥，同时该设备质量大，会造成缆索护套的二次损伤[5]。

以上三种检测方法各有局限，都不能便捷有效地对缆索实现定期检测和保养。因此本课题组开发了一种可以沿着索缆自动爬升的检测机器人，通过机器人携带的摄像头对拉索表观病害进行拍摄并将信号远程传回地面，通过人工判断拉索表皮的缺损状况及损坏位置。该技术可以提高拉索检测维护的效率和安全性，降低维护成本，具有良好的应用前景。

2 系统构成

2.1 爬升系统

注：1-缆索；2-机身圈；3-控制模块；4-机身连杆；5-驱动轮；6-步进电机；7-从动轮；8-压紧弹簧

缆索检测机器人机械部分结构如图3所示。机器人由两个机身环以及联接两个机身环的四根连杆组成。机器人爬升动力系统由四个驱动电机带动四个驱动轮以及两个自适应调整从动轮组成。驱动电机输出轴仅提供爬升所需的扭矩，爬升时所需的摩擦力由驱动轮提供，驱动轮所受到的径向力由驱动轮支架提供。可以通过调节六个分别均布在圆周上的导轮支架距离索缆的距离实现适应各不同直径的索缆。支撑从动轮的弹簧可以实现该机器人的越障功能。该机器人的特点是结构简单，易于制造及使用。

2.2 控制系统

爬索机器人的电气部分分成以下五个子系统：

运动控制系统，无线通讯系统，图像传输系统，电源系统，以及地面图像接收及控制系统，其框架示意图如下：

地面控制系统是由图像接受、运动控制软件和无线通讯模块组成，机器人通过地面控制实现上下爬行动作，将特定位置处的病害信息通过图像传输系统返回控制端电脑。通过控制端，操作人员可以实现机器人远程操控，实现诸如：前进、后退、停止、加速、减速、拍摄、视频传输等动作。上位机发送指令，该指令通过串口传输给无线收发模块，无线收发模块将数据传输到安装在缆索检测机器人上的无线接受模块，该模块再通过串口将指令发给控制系统，从而实现对缆索检测机器人的运行控制。缆索检测机器人控制流程图如下：

缆索检测机器人前端装有四个摄像头，可以覆盖整个圆周范围缆索表面病害情况。无线图像传输模块将录制的视频实时的传输到地面控制平台的电脑终端上，电脑终端上装有视频采集卡，将图像通过显示器显示同时将视频保存在本地。机器人通过记录步进电动机的脉冲数以及编码器行走过的脉冲数计算并校准其行走的距离，实施反馈机器人在缆索上所处的位置，便于后期病害确切位置的确认和整理。

电源系统提供给各子系统能量，因为缆索检测机器人有四个步进电机，电机消耗的电量较大，爬升系统对重量要求比较苛刻，而锂电池的重量跟该系统的功率成正比，因此要选择一个合适容量的电池，既能满足该系统的功率消耗，又能满足该系统的工作时间。

2.2.1 主控模块

控制系统包括信号转化模块、主控模块和I/O量控制模块，信号转化模块为M-7520，该模块作用是将无线模块的232信号转化为主控模块需要的485信号[6]。

主控模块为M-7055，该模块为步进电机控制模块，该模块可以同时控制四路步进电机的运行及刹车功能。缆索检测机器人装置有四个电机，该模块可以满足要求。

缆索检测机器人在检测到缆索有异常情况时，需要定位缆索异常位置，根据步进电机正转和反转的脉冲数，可以计算出步进电机的位移，从而定位出缆索有异常情况的位置。同时通过安装在机身上的编码器对计算得的电机位移进行校准。从而得到准确的位置信息。需要注意的是每次机器人爬升之前，要把该模块的正转脉冲和反转脉冲清零。不能在启动时给予步进电机很高的初始加速度，如果启动时给步进电机一个很高的频率，步进电机将发生堵转的现象，这点在应用的过程中要特别注意，以免损坏步进电机。

2.2.2 无线通讯系统

缆索检测机器人是通过地面控制平台进行操作的，因此采用2.4G无线技术。2.4G无线技术，是其频段处于2.405-2.485GHZ（科学，医药，农业）之间，所以简称2.40G无线技术[7]。这个频段是国际规定的免费频段，是不需要向国际相关组织缴纳任何费用的。2.4G工作方式是全双工模式传输，在抗干扰性，传输距离上比较有优势。

2.2.3 图像系统

图像系统由4个摄像头和图像传输模块组成，在图像无线传输的同时，图像数据保存在摄像头内部硬盘里。图像传输模块也是采用2.4G技术，在地面控制平臺上，笔记本装有数据采集卡，可以将图像显示在笔记本上。

2.2.4 电源系统

电源系统采用锂电池供电的方式，锂电池比传统的铅酸电有着重量轻、能量大等优点，因此，虽然从价格上锂电池比传统的铅酸电池要贵，但是现代仪表一般都采用锂电池的供电方式。

2.2.5 爬升系统

爬升系统是由4个扭矩为5Nm的步进减速电机构成的，机器人静止时，由刹车提供的扭矩来克服系统的重力，机器人运行的时候，由电机产生向上的扭矩来克服重力。

2.2.6 地面控制平台

地面控制平台是由运行在笔记本上的程序和无线收发模块组成的。由于C#界面友好，执行效率高，因此采用C#开发的程序作为控制界面，可以在界面上对机器人进行实时控制，并可以实时读取摄像头的视频画面[8]。

3 索缆检测机器人试验验证

3.1 试验条件

为了验证机器人各组成部分的工作性能和稳定性，以及缆索外观病害的测试效果，爬索机器人完成试制后，在室内进行了模型试验，分别对机器人的控制性能、负载能力、远程有效控制距离，图像传输性能和回收机制进行了测试和分析。

试验采用长6m、直径160mm的PVC圆形管线对拉索进行模拟，这个直径也是目前上海越江大桥中最为典型的一种拉索直径。通过调整PVC管的倾斜角度以模拟不同位置的拉索情况。由于PVC管表面要比实际拉索护套光滑，所以使缆索检测机器人的爬行处于不利情况，其测试结果偏于保守。

3.2 爬行角度测试

由于现场拉索的角度随着桥梁规模的不同差异很大，通常位于边缘的索缆角度较为缓和，索缆越靠近主塔，其角度越大。如果是拱桥，其吊杆处于竖直状态。不同倾斜角度对机器人的爬升性能有不同的要求，这就要求所设计的机器人具有足够动力和爬升能力可以适应拉索不同角度的变化。

试验中将机器人在模型拉索上安装完成后进行上下爬升试验，主要测试机器人爬行姿态的可操控性和爬行稳定性。根据不同倾斜角度，模型试验中共设计了0°、30°、45°、60°和90°等五个不同工况，对机器人的爬升性能进行测试，如图6所示。

实测结果显示，根据索径调整弹簧夹紧程度，机器人可以实现不同倾斜角度的自由爬升，整个爬升过程中速度均匀，姿态稳定，没有出现打滑或者卡死状态，能够很好的满足预定的爬升功能。

3.3 爬升速度测试

分别在拉索倾斜角为0°、45°和90°状态，对机器人的爬行速度进行测试，主要考察机器人在远程控制条件下速度的可操控性和稳定性。实际测试显示，在空载的情况下，机器人最快可以达到8m/min的爬行速度，在桥梁检测中，如果对一根300m的缆索进行测试，检测机器人最快可以在40min内完成一根缆索的测试，这个效率能够完全满足我们的测试要求。

3.4 负载能力测试

为了进一步考察机器人的负载能力，选择拉索处于90°的最不利状态，通过砝码逐级加载，对机器人在静止状态和爬行状态下的负载能力进行测试（如下图7所示）。在每一级加载完成后分别对机器人的静止状态和爬行状态的稳定性进行测试，逐级加载，直至机器人出现打滑现象。

测试结果显示，在现有的模型拉索表观特征的前提下，机器人在静止状态下的负载能力可以达到20kg；匀速爬升时，负载能力为10kg。可以推测，随着拉索测试角度的变小，机器人的负载能力则进一步提高。

3.5 远程有效控制距离测试

由于桥梁规模和设计结构的不同，拉索之间的长度差异很大，短的只有几米，长的可以达到500m。为了确保机器人始终在有效的通讯范围之内，要求机器人的远程通讯范围能够覆盖拉索的最大长度。

试验中通过移动控制端和机器人的距离进行远程有效控制距离测试。通过测试，在空旷的无障碍物条件下，500m之内可以对机器人进行有效的控制，这个距离可以满足大部分拉索的远程测试要求。

3.6 图像传输性能测试

由于索缆表观缺陷只能通过摄像系统实时传输到地面控制台进行远程观测和定位。图像清晰度主要取决于摄像头的配置，而数据的稳定性和可靠性则取决于图像的传输系统。实测效果显示，机器人在爬行过程中返回的图像信号清晰稳定，可以满足现场测试的需求。

3.7 爬索机器人现场测试

测试结果显示缆索检测机器人可以根据索径调整弹簧夹紧程度，实现不同倾斜角度的自由爬升（如图9所示），能够通过远程控制实现病害的实时分析和定位，可以有效提高拉索表观缺陷检测的效率和安全性，降低维护成本。

参考文献

[1]袁建明，武新军，康宜华，等.可重构斜拉索磁性无损检测机器人技术研究[J].武汉理工大学学报，2008（6）.

[2]余朝阳.利用机器人检查斜拉索初探[J].广东公路交通，2009（4）.

[3]刘建民，徐宝富，梁卫冲.斜拉桥拉索特种作业机器人[A]//中国工程机械学会.2003年年会论文集[C].2003.

[4]徐丰羽.斜拉桥拉索检测机器人关键技术研究[D].南京：东南大学，2009.

[5]张家梁，吕恬生，罗均.大倾斜度缆索机器人的研制[J].高技术通讯，2001（1）.

[6]Pradip N.Sheth.The Use of Robotics for Nondestructive Inspection of Steel Highway Bridges and Structures[J].VTRC OS-CR8 Virginia Transportation Research Council，2005（1）：30.

[7]Cetinkaya U.Robotic System for NDE Inspection of Highway High-mast Light/Camera Poles[D].Deparhnent of Mechanical and Aerospace Engineering， University of Virginia Charlottesville，2000.

[8]Ali Baghani，Majid Nili Ahmadabadi，Ahad Harati. Kinematics Modeling of a Wheel-Based Pole Climbing Robot（UT-PCR）[J].Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation Barcelona Spain，2005（5）：2099-2104.