趙文瑞 王大剛 劉暢 許善超 劉濤

摘? 要：為了解決懸索橋主纜自主檢修儀器搭載平臺(tái)問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決懸索橋主纜檢測(cè)機(jī)器人的自主行走的越障、振動(dòng)穩(wěn)定性、自適應(yīng)軌跡等問題，最后實(shí)現(xiàn)懸索橋主纜損傷檢測(cè)機(jī)器人能搭載檢測(cè)設(shè)備并能沿著主纜軌跡自主移動(dòng)進(jìn)行主纜損傷檢測(cè)，同時(shí)能躲避主纜上障礙結(jié)構(gòu)，并具有一定的抗震動(dòng)、抗風(fēng)的穩(wěn)定性，該文提出一種懸索橋主纜損傷檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：懸索橋;主纜探傷;機(jī)器人設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242;U448.25? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）22-0130-03

Design of the Flaw Detection Robot for the Main Cable of Suspension Bridge

ZHAO Wenrui，WANG Dagang，LIU Chang，XU Shanchao，LIU Tao

（School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou? 221116，China）

Abstract：In order to solve the problem of the carrying platform for autonomous inspection instrument of the main cable of the suspension bridge，the structure design solves the problems of the autonomous walking of the suspension bridge main cable detection robot，such as obstacle crossing，vibration stability，and adaptive trajectory. Finally，it is realized that the main cable damage detection robot of the suspension bridge can be equipped with detection equipment and can move autonomously along the main cable trajectory for main cable damage detection. At the same time，it can avoid the obstacle structure on the main cable and has a certain degree of stability against vibration and wind. In this paper，a mechanical structure of main cable damage detection robot for suspension bridge is proposed.

Keywords：suspension bridge;flaw detection of main cable;robot design

0? 引? 言

懸索橋是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構(gòu)件的橋梁，由主纜、鞍座、錨碇、吊桿、加勁梁等部分組成。主纜是懸索橋主要的承重結(jié)構(gòu)，主纜的磨損、腐蝕和疲勞斷絲將導(dǎo)致主纜承載強(qiáng)度降低、服役安全性變差，一旦主纜失效，會(huì)致使懸索橋發(fā)生坍塌，嚴(yán)重危及生命安全，并會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。在懸索橋主纜損傷檢測(cè)行業(yè)，現(xiàn)有對(duì)于主纜越障機(jī)構(gòu)的專利較少，主要有：鎮(zhèn)江藍(lán)舶科技股份有限公司相關(guān)生申請(qǐng)人采用主輔輪交替工作從而達(dá)到小車越障目的;無錫金誠(chéng)工程技術(shù)服務(wù)有限公司相關(guān)申請(qǐng)人采用扶手繩行走軌跡和吊籃的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)多方位移動(dòng)的行星式小車;鎮(zhèn)江藍(lán)舶工程科技有限公司相關(guān)生申請(qǐng)人采用排輪以及偏位糾正輪達(dá)到行走目的[1，2]。目前懸索橋主纜損傷檢測(cè)多采用人工檢修的方式，存在成本高、效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高的問題。

本項(xiàng)目指導(dǎo)老師王大剛致力于懸索橋主纜機(jī)械健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與探傷機(jī)器人技術(shù)的研究，特別是主纜安全性及服役壽命評(píng)估研究。作者所在課題組為解決主纜檢修儀器搭載平臺(tái)問題設(shè)計(jì)了一種可用于懸索橋無人化檢測(cè)的懸索橋主纜探傷機(jī)器人，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可為檢測(cè)儀器提供檢測(cè)平臺(tái)。該機(jī)器人可降低檢測(cè)成本，提高檢測(cè)效率。設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)可通過懸索橋主纜索夾、吊索等障礙，并通過M型展出架結(jié)構(gòu)以及壓緊輪來確保機(jī)器人行駛的穩(wěn)定性。對(duì)懸索橋主纜檢修工作具有重要意義。

1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1? 設(shè)計(jì)要求

具體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）最大儀器載重10 kg;

（2）行駛速度范圍可變，適應(yīng)不同檢測(cè)儀器速度要求;

（3）輕便、易于組裝拆卸;

（4）檢測(cè)功能要求。

1.2? 針對(duì)懸索橋主纜扶手繩、吊索、風(fēng)速影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在懸索橋中行走時(shí)，空間阻礙結(jié)構(gòu)主要有扶手繩（圖1部件5）、吊索（圖1部件8），這要求機(jī)器人結(jié)構(gòu)不能與其發(fā)生干涉;當(dāng)主纜因橋體震動(dòng)或高空風(fēng)力影響時(shí)，主纜結(jié)構(gòu)需提供應(yīng)有的支撐穩(wěn)定性，保證機(jī)器人檢測(cè)的安全性。

對(duì)懸索橋主纜扶手繩、吊索的避障問題，本項(xiàng)目提出通過形成類似“M”的展出半封閉式支架結(jié)構(gòu)（圖1部件2）避開扶手繩及吊索。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加入扶手繩導(dǎo)輪（圖1部件1），導(dǎo)輪內(nèi)軸承選擇GB/T 276-94深溝球軸承，在減少支架因摩擦削弱扶手繩強(qiáng)度的同時(shí)規(guī)定機(jī)器人行駛路徑，避免偏離預(yù)期軌跡。

主纜防腐涂層許用壓強(qiáng)為2.50 Mpa，機(jī)器人行駛主纜處最大仰角α=26°行駛時(shí)因角度變化范圍以及主纜表面濕度影響，機(jī)器人行駛途中履帶所需摩擦力可能出現(xiàn)不足[3];在主纜下表面M型展出架下設(shè)置兩對(duì)壓緊輪（圖1部件7），壓緊輪伸縮由電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠（圖1部件4）進(jìn)行順序動(dòng)作，壓緊輪在不同工況下可根據(jù)需要展開，且可提供不同的壓緊力來確保機(jī)器人的穩(wěn)定。當(dāng)出現(xiàn)震動(dòng)、強(qiáng)風(fēng)等情況時(shí)，需要確保機(jī)器人可靠停車，同時(shí)壓緊輪可作為另一固定支點(diǎn)確保機(jī)器人不出現(xiàn)側(cè)翻。壓緊輪所選橡膠材質(zhì)有利于保護(hù)主纜防腐涂層，同時(shí)輪面接觸壓緊變形為4.12 mm[4]，此時(shí)單個(gè)壓緊輪與主纜的接觸面積為A壓緊輪=14.02 mm×40.00 mm=560.80 mm2設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供最大壓緊力為1 200 N，則對(duì)于主纜防腐涂層的最大壓強(qiáng)為P壓緊輪=1 200 N/560.80 mm2=2.13 Mpa，小于許用壓強(qiáng)2.50 Mpa，安全系數(shù)為1.17。因行駛過程中壓緊輪需通過索夾表面，考慮到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡，在壓緊結(jié)構(gòu)處設(shè)計(jì)多個(gè)彈簧緩沖裝置，使得壓緊輪自適應(yīng)調(diào)整水平方向的力，保證機(jī)器人水平方向上始終受力平衡，以便于平順檢測(cè)。M型展出架上設(shè)有檢測(cè)儀器搭載平臺(tái)，沿主纜徑向軸向分設(shè)4個(gè)不同檢測(cè)機(jī)位（圖1部件3），可為其提供全方位損傷檢測(cè)位置。因兩展出架距離較大，故M型展出架設(shè)有三處橫梁保證前后展出架同步;展出架采用鋁合金材料，保證輕便的同時(shí)也保障展出架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.3? 針對(duì)懸索橋索夾結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖2所示，懸索橋主纜上每隔一段距離安裝有索夾，索夾起到箍緊主纜的作用，同時(shí)連接著吊索，承擔(dān)著吊起懸索橋的拉力，索夾是懸索橋必不可少的結(jié)構(gòu)，擔(dān)任重要的角色。機(jī)器人要在主纜上運(yùn)動(dòng)，需要避開索夾及其產(chǎn)生的障礙。索夾的對(duì)于機(jī)器人行走的障礙主要表現(xiàn)在索夾在主纜上表面的螺栓連接處（圖2部件1）和吊索（圖2部件2）的分布。

針對(duì)索夾上表面連接處的障礙，機(jī)器人采用提高底座、增大履帶間空間來實(shí)現(xiàn)避障，同時(shí)將底座分布設(shè)計(jì)成“倒V”結(jié)構(gòu)，增大下部空間的同時(shí)，也能使機(jī)器人上部分結(jié)構(gòu)緊湊。履帶帶輪與底座通過輪轂裝配后，使履帶表面與主纜表面相切，達(dá)到增大接觸面積、履帶接觸正壓力方向沿徑向的目的（圖1部件6）。

針對(duì)索夾上吊索結(jié)構(gòu)形成的障礙，機(jī)器人在下部設(shè)計(jì)了由滾珠結(jié)構(gòu)連接的壓緊輪，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，使壓緊輪結(jié)構(gòu)圍繞固定支點(diǎn)上下翻轉(zhuǎn)，待機(jī)器人行進(jìn)至索夾結(jié)構(gòu)處，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿結(jié)構(gòu)使得壓緊輪結(jié)構(gòu)向上翻轉(zhuǎn)，避開吊索，待經(jīng)過索夾結(jié)構(gòu)后，電機(jī)再反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿結(jié)構(gòu)使得壓緊輪復(fù)位，對(duì)主纜產(chǎn)生壓緊作用。機(jī)器人的受力情況如圖3所示。

對(duì)機(jī)器人進(jìn)行受力分析，主纜所給的支反力并未處于同一平面，向兩支反力中點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于機(jī)器人行動(dòng)比較緩慢，可看作靜態(tài)進(jìn)行受力分析。主纜對(duì)左右履帶的支反力F1，F(xiàn)2與豎直方向夾角為θ;主纜對(duì)左右壓緊輪的正壓力Fa，F(xiàn)b與豎直方向夾角為α;機(jī)器人自重G;簡(jiǎn)化力系得出平衡方程為：

F1cosθ+F2cosθ=G+Facosα+Fbcosα，且滿足F1=F2，F(xiàn)a= Fb，據(jù)已知條件α=70.27°，θ=17.49。當(dāng)履帶出現(xiàn)最大壓緊力時(shí)，即靜止?fàn)顟B(tài)壓緊輪力為最大時(shí)，履帶對(duì)表面的壓強(qiáng)最大，故取Fa=Fb=1 200 N;機(jī)器人支架及雙孔梁采用鋁合金材料，所占體積為15.36 dm3，為減少對(duì)主纜表面防腐涂層的破壞，機(jī)器人的履帶采用柔性橡膠材料，橡膠履帶體積9.56 dm3，考慮到電機(jī)、電源以及檢測(cè)儀器的重量，估算滿載總重為70 kg;帶入上述數(shù)據(jù)解得F1=360 050.45 N;履帶與主纜表面接觸面積S=1.52 m2;四條履帶平均壓強(qiáng)為0.12 Mpa，滿足涂層的許用壓強(qiáng)2.50 Mpa，其應(yīng)力安全系數(shù)為20.8，滿足設(shè)計(jì)要求。因履帶接觸面積較大，平均壓強(qiáng)較小，爬坡時(shí)前后壓力比的變化可不予考慮。

2? 電機(jī)電源選型

懸索橋主纜探傷機(jī)器人主要用于懸索橋主纜的日常檢測(cè)，減小檢修工人的工作強(qiáng)度，降低檢修車對(duì)主纜可能造成的損傷。在運(yùn)行過程中，由于需要跨越鎖夾等障礙物的阻礙，所需要的驅(qū)動(dòng)功率為P=500 W?？紤]工作能力及經(jīng)濟(jì)因素，要求機(jī)器人能雙向正反運(yùn)動(dòng)，故選用80BL110S50-445TK9無刷直流電機(jī)（額定電壓48 V，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩1 600 N，空載電流1.5 A，額定電流14.8 A）。

為使機(jī)器人在懸索橋上行走平穩(wěn)，需要下方的四個(gè)壓緊輪提供1 200 N壓力，且可以視行走狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用32位DSP數(shù)字式86全閉環(huán)恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)，可為壓緊輪提供恒定力矩且能夠自由調(diào)節(jié)。

機(jī)器人需要在遠(yuǎn)離地面的位置持續(xù)工作，電源使用可移動(dòng)電源，便于更換、維護(hù)且可以多次充電。最終我們選擇了技術(shù)較成熟，安全、綠色、環(huán)保的鋰電池作為機(jī)器人的動(dòng)力供給源。具體型號(hào)為松下48 V鋰電池組，工作電壓48 V，電池容量32 Ah，續(xù)航時(shí)間為滿電狀態(tài)下空載6 h，載重3 h。

3? 三維建模以及工作順序概述

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人運(yùn)用SolidWorks以及AutoCAD軟件，設(shè)計(jì)出了機(jī)器人的三維整體模型，同時(shí)根據(jù)懸索橋數(shù)據(jù)建立典型懸索橋模型;通過建立的機(jī)器人整體模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)分析，檢查有無干涉等問題;可采用3D打印技術(shù)等比例搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的可靠性。

懸索橋主纜探傷機(jī)器人的工作原理是：機(jī)器人通過第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶，進(jìn)而使機(jī)器人沿著主纜上表面移動(dòng)，M型展出架下方的壓緊輪通過彈簧的壓緊作用增大驅(qū)動(dòng)履帶與主纜的正壓力，增大摩擦力;壓緊輪上方通過第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)移動(dòng)桿移動(dòng)，移動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)壓緊輪繞固定支點(diǎn)上下翻轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到索夾和吊索處，先控制運(yùn)動(dòng)在前面的M型展出架上的兩臺(tái)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)使得壓緊輪向上翻轉(zhuǎn)，后面兩個(gè)壓緊輪保持原有狀態(tài)，當(dāng)前面的兩個(gè)壓緊輪通過障礙后，通過控制第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)使得壓緊輪向下翻轉(zhuǎn)，最后當(dāng)后面兩個(gè)壓緊輪運(yùn)動(dòng)到障礙處，后兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)再重復(fù)前兩個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，最后使得機(jī)器人通過障礙，以此實(shí)現(xiàn)針對(duì)索夾和吊索的越障功能。M型展出架上方設(shè)置了導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)與主纜的扶手繩接觸配合，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)始終沿著扶手繩的方向，防止偏離既定的運(yùn)動(dòng)路線，確保機(jī)器人移動(dòng)過程的穩(wěn)定性。這些結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)有：

（1）能適應(yīng)不同斜度等狀況防止失穩(wěn)，且不會(huì)對(duì)主纜造成二次破壞;

（2）能在懸索橋所處風(fēng)速、震動(dòng)下穩(wěn)定行駛并工作;

（3）行駛平穩(wěn)，不會(huì)與主纜扶手繩、索鞍等配件發(fā)生干涉;

（4）便于攜帶動(dòng)力設(shè)備以及檢測(cè)儀器。

懸索橋機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)三維模型如圖4所示。

4? 結(jié)? 論

隨著懸索橋的大量建造與服役，懸索橋主纜的損傷檢測(cè)與安全性問題越來越受重視。本文設(shè)計(jì)了一種懸索橋主纜損傷檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，以幫助檢修人員在進(jìn)行懸索橋檢修時(shí)降低成本、提高效率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)。本機(jī)器人采用履帶傳動(dòng)，500 W直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可進(jìn)行大范圍無級(jí)調(diào)速，能適應(yīng)不同檢測(cè)儀器的速度要求;履帶布局相對(duì)主纜豎直中心線呈17°分布;設(shè)有兩個(gè)M型展出架，下設(shè)壓緊輪等主要避障機(jī)構(gòu)，壓緊輪由全閉環(huán)恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大壓緊力達(dá)1 200 N;搭載48 V鋰電池組，可供機(jī)器人實(shí)現(xiàn)搭載檢測(cè)設(shè)備自主移動(dòng)且能平穩(wěn)越障。對(duì)于懸索橋纜索檢修無人化的發(fā)展具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：趙文瑞（1998—），男，漢族，寶雞隴縣人，本科，研究方向：機(jī)械工程。