秦理，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510006)

改革開(kāi)放以來(lái)，斜拉索橋作為現(xiàn)代橋梁的新形式，在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，纜索作為斜拉橋的主要構(gòu)件之一，造價(jià)占整座橋梁的25%～30%。20世紀(jì)80年代之后興建起大批的斜拉橋，目前正在逐步進(jìn)入老化期，由于拉索長(zhǎng)期處于露天服役狀態(tài)，經(jīng)20來(lái)年風(fēng)吹雨淋日曬，其聚乙烯護(hù)套會(huì)產(chǎn)生不同程度的硬化和開(kāi)裂現(xiàn)象，從而使護(hù)套內(nèi)的鋼絲束發(fā)生腐蝕;另外，隨機(jī)振動(dòng)也會(huì)引起鋼絲的磨損，這些都會(huì)嚴(yán)重影響拉索的使用壽命，給斜拉橋的正常使用埋下嚴(yán)重的隱患。

目前的纜索檢測(cè)機(jī)器以電驅(qū)動(dòng)式和氣動(dòng)蠕動(dòng)式兩種機(jī)器人為典型［1］，爬行時(shí)需要施加一個(gè)夾緊力在滾動(dòng)輪與纜索之間，夾緊力保證輪與纜索之間產(chǎn)生一個(gè)足夠大的摩擦力，來(lái)克服自身重力、風(fēng)力，保證爬升過(guò)程中不發(fā)生墜落或打滑。然而纜索的表面通常都涂有防止聚乙烯護(hù)套老化的防護(hù)漆，夾緊過(guò)度將會(huì)損壞防護(hù)漆并且使纜索產(chǎn)生變形，對(duì)纜索造成二次傷害［2］。斜拉橋纜索機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是:如何在輪與纜索之間施加一個(gè)大小合適的夾緊力，夾緊力過(guò)大會(huì)造成拉索損傷;夾緊力不夠，機(jī)器人由于摩擦力不足很難運(yùn)動(dòng)，在斜纜索上容易晃動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)機(jī)器人沿較大傾斜度的纜索爬升時(shí)，必須在纜索表面施加較大的夾緊力，以保證與纜索之間產(chǎn)生的摩擦力足以克服自重、負(fù)載及風(fēng)力等而不下落或打滑。目前可查的幾款機(jī)器人都是采用彈簧施壓的方式產(chǎn)生夾緊力，該夾緊力均按機(jī)器人垂直狀態(tài)的最大力進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能根據(jù)所攀爬的纜索狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，這顯然對(duì)于減少機(jī)器人爬行的二次損壞和合理選用電機(jī)功率將產(chǎn)生重大影響［3］，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，質(zhì)量太大，從而給機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、控制、安全保護(hù)帶來(lái)一系列的問(wèn)題。

針對(duì)以上不足，作者在改進(jìn)現(xiàn)有纜索機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之上，設(shè)計(jì)了一種帶自?shī)A緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的纜索機(jī)器人，能根據(jù)纜索狀態(tài)進(jìn)行夾緊力的自適應(yīng)模糊控制。根據(jù)打滑檢測(cè)器對(duì)爬行狀態(tài)進(jìn)行判斷，氣動(dòng)夾緊裝置的夾緊壁視需求以最適宜的夾緊力對(duì)纜索進(jìn)行夾持，可實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)檢測(cè)機(jī)器人就能檢測(cè)同一座斜拉橋上所有直徑的纜索。自?shī)A緊功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)于纜索機(jī)器人的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和保護(hù)纜索免受檢測(cè)二次傷害，將具有積極的意義［4］。

1 自?shī)A緊纜索機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)一款電驅(qū)動(dòng)式纜索機(jī)器人進(jìn)行自?shī)A緊設(shè)計(jì)，機(jī)器人由主從動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)夾緊裝置、輔助夾緊彈簧和連接件組成。驅(qū)動(dòng)輪選擇有較大摩擦因數(shù)的橡膠材料做成，能與整個(gè)纜索圓周表面飽滿接觸。整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)較緊湊、具有較高的機(jī)動(dòng)能力，機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

夾緊機(jī)構(gòu)包括輔助夾緊和模糊控制夾緊:輔助夾緊裝置的作用是將機(jī)器人安裝到纜索上后，提供一個(gè)壓緊力，使機(jī)器人附著于纜索表面，處于臨界平衡狀態(tài);輔助夾緊裝置中，由50CrVA彈簧鋼制作成壓縮彈簧，彈簧上端裝有預(yù)緊螺母，可以調(diào)整彈簧提供給橡膠輪的預(yù)壓力大小，同時(shí)夾緊彈簧上還裝有限位剛性部件，限制纜索的最大檢測(cè)直徑。模糊控制夾緊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)裝置，在模糊控制器下達(dá)指令后，氣壓泵驅(qū)動(dòng)壓桿向下運(yùn)動(dòng)，壓桿可以在氣缸內(nèi)自動(dòng)伸縮，夾緊觸頭實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠輪依照給定力進(jìn)行夾持。

機(jī)器人安裝到斜纜索上后，主輔夾緊機(jī)構(gòu)共同施加夾緊力，將上下滾輪緊壓于斜拉橋纜索上。夾緊力合力的大小決定了整套裝置的驅(qū)動(dòng)能力，在足夠的摩擦力作用下，機(jī)器人緊緊貼合在纜索上，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下上行與下行［5］。

2 纜索檢測(cè)機(jī)器人自適應(yīng)模型的建立

將機(jī)器人安裝到纜索上后，必須把輔助夾緊彈簧調(diào)整到合適位置，使機(jī)器人處于臨界平衡狀態(tài)，此時(shí)纜索機(jī)器人的自重全部落在纜索上方的輪子上，如圖2所示。作者對(duì)其進(jìn)行受力分析，機(jī)器人受斜面法線方向的力N是重力G的法向分量和預(yù)夾緊力FN之和即:N=FN+G·cosα，α為纜索的傾斜角 (0～ 90°)。沿切線方向向上的摩擦力F與重力G的切向分量彼此平衡，有G·sinα=μN(yùn)=F，μ為滾輪和纜索表面的摩擦因數(shù)。此時(shí)

圖2 機(jī)器人輔助夾緊力分析

在機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，輔助夾緊和模糊控制夾緊裝置共同起作用，假設(shè)纜索機(jī)器人處在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行受力分析。為使分析簡(jiǎn)單明了，不考慮各構(gòu)件質(zhì)量及彈性變形，將機(jī)器人各構(gòu)成部分按功能與布局進(jìn)行簡(jiǎn)化，形成圖3所示簡(jiǎn)化模型［6］。其中G1，G2，G3，G4，Ge，Gf為簡(jiǎn)化后各部分質(zhì)點(diǎn);N1，N2，N3，N4為纜索各個(gè)輪的彈力;f1、f2、f3、f4為纜索表面對(duì)各個(gè)滾輪的摩擦力［7］。

圖3 機(jī)器人簡(jiǎn)化模型

根據(jù)靜力學(xué)平衡方程，有:

如圖3所示，以主動(dòng)輪和纜索的接觸點(diǎn)A為支點(diǎn)，用質(zhì)點(diǎn)分析法建立力矩平衡方程，且設(shè)d為纜索直徑;μ為滾輪與纜索表面摩擦因數(shù);L為圖中質(zhì)點(diǎn)e、f到纜索表面距離。由動(dòng)力矩和阻力矩平衡，有下式:

由于N1＜＜N2，故

由于機(jī)器人上下結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，以接觸點(diǎn)B為支點(diǎn)，得出N4亦同。

對(duì)式 (2)進(jìn)行分析，由于同一根纜索傾斜角α、纜索半徑d是常量，且機(jī)器人的輪半徑r、質(zhì)點(diǎn)f到纜索的距離L都恒定，唯一不定因素是動(dòng)摩擦因數(shù)μ。機(jī)器人在檢測(cè)作業(yè)時(shí)必須經(jīng)過(guò)纜索表面的導(dǎo)流線和一些產(chǎn)生銹蝕的凹凸槽，動(dòng)摩擦因數(shù)μ是一個(gè)變化值。因?yàn)椴荒苤苯訙y(cè)量μ，作者采用DH-III型打滑檢測(cè)器。打滑檢測(cè)器附帶一個(gè)觸輪隨同機(jī)器人在纜索上同步滾動(dòng)，觸輪帶動(dòng)檢測(cè)器內(nèi)傳動(dòng)軸，軸連接的輪片切割光電信號(hào)，傳感頭再把所檢測(cè)的光電信號(hào)變成脈沖信號(hào)，送入89C51單片機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)，然后同電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號(hào)相比較，做出大于、等于或小于的判斷。如果觸輪測(cè)得的脈沖信號(hào)與編碼器反饋的脈沖信號(hào)不同步并低于反饋脈沖時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人滾輪打滑，此時(shí)模糊控制器發(fā)出指令，氣動(dòng)夾緊裝置工作，增大夾緊力。

3 自?shī)A緊模糊控制模型

(1)輸入輸出量的確定

從精度和速度兩方面考慮，采用觸輪脈沖信號(hào)與編碼器脈沖信號(hào)的偏差和偏差變化率兩個(gè)變量作為輸入。

兩輸入單輸出模糊控制器基本原理如圖4所示，通過(guò)比較電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號(hào)和打滑檢測(cè)器檢測(cè)的脈沖信號(hào)，將其差值R和差值的變化率ΔR送入模糊控制器進(jìn)行模糊運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)解模糊得出所需壓緊力值，向纜索檢測(cè)機(jī)器人氣動(dòng)夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出動(dòng)作指令。

圖4 二輸入單輸出模糊控制原理圖

根據(jù)纜索檢測(cè)機(jī)器人自適應(yīng)模型的特點(diǎn)，模糊控制器采用兩輸入單輸出的控制方式，即讀取R、ΔR兩個(gè)變量數(shù)據(jù)作為模糊控制器的輸入量。

(2)模糊化

取5個(gè)模糊子集來(lái)描述R、ΔR兩個(gè)變量，取5個(gè)模糊子集為:NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，ZE (零)，PS(正小)，PB(正大)。并把它們的論域化為7個(gè)等級(jí) (-3，-2，-1，0，1，2，3)，模糊子集的隸屬函數(shù)選為三角形，模糊集合的隸屬函數(shù)分布在論域 (-3，-2，-1，0，1，2，3)上。

圖5 輸入變量R、ΔR隸屬函數(shù)

在兩輸入單輸出控制方式中，采用的控制規(guī)則是“if A and B then C”，因此模糊關(guān)系矩陣Q可表示為

其中:A為電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號(hào)和打滑檢測(cè)器檢測(cè)的脈沖差值R;

B為電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號(hào)和打滑檢測(cè)器檢測(cè)的脈沖差值的變化率ΔR。

那么任一狀態(tài)下的氣動(dòng)夾緊裝置壓緊力模糊值可表示為

式中:C為所需的氣動(dòng)夾緊裝置壓緊力值。

根據(jù)實(shí)際情況，可以先得出模糊關(guān)系矩陣Q，見(jiàn)表，再由式 (4)算出某一狀態(tài)下的氣動(dòng)夾緊裝置壓緊力模糊值C，最后根據(jù)C值確定氣動(dòng)夾緊裝置的工作狀態(tài)S。

表1 氣動(dòng)夾緊裝置壓緊力模糊規(guī)則表

(3)氣動(dòng)夾緊裝置工作狀態(tài)的確定

在實(shí)際爬桿機(jī)器人系統(tǒng)中，氣動(dòng)夾緊裝置采用的是活塞式結(jié)構(gòu)，可以提供較大的推力。按照實(shí)際夾緊的需要可將輸出推力分為很高、高、中高、中、中低、低擋。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可確定:當(dāng)脈沖偏差為0≤C≤0.15，時(shí)，用低壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.15≤C≤0.3時(shí)，用中低壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.3≤C≤0.45，用中壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.45≤C≤0.6，用中高壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.6≤C≤0.75，用高壓力擋;當(dāng)脈沖偏差為0.75≤C≤1用很高壓力擋。

由此可得到氣動(dòng)夾緊裝置的工作狀態(tài)，如表2所示。

表2 氣動(dòng)夾緊裝置的工作狀態(tài)

4 實(shí)地測(cè)試

對(duì)纜索檢測(cè)機(jī)器人在不同傾角條件下進(jìn)行測(cè)試，在試驗(yàn)架傾角為30°～90°時(shí)，氣動(dòng)夾緊裝置輸出的夾緊力隨傾斜角度不同變化，機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中爬行穩(wěn)定，符合模糊控制模型的預(yù)期結(jié)果，如圖6所示。

在進(jìn)行多次的地面試驗(yàn)之后，在惠州合生大橋上實(shí)地測(cè)試該樣機(jī)。在帶有導(dǎo)流槽的纜索上反復(fù)進(jìn)行長(zhǎng)距離爬升試驗(yàn)，共測(cè)試12根不同直徑、傾斜角的纜索，結(jié)果證實(shí):帶自適應(yīng)夾緊裝置的檢測(cè)機(jī)器人爬升平穩(wěn)，在纜索上基本沒(méi)有發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)多次往返運(yùn)動(dòng)沒(méi)有對(duì)纜索表面的聚乙烯護(hù)套造成損傷，如圖7所示。

圖7 纜索機(jī)器人實(shí)地測(cè)試

5 小結(jié)

斜拉橋拉索機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是使機(jī)器人獲得對(duì)纜索的夾緊力，夾緊力過(guò)大會(huì)造成對(duì)拉索的二次損傷;夾緊力不夠，機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)爬行。人為施加夾緊力一般都是按照檢測(cè)機(jī)器人在垂直狀態(tài)爬行的最大力施加，不能適應(yīng)拉索不同傾角和繞度的變化，過(guò)大的夾緊力容易給纜索造成二次傷害，同時(shí)也給機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、控制、安全保護(hù)帶來(lái)一系列的問(wèn)題。這也是雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)拉索檢測(cè)機(jī)器人開(kāi)展的研究不少，但實(shí)用商品化的產(chǎn)品不多的一個(gè)重要原因［8］。

作者在對(duì)纜索檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出一種斜纜索檢測(cè)機(jī)器人自?shī)A緊模糊控制方案，可根據(jù)纜索機(jī)器人自身重力與纜索狀態(tài)進(jìn)行模糊控制，根據(jù)不同的纜索直徑，調(diào)節(jié)夾緊彈簧的伸縮對(duì)纜索進(jìn)行夾持，提供合適的夾緊力，可實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)檢測(cè)機(jī)器人就能檢測(cè)同一座斜拉橋上所有不同直徑的纜索。

【1】袁建明，武新軍，康宜華，等.可重構(gòu)斜拉索磁性無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人技術(shù)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版，2008，32(3):442-445.

【2】王亞斌，周憶.一種輕型斜拉橋纜索檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)分析［J］.機(jī)械與電子，2008(1):48-50.

【3】鄭李明，王興松.斜拉橋拉索檢測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2008，24(6):57-60.

【4】柳忠彬，周憶.斜拉橋拉索檢測(cè)機(jī)器人的自適應(yīng)研究［J］.機(jī)械與電子，2009(12):48-51.

【5】羅均.纜索維護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)的研制［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(3):360-362.

【6】張家梁.氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索維護(hù)機(jī)器人的研制［J］.機(jī)器人，2002，22(9):397-401.

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【8】XU F，WANG X.Design and Experiments on a New Wheelbased Cable Climbing Robot［C］//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics，2008:418-423.