0 引言

    拉索是拱橋、斜拉橋、懸索橋等索類橋梁的核心構(gòu)件之一 . 拉索長期暴露在空氣中，經(jīng)風(fēng)吹雨淋、日光照射、紫外線照射、人為損傷等因素影響，存在著外 PE 護(hù)套、內(nèi)部鋼絲束或鋼絞線損傷等病害 ［ 1 ］ . 另一方面，由于風(fēng)雨振等因素，拉索內(nèi)部的鋼絲束相互摩擦，引發(fā)鋼絲磨損，嚴(yán)重者也會(huì)發(fā)生斷絲現(xiàn)象 . 拉索的工作狀態(tài)是橋梁是否處于安全狀態(tài)的重要標(biāo)志之一 ［ 2 ］ . 定期對拉索體系進(jìn)行檢測是有必要的 .

    以往在工程中常采用卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)檢修車的檢測方式或采用登高車對拉索的人工檢測方法 . 該類方法容易對拉索 PE 保護(hù)層造成破壞；且檢測人員處于高空作業(yè)，容易造成安全事故，而且需要封閉交通 . 隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)用于橋梁拉索檢測的智能機(jī)器人， 成為了必然 . 近年來上海交通大學(xué) ［ 3 ］ 、 東南大學(xué) ［ 4 ］ 、武漢橋科院 ［ 5 ］ 等高校、科研院所均對爬索機(jī)器人進(jìn)行了研發(fā)，但普遍存在著自重大，續(xù)航差，需要外接電源等問題，不能滿足快速檢測的工程應(yīng)用需求 .

    本文研究的爬索機(jī)器人通過對設(shè)計(jì)材料的改進(jìn)，采用自重很輕的碳纖維材料，保證了機(jī)器人的續(xù)航能力，且方便現(xiàn)場安裝 . 通過增加索力檢測裝置，爬索機(jī)器人攜帶無線加速度傳感器到拉索中間部位后再測量拉索索力，該方法比原先在拉索預(yù)埋管上部安裝加速度傳感器測量索力更為精準(zhǔn) . 機(jī)器人搭載高清攝像裝置，可實(shí)現(xiàn)拉索表面和橋塔拉索連接處病害的外觀檢測 . 自帶的漏磁檢測設(shè)備可以對拉索內(nèi)部銹蝕斷絲進(jìn)行精準(zhǔn)檢測 .

    1 爬索機(jī)器人及其檢測系統(tǒng)研制

    1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    爬索機(jī)器人包括一對主動(dòng)輪和一對從動(dòng)輪，采用雙邊夾緊 4 輪雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式 . 利用兩半式輕型碳纖維框架結(jié)構(gòu)，通過 4 對聯(lián)接臂進(jìn)行聯(lián)接，不僅方便在拉索上裝卸，而且還可根據(jù)拉索不同直徑進(jìn)行調(diào)整 . 用拉伸彈簧和擺臂支撐組成柔性壓緊機(jī)構(gòu)，始終保持每對滾輪夾緊索體形成爬行所需摩擦力 . 主、從動(dòng)輪設(shè)計(jì)為 U 形，可增大接觸面，自行對中糾偏 . 并根據(jù)不同規(guī)格拉索，配套相應(yīng)規(guī)格尺寸的輪子 . 爬索機(jī)器人上、下兩端面四周共有 4 對支撐萬向滾輪，能防止輪體偏離索體造成鎖死現(xiàn)象 . 在機(jī)器人的前端和尾部均安裝有紅外測距裝置，防止機(jī)器人在運(yùn)行中撞擊拉索兩端預(yù)埋導(dǎo)管而損壞，將拉索檢測儀器安裝或搭載于爬索機(jī)器人上，利用高能鋰電池作為供電電源，提升機(jī)器人的續(xù)航能力，通過操作控制單元配合各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橋梁拉索 PE 外觀、內(nèi)部斷絲銹蝕檢測以及拉索索力測量 . 爬索機(jī)器人示意圖如圖 1 所示。

圖 1 爬索機(jī)器人示意圖

    使用時(shí)，根據(jù)被測拉索直徑的大小來相應(yīng)的調(diào)整聯(lián)接臂及拉伸彈簧的距離，以提供適合爬行所需的摩擦力 . 爬索機(jī)器人可按照上位機(jī)軟件系統(tǒng)的指令以及設(shè)定的速度在拉索上運(yùn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)拉索末端時(shí)能自動(dòng)返回 . 還能在拉索上通過地面控制自由地移動(dòng)并到達(dá)檢測人員所要觀測的位置，以便進(jìn)行局部更加細(xì)致的觀察和索力測量 . 利用視頻采集單元采集拉索外部 PE 保護(hù)層表面全方位的高清視頻圖像，用漏磁法拉索銹蝕檢測單同步進(jìn)行拉索內(nèi)部斷絲銹蝕檢測，采用高分辨率編碼器準(zhǔn)確的定位拉索病害位置，通過無線傳輸信號(hào)到橋面上位機(jī) . 再由上位機(jī)軟件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出 PE 損傷面積，斷絲銹蝕狀態(tài)及病害位置 。

    1.2 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

    機(jī)器人在纜索上運(yùn)動(dòng)由兩副（ 4 只）滾輪提供對纜索的附著力，機(jī)器人的全部重力（自重和載重）由這 4 只滾輪承載 . 設(shè)機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)，分別考慮垂直吊桿監(jiān)測和有一定角度的斜拉索檢測時(shí)，對一只滾動(dòng)輪進(jìn)行受力分析 . 如圖2 所示。

    式中： F 1 —— — 由彈簧系統(tǒng)提供的附著力； G 1 —— — 單只滾輪承載的重力； θ —— — 纜索傾斜角度； μ 1 —— — 最大靜摩擦因數(shù)； N —— — 拉索對滾輪向上的反力

    取 F 2 ＝250 N ，減速機(jī)傳動(dòng)效率 η＝0.8 ，電機(jī)儲(chǔ)備系數(shù) K＝1.25. 并考慮外觀檢測，視頻拍攝的穩(wěn)定性，設(shè)置爬升最快速度 V max ＝12 m／min. 可以得到 P′=40 W. 參照設(shè)計(jì)所用設(shè)備參數(shù)，并考慮 3 倍 ~4 倍的安全系數(shù)，可以計(jì)算出最大電機(jī)功率 P max ＝160 W.

    1.3 漏磁檢測裝置目前最常采用的拉索斷絲銹蝕檢測方法有磁滯伸縮導(dǎo)波法 ［ 6 ］ 、漏磁法 ［ 7 ］ . 本文所設(shè)計(jì)爬索機(jī)器人采用多套漏磁裝置實(shí)現(xiàn)對拉索索體內(nèi)鋼絞線或平行鋼絲缺陷進(jìn)行檢測 . 漏磁法檢測裝置設(shè)計(jì)圖如圖 3 所示，主要由銜鐵、永磁鐵、霍爾傳感器等部件構(gòu)成 .

    其測量原理為銜鐵、永磁鐵、被測拉索構(gòu)成磁化回路，當(dāng)勵(lì)磁裝置將拉索磁化到飽和狀態(tài)并相對拉索軸向掃描，當(dāng)拉索存在斷絲或腐蝕等缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致拉索內(nèi)部磁場發(fā)生變化，部分漏磁信號(hào)在空氣場中，霍爾傳感器即可檢測到相應(yīng)的漏磁信號(hào)，通過對漏磁信號(hào)的檢測與數(shù)據(jù)分析可獲的拉索損傷量 ［ 8 ］ .

    本文設(shè)計(jì)的單節(jié)勵(lì)磁傳感器用 2 只尼龍滾輪與拉索表面接觸，其直線移動(dòng)由滾動(dòng)完成，避免對 PE 造成損害 . 單節(jié)勵(lì)磁傳感器裝置示意圖如圖 4 所示。

圖 4 單節(jié)勵(lì)磁傳感器示意圖

    1.4 索力檢測裝置設(shè)計(jì)

    目前通常采用的拉索索力檢測常用的方法有壓力環(huán)法、液壓千斤頂拉拔法、磁通量傳感法、以及振動(dòng)頻率法等測量方法 ［ 9 ］ . 振動(dòng)頻率法是一種間接測量索力的方法 . 依據(jù)索力與索的振動(dòng)頻率之間存在對應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，在已知索長、拉索兩端的約束情況、分布質(zhì)量等參數(shù)情況下，將高精度的加速度傳感器安裝在拉索上，采集拉索在環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)信號(hào)，即可獲得拉索的自振頻率，然后由索力與拉索自振頻率之間的關(guān)系計(jì)算出索力 ［ 10 ］ . 采集設(shè)備示意圖如圖 5 所示。

圖 5 振動(dòng)頻率法采集設(shè)備示意圖

    由于受到檢測條件的限制，通常的方法是將加速度傳感器固定在拉索預(yù)埋管上部某位置，但該位置高頻成分占主導(dǎo)，測試信號(hào)低階頻率不突出而高階諧振峰值很大，不利于低階頻率的獲取 . 加速度傳感器最為理想的安裝位置應(yīng)是拉索的 L／4 或 3L／4 處， 因?yàn)檫@樣傳感器可以避開了支撐點(diǎn)和低階振型的反彎點(diǎn)，各階頻率對應(yīng)的幅值比較明顯 ［ 11 ］ .

    本文所采用的方法是將無線加速度傳感器搭載在爬索機(jī)器人上，通過機(jī)器人將傳感器爬升到拉索的 L／4 或 3L／4 處， 通過抱死裝置確保機(jī)器人和拉索處于一體的狀態(tài) . 在機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)再測量拉索索力 . 因機(jī)器人本身重量相對拉索重量來說很輕，故機(jī)器人自重對測量結(jié)果影響較小 .

    1.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    爬 索 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 采 用 ARM 內(nèi) 核CORTEX 家族 STM32 系列 CPU 根核心， 控制系統(tǒng)框圖如圖 6 所示，橋面檢測控制臺(tái)電腦可以通過無線模塊與串口通訊電路與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通訊，傳送控制爬升機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)、反向運(yùn)轉(zhuǎn)指令，高、中、低三檔速度的控制指令，以及傳送行程位置、電池電壓和電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) .整個(gè)系統(tǒng)按功能分為 5 個(gè)部分： 單片機(jī)系統(tǒng)、編碼信號(hào)處理電路、電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、串口通訊電路、電源控制電路 . 如圖 6 所示 .

    1.6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    采用美國 NI 公司的 labwindows 平臺(tái)開發(fā)的套遠(yuǎn)程檢測軟件，可以利用電腦終端無線采集索力、銹蝕斷絲數(shù)據(jù)，并通過 labwindows 平臺(tái)的 Vision Software 對采集到病害外觀影像資料進(jìn)行分析處理 . 軟件界面如圖 7 所示。

    2 試驗(yàn)及工程應(yīng)用

    2.1 漏磁檢測裝置銹蝕斷絲檢測試驗(yàn)

    在柳州歐維姆實(shí)驗(yàn)室對拉索斷絲銹蝕檢測裝置進(jìn)行了試驗(yàn)， 分別對完好拉索和有損傷的拉索進(jìn)行了檢測 . 如圖 8 所示，通過實(shí)驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確檢測出損傷部位 . 試驗(yàn)驗(yàn)證采用該方法對拉索斷絲銹蝕監(jiān)測的可行 . 但拉索 PE 外護(hù)套導(dǎo)致磁信號(hào)有一定的衰減 . 理論上，隨著永磁鐵的磁場強(qiáng)度的增大，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)格索體的斷絲檢測 . 但考慮到斷絲銹蝕檢測裝置的自重，以及配套爬索機(jī)器人的使用 . 無源機(jī)器人的檢測方式超過 180 mm索徑的拉索就比較難實(shí)現(xiàn)；但可以采用有源的脈沖信號(hào)激勵(lì)的方式進(jìn)行檢測 . 本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人在拉索上最大運(yùn)行速度為 12 m／min ，完全滿足了勵(lì)磁裝置對拉索結(jié)構(gòu)的磁化時(shí)間，以及霍爾傳感器采集的響應(yīng)時(shí)間。

    2.2 工程應(yīng)用

    研究所設(shè)計(jì)機(jī)器人分別在柳州文惠大橋、柳州壺西大橋、江西贛東大橋、桂林南洲大橋等橋進(jìn)行了實(shí)際的試驗(yàn)與檢測 . 通過試驗(yàn)驗(yàn)證，其工作速度最大可達(dá) 12 m／min ，平均的檢測速度為 10 m／min. 最大承載能力為 120 kg ，爬升斜度在 0 °～90 ° 范圍內(nèi)可調(diào)，最大續(xù)航 2 000 m. 最遠(yuǎn)無線傳輸距離為 500 m. 如圖 9 所示。

    3 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)的爬索機(jī)器人經(jīng)過廠內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

    1 ）采用輕型碳纖維材料、直流電機(jī)和減速齒輪箱、鋰電池的輕型構(gòu)建的爬索機(jī)器人極大降低了自重，提高了續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)了在不外接電源的情況下，安全、快速、便捷的檢測拉索病害 .

    2 ）采用漏磁法檢測拉索斷絲銹蝕的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)小直徑的拉索檢測，對大直徑的橋梁拉索，受永磁鐵自重的影響，不能完全對索體進(jìn)行磁化，不能精準(zhǔn)的檢測 . 后續(xù)可研究以脈沖的磁化方式進(jìn)行斷絲銹蝕測量 .

    3 ）通過爬索機(jī)器人攜帶無線加速度傳感器到拉索自由段中間部位后再測量拉索索力，該方法比原先在拉索預(yù)埋管上部安裝傳感器測量索力更為精準(zhǔn) .

    4 ）在機(jī)器人前部搭載高清攝像頭也可以實(shí)現(xiàn)對橋塔和拉索連接部位外觀的檢測 .

    5 ）鋼絞線拉索外部有環(huán)氧、 PE 和油脂等四重防護(hù)，且鋼絞線之間有空氣間隙，檢測時(shí)會(huì)比鋼絲成品拉索誤差更大 .

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