浅析可重构斜拉索的磁性无损检测机器人技术

[摘 要]在斜拉索桥的长期安全运行中，对其进行适当的维护十分重要。为了对拉索维护手段实行进一步的改进，文章提出了可重构斜拉索机器人利用磁性无损检测技术的关键性技术手段：基于斜拉索磁性无损检测机器人的运动控制、电源监测、拉索检测、无线通讯、主控制器及地面监控等系统的有效控制，说明了该控制系统的设计能有效检测斜拉索的质量问题。

[关键词]拉索检测机器人；可重构；斜拉索；磁性无损检测

中图分类号：S95 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0251-01

现代大跨桥梁建设中，斜拉索桥被广泛运用于跨越峡谷、海湾、大江河等不易修筑桥墩的地方。斜拉索桥由拉索、索塔、主梁、和桥面等部分组成，桥面荷载由主梁传递给拉索、再由拉索传至索塔。这一合理的结构形式有效节约了建桥成本，并促进了我国斜拉索桥的进一步发展。而运营桥梁拉索的健康状况是桥梁检测与维护重点和难点，目前斜拉索检测与维护的相关配套设备并不完善，人工检测风险大、成本高、速度慢。

1、我国关于斜拉索无损检测机器人的研究

我国上海交通大学机器人研究所针对拉索无损检测机器人设置了相关的课题开展进一步的研究，并且开发出了相应的机器人样机，该机器可以通过爬升机构实现自动爬升，且在爬升中可以携带清洗剂、涂装剂以及检测维修设备等，进而实现拉索的检测与维护工作。【1】

该机器人研究所主要研制了两套爬升机器人，它们分别采用电动全驱动爬升机构和气动蠕动爬升机构。以上两种机器人中，电动全驱爬升机构主要采用的是弹簧压紧装置，保证机器人在拉索表面实现紧紧依附，在交流电机的驱动轮式小车下产生连续性爬升，直径最大可为1.5m，最重可负载250kg物体，爬升的速度在1～9m/min，配置的缆索直径为90～180mm。另一中气动蠕动爬升机构主要采用的是气缸夹紧保证机器人在拉索表面进行附着。【2】在上下气缸的夹紧下一次对拉索进行夹紧，中间气缸的升缩运动主要是为了实现蠕动产生上升或是下降，样机重量为140kg，最高负重值为150kg，外形尺寸为600mm×600mm×1280mm，爬升的速度为0.5～5m/min，适合的缆索直径为80～140mm。

机器人的两种样机都可以实现在沿着拉索表面自由的爬升，并且有一定的负载能力。但是自身体积过大，安装和操作十分不方便，并且大型桥梁的来往车辆以及河面高出的风力较大，容易造成拉索出现振动情况，造成其在高空中出现滑落的情况，安全性较低，并且两套爬升机的构压紧装置会由于压力过大的情况，造成缆索出现损伤。【2】对此需要对体积小、自重轻、安全性高的爬升机器人进行研制，实现拉索自动化无损检测。

2、关于斜拉索桥的介绍及检测

2.1 桥梁拉索的几何技术特征

通常情况下桥梁拉索的结构形状为圆形、螺旋六棱柱形和平行六棱柱形等形式，其中螺旋六棱柱形状的拉索是最常见的。螺旋六棱柱形的拉索钢丝束的横截面是正六边形或是缺角的六边形，并且保持着紧密的排列，在左旋扭力2～4°下形成，在钢丝束的外部覆盖着5～12mm厚的热聚乙烯保护套，拉索的外形为螺旋六棱柱形，直径为51～200mm，一般每座拉吊索桥建设中会用到十种以上不同直径的拉索，且直径基本上都在50mm以上，长度一般大于300m。标高一般在150m以上。一座拉吊索桥上至少有百根以上的拉索，且需要对所有的拉索进行检验。【3】

2.2 分析检测方法

在分析拉索桥技术特征后得知，要对包裹着厚实护套的钢丝束实行无损检测，一般要采用检测传感器，在拉索长度的方向上，实行移动性扫描。常规的无损检测方法为：超声、涡流等。但是以上检测方法显然不合适，而磁性检测方法是当前对钢丝束产品实施无损检测中可靠性最高、且检测技术最成熟的方法之一，且该方法在检测钢丝绳、电缆等方面都实现了应用，磁性检测其可以完全穿透拉索的护套，对内部钢丝束进行扫描和检测。

3、可重构斜拉索的无损检测机器人技术

3.1 爬升方法

当前，采用可移动式机器人携带相关设备代替人工在高温、毒性和高中环境下的检测和作业，在多个领域都应用了这一理念。在检测桥梁拉吊索检测中可以借助爬升机器人携带磁性检测设备的方式下来完成。【4】借助磁性检测方法检测桥梁拉索，需要获取良好的缺陷信号，需要具有一定的磁场强度，一定的检测仪器体积、重量比较大，需要爬升机器人具备强大的负载能力，这样会造成真个整个检测系统出现体积大、重量大，对检测十分不利。要对上述问题实现有效解决，最好的方式就是要让检测仪器自身具备攀爬能力，无需设置多余的爬升装置，实现检测设备和爬升设备的综合，最大程度减小检测系统的体积和重量。

3.2 检测技术的重构技术

一般情况下，一套磁性检测仪只能对一定检测范围的钢丝束进行检测，但是拉索直径比较大，采用固定的检测仪器来对全桥的拉索进行检测是十分困难的，如果借助多个检测设备必然会导致检测成本的增加。但是，如果借助模块化重构技术，不但可以保证每个模块都具备检测和爬升以及控制能力，还能在不同的拉索直径下，选取相应的模块进行检测机器人的重构，保证只在一个机器人的作用下，就可以实现对全部直径拉索的检测。

3.3 爬升机器人的系统设计

爬升机器人的系统是全部系统中的整体，该系统中主要有控制、电源、检测、无线发送和接受以及主控制器等部分构成。

控制系统，机器人运动系统驱动方式为直流电机，采用脉宽调制PWM，对系统主控制器于运动中的脉冲信号实行控制，电机驱动电路作用下，将脉宽信号转化成相应极性和功率下的输出电流，按照驱动级中制定的转速和转向实现工作。【4】在机器人的机械传动系统中，安装记录爬行距离的旋转编码器，实现对运动距离和加速度运动状态向控制器反馈的目的，实现对机器人的运动系统的控制。

电源监测，电源监测的监测内容为机器人的工作状态，其中主要包含了电源电量和工作电流的监测。并实现在地面监控系统中显示，应用流入和流出蓄电池的总电流的积分方式，得到净电荷数，实现对电池容量设置。

检测系统，机器人检测系统要收集斜拉桥拉索外部PE保护层表面数据和关于拉索漏磁场的检测数据。

主控制系统，在主控制系统作用下可以对整个爬升检测机器人的系统产生调控和调度，以上这些功能的实现是在控制器和子系统的数据以及控制接口中实现的。

地面检测系统，该系统的作用是接受视频和机器人工作状态参数，实现对机器人的有效监测，提升系统可靠程度，在地面无线电台发送和操作人员控制命令下改变机器人的工作方式，最终实现交互方式的人机控制。

4、小结

文章对斜拉索桥检的检测方法和可重构机器人的技术进行了介绍，在实际的应用中取得了想理想的结果。在对斜拉索桥拉索检测机器人进行详细的介绍，同时也希望可以为以后相同类型的机器人控制系统提供相应的设计思路，并做出一定的参考。

参考文献

[1] 郑李明，王兴松.斜拉桥拉索检测机器人控制系统设计[J].电子机械工程，2008，06：57-60+64.

[2] 袁建明，武新军，康宜华，孙燕华.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（交通科学与工程版），2008，03：442-445.

[3] 余朝阳.斜拉索检测机器人的研究[D].华南理工大学，2009.

[4] 柳忠彬，周忆.斜拉桥拉索检测机器人的自适应研究[J].机械与电子，2009，12：48-51.