《便携式缆索机器人的研制》
元小强，丁宁，张涛，郑振粮
(香港中文大学（深圳）机器人与智能制造研究院，广东 深圳 518172)
摘要：缆索护套损伤是影响桥梁缆索服役寿命的重要原因之一，现有缆索外观检测方法不能满足快速检测的工程应用需求。研制了一种携带方便、安装快捷的缆索外观检测机器人，对机器人进行了爬升动力学分析，给出了电机和减速机详细的选型计算过程，并对机器人结构件进行了有限元分析。试验结果表明，便携式缆索机器人质量和攀爬速度达到了设计要求，可在垂直和倾斜缆索上平稳运行。
关键词：缆索机器人；智能工具；斜拉桥；缆索
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2019)06-0032-05

缆索是斜拉桥、悬索桥等桥梁的核心构件之一，其造价占整座桥梁的25%~30%，长期暴露在大气中，所处环境恶劣，表面易受损。缆索护套损伤是造成缆索体系耐久性问题的重要原因之一，缆索的锈蚀断裂，绝大多数是从护套的破损、开裂、老化开始的。为保证桥梁结构安全和正常使用，需定期进行外观检查。公路桥涵养护规范要求定期检查以目测结合仪器观测的方式进行，必须接近各部件仔细检查其缺损情况。目前常用的检查工具有望远镜、人工吊篮和自带高清摄像头的机器人。虽然望远镜是比较有效的辅助检查工具，但不能完全胜任缆索的定期外观检查。人工吊篮检查方式工作量大，干扰交通，检测人员处于高空作业，存在安全隐患。现有的缆索检查机器人存在携带不便、安装繁琐等问题。本文研制的缆索机器人携带方便、安装快捷，可满足缆索外观快速检测的工程应用需求。

1 国内外研究现状
1.1 国内研究现状
我国在斜拉桥缆索检测机器人研究方面起步较晚。2001年起，上海交通大学先后研制了气压蠕动式、电动连续式、电动液压式等三代缆索维护机器人，三代样机的自重均大于100kg。
在“863计划”资助下，2006年东南大学王兴松等人提出了一种磁吸附-弹簧支撑式螺旋爬升缆索检测机器人并研制了双边轮式、三边轮式爬升机器人，整个机构自重7kg。其基于几何解析法建立了机器人主、从轮在越障时的运动学、动力学模型，对机器人的越障能力进行分析，建立了相应的数学模型，提出了以单位半径的越障能力作为评价机器人越障性能的指标。其模型的特点是引入一个广义的力磁矩变量，但存在的问题是在实际的工程实践中如何定义这个磁矩变量，文中并没有给出一个可信解。重庆大学也有三边轮式机器人研究成果。其爬升机器人采用三电机驱动，通过6根弹簧拉着每一边的轮架，使机器人紧紧地抱在缆索上，机器人压在缆索上的预紧力通过使用不同的弹簧进行调节。华南理工大学的余朝阳设计了双边轮式缆索检测机器人，其结构相对较简单，主要是通过4根弹簧将8个车轮压在缆索上，通过调节4组螺栓来适用不同的缆索直径。其采用电缆供电，高空适应能力较差。华南理工大学的魏武等研究了用于桥梁缆索的蛇形机器人，使用了基于迭代链拟合与关键帧提取的攀爬步态生成法，此方法有效提高了蛇形机器人在桥梁缆索上攀爬的安全性和步态灵活性，但攀爬速度只有0.08m/s，不能满足缆索外观快速检测的工程应用需求。柳州欧维姆公司的王晓琳等利用碳纤维材料改进了一款爬索机器人，极大降低了其自重，提高了续航能力，最大承载能力为120kg。

1.2 国外研究现状
美国华盛顿州IPC公司是一家采用缆索机器人进行斜拉桥检测的公司，该公司研发的缆索攀爬检测机器人重48磅，安装有4个摄像头，能够全方位地检测缆索表面是否存在损坏，安装时需多人协作完成。韩国成均馆大学的 Ho Moon Kim 等研究设计了一种六轮式桥梁缆索检测机器人，此机器人最大的优点是在攀爬缆索的过程中，机器人的抱缆力可以根据缆索表面状态进行调节。

基金项目：深圳市科创委科技计划基础研究（学科布局）项目
作者简介：元小强（1982—），男，工程师，硕士，主要研究方向为仿生式攀爬结构和特种机器人，yuanxiaoqiang@cuhk.edu.cn.
通讯作者：丁宁，dingning @cuhk.edu.cn.