悬索桥主缆表观缺陷检测机器人研制

元小强; 丁宁; 王超; 胡少波; 林枝有

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2600218

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13122-13133 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2600218

论文：自动化技术、计算机技术

悬索桥主缆表观缺陷检测机器人研制

元小强 ¹ ,
丁宁 ¹^,²^,^* ,
王超 ¹ ,
胡少波 ¹ ,
林枝有 ¹

作者信息 +

Development of Inspection Robot for Surface Defects in Suspension Bridge Main Cables

YUAN Xiao-qiang ¹ ,
DING Ning ¹^,²^,^* ,
WANG Chao ¹ ,
HU Shao-bo ¹ ,
LIN Zhi-you ¹

Author information +

文章历史 +

摘要

针对悬索桥主缆人工检测存在盲区、主观性强、安全性差,以及现有检测机器人易损伤防护层、工程部署难度大等问题,设计开发一种基于仿生蠕动攀爬原理的主缆表观缺陷检测机器人系统。首先,设计以扶手绳为攀爬载体、两组抱靴交替开合的仿生蠕动本体,通过双向同步变轨组件适配700~1 100 mm扶手绳间距的缆索系统;整机采用模块化设计,工程部署便捷高效;基于多传感器融合技术构建闭环协同控制与图像采集系统,实现大倾角稳定攀爬。其次,建立机器人整机及抱靴组件、双向同步变轨组件等关键部件的力学模型,开展针对性的力学与有限元仿真分析。最后,在寸滩长江大桥开展应用测试。实验结果表明,该机器人可从悬索桥中跨主缆最低点稳定攀爬至桥塔,并成功采集主缆全周向全景图像,验证了设计方案的可行性与工程有效性,为悬索桥主缆智慧运维提供新装备。

Abstract

To address the limitations of manual inspection for suspension bridge main cables (e.g., blind spots, strong subjectivity, and poor safety), as well as the shortcomings of existing robotic systems, including potential damage to protective layers and difficulties in engineering deployment, a robotic system for surface defect inspection based on a bionic inchworm climbing principle was proposed in this paper. First, a bionic inchworm body was designed, which employs two sets of grippers that open and close alternately to grip the handrail ropes as the climbing carrier. A bidirectional synchronous rail-adjustment component was incorporated to enable adaptation to cable systems with handrail spacings ranging from 700 mm to 1 100 mm. The entire robot was structured with a modular design to facilitate convenient and efficient deployment. A closed-loop cooperative control and image acquisition system, leveraging multi-sensor fusion, was developed to ensure stable climbing on steep inclines. Subsequently, mechanical models for the entire robot and its key components, such as the clamping shoe assembly and the bidirectional synchronous rail-changing component, were established. Targeted mechanical analysis and finite element simulation analysis were conducted. Finally, field tests were carried out on the Cuntan Yangtze River bridge. The experimental results demonstrate that the robot can stably climb from the lowest point of the main cable at the mid-span of the suspension bridge to the bridge tower, and successfully collect panoramic images covering the entire circumference of the main cable. The feasibility of the design scheme and its engineering effectiveness are thus verified. This work provides new equipment for the intelligent operation and maintenance of suspension bridge main cables.

Graphical abstract

关键词

悬索桥主缆缺陷检测 / 视觉检测机器人 / 仿生蠕动攀爬系统 / 表观缺陷识别

Key words

suspension bridge main cable defect inspection / visual inspection robot / bionic inchworm climbing system / surface defect identification

引用本文

引用格式 ▾

元小强, 丁宁, 王超, 胡少波, 林枝有. 悬索桥主缆表观缺陷检测机器人研制[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 13122-13133 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600218

YUAN Xiao-qiang, DING Ning, WANG Chao, HU Shao-bo, LIN Zhi-you. Development of Inspection Robot for Surface Defects in Suspension Bridge Main Cables[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 13122-13133 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600218

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

悬索桥凭借卓越的跨越能力,成为连接大江大河的核心交通枢纽,其设计使用年限达100年。主缆作为悬索桥的核心承力构件,承担全桥的竖向荷载,被誉为桥梁“生命线”。目前全球范围内尚无大跨度悬索桥主缆整体更换的工程案例,其结构健康状况直接决定桥梁服役寿命^[1-2]。主缆长期暴露于风、雨、冰冻、温湿度交替变化的自然环境,易产生防护层老化开裂、内部钢丝锈蚀(水汽侵入与建设期留存的积水引发^[3])、索夹滑移(主缆钢丝蠕变或螺栓时效松弛导致)等病害,若未及时检测维护,易引发断丝、缆体承载失效等重大安全事故^[4-7]。目前,悬索桥主缆检测仍以人工为主:养护人员搭乘检修车或吊篮沿主缆移动,通过肉眼观察、工具敲击等方式判断病害类型与程度。该方法存在以下局限:主缆和索夹底部等区域存在检测盲区;检测结果依赖人员经验,主观性强,难以形成数字化追溯记录;高空作业环境对人员安全构成严重威胁,且效率低。近年来,机器人技术为桥梁检测提供新路径,根据是否与主缆接触,现有主缆检测机器人可分为两类:

接触式机器人:依赖车轮或履带与主缆直接接触获取驱动力,如自行走主缆检修车(自重 8 t)^[8-11]、双履带检查车(自重6 t)^[12-13],虽能搭载人员作业,但自重大、部署难,且接触压力过大会破坏主缆防护层;赵文瑞等^[14]提出的M形检测机器人尚未开展实桥验证,工程适用性存疑。魏武等^[15-17]开发的蛇形机器人对多关节协同控制要求高、控制算法复杂,难以实现工程推广。孙翔宇等^[18]设计的底部开口、多轮抱索、三节串联的机器人,主要应用于“中国天眼”馈源支撑缆索检测,与悬索桥主缆检测工况适配性不足。非接触式机器人:以无人机或扶手绳为载体,吴凌霄等^[19]采用无人机倾斜摄影技术构建悬索桥三维模型,可高效用于病害初检。Hegeir等^[20]和冯东明等^[21]采用无人机检测主缆,其作业过程受航空法规、风速等因素限制。Frangos等^[22]提出的扶手绳牵引机器人,需预先布置复杂牵引系统,工程实施成本高。

针对上述问题,现以无损接触、全覆盖、高效率为目标,基于尺蠖蠕动原理,设计一种以扶手绳为攀爬载体的非接触式主缆检测机器人,攻克大倾角攀爬、复杂障碍越障、快速工程部署等技术瓶颈,为悬索桥主缆表观缺陷检测提供可靠解决方案。

1 总体设计

1.1 设计指标

悬索桥结构如图1所示。机器人作业的悬索桥实景如图1(a)所示,悬索桥坐标系与几何参数如图1(b)所示, 主缆及附属设施的截面示意图如图1(c)所示。两根扶手绳通过索夹上的立柱沿主缆延伸方向布置,扶手绳间距与主缆倾角是决定机器人结构构型及功能实现的核心设计参数。

扶手绳间距直接影响主缆检测机器人的通用性,其取值需综合主缆直径、索夹尺寸、作业空间等关键因素确定。通过调研国内多座大跨度悬索桥附属设施设计图纸及实桥勘测数据,确定机器人适配的扶手绳间距范围为700~1 100 mm。

为简化主缆倾角的计算过程,基于工程近似假设,设定扶手绳几何线形与主缆线形一致;结合成桥状态下荷载分布特性,进一步假设中跨主缆线形近似为抛物线,边跨主缆线形近似为直角三角形。以主缆最低点截面圆心为坐标原点建立直角坐标系[图1(b)],中跨主缆的抛物线方程表达式为

(1) f(x)=ax²

式(1)中:a由垂跨比决定。

主缆最大倾角计算公式为

(2)$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}({\mathit{\theta }}_{\mathit{i}},{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}},{\mathit{\theta }}_{\mathrm{n}})\\ {\mathit{\theta }}_{\mathit{i}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left[\mathit{f}\mathit{\text{'}}\right(\mathit{x}\left)\right]=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(2\mathit{a}\mathit{x}\right)\\ {\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{\mathit{h}}{{\mathit{L}}_{1}}\\ {\mathit{\theta }}_{\mathrm{n}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\frac{\mathit{h}}{{\mathit{L}}_{2}}\end{array}\right.$

代入相关参数,得出该类悬索桥主缆最大倾角均值约为26°。为确保机器人在强风、局部坡度突变等复杂工况下的攀爬安全性与可靠性,将机器人最大攀爬倾角设定为30°,预留充足的性能冗余以应对实际工程中的不确定性因素。机器人核心设计指标如表1所示。

1.2 技术路线

为实现主缆防护层和索夹移位的全覆盖图像采集,克服主缆大直径难包覆、多索夹难越障的挑战,采用仿尺蠖蠕动攀爬原理,技术路线如图2所示。设计宽适应大倾角仿生本体,通过抱靴交替开合实现蠕动步态;开发双向同步变轨组件,适配不同扶手绳间距与主缆直径;构建多传感器融合闭环控制系统,保障动态环境下稳定运行;搭建边缘计算图像采集系统,实现主缆全覆盖高清成像;通过实验室测试与实桥验证,确保系统可靠性。

蠕动步态如下:①初始状态,4组抱靴抱紧扶手绳;②中间两组抱靴打开,移动至前方并抱紧;③两侧抱靴打开,移动至前方并抱紧;④依次重复第②步和第③步实现连续运动。机器人攀爬过程中始终有两组抱靴处于抱紧扶手绳状态,从爬行机理上确保机器人高空作业的安全性。

2 机器人系统组成

2.1 仿生攀爬机械结构

机器人本体采用模块化设计,核心结构包括抱靴组件、双向同步变轨组件及支撑翼组件,如图3所示。8个抱靴组件分成两组(中间4个为一组,两侧4个为一组),通过螺钉和销轴分别固定在左上、右上、左下、右下移动部件上;左上、右上移动部件分别和左下、右下移动部件通过滑块导轨连接,两两之间存在移动自由度,通过电机驱动移动部件并结合抱靴组件的开合实现蠕动功能。左上、右上移动部件通过滑块导轨和变轨基座连接,通过电机驱动双向同步变轨组件实现轨距调节;左、右支撑翼分别通过左翼展电缸、右翼展电缸、销轴和左上、右上移动部件连接;中部视觉总成通过销轴固定在变轨基座下方,5组检测相机分别固定在左支撑翼、右支撑翼和中部视觉总成上,构成环形阵列布局,实现对主缆的全覆盖检测。

抱靴组件如图4所示,其驱动系统采用“伺服电机-同步带-双向丝杠”的传动方案:电机通过同步带驱动双向丝杠转动,进而带动滑块牵引内外夹片作相向运动,完成对扶手绳的夹持与解锁动作。内夹片外侧包覆聚氨酯橡胶层,可有效保护扶手绳表面防护涂层,避免攀爬过程中的接触损伤。为保障夹持动作的安全性与可靠性,消除空夹、虚夹等风险,抱靴组件集成压力传感器、位置编码器及行程限位开关;上述传感器与闭环控制算法协同工作,可实时监测并动态调控夹持状态,确保每个抱靴稳定牢固地抱紧扶手绳,保障机器人攀爬过程的连续性与安全性。

双向同步变轨组件如图5所示,其核心构件包括双向梯形丝杠、螺母座、伺服电机、直线导轨及连杆组件。其工作原理为:伺服电机驱动双向梯形丝杠旋转,带动2个螺母座作相对远离或靠近的直线运动;通过4组连杆组件的传动作用,推动滑动支梁沿直线导轨作左右平移,从而实现左/右上移动部件间轨距的同步调节。当电机停转时,双向梯形丝杠的螺纹自锁特性可使左/右上移动部件稳固保持在目标轨距位置,保障机器人作业过程的结构稳定与可靠。该组件实现了机器人对不同间距扶手绳的自适应适配,有效提升了机器人的工程适应性与应用范围。

支撑翼组件结构如图6所示,由上支架、下支架、电动推杆及气弹簧等构件组成,主要用于固定检测相机及配套检测设备。支撑翼在电动推杆的驱动下绕铰接点旋转,可根据主缆直径及作业环境中的障碍物分布,调节至适配的张开角度,以适应不同的检测场景。上下支架通过铰链与气弹簧相连,兼具折叠与展开功能:折叠状态下可减小设备的包装与运输尺寸;同时,气弹簧可有效缓冲作业过程中的振动干扰,降低末端检测相机的振动幅度。

2.2 控制与图像采集系统

悬索桥桥塔通常高达百米,车辆荷载作用下主缆易产生随机振动,动态环境对机器人控制硬件提出了高稳定性、高可靠性的需求。所设计的控制与图像采集系统采用模块化架构(图7),按功能划分为控制模组、供电模组、感知模组、高精视觉采集模组及执行电机。控制模组以高性能微控制器为核心,承担步态规划、指令分发与信号处理功能;感知模组集成压力传感器(实时监测抱靴夹持力)、高精度编码器(记录抱靴开合位移)、光电限位传感器(约束机械结构行程)及里程传感器(反馈移动状态),为控制过程提供多维度状态信息;供电模组采用高能量密度锂电池组,配套电池管理系统实现过充、过放及过流保护;执行电机包括抱靴驱动电机、移动驱动电机及变轨驱动电机,均配置高精度减速器以保障动作精度。各硬件模组通过标准化接口集成,为机器人的稳定运行提供硬件支撑。

基于多传感器融合技术构建闭环协同控制软件策略,形成包含外抱靴夹持闭环、内抱靴夹持闭环、移动步态闭环及整机协调闭环的多层次控制架构(图8):4组外抱靴组件与运动控制组件构成外抱靴夹持闭环1,负责外部夹持的稳定与可靠;4组内抱靴组件与运动控制组件构成内抱靴夹持闭环2,负责内部夹持的稳定与可靠;两组移动组件与运动控制组件组构成移动步态闭环3,负责蠕动步态的平稳与可靠;整机作为一个整体构成整机协调闭环4,负责各子系统的协同运作。

闭环1与闭环2之间存在互斥关系,确保它们不会同时激活,只有当其中一个系统激活后,闭环3才允许启动并执行移动操作,该逻辑确保了整机的安全性以及蠕动步态的有序实施。闭环4作为整个系统的核心,与地面控制中心建立实时的数据交互机制,实现控制指令的快速传达与机器人状态信息的及时反馈,为远程监控和实时调整提供支持。这种多层次、高集成度的控制系统设计,显著提升机器人在动态环境下的作业可靠性与安全性。

针对悬索桥高空动态扰动环境下的高清图像采集需求,开发了基于边缘计算平台的图像采集系统。系统采用GMSL2高速串行链路实现检测相机与边缘计算平台的连接,该接口具备高速数据传输、长距离适配、低传输延迟及强抗干扰特性,完全适配高空复杂作业场景。检测相机搭载GW5200 ISP图像处理器(3 μm像素尺寸),以30帧/s的速率采集高清图像,且沿主缆圆周呈环形布置5路检测相机,实现主缆全周向无盲区覆盖;同时,在机器人前后端部署2组监控相机,实现对桥梁附属设施与作业环境的实时监测。

系统采用基于里程传感器的触发式图像采集策略(图9):当里程传感器数值上升(机器人向前攀爬)时,启动图像采集;当里程传感器数值稳定(机器人静止)时,暂停图像采集;当里程传感器数值连续下降(机器人返程)时,终止图像采集。该策略可有效避免冗余图像数据的产生,降低数据存储与后续处理负担,保障动态环境下主缆图像的高效、精准采集。

3 力学与有限元分析

3.1 蠕动步态力学分析

根据仿生蠕动攀爬原理可知,机器人稳定运行需满足两种核心平衡条件:①一组抱靴打开时另一组抱靴需要提供足够的夹持力,维持机器人不向下移动;②蠕动前进时,抱紧扶手绳的部件总成需提供一个沿扶手绳向上的拉力,驱动抱靴打开的部件总成向上移动。

假设各抱靴组件仅提供沿z轴方向的夹持力且大小相等、各支撑轮提供的支撑力大小相等,第1种平衡条件的受力分析如图10(a)所示。当一组抱靴打开、一组抱靴夹持时,机器人不下滑的平衡条件为

(3)$\left\{\begin{array}{l}\sum {\mathit{F}}_{\mathit{x}}=\mathit{N}-\mathit{G}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=0\\ \sum {\mathit{F}}_{\mathit{y}}={\mathit{N}}_{\mathrm{p}}{\mathit{\mu }}_{\mathrm{s}}-\mathit{G}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=0\end{array}\right.$

式(3)中:∑F_x为垂直主缆轴向合力;∑F_y为沿主缆轴向合力。

由公式(3)求得

(4)$\left\{\begin{array}{l}\mathit{N}=\mathit{G}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\\ {\mathit{N}}_{\mathrm{p}}=\frac{\mathit{G}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\mathit{\mu }}_{\mathrm{s}}}\end{array}\right.$

每组由4个抱靴组成,则单个抱靴产生的夹紧力不小于N_p/4时,满足第1种平衡条件。

假设机器人运动过程中仅受滑块导轨之间的约束,以抱靴打开的部件总成为研究对象,第2种平衡条件的受力分析如图10(b)所示。当一组抱靴闭合、一组抱靴打开,机器人实现蠕动前进的平衡条件为

(5)$\left\{\begin{array}{l}\sum {\mathit{F}}_{\mathit{x}}={\mathit{N}}_{\mathrm{u}}-{\mathit{G}}_{\mathrm{u}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=0\\ \sum {\mathit{F}}_{\mathit{y}}=\mathit{F}-{\mathit{G}}_{\mathrm{u}}\mathit{s}\mathit{i}\mathit{n}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-{\mathit{N}}_{\mathrm{u}}\mathrm{ }{\mathit{\mu }}_{\mathrm{a}}>0\end{array}\right.$

由式(5)求得

(6) F>G_u(sinθ_max+μ_acosθ_max)

驱动力由左上/下移动部件和右上/下移动部件中的两个电机提供,其合力大于式(6)中的计算值时,满足第2种平衡条件。

3.2 关键部件力学分析

抱靴组件运动模型如图11所示,由于扶手绳是圆柱状构件,假设被夹物体形状规则、位置对称,则F_L和F_R大小相等、方向相反。F_L/R为抱靴左、右夹持力,其大小为

(7)F_L/R=$\frac{{\mathit{T}}_{\mathrm{m}}{\mathit{i}}_{\mathrm{c}}\mathrm{\pi }{\mathit{\eta }}_{\mathrm{c}}}{{\mathit{p}}_{\mathrm{s}}}$

设一侧滚珠螺母行程为L_s,移动时间为t_s,则其移动速度和移动时间为

(8)$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{v}}_{\mathrm{c}}=\frac{{\mathit{n}}_{\mathrm{m}}{\mathit{p}}_{\mathrm{s}}}{{\mathit{i}}_{\mathrm{c}}}\\ {\mathit{t}}_{\mathrm{s}}=\frac{{\mathit{L}}_{\mathrm{s}}}{{\mathit{v}}_{\mathrm{c}}}=\frac{{\mathit{L}}_{\mathrm{s}}{\mathit{i}}_{\mathrm{c}}}{{\mathit{n}}_{\mathrm{m}}{\mathit{p}}_{\mathrm{s}}}\end{array}\right.$

双向同步变轨组件运动模型如图12所示,假设滑动支梁上的载荷分布均匀、各支撑点阻力值相等、双向梯形丝杠提供的推力值大小相等且方向相反,则滑动支梁克服阻力匀速运动时的平衡关系为

(9)$\left\{\begin{array}{l}{\mathit{F}}_{\mathrm{t}}=2{\mathit{F}}_{\mathrm{r}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{i}}\\ {\mathit{F}}_{\mathrm{t}}=\frac{1}{2}\frac{{\mathit{T}}_{\mathrm{c}}2\mathrm{\pi }{\mathit{\eta }}_{\mathrm{t}}}{{\mathit{p}}_{\mathrm{c}}}=\frac{{\mathit{T}}_{\mathrm{c}}\mathrm{\pi }{\mathit{\eta }}_{\mathrm{t}}}{{\mathit{p}}_{\mathrm{c}}}\end{array}\right.$

由式(9)得出,滑动支梁匀速运动时变轨电机输出扭矩与阻力之间的关系为

(10)T_c=$\frac{2{\mathit{F}}_{\mathrm{r}}{\mathit{p}}_{\mathrm{c}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}{\mathit{\theta }}_{\mathrm{i}}}{\mathrm{\pi }{\mathit{\eta }}_{\mathrm{t}}}$

点A、B、C构成直角三角形,t为变轨电机工作时间,b为两滑块极限位置时的距离,则滑动支架铰接点距离的位移与变轨电机输出转速之间的关系为

(11)D_y=L_b+2$\sqrt{{\mathit{L}}_{\mathrm{l}}^{2}-{\left(\frac{{\mathit{W}}_{\mathrm{s}}-2{\mathit{n}}_{\mathrm{c}}{\mathit{p}}_{\mathrm{c}}\mathit{t}-\mathit{b}}{2}\right)}^{2}}$

根据式(11),通过设定电机转动圈数,可计算得出抱靴组件之间的轨距值,实现变轨组件的精确控制。

3.3 有限元分析

主缆机器人为露天高空作业设备,风载荷是其主要外载荷作用形式,假定风载荷为沿机器人最不利方向作用的静力载荷。根据《起重机设计规范》(GB/T 3811—2008)和高空作业相关技术标准,选定八级风作用下的风压500 N/m²作为静力载荷开展有限元分析。

在风载荷作用下,机器人系统中的支撑翼组件为悬臂式结构,易产生变形并影响末端相机的图像采集质量,因此需对其进行有限元分析。分析设定支撑翼选用材料为铝合金6061,分析云图如图13所示。由应力云图可知,八级风作用下支撑翼组件的最大应力为7.6 MPa,最大变形位移为0.57 mm,实际加工中支撑翼采用碳纤维复合材料,其强度与刚度远优于铝合金6061,因此支撑翼组件的强度和刚度满足工程作业要求。

根据前述力学分析结果,抱靴组件选定步科ISMK60-040电机,其额定转矩1.27 N·m,由式(7)计算得出抱靴组件最大夹紧力为1 220.3 N。为提高抱靴组件的工程可靠性,开展有限元分析时设定每个夹片受1 500 N推力,材料为铝合金7075,分析云图如图14所示。由应力云图可知,电机满功率工作状态下,抱靴组件的最大应力241.3 MPa,应力值在屈服极限内,因此抱靴组件强度满足要求。

4 实验与应用测试

4.1 实验室测试

为验证机器人的核心性能,搭建室内专用测试工装,该试验平台模拟了悬索桥检修通道、主缆和索夹的上表面结构。受实验场地层高限制,测试工装的倾角设定为13°;同时,考虑到实际工程中扶手绳间距存在施工误差,两根扶手绳无法实现完全平行,为检测机器人对扶手绳间距小范围变化的自适应能力,测试工装的扶手绳间距在4 m长范围内有20 mm差值,样机与测试工装如图15所示。

将机器人吊起,如图16(a)所示,实测机器人整机质量为226.4 kg,小于设计指标(230 kg)。实测机器人轨距变化范围为696~1 100 mm,可实现700~1 100 mm扶手绳间距的适配,如图16(b)所示。

实验室环境下,机器人可顺利完成攀爬动作,提取机器人运动一个步长的过程开展分析,图17和图18分别为机器人在一个步长内各压力传感器、编码器及各电机电流、转速的变化曲线。

机器人一个步长的动作分解与参数变化规律如下:①初始状态下所有抱靴闭合,压力传感器数值处于最大值,位移传感器数值处于最小值,各电机均不工作,转速和电流为零;②内抱靴电机启动,电流和转速增大,内抱靴打开,压力值减小,位移变大;③行走电机启动,其电流和转速增大,内抱靴向前移动;④内抱靴电机再次启动,电流和转速增大,内抱靴闭合,压力值变大,位移变小,延时0.1 s后,外抱靴电机启动,电流和转速增大,外抱靴打开,压力值变小,位移变大;⑤行走电机启动,其电流和转速增大,外抱靴向前移动;⑥外抱靴电机启动,其电流和转速增大,外抱靴闭合,压力值变大,位移变小。重复第②步至第⑥步,可实现连续运动。上述参数变化规律与所提出的尺蠖蠕动攀爬原理契合,验证了机器人机械结构与控制系统的合理性。

4.2 实桥应用测试

完成室内测试后,在某长江大桥开展实桥工程应用测试,测试当天天气状况良好,现场最大风速3.3 m/s,满足高空作业的环境要求。机器人从悬索桥中跨主缆最低点出发,历经117 min稳定攀爬至桥塔(图19),攀爬过程中未出现滑移等异常现象,验证了机器人在实际工程环境下的稳定攀爬能力。

实桥测试过程中,机器人成功采集了主缆全周向高清图像(图20),为桥梁养护人员直观掌握主缆结构状况提供了可视化依据。通过对采集的图像数据开展后期分析,初步得出检测结论:机器人攀爬段的主缆整体状况良好,但局部存在轻微表观缺陷,如个别螺栓的丢失、松动,以及小面积的油漆脱落现象等(图21)。

机器人在实桥扰动环境下,成功完成了主缆高清图像的采集任务,其机械结构、控制和图像采集系统的工程有效性得到了充分验证。养护人员可通过对图像数据的深入分析,精准评估主缆的结构健康状况,并及时采取针对性的维护措施,从而延长悬索桥的服役寿命,保障桥梁的安全运营。

5 结论

针对悬索桥主缆人工检测存在盲区、安全风险高及现有机器人易主缆损防护层、适应性差、工程部署难度大等问题,研制了以扶手绳为载体的仿生蠕动式主缆表观缺陷检测机器人系统。通过开展作业环境分析、本体模块化设计与力学建模、多传感器融合闭环控制及边缘计算图像采集系统开发,并在某长江大桥开展应用测试,验证了该机器人系统的工程可行性与有效性,得出如下结论。

(1)基于尺蠖运动原理的仿生蠕动系统,通过双向同步变轨组件实现了700~1 100 mm扶手绳间距的适配,可稳定完成≤30°大倾角攀爬作业;与主缆无接触,从根本上规避主缆防护层损伤风险。

(2)构建的四层闭环协同控制系统,保障了机器人在动态环境下的精准蠕动步态与稳定攀爬;基于边缘计算的图像采集系统实现了主缆全周向高清图像的高效获取。

(3)实桥应用测试表明,机器人现场部署时间≤1 h,攀爬速度5 m/min、续航里程2 000 m,各项性能指标均达到设计要求,为主缆智能化检测提供新装备与新方法。

本次研究尚未集成在线缺陷识别、主缆内部缺陷检测等功能。后续将开发嵌入式识别算法与智能检测报告生成系统,探索集成无损探伤模块与检修设备,实现主缆内外部缺陷一体化检修功能。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	陈开利. 中日悬索桥缆索养护管理关键技术[J]. 世界桥梁, 2020, 48(6): 70-76.

[2]	Chen Kaili. Key main cable maintenance techniques for suspension bridges in China and Japan[J]. World Bridges, 2020, 48(6): 70-76.

[3]	李鹏. 悬索桥主缆腐蚀问题浅析[C]// 第五届海洋材料与腐蚀防护大会暨海洋新材料及防护新技术展览会论文集. 珠海: 中国腐蚀与防护学会, 2018: 44-48.

[4]

Li Peng. A preliminary analysis of the corrosion issues of main cables in suspension bridges[C]// Proceedings of the 5th International Conference on Marine Materials and Corrosion Protection and Exhibition on New Marine Materials and Protective Technologies. Zhuhai: Chinese Society for Corrosion and Protection, 2018: 44-48.

[5]	姚志安, 康壮苏, 倪雅, 等. 不同钢丝堆积态下悬索桥主缆除湿性能[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(9): 3807-3813.

[6]	Yao Zhian, Kang Zhuangsu, Ni Ya, et al. The arefaction of the suspension bridge main cable by steel wire stacking states[J]. Scie-nce Technology and Engineering, 2021, 21(9): 3807-3813.

[7]	周勇军, 贾利强, 杨帆, 等. 考虑主缆镀锌层蠕变的索夹螺杆紧固力损失预测研究[J]. 中国公路学报, 2024, 37(7): 157-167.

[8]	Zhou Yongjun, Jia Liqiang, Yang Fan, et al. Research on preload loss prediction of clamp bolt considering cable creep of galvanized layer[J]. China Journal of Highway and Transport, 2024, 37(7): 157-167.

[9]	雷俊卿. 公路悬索桥检测评估与养护维修[J]. 中国公路, 2017(3): 87-89.

[10]	Lei Junqing. Inspection, assessment, and maintenance of highway suspension bridges[J]. China Highway, 2017(3): 87-89.

[11]	雷俊卿, 曹珊珊, 刘昊苏. 公路悬索桥检测评估与养护维修安全[C]// 中国公路学会养护与管理分会第七届学术年会论文集. 西安: 中国公路学会养护与管理分会, 2017: 47-52.

[12]

Lei Junqing, Cao Shanshan, Liu Haosu. Safety in inspection, eva-luation, and maintenance of highway suspension bridges[C]// Proceedings of the 7th Academic Annual Conference of the Maintenance and Management Branch of the China Highway and Transportation Society. Xi’an: Maintenance and Management Branch of the China Highway and Transportation Society, 2017: 47-52.

[13]	李鹏, 于奇, 何少阳, 等. 中国悬索桥主缆检查现状[C]// 中国公路学会养护与管理分会第十届学术年会论文集. 深圳: 中国公路学会养护与管理分会, 2020: 216-219.

[14]

Li Peng, Yu Qi, He Shaoyang, et al. Current status of main cable inspection for suspension bridges in China[C]// Proceedings of the 10th Academic Annual Conference of the Maintenance and Management Branch of the China Highway and Transportation Society. Shenzhen: Maintenance and Management Branch of the China Highway and Transportation Society, 2020: 216-219.

[15]	江周. 自行式悬索桥主缆检修车关键技术研究[D]. 重庆: 西南交通大学, 2017.

[16]	Jiang Zhou. Study on key technology of self-walking inspection and repair vehicle of suspension bridge main cable[D]. Chongqing: Southwest Jiaotong University, 2017.

[17]	衡亚霖. 自行走悬索桥主缆检修车研究与设计[D]. 重庆: 西南交通大学, 2016.

[18]	Heng Yalin. Research and design of self-walking suspension bridge main cable check and repair vehicle[D]. Chongqing: Southwest Jiaotong University, 2016.

[19]	衡亚霖, 王少华, 江周, 等. 自行走悬索桥主缆检修车抗风稳定性研究[J]. 现代机械, 2017 (3): 64-67.

[20]	Heng Yalin, Wang Shaohua, Jiang Zhou, et al. Study on wind resistant stability of main cable inspection vehicle of self-walking suspension bridge[J]. Modern Machinery, 2017(3): 64-67.

[21]	Zhang L, Wang S, Guo P, et al. Wind-induced vibration response of an inspection vehicle for main cables based on computer simulation[J]. Shock and Vibration, 2019, 2019(1): 1012987.

[22]	司癸卯, 王杨煦, 王彤, 等. 基于AMESim的桥梁主缆检查车两履带行走液压同步控制研究[J]. 建筑机械, 2017 (7): 53-56.

[23]	Si Guimao, Wang Yangxu, Wang Tong, et al. The study on hydraulic synchronization control of two crawler track of bridge main cable inspection vehicle based on AMESim[J]. Construction Machinery, 2017 (7): 53-56.

[24]	付云宝. 桥梁主缆检查车两履带行走同步控制研究[D]. 西安: 长安大学, 2015.

[25]	Fu Yunbao.Analysis and study on synchronization control of two-crawlers drive of bridge main push and towing rope checking car[D]. Xi’an: Chang’an University, 2015.

[26]	赵文瑞, 王大刚, 刘畅, 等. 悬索桥主缆探伤机器人的设计[J]. 现代信息科技, 2020, 4(22): 130-132.

[27]	Zhao Wenrui, Wang Dagang, Liu Chang, et al. Design of the flaw detection robot for the main cable of suspension bridge[J]. Mo-dern Information Technology, 2020, 4(22): 130-132.

[28]	魏武, 孙洪超. 蛇形机器人桥梁缆索攀爬步态控制研究[J]. 中国机械工程, 2012, 23(10): 1230-1236.

[29]	Wei Wu, Sun Hongchao. Research on gait generation and control of snake-like robot for bridge cable climbing[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 23(10): 1230-1236.

[30]	魏武, 邝绍南. 基于蛇形机器人多传感器数据融合的缆索缺陷自动检测方法[J]. 公路交通科技, 2011, 28(12): 88-93.

[31]	Wei Wu, Kuang Shaonan. Automatic detection of cable defects based on snake-like robot and multi-sensor data fusion[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011, 28(12): 88-93.

[32]	魏武, 李钟. 桥梁缆索检测攀爬蛇形机器人的设计与实现[J]. 公路交通科技, 2014, 31(1): 152-158.

[33]	Wei Wu, Li Zhong. Design and implementation of climbing snake-like robot for bridge cable detection[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2014, 31(1): 152-158.

[34]	孙翔宇, 刘刚峰, 杨清阁, 等. 中国天眼馈源支撑缆索检测机器人设计[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(3): 1119-1129.

[35]	Sun Xiangyu, Liu Gangfeng, Yang Qingge, et al. Design of feed support cable inspection robot for FAST[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(3): 1119-1129.

[36]	吴凌霄, 段祝庚, 江学良. 无人机倾斜摄影测量构建悬索桥三维模型与病害检测--以邵阳市桂花大桥为例[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(8): 3153-3161.

[37]	Wu Lingxiao, Duan Zhugeng, Jiang Xueliang. Construction of three-dimensional model and disease detection of suspension bridge by UAV tilt photogrammetry: a case study of Guihua bridge in Shaoyang City[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(8): 3153-3161.

[38]	Hegeir O A, Nagai K, Matsumoto K, et al. Inspection and detection of damages of main cable in pathein bridge using drone[C]// Paper Presented Eighth International Conference on Science and Engineering (ICSE 2017). Yangon: ICSE, 2017: 1-10.

[39]	冯东明, 余星宇, 黎剑安, 等. 基于无人机的悬索桥主缆自动巡检及小样本表观病害识别[J]. 中国公路学报, 2024, 37(2): 29-39.

[40]	Feng Dongming, Yu Xingyu, Li Jianan, et al. Automatic inspection of main cables of suspension bridge based on UAV and appa-rent defect identification with small-sized samples[J]. China Journal of Highway and Transport, 2024, 37(2): 29-39.