爬繩機(jī)器人開(kāi)題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：機(jī)械所在學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目：爬繩機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：完成日期：2015年4月20日山東建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告表班級(jí)：機(jī)械1班姓名：設(shè)計(jì)題目I爬繩機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)—一、選題背景和意義建國(guó)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)的交通事業(yè)有了突飛猛進(jìn)地進(jìn)步。在交通建設(shè)中，橋梁建設(shè)占據(jù)著舉足輕重的作用。各種大跨徑橋梁在交通建設(shè)中被廣泛采用，特別是斜拉橋和懸索橋，因其有優(yōu)美的線條、跨越能力強(qiáng)等特點(diǎn)更是成為我國(guó)橋梁建設(shè)中的寵兒，目前在全國(guó)主跨超過(guò)200米的大跨徑斜拉橋已達(dá)30多座。但近些年來(lái)，橋梁的事故日益頻出，也使得橋梁維護(hù)以及安全性問(wèn)題引起人們的廣泛關(guān)注。纜索是斜拉橋和懸索橋的重要組成部分，造價(jià)約占全橋造價(jià)的25%?30%，它的腐蝕損傷是大多斜拉橋和懸索橋發(fā)生事故的重要原因。2001年11月7日，四川省宜賓市的南門大橋發(fā)生橋面局部跨蹋事故，鋼纜銹蝕就是這起事故的主要原因之一。2005年2月長(zhǎng)沙瀏陽(yáng)河大橋發(fā)生強(qiáng)烈晃動(dòng)也是由于纜索晃動(dòng)引起。美國(guó)1940年在俄亥俄州樸次茅斯格蘭特將軍大橋發(fā)生的纜繩錨爪鞘開(kāi)裂事故，也是因?yàn)橛晁泻械奈⒘肯跛猁}附在纜索上導(dǎo)致發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂。因此，在橋梁維護(hù)中，纜索的防護(hù)和監(jiān)測(cè)對(duì)于人們生產(chǎn)生活有著十分重大的意義。斜拉橋和懸索橋的重要受力構(gòu)件是纜索，纜索鋼絲和成品索防護(hù)不良，是造成纜索生銹腐蝕、斷絲失效的主要原因，因此在斜拉橋和懸索橋工程中，一直把纜索防護(hù)問(wèn)題作為重要的技術(shù)工藝控制項(xiàng)目。一般情況下，纜索損傷主要來(lái)自疲勞和腐蝕。其中腐蝕的防范主要通材料保護(hù)措施來(lái)保證。如何對(duì)纜索表面保護(hù)材料狀況進(jìn)行快速、準(zhǔn)確檢測(cè)是對(duì)斜拉、懸索橋梁纜索受腐蝕和損傷狀況檢測(cè)的重要問(wèn)題，也是對(duì)橋梁本身健康監(jiān)測(cè)維護(hù)的重要問(wèn)題。二、課題關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)纜索檢測(cè)機(jī)器人研究面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)，考慮到纜索機(jī)器人應(yīng)用背景和實(shí)現(xiàn)的功能，要成功地研究開(kāi)發(fā)一種應(yīng)用于斜拉橋纜索檢測(cè)的爬行機(jī)器人，必須解決好以下幾個(gè)技術(shù)難題：實(shí)現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)最優(yōu)化問(wèn)題。即在滿足預(yù)定功能的前提下，盡可能地使機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，加工方便，成本低，重量輕。電驅(qū)動(dòng)連續(xù)爬升機(jī)構(gòu)承載能力的問(wèn)題。由于電驅(qū)動(dòng)爬升機(jī)構(gòu)承載能力有限，解決好驅(qū)動(dòng)能力與負(fù)載能力的關(guān)系也是我們要解決的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。三驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。由于機(jī)器人在高空作業(yè)過(guò)程中要承受外界力、纜索自身?yè)隙鹊纫蛩氐挠绊?，難免會(huì)偏離預(yù)定軌跡或者顛簸爬行，這是我們都不希望發(fā)生的，要得到比較好的檢測(cè)效果，不誤檢、漏檢，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)是十分重要的，因此就要很好地解決三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)同步性問(wèn)題。安全保護(hù)策略。機(jī)器人在危險(xiǎn)的高空作業(yè)，遇到突發(fā)事件，如系統(tǒng)斷電等能安全回收也是我們要解決的一個(gè)很重要問(wèn)題。三、調(diào)研報(bào)告1、國(guó)內(nèi)外纜索機(jī)器人現(xiàn)狀機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)和近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，而纜索機(jī)器人是一種能夠攜帶相關(guān)設(shè)備攀爬纜索，并對(duì)其進(jìn)行高空長(zhǎng)距離檢測(cè)維護(hù)特種機(jī)器人。這種自動(dòng)化裝備不但可以應(yīng)用在斜拉橋纜索的檢測(cè)、清洗、噴涂、彩裝等領(lǐng)域，而且可以完成高壓供電電纜和石化行業(yè)架空管道的探傷和表面處理，還可以應(yīng)用于高空氣象和環(huán)境檢測(cè)、高架路路燈桿以及風(fēng)景區(qū)索道、體育館等其它建筑的纜索維護(hù)，具有廣闊市場(chǎng)應(yīng)用前景，能帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。纜索機(jī)器人，與人工作業(yè)方式相比，不但極大地降低了成本，而且也最大限度地保證了作業(yè)安全。所以，近些年國(guó)內(nèi)、外很多科研單位都開(kāi)展了纜索機(jī)器人的技術(shù)及理論研究工作，并且取得了一些實(shí)用成果。但總的來(lái)說(shuō)，該類機(jī)器人的研究還是處于初級(jí)階段。國(guó)內(nèi)比較典型的有上海交通大學(xué)研制的斜拉橋纜索涂裝維護(hù)機(jī)器人可在各種斜度的纜索上爬行，能完成纜索檢測(cè)、清洗等工作，并具有一定的智能性。研制成功了采用電動(dòng)全驅(qū)動(dòng)摩擦輪式、氣動(dòng)蠕動(dòng)式兩種機(jī)器人樣機(jī)，并且在上海徐浦大橋和南浦大橋上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，目前處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖1.1，圖1.2。圖L2氣動(dòng)蠕動(dòng)式纜索機(jī)器人樣機(jī)Fig.1.2akineticcharacteristicofthePneumaticwormingcablerobot

在國(guó)外與纜索爬升相類似的管外移動(dòng)機(jī)器人、巡線機(jī)器人和燈桿檢測(cè)清洗機(jī)器人等，相關(guān)專家都進(jìn)行了大量研究，并且都研制成功了樣機(jī)，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有關(guān)斜拉橋纜索機(jī)器人的報(bào)道?？v觀國(guó)內(nèi)外各種爬升模型，機(jī)構(gòu)依附于線約束表面的有直線連續(xù)爬升、夾緊蠕動(dòng)爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等自動(dòng)方式。以下是幾種與纜索機(jī)器人類似的機(jī)器人，主要依附管狀或者線纜爬行進(jìn)行特種作業(yè)要求。圖1.3和圖1.4是兩種很典型的應(yīng)用于燈桿檢測(cè)清洗的機(jī)器人，都采用電驅(qū)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)完全不同。圖3是美國(guó)維吉尼亞大學(xué)研制的應(yīng)用于高速路燈桿無(wú)損檢測(cè)的磁吸附式電驅(qū)動(dòng)爬行機(jī)器人Polecat有六個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)從動(dòng)輪，每一個(gè)輪子設(shè)計(jì)成中間加有磁鐵的兩個(gè)圓盤，通過(guò)協(xié)調(diào)磁鐵吸力和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行運(yùn)動(dòng)。圖4是伊朗德黑蘭大學(xué)研制應(yīng)用于高速路路燈清洗機(jī)器人，該機(jī)器人采用對(duì)稱框架式結(jié)構(gòu)，主體部分有三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和三個(gè)從動(dòng)輪，在主體上部對(duì)稱安裝了兩個(gè)機(jī)械手臂，當(dāng)機(jī)器人在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下爬到預(yù)定位置，機(jī)械手臂動(dòng)作就可以完成清洗任務(wù)。圖1.3燈桿檢測(cè)機(jī)器人圖14路燈清洗機(jī)器人"在第一屆全國(guó)大學(xué)生第一屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)作品中也出現(xiàn)了類似功能和結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，如圖1.5為天津大學(xué)爬桿噴漆機(jī)器人，圖1.6北航爬桿爬管道年用機(jī)器人，圖1.7遼寧工程技術(shù)大學(xué)爬桿爬繩機(jī)器人。圖1.3燈桿檢測(cè)機(jī)器人Fig.1.5apolepaintingrobot圖1.5爬桿噴漆機(jī)器人圖1.6爬桿爬管道兩用機(jī)器人圖1.7爬桿爬繩機(jī)器人Fig.1,6apoleandpipelineFig.1.7apoleandropeclimbingrobotclimbingrobot地下電纜檢測(cè)機(jī)器人：如圖1.8所示，華盛頓大學(xué)發(fā)明的名叫“巡游者”的地下電纜檢測(cè)系統(tǒng)。在工作時(shí)，“巡游者”依靠漏斗形狀的輪子前進(jìn)，并利用“穩(wěn)定臂”幫助它保持平衡。分節(jié)設(shè)計(jì)具有更大的靈活性，可以隨意根據(jù)需要增加傳感器和電池組，機(jī)器人上攜帶聲納探測(cè)器，紅外線傳感器和相機(jī)用于多參數(shù)檢測(cè)。圖1.8地下電纜檢測(cè)機(jī)器人圖1.8地下電纜檢測(cè)機(jī)器人圖1.9巡線機(jī)器人圖1.11氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬棕樹(shù)機(jī)器人圖1.11氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬棕樹(shù)機(jī)器人Fig.1J1ApalmclimbingrobotFig.]$anundeigicmnclcabledetectionrobotFig.1.9anewinspectionrobot高壓線路巡線機(jī)器人，可代替人在巡查線路時(shí)掌握線路的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，以判斷高壓線路是否存在隱患和故障。圖1.9由日本Sato公司生產(chǎn)的電力線損傷探測(cè)器也采用了單體小車結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人能在地面操作人員的遙控下，沿電力線行走，利用車載探測(cè)儀器探測(cè)線路損傷程度及準(zhǔn)確位置，將獲取的數(shù)據(jù)和圖片資料存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄器中。地面工作人員可回放復(fù)查，進(jìn)一步確定損傷情況。探測(cè)器不具備越障功能，遇到線路附件等障礙物時(shí)便自動(dòng)停止前進(jìn)。另外應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的類似爬行機(jī)器人還有爬樹(shù)機(jī)器人，圖1.10是日本農(nóng)業(yè)水產(chǎn)省農(nóng)業(yè)研究所研制的爬樹(shù)剪枝機(jī)器人，這種機(jī)器人采用了發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)橡膠輪繞樹(shù)盤旋上升的方法，為了減小爬樹(shù)機(jī)器人的爬升斜度，提高爬升能力，把該機(jī)器人的橡膠輪安裝成與樹(shù)干方向成一定斜角。正是由輪子與樹(shù)干的傾斜角，使得機(jī)器人沿樹(shù)干螺旋爬升。圖1.11是馬來(lái)西亞理科大學(xué)研制的用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的氣動(dòng)蠕動(dòng)式爬棕樹(shù)機(jī)器人，通過(guò)上下卡鉗的來(lái)回運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。圖1」0爬樹(shù)剪枝機(jī)器人Fig.1.10Robotclimbingatreepruning以上所介紹的類似纜索機(jī)器人都是在某一特定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)其功能的，但是對(duì)于像斜拉橋纜索這種標(biāo)高高、斜度大、有一定擾度，爬升距離長(zhǎng)的特殊對(duì)象就不能適應(yīng)了。因此，有必要在這一領(lǐng)域開(kāi)發(fā)研制一種適應(yīng)性、應(yīng)用性更強(qiáng)的爬行機(jī)器人。2、發(fā)展趨勢(shì)斜拉橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁中最主要橋型之一。它在世界范圍內(nèi)應(yīng)用是20世紀(jì)70年代開(kāi)始，90年代迅速發(fā)展，斜拉橋以其優(yōu)美的外觀及良好的抗震性越來(lái)越得到橋梁設(shè)計(jì)師的青睞。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自從1956年世界第一座斜拉橋Stroemsund斜拉橋在瑞典建成以來(lái)，到目前為止全世界己經(jīng)建400余座斜拉橋。斜拉橋是在60年代初傳入我國(guó)的，自1975年在四川云陽(yáng)建成第一座斜拉橋到目前已經(jīng)建成的世界第一跨徑（1088m）的蘇通大橋，30多年來(lái)我國(guó)共建成百余座斜拉橋，成為擁有斜拉橋最多的國(guó)家。在世界10大著名斜拉橋排名榜上，中國(guó)有8座，跨度在600米以上的斜拉橋世界上僅有9座，中國(guó)占了7座。目前，對(duì)斜拉橋纜索涂裝、檢測(cè)和修復(fù)等維護(hù)作業(yè)很少全面開(kāi)展，主要是在塔頂設(shè)立定滑輪吊點(diǎn)，用卷?yè)P(yáng)機(jī)經(jīng)鋼絲繩帶動(dòng)小車及載人的吊籃由人在高空對(duì)全部纜索進(jìn)行作業(yè)，這種檢測(cè)方式不僅效率低、質(zhì)量差、成本高，而且安全性差。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)沿纜索爬升并能完成一定作業(yè)任務(wù)的大傾斜度纜索機(jī)器人，不僅給斜拉橋纜索的檢測(cè)和維護(hù)作業(yè)提供重要的手段，而且也可應(yīng)用于類似的斜拉結(jié)構(gòu)上，必然會(huì)帶來(lái)顯著的社會(huì)效益和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如上海楊浦大橋進(jìn)行纜索彩色雙選共計(jì)耗資640萬(wàn)元，徐浦大橋進(jìn)行纜索人工涂裝（1997年?1998年）的總費(fèi)用達(dá)450萬(wàn)元。對(duì)纜索的內(nèi)部鋼絲檢測(cè)費(fèi)用也是可觀的，如果每米檢測(cè)費(fèi)用8元計(jì)算，那么每座斜拉橋的檢測(cè)總費(fèi)用就達(dá)40多萬(wàn)元，顯然纜索維護(hù)機(jī)器人所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。此外，纜索維護(hù)機(jī)器人的成功研制不僅可用于纜索的涂裝、清洗和檢測(cè)，而且還可以用于高空氣象和環(huán)境檢測(cè)，高架路路燈燈桿和高空管道的維護(hù)以及應(yīng)用風(fēng)景區(qū)索道、體育館等其它的纜索維護(hù)。四、方案論證斜拉橋纜索表面缺陷檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外在斜拉橋的日常維護(hù)中，針對(duì)纜索的健康檢測(cè)，主要有兩個(gè)方面：（1）表面保護(hù)材料層的檢測(cè)：主要檢測(cè)外表保護(hù)層因日曬雨淋及荷載振動(dòng)影響而導(dǎo)致開(kāi)裂、變形、剝落等的情況。（2）內(nèi)部鋼絲結(jié)構(gòu)的檢測(cè)：針對(duì)纜索內(nèi)部高強(qiáng)鋼絲受橋梁荷載和風(fēng)振雨振發(fā)生永久變形，金屬截面積發(fā)生變化以及雨水和水蒸汽侵入纜索內(nèi)部引發(fā)銹蝕等情況的檢測(cè)。對(duì)其內(nèi)部鋼絲結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，主要手段有超聲波縱向收發(fā)檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、X射線檢測(cè)法、磁方法（MTC）、索力檢測(cè)法等等，其中磁方法（MTC）是根據(jù)纜索鐵磁材料特點(diǎn)，檢測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)最有效的方法，其中又以德國(guó)DNT公司采用的局部缺陷檢測(cè)法（LocaliyedFaultMethod）和美國(guó)NDT公司采用的截面積損耗型檢測(cè)法（LossofMetallicalAreaMethod）在實(shí)際檢測(cè)中采用最為廣泛。而對(duì)纜索表面保護(hù)材料層的檢測(cè)，當(dāng)今主要采用人工觀測(cè)、激光掃描法和數(shù)字圖像處理三種方法。人工觀測(cè)的方法，是通過(guò)橋梁維護(hù)人員對(duì)斜拉橋纜索的定期尋查，去發(fā)現(xiàn)其表面銹蝕、缺損和病害。這樣的人工檢測(cè)方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高，而且也常常給我們橋梁維護(hù)的工作人員帶來(lái)安全上的隱患。激光掃描法，其主要有利用光熱技術(shù)和超聲技術(shù)兩種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)纜索表面的激光掃描檢測(cè)。激光超聲技術(shù)以光聲效應(yīng)理論為基礎(chǔ)，將調(diào)制后的激光投射在樣品表面，產(chǎn)生相應(yīng)的物理效應(yīng)，生成含有被測(cè)表面信息的超聲信號(hào)，利用裂紋等缺陷對(duì)超聲波信號(hào)的調(diào)制作用，使激光產(chǎn)生Doppler頻移，因此，可以用激光探針檢測(cè)出該信號(hào)，從中提取出有關(guān)缺陷的信息。但這種方法仍存在一些缺點(diǎn)，如檢測(cè)缺陷不直觀，掃描線為螺旋線存在盲區(qū)，系統(tǒng)構(gòu)成較大而且價(jià)格昂貴等。因此，在斜拉橋纜索日常維護(hù)檢測(cè)中，需要一種能準(zhǔn)確、安全實(shí)現(xiàn)斜拉橋纜索表面損傷檢測(cè)的技術(shù)手段。本課題從這點(diǎn)出發(fā)，提出基于圖像識(shí)別的斜拉橋纜索表面缺陷檢測(cè)的研究設(shè)計(jì)。希望通過(guò)本課題的實(shí)施，能很好的解決斜拉橋纜索表面缺陷檢測(cè)中效率、成本、安全等問(wèn)題，對(duì)橋梁安全監(jiān)測(cè)的一系列理論、設(shè)計(jì)提出新的方法和技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)橋梁安全檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。各種爬升方式的特點(diǎn)和分析纜索機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是依附于纜索上的自動(dòng)爬行器，與一般地面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動(dòng)。要求能自動(dòng)進(jìn)行上、下爬行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)要求能夠支承平行于桿件的重力分量，并且能可靠自鎖于任意位置，因此爬行器軸向力的獲得以及如何穩(wěn)定地沿桿件移動(dòng)而不倒退是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?，F(xiàn)有爬升方式有直線連續(xù)爬升、夾緊蠕動(dòng)爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等自動(dòng)方式。各種類型桿（管）件自動(dòng)爬行器的特點(diǎn)。方案一：電動(dòng)機(jī)械式結(jié)構(gòu)組成：渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、曲柄連桿、電機(jī)等；工作原理：經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減速器減速，帶動(dòng)橡膠輪沿桿件螺旋上升和下降；運(yùn)動(dòng)與負(fù)載：運(yùn)動(dòng)連續(xù)，爬行速度低，負(fù)載小；傳動(dòng)裝置：蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)效率較低；安全裝置：蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有良好的自鎖能力及大的傳動(dòng)比；桿件適應(yīng)性：曲柄連桿機(jī)構(gòu)使其有一定的適應(yīng)性；應(yīng)用場(chǎng)合：燈桿頂部的燈具安裝等。方案二：電動(dòng)液壓式結(jié)構(gòu)組成：壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（壓簧、液壓缸組件）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（導(dǎo)向輪）和爬行機(jī)構(gòu)（電機(jī)、減速器及小車）；工作原理：由電機(jī)經(jīng)減速器、鏈輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)前后車輪。調(diào)整壓緊調(diào)節(jié)裝置和向輪的徑向位置實(shí)現(xiàn)抱緊運(yùn)動(dòng)與負(fù)載：運(yùn)動(dòng)連續(xù)，爬行速度低，負(fù)載??；運(yùn)動(dòng)與負(fù)載：運(yùn)動(dòng)連續(xù)，爬升速度高、運(yùn)行平穩(wěn)，負(fù)載大；傳動(dòng)裝置：三電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)，傳動(dòng)效率較高；安全裝置：設(shè)有安