1956年我国第一座斜拉桥被设计建成。随着桥梁建造业的快速发展，斜拉桥的规模越来越大。目前世界上主跨超过200m的斜拉桥就多达200余座，而我国200m以上的大跨度斜拉桥也已超过了50座。斜拉桥尺寸的增大带来了桥梁检测方面的问题，其中对缆索的检测非常重要，因为缆索是斜拉桥主要的承重构件之一。大型斜拉桥缆索数目较大，高度较高，人工检测即费时又不安全，利用爬缆机器人成为缆索检测的有效方法。现有国内的爬缆机器人主要有气动蠕动式、电动连续式和螺旋爬升式。气动蠕动式［1，2］的工作原理是利用气缸驱动，上体和下体依次夹紧松开，交替向前。其特点是运动间歇性，且气动蠕动式机器人体积较大重量较重，需要与地面连接气源管路。而螺旋爬升式［3］的运动控制较复杂，承载能力不如其他两种机器人。相比较，电动连续式机器人［4，6］运动连续可靠，体积较小;能够携带电池工作，避免了输电线的牵绊;承载能力较好。基于以上优点，电动连续式成为爬缆机器人主要发展的方向。国外对斜拉桥爬缆机器人的研究较少，但有比较多的爬升类机构可以借鉴。麻省理工大学研制出的Shady3D［7］，能够爬行较为复杂的三维桁架，机器人的爬行能力较强，但控制复杂，不适合在高空工作。德兰黑大学研制的路灯清洁机器人UT-PCＲ［8］，其原理为利用斜拉弹簧使滚轮压紧灯杆，这种方式对灯杆直径的变化有一定适应性。韩国成均馆大学开发的履带式爬升机器人［9］越障性能良好，能够适应悬索桥缆索较为崎岖的表面，但体积重量都较大。分析斜拉桥爬缆机器人的工作环境，结合现有杆类绳类爬升机器人优点及不足，得到机器人在爬缆时不仅需要具备很强的爬升能力，在设计时还需满足如下几点要求。(1)不同桥梁的缆索直径差别较大，机器人对缆索直径需有良好的适应性。(2)缆索暴露在空气中，表面可能会出现一些凸起或凹陷，机器人需具有良好的越障性能。(3)机器人在高空工作，出现意外时需有一套安全回收方式。此外，一些斜拉桥缆索的高处有时还安有一些小型的检测元件，以往检测前后需人工拆除这些元件，费时费力。国内几款电动爬升机器人考虑了机器人的越障性，但都是基于缆索表面的较小障碍，没有对缆索上类似小型元件的较大障碍物进行分析考虑。
1爬缆机器人的结构
爬缆机器人的工作过程是机器人携图像采集仪器或检测仪器，克服重力的作用向上爬行，检测完毕回到地面。为保证机器人能够顺利完成桥梁检测的工作并具有较高的工作效率，对机器人的设计要求有①上行速度能达到10m/min，下行速度能达到20m/min;②适用于直径80～160mm的缆索;③具有良好的越障性和安全回收性;④尽可能缩短机器人的拆装时间。图1是基于以上要求设计出的四驱式爬缆机器人示意图。机器人主要分为内外框架部分和小车组，框架外部固定，内部可根据缆索调节抱缆的直径并提供抱紧力。内框架上分布四辆结构相同的驱动小车。整个机构的重量小于30kg。
1.1结构特点
图2所示为四驱式爬缆机器人的机构。其内部框架由四个结构相同的滑架及连接件组成，四个滑架由两台夹紧电机带动螺杆螺母进行驱动。夹紧电机选用步进电机。在滑架到达设定的夹紧位置时，控制步进电机停止转动并按额定电流设定电机，此时电机的输出力矩为保持转矩，电机不会反转从而为机器人提供了持续的夹紧力。一个夹紧电机可驱动对边滑架同时夹紧，两组对边滑架的夹紧运动相对独立，能够分别对其进行控制。移动小车由车身，驱动轮部分和导向轮部分组成。为了更好的贴合缆索，驱动轮和缆索的接触面设计成弧形。两个驱动轮通过平衡梁连接，由压簧提供压紧力。在遇到缆索上的较小突起时，平衡梁转动，压簧压缩，可使小车顺利通过障碍物。在结构允许的范围内，尽可能选择刚度较小的压簧能使机器人的越障能力达到最佳。由于无刷直流电机有体积小重量轻，输出扭矩较大，控制方式多样等优点，所以选择无刷直流电机驱动小车运动。此外，无刷直流电机输出稳定，有利于检测的平稳和可靠。导向轮由斜拉弹簧紧紧的压在缆索上，导向轮的作用是导向和使机器人攀爬稳定。为了使爬缆机器能够放置在缆索上，内外框架的一面设计成可以拆卸的。工作前，将框架门打开把机器人安置在缆索上，然后控制夹紧电机使一组对边滑架向中间滑动直到机器人和缆索之间的压力达到设定值，驱动两个滑架上的小车车轮使机器人攀爬。为了使机器人在爬缆时重心和缆索保持一致从而不会出现转动的情况，将电池及控制装置均匀安置在机器人框架四周。
1.2避障
在攀爬过程中，机器人遇到较小障碍物时可通过压簧的自适应性使机器人顺利通过，但是如果遇到较大障碍物如缆索表面的小型检测元件或者装饰物时，小车就会卡住无法上行。这种情况下，四驱式爬缆机器人可利用避障的方法通过障碍物。机器人正常上行时只需一组对边滑架及滑架上的小车工作，当机器人正在工作的滚轮卡在较大障碍物上时，可控制另一组对边滑架夹紧缆索，然后松开卡住的一组滑架，从而使机器人避开障碍正常工作。
1.3节能回收
机器人上装有速度传感器、压力传感器、红外线传感器来控制机器人的正常工作。当爬缆机器人到达缆索顶部需要回收时，可利用自身重力使其下降至地面。通过速度传感器反馈回的数据调节压紧电机正反转，调节控制机器人摩擦轮和缆索之间的压力，使机器人回收时保持匀速，避免机器人下降速度过快后失去控制。重力回收比电机驱动回收效率高，并且节省了电池能源。
2爬缆机器人的动力学分析
2.1静止动力学分析
爬缆机器人在检测过程中需要完成:静止抱缆、匀速爬升至缆顶、较快匀速下降至地面。目前世界上斜拉桥的缆索斜度在30°～90°之间。选取极限条件90°对机器人的静态和爬升时进行动力学分析，保证机器人能够适用各种斜度的缆索。
2.2爬升动力学分析
爬缆机器人爬升时受力分析如图4所示。机器人受到自身重力G、缆索给驱动轮的支持力N1、缆索给导向轮的支持力N2、缆索与驱动轮的摩擦力Ff1、缆索与导向轮的摩擦力Ff2以及电机驱动力Ft，机器人低速爬升，可忽略空气阻力对其的影响。
3机器人样机实验
针对以上分析研制机器人样机，实验如图5所示。拟用公称直径为100mm的镀锌水管作为目标缆索，实验中缆索与地面倾角90°。为了测试机器人的越障性能，目标缆索表面布置了高度为10mm的障碍。实验共进行了10次，爬缆机器人上行下行速度均能达到设定值，爬行过程稳定，检测效率高。在遇图5机器人样机现场实验照片Fig.5Thepictureoftherobotprototypeexperiment到高度为10mm的障碍时，机器人利用压簧的自适应性能够顺利通过，没有出现过卡死的现象。在缆索表面布置一些小型原件进行实验，实验证明能够通过两组滑架的交替作业越过这些障碍，完全符合实验的预定目标。
4结论
四驱式爬缆机器人结构简单，拆装方便，工作效率很高。其特点是能够越过桥梁上一些较小的元件以及较大的突起障碍物，并且实现了节能回收。通过对机器人的爬升受力分析，得到了夹紧力与驱动力之间的关系，为夹紧力的设计和电机的计算选型提供了依据。
作者：邓斌 李想 吴文海 于兰英 柯坚 单位：西南交通大学机械工程学院
