CN112030738A - 一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统与方法，涉及缆索检测领域，包括上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构，上行走轮结构设有卷线器，卷线器与负重结构上的导轮通过提拉线连接。本发明通过上下走轮结构交替运行，同时利用卷线器对提拉线进行不同的收放控制，从而使得负重结构在上行或下行时，依靠固定与斜拉索上的上行走轮结构或下行走轮结构提供静摩擦力，并依靠该静摩擦力作为称重力，而无需负重结构上下行过程中对斜拉索施加额外的受力以使负重结构靠动摩擦力上行，因此使得攀爬机器人的负重能力更强，同时对斜拉索的损伤更小。

Description

一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统与方法

技术领域

本发明涉及缆索检测领域，具体涉及一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统与方法。

背景技术

斜拉桥具有跨度大、造型美观、建造方便等诸多优点，作为现代新形式的桥梁建设结构，在世界范围内得到了广泛应用。而作为主要受力构件的斜拉索是斜拉桥的“生命线”，由于其长期处于活动变载荷、风振、雨振、日照及汽车尾气等污染性气体侵蚀等因素的反复作用下，斜拉桥缆索很容易出现钢丝绳锈蚀、应变断股情况。为提高斜拉索的使用寿命，目前广泛最常采用的是斜拉索保护体系。但随着时间的推移，斜拉索外包护套将会出现老化开裂的情况。开裂位置形成的局部条件更会加快钢丝绳的锈蚀过程，若不定期检查维护，将会严重影响桥梁的使用安全。

目前对现役桥梁缆索进行检查的方法主要有：望眼镜目测法、高空吊篮载人法、无人机检查法和爬缆机器人检测法。但受成本工期、病害定位、检测范围和功能性拓展等多方面考虑，爬缆机器人更加适用于斜拉索检查，其既可以高效地进行缆索护套的表观病害检查，还可以拓展机器人的其他功能。如拖拽无损检测装置后，可以获得更重要的内部钢丝全长检测功能；安装机械臂后，可以拓展重要的缆索锚固段内部检查功能。因此，开展缆索检查机器人的研究对于桥梁缆索在役检测问题具有重要意义。而比较适合沿管/杆/索攀爬的爬行机制主要有四类：伸缩蠕动式、关节攀爬式、仿生攀爬式和滚轮滚动式。与其他三类爬管/杆/索的攀爬机制相比，滚轮式攀爬机器人具有驱动控制方便、负载能力较高、攀爬速度较快等优点，国内外对其应用在缆索检测方面进行了较多研究。但现有的滚轮式攀爬机器人往往受结构限制，往往负重能力有限，同时单次交替运动步长短，移动能力有限。

发明内容

为解决现有滚轮式攀爬机器人负重能力有限，单次运动步长短的问题，本发明提出了一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，包括上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构，上行走轮结构设有卷线器，卷线器与负重结构上的导轮通过提拉线连接，其中：

上行走轮结构，用于上行时沿斜拉索带动卷线器上行预设距离；

卷线器，用于在上行走轮结构上行时相对于负重结构无负载释放提拉线，并在上行走轮结构停止上行后通过卷轮机收取提拉线使负重结构上行至上行走轮结构处；

下行走轮结构，用于在上行走轮结构上行时相对于斜拉索固定，并承托负重结构，并在负重结构上行时无负载上行；

负重结构，用于携带斜拉索检测装置；

下行走轮结构，还用于下行时相对于负重结构无负载得沿斜拉索下行预设距离；

卷线器，还用于下行走轮结构停止下行后通过卷轮机释放提拉线使负重结构下行至下行走轮结构处，并在上行走轮结构下行时收取提拉线；

上行走轮结构，还用于负重结构下行时相对于斜拉索固定，并在负重结构停止下行后沿斜拉索下行至下行走轮结构处。

进一步地，所述上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构在开始上行和下行前，以及结束上行和下行后，三者位置关系为沿斜拉索方向依次贴靠。

进一步地，所述走轮结构均采用四个圆柱形滚轮进行抱缆，所述四个圆柱形滚轮运行时相对于抱缆中心点的夹角相等。

进一步地，所述走轮结构还包括开合框架，分为上框架和下框架且分别设有两个双向伸缩支架，每个伸缩支架连接有一个圆柱形滚轮，两个框架一边通过铰链铰接，另一边通过弹簧卡卡接，其中：

开合框架，用于通过铰链开合上框架和下框架使开合框架包覆斜拉索，并通过弹簧卡固定；

伸缩支架，用于使圆柱形滚轮在斜拉索上进行径向移动，并在运行时使圆柱形滚轮受力贴合于斜拉索表面。

进一步地，采用单电机同步驱动四个圆柱形滚轮。

进一步地，卷线器收取提拉线时为正转，释放提拉线时为带阻尼反转。

一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法，包括上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构，上行走轮结构设有卷线器，卷线器与负重结构上的导轮通过提拉线连接，上行时包括步骤：

A1：接收上行信号，并控制上行走轮结构带动卷线器上行预设距离，卷线器相对于负重结构无负载释放提拉线，下行走轮结构承托负重结构并相对于斜拉索固定；

A2：判断上行走轮结构是否停止上行，若是，则控制卷线器通过卷轮机收取提拉线使负重结构上行至上行走轮结构处，同时控制下行走轮结构相对于负重结构无负载上行；

A3：判断是否上行完毕，若否，则重复步骤A1和A3；

下行时包括步骤：

B1：接收下行信号，控制下行走轮结构相对于负重结构无负载下行预设距离，同时控制上行走轮结构相对于斜拉索固定；

B2：判断下行走轮结构是否停止下行，若是，则控制卷线器通过卷轮机释放提拉线使负重结构下行至下行走轮结构处；

B3：判断负重结构是否停止下行，若是，则控制上行走轮结构沿斜拉索下行至下行走轮结构处，并控制卷线器收取提拉线；

B4：判断是否下行完毕，若否，则重复步骤B1至B4。

进一步地，所述步骤A1、B1前，步骤A3、B4后，上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构三者位置关系均为沿斜拉索方向依次贴靠。

进一步地，所述走轮结构均包括开合框架，分为上框架和下框架且分别设有两个双向伸缩支架，每个伸缩支架连接有一个圆柱形滚轮，两个框架一边通过铰链铰接，另一边通过弹簧卡卡接，步骤A1之前还包括安装机器人的步骤，包括：

S1：接收准备信号，控制开合框架的上框架和下框架开合并包覆斜拉索；

S2：判断是否已包覆斜拉索，若是，则通过弹簧卡固定开合框架；

S3：判断弹簧卡是否固定完成，若是，则利用伸缩支架沿斜拉索径向移动圆柱形滚轮，并使圆柱形滚轮受力贴合于斜拉索表面。

进一步地，采用单电机同步驱动各圆柱形滚轮。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明提出的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统与方法，通过上下走轮结构交替运行，同时利用卷线器对提拉线进行不同的收放控制，从而使得负重结构在上行或下行时，依靠固定与斜拉索上的上行走轮结构或下行走轮结构提供静摩擦力，并依靠该静摩擦力作为称重力，而无需负重结构上下行过程中对斜拉索施加额外的受力以使负重结构靠动摩擦力上行，而相同作用力下的静摩擦力远远大于动摩擦力，因此使得攀爬机器人的负重能力更强；

(2)上行走轮结构和下行走轮结构之间通过卷线器利用提拉线连接，在无需增大走轮结构的结构大小的同时，可以通过提拉线的释放距离控制，大大提高单次交替步长的距离，从而有利于大幅提高交替前进方式的攀爬检测效率；

(3)采用单电机同步驱动同一走轮结构中的多个圆柱形滚筒，既解决了攀爬震颤问题，又实现了多主动滚轮的摩擦攀爬能力；

(4)单个走轮结构采用四个圆柱形滚轮进行抱缆，保证机器人攀爬时的径向摩擦力足够大，使其空中姿态更加稳定；

(5)爬索机器人采用开合框架进行抱缆，同时通过弹簧卡固定开合框，即满足结构强度要求，也能明显减轻机器人的自重。

附图说明

图1为一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法的方法步骤图；

图2为一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统的结构示意图；

图3为机器人爬索上行示意图；

图4为机器人爬索下行示意图；

图5为开合框架的外框架结构示意图；

图6为开合框架的工作状态示意图；

附图标记说明：1-上行走轮结构、2-负重结构、3-下行走轮结构、4-卷线器、5-导轮、6-提拉线、7-斜拉索、8-圆柱形滚轮、9-上框架、10-下框架、11-伸缩支架、12-铰链、13弹簧卡、14-卡扣。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为解决现有滚轮式攀爬机器人负重能力有限，单次运动步长短的问题，本发明提出了一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，如图2所示，包括上行走轮结构1、负重结构2和下行走轮结构3，上行走轮结构设有卷线器4，卷线器4与负重结构2上的导轮5通过提拉线6连接，其中如图3所示，当斜拉索机器人要上行时：

上行走轮结构1，用于上行时沿斜拉索7带动卷线器4上行预设距离；

卷线器4，用于在上行走轮结构1上行时相对于负重结构2无负载释放提拉线6，并在上行走轮结构1停止上行后通过卷轮机(设置于上行走轮结构中)收取提拉线6使负重结构2上行至上行走轮结构1处；

下行走轮结构3，用于在上行走轮结构1上行时相对于斜拉索7固定，并承托负重结构2，并在负重结构2上行时无负载上行；

负重结构2，用于装载斜拉索检测装置(还包括电池、导轮5的卷线装置等配件)。

通过将上行走轮结构1先上行至预设距离处，在上行过程中，卷线器4无负载释放提拉线6，也即是上行走轮结构1上行时，负重结构2依靠固定的下行走轮结构3承托重量，且不通过提拉线6向上行走轮结构1施加向下的拉力，此时上行走轮结构1对斜拉索7施加的应力仅来自于自身重量，而无需考虑负重结构2的重量，因此可以对斜拉索7造成更小摩擦损伤。而该过程中，下行走轮结构3是处于静止状态的，受静摩擦力影响，在相同作用力作用下，静摩擦力的应力更大，从而使得下行走轮结构3可以承托更重的负重结构2。同理，当上行走轮结构1停止上行时，负重结构2通过提拉线6利用上行走轮结构1的静摩擦力上行，下行走轮结构3也只考虑自身重量的情况下上行，可以达到上述同样的有益效果。

如图4所示，当斜拉索机器人上行完毕，要开始下行时：

下行走轮结构3，还用于下行时相对于负重结构2无负载得沿斜拉索7下行预设距离；

卷线器4，还用于下行走轮结构3停止下行后通过卷轮机释放提拉线6使负重结构2下行至下行走轮结构3处，并在上行走轮结构1下行时收取提拉线6；

上行走轮结构1，还用于负重结构2下行时相对于斜拉索7固定，并在负重结构2停止下行后沿斜拉索7下行至下行走轮结构3处。

其中，卷线器收取提拉线时为正转，释放提拉线时为带阻尼反转。

同理，下行过程中，先让下行走轮结构3下行预设距离，下行过程中，负重结构2通过提拉线6，利用固定于斜拉索7的上行走轮结构1的静摩擦力提供拉力，下行走轮结构3仅在自身重力作用下下行；而在下行走轮结构3下行完毕后，负重结构2在上行走轮结构1的静摩擦力作用下下行至下行走轮结构3处；而在负重结构2结束下行后，上行走轮结构1也只需在自身重力作用下下行。

总结来说，就是负重结构无论是静止状态下还是上下行状态时，都是依靠走轮结构的静摩擦力提供拉力或支撑力；而走轮结构，无论是上行还是下行状态，都是仅在自身重力作用下上行或者下行。因此，在相同作用力下，走轮结构可以提供更大的支撑力或拉力，从而提高了爬索机器人的负重能力。而走轮结构上下行时，因只需考虑自身重量，因此仅需自身重量相对应的动摩擦力来使走轮结构运行即可，也即是可以减少运行状态下对斜拉索造成的摩擦损伤。

传统的，像伸缩蠕动式、关节攀爬式、仿生攀爬式以及传统滚轮滚动机器人，因受自身结构影响，上端与下端往往是通过机械连接，伸缩长度有限。而本发明采用卷线器、提拉线和导轮相互配合，在安全操作的前提下，可以不受机械结构影响，拥有更大的交替运动步长(上行走轮结构和下行走轮结构各自上行或下行一次为一个交替运动周期)。

需要说明得是，为了保证爬索机器人的稳定性，如图1所示，所述上行走轮结构1、负重结构2和下行走轮结构3在开始上行和下行前，以及结束上行和下行后，三者位置关系为沿斜拉索7方向依次贴靠。

同时，考虑到抱缆滚轮数量对抱缆作用力的影响，在减轻滚轮整体重量，以及降低滚轮数量对驱动难度的影响，如图6所示，本实施例中所述走轮结构均采用四个圆柱形滚轮8进行抱缆，所述四个圆柱形滚轮8运行时相对于抱缆中心点的夹角相等。从而保证机器人攀爬时的径向摩擦力足够大，使其空中姿态更加稳定。

进一步地，如图5和图6所示，所述走轮结构还包括开合框架，分为上框架9和下框架10且分别设有两个双向伸缩支架11，每个伸缩支架连接有一个圆柱形滚轮8，两个框架一边通过铰链12铰接，另一边通过弹簧卡13与卡扣14卡接，其中：

开合框架，用于通过铰链开合上框架9和下框架10使开合框架包覆斜拉索7，并通过弹簧卡13固定；

伸缩支架11，用于使圆柱形滚轮8在斜拉索7上进行径向移动，并在运行时使圆柱形滚轮8受力贴合于斜拉索7表面。

通过上述装置，使爬缆机器人采用开合框架进行抱缆，同时通过弹簧卡固定开合框，即满足结构强度要求，也能明显减轻机器人的自重。

进一步说明地，采用单电机同步驱动四个圆柱形滚轮，既解决了攀爬震颤问题，又实现了多主动滚轮的摩擦攀爬能力。

实施例二

为了更好的对本发明的技术方案进行理解，本实施例通过方法步骤的形式来对本发明进行描述，如图1所示，一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法，包括上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构，上行走轮结构设有卷线器，卷线器与负重结构上的导轮通过提拉线连接，上行时包括步骤：

A1：接收上行信号，并控制上行走轮结构带动卷线器上行预设距离，卷线器相对于负重结构无负载释放提拉线，下行走轮结构承托负重结构并相对于斜拉索固定；

A2：判断上行走轮结构是否停止上行，若是，则控制卷线器通过卷轮机收取提拉线使负重结构上行至上行走轮结构处，同时控制下行走轮结构相对于负重结构无负载上行；

A3：判断是否上行完毕，若否，则重复步骤A1和A3；

下行时包括步骤：

B1：接收下行信号，控制下行走轮结构相对于负重结构无负载下行预设距离，同时控制上行走轮结构相对于斜拉索固定；

B2：判断下行走轮结构是否停止下行，若是，则控制卷线器通过卷轮机释放提拉线使负重结构下行至下行走轮结构处；

B3：判断负重结构是否停止下行，若是，则控制上行走轮结构沿斜拉索下行至下行走轮结构处，并控制卷线器收取提拉线；

B4：判断是否下行完毕，若否，则重复步骤B1至B4。

进一步地，所述步骤A1、B1前，步骤A3、B4后，上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构三者位置关系均为沿斜拉索方向依次贴靠。

进一步地，所述走轮结构均包括开合框架，分为上框架和下框架且分别设有两个双向伸缩支架，每个伸缩支架连接有一个圆柱形滚轮，两个框架一边通过铰链铰接，另一边通过弹簧卡卡接，步骤A1之前还包括安装机器人的步骤，包括：

S1：接收准备信号，控制开合框架的上框架和下框架开合并包覆斜拉索；

S2：判断是否已包覆斜拉索，若是，则通过弹簧卡固定开合框架；

S3：判断弹簧卡是否固定完成，若是，则利用伸缩支架沿斜拉索径向移动圆柱形滚轮，并使圆柱形滚轮受力贴合于斜拉索表面。

进一步地，采用单电机同步驱动各圆柱形滚轮。

综上所述，本发明提出的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统与方法，通过上下走轮结构交替运行，同时利用卷线器对提拉线进行不同的收放控制，从而使得负重结构在上行或下行时，依靠固定与斜拉索上的上行走轮结构或下行走轮结构提供静摩擦力，并依靠该静摩擦力作为称重力，而无需负重结构上下行过程中对斜拉索施加额外的受力以使负重结构靠动摩擦力上行，而相同作用力下的静摩擦力远远大于动摩擦力，因此使得攀爬机器人的负重能力更强。

同时上行走轮结构和下行走轮结构之间通过卷线器利用提拉线连接，在无需增大走轮结构的结构大小的同时，可以通过提拉线的释放距离控制，大大提高单次交替步长的距离，从而有利于大幅提高交替前进方式的攀爬检测效率。

采用单电机同步驱动同一走轮结构中的多个圆柱形滚筒，既解决了攀爬震颤问题，又实现了多主动滚轮的摩擦攀爬能力；单个走轮结构采用四个圆柱形滚轮进行抱缆，保证机器人攀爬时的径向摩擦力足够大，使其空中姿态更加稳定；爬索机器人采用开合框架进行抱缆，同时通过弹簧卡固定开合框，即满足结构强度要求，也能明显减轻机器人的自重。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，其特征在于，包括上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构，上行走轮结构设有卷线器，卷线器与负重结构上的导轮通过提拉线连接，其中：

上行走轮结构，用于上行时沿斜拉索带动卷线器上行预设距离；

卷线器，用于在上行走轮结构上行时相对于负重结构无负载释放提拉线，并在上行走轮结构停止上行后通过卷轮机收取提拉线使负重结构上行至上行走轮结构处；

下行走轮结构，用于在上行走轮结构上行时相对于斜拉索固定，并承托负重结构，并在负重结构上行时无负载上行；

负重结构，用于携带斜拉索检测装置；

下行走轮结构，还用于下行时相对于负重结构无负载得沿斜拉索下行预设距离；

卷线器，还用于下行走轮结构停止下行后通过卷轮机释放提拉线使负重结构下行至下行走轮结构处，并在上行走轮结构下行时收取提拉线；

上行走轮结构，还用于负重结构下行时相对于斜拉索固定，并在负重结构停止下行后沿斜拉索下行至下行走轮结构处。

2.如权利要求1所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，其特征在于，所述上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构在开始上行和下行前，以及结束上行和下行后，三者位置关系为沿斜拉索方向依次贴靠。

3.如权利要求1所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，其特征在于，所述走轮结构均采用四个圆柱形滚轮进行抱缆，所述四个圆柱形滚轮运行时相对于抱缆中心点的夹角相等。

4.如权利要求3所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，其特征在于，所述走轮结构还包括开合框架，分为上框架和下框架且分别设有两个双向伸缩支架，每个伸缩支架连接有一个圆柱形滚轮，两个框架一边通过铰链铰接，另一边通过弹簧卡卡接，其中：

开合框架，用于通过铰链开合上框架和下框架使开合框架包覆斜拉索，并通过弹簧卡固定；

伸缩支架，用于使圆柱形滚轮在斜拉索上进行径向移动，并在运行时使圆柱形滚轮受力贴合于斜拉索表面。

5.如权利要求3所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，其特征在于，采用单电机同步驱动四个圆柱形滚轮。

6.如权利要求1所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索系统，其特征在于，卷线器收取提拉线时为正转，释放提拉线时为带阻尼反转。

7.一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法，其特征在于，包括上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构，上行走轮结构设有卷线器，卷线器与负重结构上的导轮通过提拉线连接，上行时包括步骤：

A1：接收上行信号，并控制上行走轮结构带动卷线器上行预设距离，卷线器相对于负重结构无负载释放提拉线，下行走轮结构承托负重结构并相对于斜拉索固定；

A2：判断上行走轮结构是否停止上行，若是，则控制卷线器通过卷轮机收取提拉线使负重结构上行至上行走轮结构处，同时控制下行走轮结构相对于负重结构无负载上行；

A3：判断是否上行完毕，若否，则重复步骤A1和A3；

下行时包括步骤：

B1：接收下行信号，控制下行走轮结构相对于负重结构无负载下行预设距离，同时控制上行走轮结构相对于斜拉索固定；

B2：判断下行走轮结构是否停止下行，若是，则控制卷线器通过卷轮机释放提拉线使负重结构下行至下行走轮结构处；

B3：判断负重结构是否停止下行，若是，则控制上行走轮结构沿斜拉索下行至下行走轮结构处，并控制卷线器收取提拉线；

B4：判断是否下行完毕，若否，则重复步骤B1至B4。

8.如权利要求7所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法，其特征在于，所述步骤A1、B1前，步骤A3、B4后，上行走轮结构、负重结构和下行走轮结构三者位置关系均为沿斜拉索方向依次贴靠。

9.如权利要求7所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法，其特征在于，所述走轮结构均包括开合框架，分为上框架和下框架且分别设有两个双向伸缩支架，每个伸缩支架连接有一个圆柱形滚轮，两个框架一边通过铰链铰接，另一边通过弹簧卡卡接，步骤A1之前还包括安装机器人的步骤，包括：

S1：接收准备信号，控制开合框架的上框架和下框架开合并包覆斜拉索；

S2：判断是否已包覆斜拉索，若是，则通过弹簧卡固定开合框架；

S3：判断弹簧卡是否固定完成，若是，则利用伸缩支架沿斜拉索径向移动圆柱形滚轮，并使圆柱形滚轮受力贴合于斜拉索表面。

10.如权利要求9所述的一种基于负重切换机制的斜拉索机器人爬索方法，其特征在于，采用单电机同步驱动各圆柱形滚轮。

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