爬绳机器人开题报告

毕业设计开题报告学生姓名：学号：班级：机械所在学院：机电工程学院专业：机械工程及自动化设计题目：爬绳机器人控制部分设计指导教师：完成日期：2015年4月20日山东建筑大学毕业设计开题报告表班级：机械1班姓名：设计题目I爬绳机器人控制部分设计—一、选题背景和意义建国以来，随着经济不断发展，我国的交通事业有了突飞猛进地进步。在交通建设中，桥梁建设占据着举足轻重的作用。各种大跨径桥梁在交通建设中被广泛采用，特别是斜拉桥和悬索桥，因其有优美的线条、跨越能力强等特点更是成为我国桥梁建设中的宠儿，目前在全国主跨超过200米的大跨径斜拉桥已达30多座。但近些年来，桥梁的事故日益频出，也使得桥梁维护以及安全性问题引起人们的广泛关注。缆索是斜拉桥和悬索桥的重要组成部分，造价约占全桥造价的25%〜30%，它的腐蚀损伤是大多斜拉桥和悬索桥发生事故的重要原因。2001年11月7日，四川省宜宾市的南门大桥发生桥面局部跨蹋事故，钢缆锈蚀就是这起事故的主要原因之一。2005年2月长沙浏阳河大桥发生强烈晃动也是由于缆索晃动引起。美国1940年在俄亥俄州朴次茅斯格兰特将军大桥发生的缆绳锚爪鞘开裂事故，也是因为雨水中含有的微量硝酸盐附在缆索上导致发生应力开裂。因此，在桥梁维护中，缆索的防护和监测对于人们生产生活有着十分重大的意义。斜拉桥和悬索桥的重要受力构件是缆索，缆索钢丝和成品索防护不良，是造成缆索生锈腐蚀、断丝失效的主要原因，因此在斜拉桥和悬索桥工程中，一直把缆索防护问题作为重要的技术工艺控制项目。一般情况下，缆索损伤主要来自疲劳和腐蚀。其中腐蚀的防范主要通材料保护措施来保证。如何对缆索表面保护材料状况进行快速、准确检测是对斜拉、悬索桥梁缆索受腐蚀和损伤状况检测的重要问题，也是对桥梁本身健康监测维护的重要问题。二、课题关键问题及难点缆索检测机器人研究面临的主要技术难点，考虑到缆索机器人应用背景和实现的功能，要成功地研究开发一种应用于斜拉桥缆索检测的爬行机器人，必须解决好以下几个技术难题：实现功能与结构最优化问题。即在满足预定功能的前提下，尽可能地使机器人系统结构简单、合理，加工方便，成本低，重量轻。电驱动连续爬升机构承载能力的问题。由于电驱动爬升机构承载能力有限，解决好驱动能力与负载能力的关系也是我们要解决的一个关键性问题。三驱动电机的同步运动问题。由于机器人在高空作业过程中要承受外界力、缆索自身挠度等因素的影响，难免会偏离预定轨迹或者颠簸爬行，这是我们都不希望发生的，要得到比较好的检测效果，不误检、漏检，机器人运动平稳是十分重要的，因此就要很好地解决三个驱动电机的运动同步性问题。安全保护策略。机器人在危险的高空作业，遇到突发事件，如系统断电等能安全回收也是我们要解决的一个很重要问题。三、调研报告1、国内外缆索机器人现状机器人是传统的机构学和近代电子技术相结合的产物，而缆索机器人是一种能够携带相关设备攀爬缆索，并对其进行高空长距离检测维护特种机器人。这种自动化装备不但可以应用在斜拉桥缆索的检测、清洗、喷涂、彩装等领域，而且可以完成高压供电电缆和石化行业架空管道的探伤和表面处理，还可以应用于高空气象和环境检测、高架路路灯杆以及风景区索道、体育馆等其它建筑的缆索维护，具有广阔市场应用前景，能带来巨大经济效益和社会效益。缆索机器人，与人工作业方式相比，不但极大地降低了成本，而且也最大限度地保证了作业安全。所以，近些年国内、外很多科研单位都开展了缆索机器人的技术及理论研究工作，并且取得了一些实用成果。但总的来说，该类机器人的研究还是处于初级阶段。国内比较典型的有上海交通大学研制的斜拉桥缆索涂装维护机器人可在各种斜度的缆索上爬行，能完成缆索检测、清洗等工作，并具有一定的智能性。研制成功了采用电动全驱动摩擦轮式、气动蠕动式两种机器人样机，并且在上海徐浦大桥和南浦大桥上进行了实验，目前处于国内领先地位。实验样机如图1.1，图1.2。图L2气动蠕动式缆索机器人样机Fig.1.2akineticcharacteristicofthePneumaticwormingcablerobot

在国外与缆索爬升相类似的管外移动机器人、巡线机器人和灯杆检测清洗机器人等，相关专家都进行了大量研究，并且都研制成功了样机，但没有发现有关斜拉桥缆索机器人的报道。纵观国内外各种爬升模型，机构依附于线约束表面的有直线连续爬升、夹紧蠕动爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等自动方式。以下是几种与缆索机器人类似的机器人，主要依附管状或者线缆爬行进行特种作业要求。图1.3和图1.4是两种很典型的应用于灯杆检测清洗的机器人，都采用电驱动，但结构完全不同。图3是美国维吉尼亚大学研制的应用于高速路灯杆无损检测的磁吸附式电驱动爬行机器人Polecat有六个驱动轮和两个从动轮，每一个轮子设计成中间加有磁铁的两个圆盘，通过协调磁铁吸力和电机驱动力就可以实现机器人的爬行运动。图4是伊朗德黑兰大学研制应用于高速路路灯清洗机器人，该机器人采用对称框架式结构，主体部分有三个驱动轮和三个从动轮，在主体上部对称安装了两个机械手臂，当机器人在电机的驱动下爬到预定位置，机械手臂动作就可以完成清洗任务。图1.3灯杆检测机器人图14路灯清洗机器人"在第一届全国大学生第一届机械创新设计大赛获奖作品中也出现了类似功能和结构的机器人，如图1.5为天津大学爬杆喷漆机器人，图1.6北航爬杆爬管道年用机器人，图1.7辽宁工程技术大学爬杆爬绳机器人。图1.3灯杆检测机器人Fig.1.5apolepaintingrobot图1.5爬杆喷漆机器人图1.6爬杆爬管道两用机器人图1.7爬杆爬绳机器人Fig.1,6apoleandpipelineFig.1.7apoleandropeclimbingrobotclimbingrobot地下电缆检测机器人：如图1.8所示，华盛顿大学发明的名叫“巡游者”的地下电缆检测系统。在工作时，“巡游者”依靠漏斗形状的轮子前进，并利用“稳定臂”帮助它保持平衡。分节设计具有更大的灵活性，可以随意根据需要增加传感器和电池组，机器人上携带声纳探测器，红外线传感器和相机用于多参数检测。图1.8地下电缆检测机器人图1.8地下电缆检测机器人图1.9巡线机器人图1.11气动蠕动式爬棕树机器人图1.11气动蠕动式爬棕树机器人Fig.1J1ApalmclimbingrobotFig.]$anundeigicmnclcabledetectionrobotFig.1.9anewinspectionrobot高压线路巡线机器人，可代替人在巡查线路时掌握线路的运行状况，及时发现设备缺陷，以判断高压线路是否存在隐患和故障。图1.9由日本Sato公司生产的电力线损伤探测器也采用了单体小车结构，该机器人能在地面操作人员的遥控下，沿电力线行走，利用车载探测仪器探测线路损伤程度及准确位置，将获取的数据和图片资料存储在数据记录器中。地面工作人员可回放复查，进一步确定损伤情况。探测器不具备越障功能，遇到线路附件等障碍物时便自动停止前进。另外应用于农业生产当中的类似爬行机器人还有爬树机器人，图1.10是日本农业水产省农业研究所研制的爬树剪枝机器人，这种机器人采用了发动机带动橡胶轮绕树盘旋上升的方法，为了减小爬树机器人的爬升斜度，提高爬升能力，把该机器人的橡胶轮安装成与树干方向成一定斜角。正是由轮子与树干的倾斜角，使得机器人沿树干螺旋爬升。图1.11是马来西亚理科大学研制的用于农业生产当中的气动蠕动式爬棕树机器人，通过上下卡钳的来回运动实现机器人的运动。图1」0爬树剪枝机器人Fig.1.10Robotclimbingatreepruning以上所介绍的类似缆索机器人都是在某一特定环境下实现其功能的，但是对于像斜拉桥缆索这种标高高、斜度大、有一定扰度，爬升距离长的特殊对象就不能适应了。因此，有必要在这一领域开发研制一种适应性、应用性更强的爬行机器人。2、发展趋势斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁中最主要桥型之一。它在世界范围内应用是20世纪70年代开始，90年代迅速发展，斜拉桥以其优美的外观及良好的抗震性越来越得到桥梁设计师的青睐。据不完全统计，自从1956年世界第一座斜拉桥Stroemsund斜拉桥在瑞典建成以来，到目前为止全世界己经建400余座斜拉桥。斜拉桥是在60年代初传入我国的，自1975年在四川云阳建成第一座斜拉桥到目前已经建成的世界第一跨径（1088m）的苏通大桥，30多年来我国共建成百余座斜拉桥，成为拥有斜拉桥最多的国家。在世界10大著名斜拉桥排名榜上，中国有8座，跨度在600米以上的斜拉桥世界上仅有9座，中国占了7座。目前，对斜拉桥缆索涂装、检测和修复等维护作业很少全面开展，主要是在塔顶设立定滑轮吊点，用卷扬机经钢丝绳带动小车及载人的吊篮由人在高空对全部缆索进行作业，这种检测方式不仅效率低、质量差、成本高，而且安全性差。因此，迫切需要开发一种自动沿缆索爬升并能完成一定作业任务的大倾斜度缆索机器人，不仅给斜拉桥缆索的检测和维护作业提供重要的手段，而且也可应用于类似的斜拉结构上，必然会带来显著的社会效益和巨大的经济效益。如上海杨浦大桥进行缆索彩色双选共计耗资640万元，徐浦大桥进行缆索人工涂装（1997年〜1998年）的总费用达450万元。对缆索的内部钢丝检测费用也是可观的，如果每米检测费用8元计算，那么每座斜拉桥的检测总费用就达40多万元，显然缆索维护机器人所带来的经济效益是十分可观的。此外，缆索维护机器人的成功研制不仅可用于缆索的涂装、清洗和检测，而且还可以用于高空气象和环境检测，高架路路灯灯杆和高空管道的维护以及应用风景区索道、体育馆等其它的缆索维护。四、方案论证斜拉桥缆索表面缺陷检测技术现状目前，国内外在斜拉桥的日常维护中，针对缆索的健康检测，主要有两个方面：（1）表面保护材料层的检测：主要检测外表保护层因日晒雨淋及荷载振动影响而导致开裂、变形、剥落等的情况。（2）内部钢丝结构的检测：针对缆索内部高强钢丝受桥梁荷载和风振雨振发生永久变形，金属截面积发生变化以及雨水和水蒸汽侵入缆索内部引发锈蚀等情况的检测。对其内部钢丝结构的检测，主要手段有超声波纵向收发检测法、声发射检测法、X射线检测法、磁方法（MTC）、索力检测法等等，其中磁方法（MTC）是根据缆索铁磁材料特点，检测其内部结构最有效的方法，其中又以德国DNT公司采用的局部缺陷检测法（LocaliyedFaultMethod）和美国NDT公司采用的截面积损耗型检测法（LossofMetallicalAreaMethod）在实际检测中采用最为广泛。而对缆索表面保护材料层的检测，当今主要采用人工观测、激光扫描法和数字图像处理三种方法。人工观测的方法，是通过桥梁维护人员对斜拉桥缆索的定期寻查，去发现其表面锈蚀、缺损和病害。这样的人工检测方法，费时费力，效率不高，而且也常常给我们桥梁维护的工作人员带来安全上的隐患。激光扫描法，其主要有利用光热技术和超声技术两种方式，实现对缆索表面的激光扫描检测。激光超声技术以光声效应理论为基础，将调制后的激光投射在样品表面，产生相应的物理效应，生成含有被测表面信息的超声信号，利用裂纹等缺陷对超声波信号的调制作用，使激光产生Doppler频移，因此，可以用激光探针检测出该信号，从中提取出有关缺陷的信息。但这种方法仍存在一些缺点，如检测缺陷不直观，扫描线为螺旋线存在盲区，系统构成较大而且价格昂贵等。因此，在斜拉桥缆索日常维护检测中，需要一种能准确、安全实现斜拉桥缆索表面损伤检测的技术手段。本课题从这点出发，提出基于图像识别的斜拉桥缆索表面缺陷检测的研究设计。希望通过本课题的实施，能很好的解决斜拉桥缆索表面缺陷检测中效率、成本、安全等问题，对桥梁安全监测的一系列理论、设计提出新的方法和技术，推动我国桥梁安全检测技术的发展。各种爬升方式的特点和分析缆索机器人本体结构实质是依附于缆索上的自动爬行器，与一般地面移动机构的最明显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动。要求能自动进行上、下爬行运动，运动时要求能够支承平行于杆件的重力分量，并且能可靠自锁于任意位置，因此爬行器轴向力的获得以及如何稳定地沿杆件移动而不倒退是一个关键问题。现有爬升方式有直线连续爬升、夹紧蠕动爬升、螺旋攀援爬升和吸附爬升等自动方式。各种类型杆（管）件自动爬行器的特点。方案一：电动机械式结构组成：涡轮蜗杆减速机构、曲柄连杆、电机等；工作原理：经电机驱动，减速器减速，带动橡胶轮沿杆件螺旋上升和下降；运动与负载：运动连续，爬行速度低，负载小；传动装置：蜗轮蜗杆机构效率较低；安全装置：蜗轮蜗杆机构具有良好的自锁能力及大的传动比；杆件适应性：曲柄连杆机构使其有一定的适应性；应用场合：灯杆顶部的灯具安装等。方案二：电动液压式结构组成：压紧调节机构（压簧、液压缸组件）、导向机构（导向轮）和爬行机构（电机、减速器及小车）；工作原理：由电机经减速器、链轮机构驱动前后车轮。调整压紧调节装置和向轮的径向位置实现抱紧运动与负载：运动连续，爬行速度低，负载小；运动与负载：运动连续，爬升速度高、运行平稳，负载大；传动装置：三电机通过减速机构带动链轮传动，传动效率较高；安全装置：设有安