隨著斜拉橋工程建設規模越來越大，爬纜機器人的作用越來越明顯，爬纜機器人成為纜索檢測的主要機械設備，本文主要探討爬纜機器人結構及動力學。

　　《橋梁建設》現由中國鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團有限公司主辦，中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司出版。

　　四驅式爬纜機器人結構簡單，拆裝方便，工作效率很高。總結其特點是能夠越過橋梁上一些較小的元件以及較大的突起障礙物，并且實現了節能回收。通過對機器人的爬升受力分析，得到了夾緊力與驅動力之間的關系，為夾緊力的設計和電機的計算選型提供了依據。

　　1956年我國第一座斜拉橋被設計建成。隨著橋梁建造業的快速發展，斜拉橋的規模越來越大。目前世界上主跨超過200m的斜拉橋就多達200余座，而我國200m以上的大跨度斜拉橋也已超過了50座。斜拉橋尺寸的增大帶來了橋梁檢測方面的問題，其中對纜索的檢測非常重要，因為纜索是斜拉橋主要的承重構件之一。大型斜拉橋纜索數目較大，高度較高，人工檢測即費時又不安全，利用爬纜機器人成為纜索檢測的有效方法。現有國內的爬纜機器人主要有氣動蠕動式、電動連續式和螺旋爬升式。氣動蠕動式[1，2]的工作原理是利用氣缸驅動，上體和下體依次夾緊松開，交替向前。其特點是運動間歇性，且氣動蠕動式機器人體積較大重量較重，需要與地面連接氣源管路。而螺旋爬升式[3]的運動控制較復雜，承載能力不如其他兩種機器人。相比較，電動連續式機器人[4，6]運動連續可靠，體積較小;能夠攜帶電池工作，避免了輸電線的牽絆;承載能力較好。基于以上優點，電動連續式成為爬纜機器人主要發展的方向。國外對斜拉橋爬纜機器人的研究較少，但有比較多的爬升類機構可以借鑒。麻省理工大學研制出的Shady3D[7]，能夠爬行較為復雜的三維桁架，機器人的爬行能力較強，但控制復雜，不適合在高空工作。德蘭黑大學研制的路燈清潔機器人UT-PCR[8]，其原理為利用斜拉彈簧使滾輪壓緊燈桿，這種方式對燈桿直徑的變化有一定適應性。韓國成均館大學開發的履帶式爬升機器人[9]越障性能良好，能夠適應懸索橋纜索較為崎嶇的表面，但體積重量都較大。分析斜拉橋爬纜機器人的工作環境，結合現有桿類繩類爬升機器人優點及不足，得到機器人在爬纜時不僅需要具備很強的爬升能力，在設計時還需滿足如下幾點要求。(1)不同橋梁的纜索直徑差別較大，機器人對纜索直徑需有良好的適應性。(2)纜索暴露在空氣中，表面可能會出現一些凸起或凹陷，機器人需具有良好的越障性能。(3)機器人在高空工作，出現意外時需有一套安全回收方式。此外，一些斜拉橋纜索的高處有時還安有一些小型的檢測元件，以往檢測前后需人工拆除這些元件，費時費力。國內幾款電動爬升機器人考慮了機器人的越障性，但都是基于纜索表面的較小障礙，沒有對纜索上類似小型元件的較大障礙物進行分析考慮。

　　1爬纜機器人的結構

　　爬纜機器人的工作過程是機器人攜圖像采集儀器或檢測儀器，克服重力的作用向上爬行，檢測完畢回到地面。為保證機器人能夠順利完成橋梁檢測的工作并具有較高的工作效率，對機器人的設計要求有①上行速度能達到10m/min，下行速度能達到20m/min;②適用于直徑80～160mm的纜索;③具有良好的越障性和安全回收性;④盡可能縮短機器人的拆裝時間。圖1是基于以上要求設計出的四驅式爬纜機器人示意圖。機器人主要分為內外框架部分和小車組，框架外部固定，內部可根據纜索調節抱纜的直徑并提供抱緊力。內框架上分布四輛結構相同的驅動小車。整個機構的重量小于30kg。

　　1.1結構特點

　　圖2所示為四驅式爬纜機器人的機構。其內部框架由四個結構相同的滑架及連接件組成，四個滑架由兩臺夾緊電機帶動螺桿螺母進行驅動。夾緊電機選用步進電機。在滑架到達設定的夾緊位置時，控制步進電機停止轉動并按額定電流設定電機，此時電機的輸出力矩為保持轉矩，電機不會反轉從而為機器人提供了持續的夾緊力。一個夾緊電機可驅動對邊滑架同時夾緊，兩組對邊滑架的夾緊運動相對獨立，能夠分別對其進行控制。移動小車由車身，驅動輪部分和導向輪部分組成。為了更好的貼合纜索，驅動輪和纜索的接觸面設計成弧形。兩個驅動輪通過平衡梁連接，由壓簧提供壓緊力。在遇到纜索上的較小突起時，平衡梁轉動，壓簧壓縮，可使小車順利通過障礙物。在結構允許的范圍內，盡可能選擇剛度較小的壓簧能使機器人的越障能力達到最佳。由于無刷直流電機有體積小重量輕，輸出扭矩較大，控制方式多樣等優點，所以選擇無刷直流電機驅動小車運動。此外，無刷直流電機輸出穩定，有利于檢測的平穩和可靠。導向輪由斜拉彈簧緊緊的壓在纜索上，導向輪的作用是導向和使機器人攀爬穩定。為了使爬纜機器能夠放置在纜索上，內外框架的一面設計成可以拆卸的。工作前，將框架門打開把機器人安置在纜索上，然后控制夾緊電機使一組對邊滑架向中間滑動直到機器人和纜索之間的壓力達到設定值，驅動兩個滑架上的小車車輪使機器人攀爬。為了使機器人在爬纜時重心和纜索保持一致從而不會出現轉動的情況，將電池及控制裝置均勻安置在機器人框架四周。

　　1.2避障

　　在攀爬過程中，機器人遇到較小障礙物時可通過壓簧的自適應性使機器人順利通過，但是如果遇到較大障礙物如纜索表面的小型檢測元件或者裝飾物時，小車就會卡住無法上行。這種情況下，四驅式爬纜機器人可利用避障的方法通過障礙物。機器人正常上行時只需一組對邊滑架及滑架上的小車工作，當機器人正在工作的滾輪卡在較大障礙物上時，可控制另一組對邊滑架夾緊纜索，然后松開卡住的一組滑架，從而使機器人避開障礙正常工作。

　　1.3節能回收

　　機器人上裝有速度傳感器、壓力傳感器、紅外線傳感器來控制機器人的正常工作。當爬纜機器人到達纜索頂部需要回收時，可利用自身重力使其下降至地面。通過速度傳感器反饋回的數據調節壓緊電機正反轉，調節控制機器人摩擦輪和纜索之間的壓力，使機器人回收時保持勻速，避免機器人下降速度過快后失去控制。重力回收比電機驅動回收效率高，并且節省了電池能源。

　　2爬纜機器人的動力學分析

　　2.1靜止動力學分析

　　爬纜機器人在檢測過程中需要完成:靜止抱纜、勻速爬升至纜頂、較快勻速下降至地面。目前世界上斜拉橋的纜索斜度在30°～90°之間。選取極限條件90°對機器人的靜態和爬升時進行動力學分析，保證機器人能夠適用各種斜度的纜索。

　　2.2爬升動力學分析

　　爬纜機器人爬升時受力分析如圖4所示。機器人受到自身重力G、纜索給驅動輪的支持力N1、纜索給導向輪的支持力N2、纜索與驅動輪的摩擦力Ff1、纜索與導向輪的摩擦力Ff2以及電機驅動力Ft，機器人低速爬升，可忽略空氣阻力對其的影響。

　　3機器人樣機實驗

　　針對以上分析研制機器人樣機，實驗如圖5所示。擬用公稱直徑為100mm的鍍鋅水管作為目標纜索，實驗中纜索與地面傾角90°。為了測試機器人的越障性能，目標纜索表面布置了高度為10mm的障礙。實驗共進行了10次，爬纜機器人上行下行速度均能達到設定值，爬行過程穩定，檢測效率高。在遇圖5機器人樣機現場實驗照片Fig.5Thepictureoftherobotprototypeexperiment到高度為10mm的障礙時，機器人利用壓簧的自適應性能夠順利通過，沒有出現過卡死的現象。在纜索表面布置一些小型原件進行實驗，實驗證明能夠通過兩組滑架的交替作業越過這些障礙，完全符合實驗的預定目標。