關于采用自夾緊模糊控制的纜索檢測機器人設計

1、一種采用自夾緊模糊控制的纜索檢測機器人設計摘要：針對斜纜索檢測機器人爬升所需夾緊力的特點，設計一種帶氣動夾緊裝置的纜索機器人，能根據(jù)纜索機器人自身重力與所攀爬的纜索狀態(tài)進行夾緊力的自適應模糊控制。氣動夾緊機械臂能實時提供合適的夾緊力，在保證檢測機器人獲得足夠摩擦力的同時避免由于夾緊力過大而對纜索造成二次損傷；同時，采用自夾緊技術的機器人，可以調(diào)節(jié)夾緊機構的氣缸行程，實現(xiàn)同一個檢測機器人檢測各種不同直徑和傾斜度的斜拉橋纜索。自夾緊功能的實現(xiàn)對于纜索機器人的結構改進和保護纜索避免二次損傷，具有積極意義。關鍵詞：纜索檢測機器人；預夾緊力； 自夾緊模糊控制design of self-clamping

2、 cable rope inspection robot based on fuzzy control qin li,cheng lianglan(faculty of automation，guangdong university of technology，guangzhou guangdong 5 10006，china)abstract：in allusion to the clamping forces required of the cable rope inspection robot，a kind of inclined cable inspection robot with

3、pneumatic clamping device was proposed，it could adjust the clam ping force according to its own weight and cable statepneumatic clamping manipulator could realtime provide appropriate clam ping force，to guarantee the inspection robot to get enough friction and to avoid second injury to the cablethe

4、cable rope inspection robot with self-clamping technology can be used to detect all sorts of cable with different diameter and gradient of cable-stayed bridge by adjusting the clam ping cylinder extentthe realization of self-clamping function call improve the structure of the robot and protect cable

5、 from secondary injurykeywords：cable inspection robot；pre-clamping force；fuzzy control on self-clamping function改革開放以來，斜拉索橋作為現(xiàn)代橋梁的新形式，在中國得到了廣泛的應用，纜索作為斜拉橋的主要構件之一，造價占整座橋梁的25 一30 。20世紀80年代之后興建起大批的斜拉橋，目前正在逐步進入老化期，由于拉索長期處于露天服役狀態(tài)，經(jīng)20來年風吹雨淋日曬，其聚乙烯護套會產(chǎn)生不同程度的硬化和開裂現(xiàn)象，從而使護套內(nèi)的鋼絲束發(fā)生腐蝕；另外，隨機振動也會引起鋼絲的磨損，這些都會嚴重影響拉索

6、的使用壽命，給斜拉橋的正常使用埋下嚴重的隱患。目前的纜索檢測機器以電驅動式和氣動蠕動式兩種機器人為典型u ，爬行時需要施加一個夾緊力在滾動輪與纜索之間，夾緊力保證輪與纜索之間產(chǎn)生一個足夠大的摩擦力，來克服自身重力、風力，保證爬升過程中不發(fā)生墜落或打滑。然而纜索的表面通常都涂有防止聚乙烯護套老化的防護漆，夾緊過度將會損壞防護漆并且使纜索產(chǎn)生變形，對纜索造成二次傷害 。斜拉橋纜索機器人設計的關鍵問題是：如何在輪與纜索之間施加一個大小合適的夾緊力，夾緊力過大會造成拉索損傷；夾緊力不夠，機器人由于摩擦力不足很難運動，在斜纜索上容易晃動，當檢測機器人沿較大傾斜度的纜索爬升時，必須在纜索表面施加較大的夾緊

7、力，以保證與纜索之間產(chǎn)生的摩擦力足以克服自重、負載及風力等而不下落或打滑。目前可查的幾款機器人都是采用彈簧施壓的方式產(chǎn)生夾緊力，該夾緊力均按機器人垂直狀態(tài)的最大力進行設計，不能根據(jù)所攀爬的纜索狀態(tài)自動進行調(diào)整，這顯然對于減少機器人爬行的二次損壞和合理選用電機功率將產(chǎn)生重大影啊 ，同時結構復雜，體積龐大，質量太大，從而給機器人的驅動、控制、安全保護帶來一系列的問題。針對以上不足，作者在改進現(xiàn)有纜索機器人結構設計之上，設計了一種帶自夾緊執(zhí)行機構的纜索機器人，能根據(jù)纜索狀態(tài)進行夾緊力的自適應模糊控制。根據(jù)打滑檢測器對爬行狀態(tài)進行判斷，氣動夾緊裝置的夾緊壁視需求以最適宜的夾緊力對纜索進行夾持，可實現(xiàn)只

8、用一個檢測機器人就能檢測同一座斜拉橋上所有直徑的纜索。自夾緊功能的實現(xiàn)對于纜索機器人的結構改進和保護纜索免受檢測二次傷害，將具有積極的意義 。1 自夾緊纜索機器人的系統(tǒng)設計針對一款電驅動式纜索機器人進行自夾緊設計，機器人由主從動輪、驅動電機、傳動系統(tǒng)、氣動夾緊裝置、輔助夾緊彈簧和連接件組成。驅動輪選擇有較大摩擦因數(shù)的橡膠材料做成，能與整個纜索圓周表面飽滿接觸。整個機器人結構較緊湊、具有較高的機動能力，機器人外部機械結構如圖1所示。圖1 機器人外部機械結構圖夾緊機構包括輔助夾緊和模糊控制夾緊：輔助夾緊裝置的作用是將機器人安裝到纜索上后，提供一個壓緊力，使機器人附著于纜索表面，處于臨界平衡狀態(tài)；輔

9、助夾緊裝置中，由50crva彈簧鋼制作成壓縮彈簧，彈簧上端裝有預緊螺母，可以調(diào)整彈簧提供給橡膠輪的預壓力大小，同時夾緊彈簧上還裝有限位剛性部件，限制纜索的最大檢測直徑。模糊控制夾緊的執(zhí)行機構采用氣動裝置，在模糊控制器下達指令后，氣壓泵驅動壓桿向下運動，壓桿可以在氣缸內(nèi)自動伸縮，夾緊觸頭實現(xiàn)對橡膠輪依照給定力進行夾持。機器人安裝到斜纜索上后，主輔夾緊機構共同施加夾緊力，將上下滾輪緊壓于斜拉橋纜索上。夾緊力合力的大小決定了整套裝置的驅動能力，在足夠的摩擦力作用下，機器人緊緊貼合在纜索上，在驅動電機的帶動下上行與下行 。2 纜索檢測機器人自適應模型的建立將機器人安裝到纜索上后，必須把輔助夾緊彈簧調(diào)整

10、到合適位置，使機器人處于臨界平衡狀態(tài)，此時纜索機器人的自重全部落在纜索上方的輪子上，如圖2所示。作者對其進行受力分析，機器人受斜面法線方向的力n是重力g的法向分量和預夾緊力fn之和即：,為纜索的傾斜角(090)。沿切線方向向上的摩擦力f與重力g的切向分量彼此平衡，有gsina=n =f，為滾輪和纜索表面的摩擦因數(shù)。此時。圖2 機器人輔助夾緊力分析在機器人正常運動時，輔助夾緊和模糊控制夾緊裝置共同起作用，假設纜索機器人處在勻速運動狀態(tài)，對其進行受力分析。為使分析簡單明了，不考慮各構件質量及彈性變形，將機器人各構成部分按功能與布局進行簡化，形成圖3所示簡化模型 。其中g1 ，g2 ，g3，g4，g

11、e，gf 為簡化后各部分質點；n1 ，n2，n3,n4為纜索各個輪的彈力；f1,f2,f3,f4 為纜索表面對各個滾輪的摩擦力 。圖3 機器人簡化模型根據(jù)靜力學平衡方程，有： 如圖3所示，以主動輪和纜索的接觸點a為支點，用質點分析法建立力矩平衡方程，且設d為纜索直徑；肛為滾輪與纜索表面摩擦因數(shù)；l為圖中質點e、f到纜索表面距離。由動力矩和阻力矩平衡，有下式： （1）由于，故 （2）由于機器人上下結構具有對稱性，以接觸點b為支點，得出n4亦同。對式(2)進行分析，由于同一根纜索傾斜角 、纜索半徑d是常量，且機器人的輪半徑r、質點f到纜索的距離l都恒定，唯一不定因素是動摩擦因數(shù)。機器人在檢測作業(yè)時

12、必須經(jīng)過纜索表面的導流線和一些產(chǎn)生銹蝕的凹凸槽，動摩擦因數(shù)是一個變化值。因為不能直接測量，作者采用dhiii型打滑檢測器。打滑檢測器附帶一個觸輪隨同機器人在纜索上同步滾動，觸輪帶動檢測器內(nèi)傳動軸，軸連接的輪片切割光電信號，傳感頭再把所檢測的光電信號變成脈沖信號，送人89c51單片機在單位時間內(nèi)計數(shù)，然后同電機編碼器反饋的脈沖信號相比較，做出大于、等于或小于的判斷。如果觸輪測得的脈沖信號與編碼器反饋的脈沖信號不同步并低于反饋脈沖時，說明機器人滾輪打滑，此時模糊控制器發(fā)出指令，氣動夾緊裝置工作，增大夾緊力。3 自夾緊模糊控制模型(1)輸人輸出量的確定從精度和速度兩方面考慮，采用觸輪脈沖信號與編碼器

13、脈沖信號的偏差和偏差變化率兩個變量作為輸入。兩輸入單輸出模糊控制器基本原理如圖4所示，通過比較電機編碼器反饋的脈沖信號和打滑檢測器檢測的脈沖信號，將其差值r和差值的變化率r送入模糊控制器進行模糊運算，再經(jīng)過解模糊得出所需壓緊力值，向纜索檢測機器人氣動夾緊執(zhí)行機構發(fā)出動作指令。圖4 二輸入單輸出模糊控制原理圖根據(jù)纜索檢測機器人自適應模型的特點，模糊控制器采用兩輸入單輸出的控制方式，即讀取r、r兩個變量數(shù)據(jù)作為模糊控制器的輸入量。(2)模糊化取5個模糊子集來描述 r、r兩個變量，取5個模糊子集為：nb (負大)，ns (負小)，ze(零)，ps(正小)，pb (正大)。并把它們的論域化為7個等級(

14、一3， 一2， 一1，0，1，2，3)，模糊子集的隸屬函數(shù)選為三角形，模糊集合的隸屬函數(shù)分布在論域(一3， 一2， 一1，0，1，2，3)上。圖5 輸入變量r、r隸屬函數(shù)在兩輸入單輸出控制方式中，采用的控制規(guī)則是“if a and b then c”，因此模糊關系矩陣q可表示為q=ab (3)其中：a為電機編碼器反饋的脈沖信號和打滑檢測器檢測的脈沖差值r；b為電機編碼器反饋的脈沖信號和打滑檢測器檢測的脈沖差值的變化率r。那么任一狀態(tài)下的氣動夾緊裝置壓緊力模糊值可表示為c= rr q (4)式中：c為所需的氣動夾緊裝置壓緊力值。根據(jù)實際情況，可以先得出模糊關系矩陣q，見表，再由式(4)算出某一狀

15、態(tài)下的氣動夾緊裝置壓緊力模糊值c，最后根據(jù)c值確定氣動夾緊裝置的工作狀態(tài)s。表1 氣動夾緊裝置壓緊力模糊規(guī)則表(3)氣動夾緊裝置工作狀態(tài)的確定在實際爬桿機器人系統(tǒng)中，氣動夾緊裝置采用的是活塞式結構，可以提供較大的推力。按照實際夾緊的需要可將輸出推力分為很高、高、中高、中、中低、低擋。根據(jù)實驗可確定：當脈沖偏差為0c015，時，用低壓力擋；當脈沖偏差為015c03時，用中低壓力擋；當脈沖偏差為03c045，用中壓力擋；當脈沖偏差為045c06，用中高壓力擋；當脈沖偏差為06c075，用高壓力擋；當脈沖偏差為075c1用很高壓力擋。由此可得到氣動夾緊裝置的工作狀態(tài)，如表2所示。表2 氣動夾緊裝置的工作狀態(tài)注：“-”表示此種情況不可能出現(xiàn)；很高、高、中高、中、中低、低分別表示氣動夾緊裝置的不同工作狀態(tài)。4 實地