针对桥梁底部结构检测的特种作业任务,是路政管理和桥梁养护部门的工作重点和技术难题。目前,我国桥梁养护单位主要采用传统桥梁检测车将检测工程师装载并运送到桥梁底部,进行现场人工检测,工作环境危险恶劣,有危及作业人员生命安全的风险,其次人工检测作业效率低,检测结果主观性强,容易漏检。因此,针对桥梁检测的特种作业技术需求,设计研制了桥梁特种作业机器人,可以实现桥梁底面、侧面结构的快速、高效和少人参与的检测拍摄作业,降低现场人工作业工作劳动强度和工作危险性。本文在桥梁特种作业机器人的研究背景意义、机器人本体机构设计、末端作业机构位姿估计方法、作业规划和位姿优化方法以及末端机器手运动控制方法等方面均进行了详细的研究,进行了指标测试和试验验证相关工作,并将桥梁特种作业机器人应用在检测示范工程中,进行了大量的性能改进和功能优化的研究工作。本论文的研究工作、主要成果和创新点包括以下几个方面:1、介绍了桥梁特种作业机器人的研究背景与意义,分析我国桥梁结构病害主要形成的原因;研究桥梁病害检测特种作业技术的国内外研究现状,并且详细介绍传统桥梁管理养护和病害检测的手段和方法,以及目前国内外采用自动化机器人检测的研究成果,指出采用人工检测桥梁病害的不足和目前自动化检测设备工程化应用难题;同时结合桥梁检测的工程应用环境,分析了国内外的发展趋势。2、针对桥梁检测的市场需求,制定总体设计指标。以设计指标为目标,本论文详细阐述桥梁病害视觉检测特种作业机器人的工作原理、总体设计方案和研究开发思路,设计具有多自由度的长柔性机械臂和末端灵巧机器手的桥梁特种检测作业机器人,实现桥底面结构的图像采集分析工作。论文详细的介绍了检测机器人的机械结构和电气控制系统设计,并且对设备选型、安装等参数计算过程和设备之间的标定方法进行了介绍;同时,阐述了桥梁特种作业机器人的工作流程,介绍了多语言、多模块、多任务的检测机器人软件框架和软件界面功能。3、论文从末端位姿估计的角度介绍了桥梁特种作业机器人系统结构和工作流程,详细介绍了采集末端位姿估计系统的软硬件设计。首先,根据桥梁的结构化线特征和线轮廓模型,研究基于Hough变换和基于LSD的结构化线特征的检测方法,接着在最小二乘框架下实现了连续位姿估计,并提出了基于鲁棒估计的加权最小二乘算法的连续位姿估计。最后设计了仿真实验对本文的算法进行了验证和分析,实验结果表明本文桥梁采集末端位姿估计的方案和算法具有很好的效果,精度和时效都能很好的满足实际应用的需求。通过现场桥梁测试,本文设计的采集末端位姿估计系统能够达到很好的位姿估计效果,并且在实际工程上进行了应用。4、本论文针对桥梁检测数据拍摄要求,建立桥梁规划参数模型,设计了最优拍摄参数约束的桥底面视觉拍摄位姿规划方法,并推导了算法公式。本论文提出采用安全保护策略的位姿优化方法,建立约束优化模型,介绍了代数求解方法并给出数值法求解步骤,解决了小箱梁和T型梁特殊结构导致规划的位姿结果不符合工程应用的问题。针对T型梁横隔板的拍摄要求,本文介绍了拍摄位姿规划方法;最后分别选用空心板和小箱梁对桥底面拍摄位姿规划和安全位姿优化方法进行了仿真验证测试,实验结果效果良好,符合工程应用。5、本论文以设计制造的桥梁特种作业机器人为对象进行了运动学分析,分别阐述了液压机械臂和末端机械手的运动学建模过程和工程简化模型,并给出了逆运动学求解过程和算法。然后重点介绍最优检测位姿的末端机器臂控制方法,针对桥梁偏角结构情况,提出初始姿态搜索对准控制方法,实现了机器手初始定位检测位置对准的工程要求;设计了基于位置动力学模型的滑模控制方法,实现了机器手末端轨迹跟踪控制;针对柔性机械臂的挠度和转角问题,设计液压柔性机械臂挠度补偿方法,修正了机械臂伸长过程中挠度导致末端机器手位置偏差的问题;针对桥梁外侧面和横隔板拍摄要求,设计了对应拍摄位姿控制策略。最后通过现场大量实验测试,证明研究的机器人运动控制方法具有良好的效果。6、本论文在桥梁特种作业机器人本体设计、末端定位方法、作业规划优化方法和机器人控制方法的研究基础上,进一步开展了桥梁检测应用研究和运输管理平台建设相关工作。本文采用基于形态的方法进行病害的提取,并依据图像像素与实际的映射关系估算裂缝长度宽度等数据,经算法集成,开发了具备三维可视化显示功能桥梁病害检测分析系统。然后,本论文重点介绍了桥梁特种作业机器人承担的应用示范工程任务,列举了待检桥梁参数信息和特种作业检测分析结果。介绍了在高速公路管理局应用的超限车运输管理系统,依据桥梁检测数据和超限车辆数据,计算通行规则,辅助交通管理部门完成对桥梁的管理保护等研究工作。经过示范应用实践验证,研究的桥梁特种作业机器人本体设计、定位估计方法、作业规划优化方法和运动控制方法具有良好的效果,能够满足应用推广需求。本论文通过理论分析研究和实验证明了提出的桥梁特种作业机器人机械、机电液一体化控制系统和软件设计的合理性,设计的定位、规划和控制等算法的正确性,解决了实际工程应用中遇到的不少问题。