橋梁檢測的爬壁機(jī)器人足力優(yōu)化方法設(shè)計

吳興琪　崔世超　孫恒　鐘永元

摘 要：為了解決當(dāng)前橋梁裂縫檢測中人工檢測效率低安全性差等問題，設(shè)計了一種六足爬壁機(jī)器人。文章提出了橋梁檢測多足爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計方案，采用真空吸附的電機(jī)驅(qū)動的六足爬壁機(jī)器人，并且完成了部分運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計。其次，對機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，確定CAN總線的控制系統(tǒng)，利用蟻群算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，選擇三角步態(tài)規(guī)劃和末端軌跡曲線等。最后，提出多足爬壁機(jī)器人足力優(yōu)化分配方法。關(guān)鍵詞：橋梁檢測;爬壁機(jī)器人;步態(tài)規(guī)劃;足力優(yōu)化中圖分類號：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-181-04

Abstract： In order to solve the problems of low manual detection efficiency and poor safety in bridge crack detection， a six-legged wall climbing robot is designed. In this paper， the overall design scheme of a multi-legged wall-climbing robot for bridge detection is proposed. A six-footed wall-climbing robot driven by a vacuum-sucked motor is used to complete the design of a partial motion control system. Secondly， the hardware and software systems of the robot control system are designed， the CAN bus control system is determined， the ant colony algorithm is used for path planning， the triangle gait planning and the end trajectory curve are selected. Finally， a method for optimal foot force distribution of a multi-footed wall-climbing robot is proposed.Keywords： Bridge inspection; Wall climbing robot; Gait planning; Foot force optimizationCLC NO.：?U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-181-04

引言

中國目前是世界橋梁第一大國，早在2017年，我國的公路橋梁數(shù)量就已經(jīng)超過80萬座，鐵路橋梁數(shù)量超過20萬座?[1-2]。由于橋梁的日常損耗以及受到各種外力后難以避免的損傷[3]，所以在進(jìn)行橋梁的設(shè)計建造時，需要更加注意對橋梁安全方面的檢測。權(quán)威數(shù)據(jù)指出，橋梁裂縫是混凝土橋梁的坍塌的主要因素[4]。

目前我國對于橋梁裂縫檢測方式主要是依靠人工或半人工，效率低且主觀性較大。若使用爬壁機(jī)器人來進(jìn)行橋梁裂縫檢測，能夠很好的代替人工操作，節(jié)約成本。

目前國內(nèi)外對多足機(jī)器人的足力分配均取得了成果。Nahon[5]等提出的關(guān)節(jié)驅(qū)動力平方規(guī)劃方法;陳學(xué)東等提出的關(guān)節(jié)驅(qū)動力二次優(yōu)化方法;王鵬飛提出的建立機(jī)器人足底接觸力虛擬懸掛模型，足底接觸力補(bǔ)償與阻抗控制方法[6];Spong等提出的被動控制方法[7];Sangbae等提出的在光滑垂直平面上的足部粘性控制方法[8];Sang-Ho提出的適應(yīng)未知外力和粗糙地形的阻抗控制方法[9];Vidoni等提出用于解決多種吸附情況下的最小力矩分配問題的靜態(tài)平衡法[10]。

本文針對爬墻機(jī)器人進(jìn)行的需求，對機(jī)器人機(jī)械、電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，完成橋梁檢測。

1 多足爬壁機(jī)器人總體設(shè)計

1.1?系統(tǒng)構(gòu)成與總體框架

作為橋梁檢測系統(tǒng)的搭載平臺，多足爬壁機(jī)器人首先應(yīng)具有可靠的爬行能力和移動能力，機(jī)身應(yīng)該滿足輕量、小型、易操作的要求。此外，應(yīng)具有優(yōu)良的爬高、吸附能力和一定的克服障礙能力也很重要。根據(jù)橋梁檢測爬壁機(jī)器人使用場景，確定了機(jī)器人各項設(shè)計性能指標(biāo)如表1所示：

本文所設(shè)計的爬壁機(jī)器人本體主要由六條機(jī)械腿和軀干組成。在設(shè)計多足爬壁機(jī)器人的足部時，采用高自由度的機(jī)械手，并且在機(jī)械手的末端連接真空吸盤，機(jī)器人關(guān)節(jié)的傳動裝置采用大扭矩電機(jī)。各個吸盤的吸放通過電磁閥由主控制器控制，從而機(jī)器人可以靈活的到達(dá)目標(biāo)位置。本文爬墻機(jī)器人硬件系統(tǒng)采用多足真空吸附方式，配有六條支撐腿;每條支撐腿應(yīng)包括三個關(guān)節(jié)，用以實現(xiàn)支撐腿向各個方向的自由旋轉(zhuǎn);每條支撐腿末端含三個吸盤，每個吸盤至少有2個真空點，每個支撐腿可以調(diào)節(jié)爬墻機(jī)器人與吸附壁面的距離。

1.2?零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

爬墻機(jī)器人的零件結(jié)構(gòu)可以分為：機(jī)身、舵機(jī)、支架燈部分。

1.2.1?機(jī)身

本項目爬壁機(jī)器人考慮機(jī)身要為電路板、攝像頭、氣路和線路安裝留有空間，并且整機(jī)自重不能過大，采用兩塊六邊形碳纖維板平行布置作為機(jī)身主體結(jié)構(gòu)，上下機(jī)身與第一關(guān)節(jié)處的六個舵機(jī)通過M2螺栓多孔位連接，機(jī)械系統(tǒng)裝配圖如圖1所示。

1.2.2 舵機(jī)

本項目爬壁機(jī)器人關(guān)節(jié)用舵機(jī)選用成熟產(chǎn)品AX-824智能串行總線舵機(jī)。

1.2.3?支架

本項目爬壁機(jī)器人六條支撐腿各關(guān)鍵通過三種支架鏈接：長U型支架、短U型支架以及長直U支架?？紤]機(jī)身重量，支架材料選用1.5mm和2.0mm輕型硬質(zhì)鋁板。長U支架用于支撐腿第三關(guān)節(jié)外執(zhí)行端，兩側(cè)面與舵機(jī)輸出軸通過多孔螺紋連接固定，底部孔位用以安裝真空吸盤連接桿等金屬件。多孔固定，強(qiáng)度更高，保證爬墻機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定性。短U支架兩兩正交鏈接，用于第一關(guān)節(jié)與第二關(guān)節(jié)之間的連接，將橫向旋轉(zhuǎn)自由度與縱向旋轉(zhuǎn)自由度關(guān)聯(lián)。長直U支架用于第二關(guān)節(jié)與第三關(guān)節(jié)之間的連接，將垂直平面內(nèi)兩旋轉(zhuǎn)自由度關(guān)聯(lián)。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)平臺選擇

本文采用基于CAN總線的多級分布式主從控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對多足爬壁機(jī)器人的控制。該控制系統(tǒng)由CAN總線通信分布式主從控制系統(tǒng)和地面遙測遙控系統(tǒng)兩大部分組成，包括地面監(jiān)測站、主控制器和副控制器三級控制。因此本文的多足機(jī)器人采用ARM11處理器作為控制系統(tǒng)的主控制器。

2.2 吸附裝置與電磁驅(qū)動閥電路設(shè)計

由于建筑橋梁表面大多為非導(dǎo)磁性材料，選用多吸盤真空吸附方式來給多組爬行機(jī)器人提供吸附力。雖然多吸盤增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但并沒有增加機(jī)器人控制的困難，而且同時提升了負(fù)載與越障能力。

通過多次實驗，最終確定使用兩種吸盤：一種是40mm柔性真空吸盤。理論吸附力為12.7公斤（垂直吸力），安全系數(shù)為0.25，實際吸附力最終為3公斤，如果單端3個吸盤，則六個支撐臂理論垂直吸力可達(dá)54公斤，但考慮壁面粗糙成都以及在垂直水平面的壁面上，柔性真空吸盤的吸附能力大打折扣，確切數(shù)值需通過實驗測定。對于控制吸盤吸放的電磁閥，本文使用的電磁閥有兩個氣體通路?？刂菩盘柡碗姶砰y驅(qū)動電路可以控制這兩條氣體通路的通斷。單片機(jī)首先給出控制信號，途經(jīng)光電耦合器進(jìn)行處理，光電耦合器的主要作用是隔離控制信號與驅(qū)動電路信號，以免造成干擾。電磁閥驅(qū)動電路用來控制某一氣體通路的導(dǎo)通或關(guān)斷。電磁閥某一線圈的開閉是通過放大電路進(jìn)行控制。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)平臺選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

本系統(tǒng)軟件平臺選擇嵌入式?Linux 操作系統(tǒng)。而且由于選擇的ARM11處理器硬件支持此系統(tǒng)，因此移植起來相對容易。

3.2 機(jī)器人控制程序設(shè)計

3.2.1 路徑規(guī)劃研究與實現(xiàn)

針對路徑規(guī)劃問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多的算法，不同的算法有各自不同的優(yōu)缺點。本文將蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，以最短時間為首要目標(biāo)，最終實現(xiàn)了最優(yōu)或近似最優(yōu)無碰路徑的尋找工作。

3.2.2 步態(tài)規(guī)劃研究與實現(xiàn)

為了使對稱分布的機(jī)器人的腿部可以周期性的作業(yè)，模式運(yùn)動的形式是本文主要研究的步態(tài)形式。不同種類的四足動物由于生理結(jié)構(gòu)不同擁有不同的步態(tài)，即使是同種類的動物，由于身體上和神經(jīng)控制能力上的差異，步態(tài)也有所不同?？剂縿游锏倪\(yùn)動形式主要考慮相位差和負(fù)載因子兩個參數(shù)。本文中所設(shè)計的多足爬壁機(jī)器人采用的是三角步態(tài)運(yùn)動。

3.2.3 足端軌跡規(guī)劃研究與實現(xiàn)

首先，爬壁機(jī)器人需要具有在平緩地勢穩(wěn)定行走的能力，其次，爬壁機(jī)器人也需要具有在垂直壁面上攀爬的能力。此外，對于平面和垂直壁面的障礙，多足爬壁機(jī)器人也必須能穩(wěn)定越過。因此，爬壁機(jī)器人的足端軌跡有很高的要求，必須要進(jìn)行細(xì)致的研究和合理的規(guī)劃。

機(jī)器人的足端軌跡要求比較復(fù)雜，所以不能直接利用任何一種現(xiàn)有的曲線當(dāng)機(jī)器人的足端軌跡，真正符合爬壁機(jī)器人足端軌跡的曲線應(yīng)該滿足機(jī)器人的運(yùn)動特性。足端軌跡規(guī)劃圖3所示。

由上圖可知，所規(guī)劃的該曲線起角、落角以及步高均良好，可以很好的適應(yīng)環(huán)境和靈活操控。

4 機(jī)器人足力優(yōu)化

本文通過對多足爬壁機(jī)器人高空作業(yè)時的安全性問題進(jìn)行了討論分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于安全性多足爬壁機(jī)器人足力優(yōu)化分配方法，即在通過調(diào)節(jié)控制安全性目標(biāo)，找出最優(yōu)的足底接觸力在腿部關(guān)節(jié)的分配方法，在此基礎(chǔ)上通過電機(jī)控制機(jī)器人實現(xiàn)不同的動作。

4.1 關(guān)節(jié)驅(qū)動力和足底接觸力簡化與轉(zhuǎn)換

本文以支撐腿為研究對象，忽略機(jī)器人運(yùn)動過程中的加速度，將其實際運(yùn)動看作準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動。在進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，可以建立支撐腿的力平衡方程和力矩平衡方程，得出如下公式。

4.3 基于安全性目標(biāo)足力優(yōu)化與仿真

選取吸盤為研究對象，設(shè)αi為髖關(guān)節(jié)的軸線方向和吸盤吸附面之間的夾角，容易得出吸盤的力平衡方程。在此基礎(chǔ)上對摩擦力約束進(jìn)行強(qiáng)化，將摩擦力約束不等式的左邊乘上安全系數(shù)ki，可以得出摩擦力約束條件以及法向安全約束條件，如下：

足力優(yōu)化的最終目標(biāo)是要保證扭矩?fù)p耗均方差最小，采用ADAMS仿真軟件進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步的優(yōu)化計算。

5?結(jié)語

本文介紹了橋梁檢測多足爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計方案，完成了部分運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計。對機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，確定CAN總線的控制系統(tǒng)，利用蟻群算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，選擇三角步態(tài)規(guī)劃和末端軌跡曲線等。最后，提出多足爬壁機(jī)器人足力優(yōu)化分配方法。

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