一種新型的輪式纜索檢測機(jī)器人系統(tǒng)

劉登躍 何 斌 陳鵬杰 唐曉城

同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院

針對(duì)大跨度斜拉橋纜索的維護(hù)，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程無線控制的機(jī)器人檢測系統(tǒng)。首先，建立了驅(qū)動(dòng)模塊伺服控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，提出了一種位置和電流的雙閉環(huán)控制方法來提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角精度，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的精確控制。其次，提出了一種遠(yuǎn)程無線控制方案，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在爬升過程中通過均勻分布在纜索周圍的五路高清攝像機(jī)，實(shí)時(shí)地將纜索表面檢測視頻以及圖片傳送回基站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析表明，本文建立的遠(yuǎn)程無線控制機(jī)器人檢測系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中的斜拉橋纜索檢測，并為惡劣自然環(huán)境下機(jī)器人的遠(yuǎn)程無線控制提供一種參考方法。

引言

斜拉橋以其優(yōu)美的外觀和良好的抗震能力在橋梁界的應(yīng)用越來越廣泛，而斜拉橋纜索的造價(jià)占斜拉橋總價(jià)的25%～30%，因此，纜索的檢測維護(hù)是一項(xiàng)很重要的工作。目前纜索的涂裝、檢測和修復(fù)等維護(hù)作業(yè)都是采用人工檢測，檢測周期長，難度大，存在安全隱患，并且檢修的成本也很高。因此，研制便捷、高效的纜索檢測機(jī)器人的需求日益迫切。在近年來的相關(guān)研究中，更多的是側(cè)重于機(jī)器人自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、纜索表面PE 層的檢測、監(jiān)控視頻的傳輸和纜索內(nèi)部磁檢測等方面，對(duì)于纜索檢測機(jī)器人的控制方面研究較少，并且控制方案中一般采用有線控制。而無線控制的應(yīng)用多為其他應(yīng)用領(lǐng)域的移動(dòng)機(jī)器人，如清華大學(xué)的陸俊百等研制的工裝機(jī)器人，太原理工大學(xué)李郁峰研制的履帶式移機(jī)器人，南昌大學(xué)杜保舟等研制的移動(dòng)焊接機(jī)器人，韓國城均館大學(xué)Kyeong Ho Cho 等研制的三軸驅(qū)動(dòng)橋梁纜索檢測機(jī)器人，這些機(jī)器人的無線控制多數(shù)是采用適用于室內(nèi)環(huán)境下的無線射頻芯片與單片機(jī)的連接，在30～50m 的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線控制。然而，橋梁纜索檢測機(jī)器人的工作環(huán)境是0～300m的遠(yuǎn)距離高空，普通的室內(nèi)無線控制方案不適用于該檢測機(jī)器人，因此，本文將介紹一種在遠(yuǎn)距離、高空、大風(fēng)的惡劣工作環(huán)境下遠(yuǎn)程無線控制檢測機(jī)器人完成檢修任務(wù)的系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，檢測機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制方案與表面PE 層裂紋圖像采集方案，并且通過一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括四大模塊：從動(dòng)模塊1、主動(dòng)模塊2、檢測模塊3 和斷電保護(hù)模塊4。如圖1 所示。

圖中主動(dòng)模塊2 和從動(dòng)模塊1 是通過圖2 中的有等距離小孔的連接條連接，連接架和連接條用銷釘保證了安裝柔性，可以避免裝配誤差帶來的不對(duì)稱問題，通過調(diào)整插銷的不同位置，可以使得機(jī)器人能夠滿足在不同纜索直徑上進(jìn)行安裝并完成任務(wù)。該連接方法安裝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊、合理。

圖2 連接條和連接架

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)

圖4 防偏示意圖

圖3 中從動(dòng)模塊上的螺母在整個(gè)機(jī)器人預(yù)夾緊時(shí)處于擰緊狀態(tài)，在初步安裝完成后，松開從動(dòng)輪上的螺母，其下方原本壓縮的彈簧隨即張開，使機(jī)器人與纜索之間的夾緊力增加，調(diào)節(jié)螺母的松緊程度，機(jī)器人能適用于不同摩擦力系數(shù)的纜索，適用范圍更加廣泛，同時(shí)彈簧的張開狀態(tài)為機(jī)器人和纜索之間留有一定的間隙，保證了機(jī)器人在爬升過程中能夠越過8mm 的障礙物。

為了保證機(jī)器人能夠垂直爬升，在主動(dòng)模塊2 和從動(dòng)模塊1 組成的一個(gè)矩形框的四個(gè)角安裝防偏輪，如圖4，通過固定A1-A4 四個(gè)防偏輪來限制機(jī)器人的爬升軌跡。通過試驗(yàn)，安裝防偏輪后的爬升效果很好，沒有出現(xiàn)變軌現(xiàn)象。此外，從機(jī)器人的安全考慮，設(shè)置有安全回收結(jié)構(gòu)，由緩沖器通過連接桿和單向離合器相連接，通過調(diào)節(jié)緩沖器阻尼的大小來適應(yīng)需要的不同阻力，達(dá)到安全回收的效果。

驅(qū)動(dòng)模塊伺服控制的傳遞函數(shù)模型

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其閉環(huán)控制框圖如圖5 所示，其中內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，跟蹤電流使得電機(jī)能夠輸出相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩；外環(huán)為位置環(huán)，使得負(fù)載能夠按照給定的運(yùn)動(dòng)軌跡移動(dòng)。雙閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)保證機(jī)器人在穩(wěn)定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩下朝目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。

圖5 伺服控制系統(tǒng)框圖

步進(jìn)電機(jī)本身有很多非線性因素，如轉(zhuǎn)矩和步距角、磁導(dǎo)與轉(zhuǎn)矩的特性等，因此，分析其動(dòng)態(tài)特性要忽略磁體回路的漏磁、磁滯和渦流等的影響，并且不考慮定子對(duì)永磁體磁鏈的影響，采用近似的方法進(jìn)行分析。

在以上限定條件下，步進(jìn)電機(jī)在電壓平衡時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)的方程式為

其中反電動(dòng)勢E=Keω，Ke為電動(dòng)勢系數(shù)；Te為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；B 為機(jī)械機(jī)構(gòu)的阻尼系數(shù)；ω 為機(jī)械角速度；J 為轉(zhuǎn)子以及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；LT 為靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩；uA,uB,iA,iB,RA,RB,LA,LB,LM分別為 A,B兩相的電壓、電流、電阻、自感和互感。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和其力矩是成反比的。因此，為了保證步進(jìn)電機(jī)有足夠的力矩實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在橋梁纜索上的正常運(yùn)動(dòng)，通常將電機(jī)保持在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，此時(shí)，可以忽略旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢的影響，也即E=0，則電機(jī)電壓到電流的傳遞函數(shù)可表示為

其中L=LA=LB=LM，R=RA=RB，由（1.3）式可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，也即TL=0時(shí)，負(fù)載的傳遞函數(shù)為

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的主要電路為橋式驅(qū)動(dòng)電路，KQ為電壓，TQ為時(shí)間常數(shù)，其傳遞函數(shù)可表示為

為了獲得良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到良好的位置和電流控制效果，控制器采用PID 控制算法，相應(yīng)的控制器傳遞函數(shù)為

由以上各環(huán)節(jié)推導(dǎo)的傳遞函數(shù)，可以得到圖6 所示的系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖。

圖6 傳遞函數(shù)框圖

電流閉環(huán)的傳遞函數(shù)為

整個(gè)系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)為

無線通訊系統(tǒng)

機(jī)器人控制多數(shù)采用處理器和無線射頻芯片組合而成的無線遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但傳輸?shù)木嚯x取決于射頻芯片的性能，通常在百米之內(nèi)，主要用于室內(nèi)遙控或者短距離無線控制。對(duì)于工作環(huán)境惡劣，通訊距離要求達(dá)300m 的橋梁纜索檢測機(jī)器人系統(tǒng)，此種無線控制方式的通訊距離、通訊可靠性均無保證。因此，本文提出一種采用獨(dú)立的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)客戶端接入設(shè)備，與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)組成無線網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大范圍多點(diǎn)組網(wǎng)，在中央監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行集中圖像采集和處理。無線通訊使用兩個(gè)無線收發(fā)器，采用2.4G 數(shù)字組網(wǎng)技術(shù)，兼容IEEE802.11B/G/N 標(biāo)準(zhǔn)，最高可達(dá)150/300Mbps，開闊地帶傳輸可以達(dá)到2000 米。如圖7 所示，基站與機(jī)器人端的無線通訊平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議的數(shù)字無線通訊技術(shù)，機(jī)器人端的百萬攝像機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的接口連接到組成的局域網(wǎng)內(nèi)，而控制器PLC 可通過串口服務(wù)器，將RS485 串口協(xié)議與TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以串口通訊形式接入局域網(wǎng)內(nèi)，攝像機(jī)通過局域網(wǎng)傳輸采集的視頻圖像，同時(shí)基站的上位機(jī)基于Internet 發(fā)送控制指令，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的運(yùn)行，如圖8 所示。

圖7 無線收發(fā)器（左下為內(nèi)部電路，右側(cè)為定向天線）

圖8 無線控制示意圖

圖9 攝像機(jī)采集角度和分辨率

圖10 實(shí)驗(yàn)室安裝圖

現(xiàn)實(shí)中，對(duì)采集的纜索表面圖片分辨率要求較高，且需要傳輸清晰的視頻，普通的CCD 攝像機(jī)無法滿足100mm 的距離下識(shí)別直徑為0.1mm 的物體，宜選取分辨率高的百萬數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。如圖9 所示，一臺(tái)攝像機(jī)在纜索達(dá)到最大直徑300mm 的情況下只能夠觀測到73.7 度的纜索表面范圍，水平方向上為五分之一的纜索表面，在分辨率滿足的條件下需要在纜索周圍布置5 路檢測攝像機(jī)對(duì)纜索表面的裂紋狀況進(jìn)行采集。

圖11 現(xiàn)場安裝測試圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

由于整個(gè)機(jī)器人檢測系統(tǒng)的自重40kg，為獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力，主動(dòng)輪采用的是V 型橡膠輪，以增大接觸面積和摩擦力，V 型橡膠輪最大橫切面直徑為40mm，最小為100mm，取纜索與地面垂直時(shí)的極限情況進(jìn)行分析，纜索和主動(dòng)輪接觸的部分直徑為100mm，所需要的力矩T=40×10×100×10-3=4N·m，安全系數(shù)取為2-3，所需要的力矩為T=12N.m，故靜力矩為6.8N.m，型號(hào)為86BYGH98454A-G20 的86 步進(jìn)電機(jī)，配有減速比為1：20 的減速箱，通過皮帶輪的傳輸作用，驅(qū)動(dòng)力矩可達(dá)到 T=13.6N·m＞12N·m，滿足整個(gè)系統(tǒng)需要。實(shí)驗(yàn)證明，在垂直情況下，機(jī)器人不僅能夠克服自重順利爬升，而且能夠攜帶一定重量的負(fù)載。

為了驗(yàn)證檢測機(jī)器人的性能，室內(nèi)和室外的相關(guān)性能測試是必要的，室內(nèi)主要測試的是機(jī)器人的行走速度、行走精度、爬升能力、負(fù)載能力以及采集到的圖像的分辨率；室外則是測試機(jī)器人在惡劣的情況下能否與室內(nèi)一樣正常運(yùn)行。

如圖10，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)選取了直徑為160mm，長度為2m 的PVC 塑料管，主要材料是聚氯乙烯。實(shí)際纜索表面的PE 層主要材料是聚乙烯，其和PVC 管與橡膠之間的動(dòng)摩擦力系數(shù)相似。因此，可以用PVC 塑料管來替代實(shí)際應(yīng)用中的纜索表面的PE 層。在測試過程中，攝像機(jī)在距離纜索表面100mm 時(shí)的覆蓋角度為73.7 度，一個(gè)攝像機(jī)可以檢測到纜索表面的寬度在機(jī)器人實(shí)時(shí)采集視頻的同時(shí)，設(shè)置每次行走75mm 的距離停止一次，停留2s 進(jìn)行拍照，對(duì)纜索表面進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像存儲(chǔ)在基站的上位機(jī)，適當(dāng)?shù)耐Ｖ归g距可以保證采集到的圖像的重疊區(qū)域盡量減少，提高后續(xù)圖像拼接處理的工作效率。

為了測試機(jī)器人的負(fù)重能力，在垂直的情況下，逐漸增加負(fù)載的重量，不同的負(fù)載情況下機(jī)器人的行走速度如表1。從表中可以看出，機(jī)器人在負(fù)載為10kg 的時(shí)候，仍然能夠以要求的速度行走，負(fù)載大于該重量時(shí)，機(jī)器人將會(huì)有打滑現(xiàn)象，不能有效克服重力向上爬升。

表1 不同負(fù)載下機(jī)器人的運(yùn)行速度

在室外實(shí)驗(yàn)中，選取浙江臺(tái)州椒江二橋作為實(shí)驗(yàn)場所，該斜拉橋上的纜索直徑為160mm，測試時(shí)橋面風(fēng)速為8.0～10.7m/s，氣溫為4 攝氏度，如圖11 所示，分別是實(shí)驗(yàn)室人員現(xiàn)場安裝、機(jī)器人在纜索上爬升以及地面基站遙控機(jī)器人行走的情形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本機(jī)器人系統(tǒng)能夠較好地在橋梁上完成檢修工作，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

結(jié)束語

本文呈現(xiàn)了一種應(yīng)用于大跨度斜拉橋上的纜索檢測機(jī)器人系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、無線控制方案的可行性，基站可以通過手柄遠(yuǎn)距離控制機(jī)器人的上升、下降和停止，機(jī)器人能夠借助五路攝像機(jī)對(duì)纜索表面進(jìn)行無死角的視頻和圖片采集。此外，機(jī)器人在運(yùn)行過程中可攜帶10kg 的負(fù)載，為后續(xù)的其他檢測設(shè)備（如磁通量檢測裝置）添加預(yù)留空間，增強(qiáng)機(jī)器人的實(shí)用性。在未來的工作中，希望能夠繼續(xù)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)器人的抗風(fēng)、抗曬能力，加大機(jī)器人本身的負(fù)載能力，為以后的性能提升留有一定的空間。同時(shí)，在攝像頭的安裝和調(diào)焦方面，希望能夠更加智能地將攝像機(jī)調(diào)整到最佳的焦距，采集更加清晰的視頻圖像。