基于真空吸附的橋墩病害檢測(cè)機(jī)器人

蘭京 黃文韜 廖國(guó)美 蘇海林 習(xí)慈羊

摘? 要：文章運(yùn)用真空吸附原理，設(shè)計(jì)一種真空吸附式橋墩病害檢測(cè)四足爬壁機(jī)器人，用于橋墩病害的檢測(cè)。該機(jī)器人利用氣泵作為真空產(chǎn)生裝置，設(shè)計(jì)一種帶球閥的氣路管道對(duì)吸盤(pán)內(nèi)的空氣壓力進(jìn)行控制，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)腿末端的吸盤(pán)吸附在橋墩上。機(jī)器人每條運(yùn)動(dòng)腿上都有兩個(gè)舵機(jī)，由單片機(jī)控制其在橋墩上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)機(jī)器人主體上安裝的高清攝像頭，可實(shí)時(shí)采集橋墩壁面的狀況，幫助工作人員更準(zhǔn)確、快速的判斷橋墩病害的存在，可以代替人在危險(xiǎn)的橋墩上對(duì)橋墩進(jìn)行檢測(cè)，提高工作效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：真空吸附;四足;橋墩病害;爬壁機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）08-0044-02

Abstract： Based on the principle of vacuum adsorption， a four-legged climbing robot for pier disease detection is designed in this paper， which can be used to detect pier diseases. The robot uses the air pump as the vacuum generating device， and designs a kind of air pipe with ball valve to control the air pressure in the sucker， so that the sucker at the end of the robot's moving leg is adsorbed on the pier. The robot has two steering gears on each moving leg， which is controlled by a single chip microcomputer to move on the pier. The high-definition camera installed on the main body of the robot can collect the condition of the pier wall in real time， help the staff to judge the existence of the pier disease more accurately and quickly， and can replace the person to detect the pier on the dangerous pier， so as to improve work efficiency and reduce risk.

Keywords： vacuum adsorption; quadruped; pier disease; wall climbing robot

引言

目前，隨著科技的日益發(fā)展，各式各樣的橋梁進(jìn)入我們的視野，為人們的出行帶來(lái)巨大便利。但是，眾多的橋梁病害帶來(lái)的安全問(wèn)題也不容小覷，為此需要對(duì)橋梁的安全狀況進(jìn)行檢測(cè)，以保障國(guó)家和人們的財(cái)產(chǎn)生命安全。但是，對(duì)于橋梁的病害檢測(cè)我國(guó)主要采取人工檢測(cè)為主，以橋梁檢測(cè)車(chē)、橋梁檢測(cè)系統(tǒng)為輔，這些方法檢測(cè)效率低、成本高、檢測(cè)的精度差。為此，爬壁機(jī)器人的出現(xiàn)為橋梁病害檢測(cè)帶來(lái)巨大的改變。

爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有仿生吸附、負(fù)壓吸附、真空吸附、旋翼吸附、磁力吸附和振動(dòng)吸附等幾種[1]。真空吸附作為一種發(fā)展比較早，吸附可靠、穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的吸附方式，得到廣泛的使用。但是，這種吸附方式對(duì)于壁面的平整度和光潔度要求較高，因此需要設(shè)計(jì)一種適應(yīng)性良好的吸盤(pán)。為了讓機(jī)器人可靠地吸附在橋墩壁面，保持壁面行走時(shí)有良好的穩(wěn)定性，可將幾個(gè)吸盤(pán)串聯(lián)形成吸盤(pán)組。這樣，當(dāng)其中某一子吸盤(pán)不起作用時(shí)也不會(huì)讓機(jī)器人發(fā)生脫落，減小機(jī)器人脫落的可能性。

文中將利用真空技術(shù)，基于真空模塊設(shè)備，結(jié)合一種爬壁機(jī)器人平臺(tái)[1]。利用氣泵來(lái)充當(dāng)真空產(chǎn)生裝置，同時(shí)結(jié)合帶球閥的真空氣道傳輸裝置，讓吸盤(pán)吸附在橋墩上。將舵機(jī)安裝在每條機(jī)械腿的關(guān)節(jié)處，利用單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在橋墩壁面上運(yùn)動(dòng)。對(duì)于橋墩的病害檢測(cè)主要通過(guò)機(jī)器人的高清攝像頭，將橋墩壁面的實(shí)時(shí)情況傳送給工作人員，幫助工作人員對(duì)橋墩進(jìn)行觀察分析。提高了橋墩病害檢測(cè)的速度、精度和安全性。

1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

該橋墩病害檢測(cè)機(jī)器人是以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)在橋墩壁面上進(jìn)行移動(dòng)。利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)機(jī)器人為四足，每條運(yùn)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)末梢都帶有吸盤(pán)。爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)足過(guò)少，容易發(fā)生脫落和傾覆現(xiàn)象;運(yùn)動(dòng)足過(guò)多增加了編程控制的復(fù)雜性，機(jī)器人成本升高不利于機(jī)器人的推廣利用。因此，機(jī)器人采用多吸盤(pán)的四足結(jié)構(gòu)。

壁面機(jī)器人是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等科學(xué)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品[2]。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人主體1、攝像頭2、運(yùn)動(dòng)腿3和吸盤(pán)結(jié)構(gòu)4。機(jī)器人主體1結(jié)構(gòu)包含電路板、單片機(jī)、電源和真空產(chǎn)生裝置，攝像頭2由控制電路連接控制。在機(jī)器人的主體1的左右兩側(cè)對(duì)稱布置有兩條運(yùn)動(dòng)腿3，且運(yùn)動(dòng)腿3的活動(dòng)關(guān)節(jié)處都安裝有舵機(jī)，這樣的運(yùn)動(dòng)腿3運(yùn)動(dòng)都具有多個(gè)自由度，機(jī)器人可以在橋墩壁面多方向的移動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)腿3由舵機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)，舵機(jī)通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)腿3的運(yùn)動(dòng)末梢上均設(shè)置吸盤(pán)結(jié)構(gòu)4，吸盤(pán)結(jié)構(gòu)4通過(guò)機(jī)器人主體1內(nèi)置的真空產(chǎn)生裝置控制吸盤(pán)吸放。為保證機(jī)器人在壁面吸附的緊密性和結(jié)構(gòu)的牢固性，該橋墩病害檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)腿用鋁合金材料，其他部分采用工程塑料以減輕重量，降低機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中脫落的可能性。

2 吸附工作原理

該橋墩病害檢測(cè)機(jī)器人采用了真空吸附原理。由真空泵產(chǎn)生真空，配合吸盤(pán)以及帶有雙球閥的氣管回路將機(jī)器人的吸盤(pán)吸附在橋墩壁面上，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人吸附在橋墩壁面上的目的。

機(jī)器人吸附工作原理圖如圖2所示。圖中1構(gòu)件為球閥，2構(gòu)件為吸盤(pán)，3構(gòu)件為真空腔，機(jī)器人采用吸盤(pán)吸附墻壁，使吸盤(pán)與壁面的吸附力大于摩擦力，以達(dá)到機(jī)器人在墻壁上不脫落的目的。如圖2所示，真空產(chǎn)生裝置通過(guò)氣管與吸盤(pán)連結(jié)，球閥安裝在氣管中，控制吸盤(pán)內(nèi)空氣。當(dāng)需要吸盤(pán)進(jìn)行吸附時(shí)，球閥轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使得機(jī)器人前左運(yùn)動(dòng)腿與后右運(yùn)動(dòng)腿（圖左下方兩吸盤(pán)）進(jìn)氣管導(dǎo)通而其余兩條運(yùn)動(dòng)腿的進(jìn)氣管關(guān)閉，通過(guò)氣泵抽氣，促使左下方兩吸盤(pán)內(nèi)的空氣通過(guò)連接管被抽走，形成真空，讓吸盤(pán)吸附在墻面，當(dāng)球閥再次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，另外兩個(gè)對(duì)向的吸盤(pán)進(jìn)行吸附，此兩吸盤(pán)脫落，最終實(shí)現(xiàn)吸附目的。

帶有雙球閥的氣路進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)吸盤(pán)吸附在橋墩壁面上。剛開(kāi)始時(shí)，機(jī)器人的四個(gè)吸盤(pán)都能同時(shí)吸附;在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，則采用了兩個(gè)吸盤(pán)為一組進(jìn)行吸附。吸盤(pán)可靠吸附是機(jī)器人正常工作的關(guān)鍵，吸盤(pán)吸附和脫離橋墩壁面的時(shí)間影響機(jī)器人的運(yùn)行效率。對(duì)單個(gè)吸盤(pán)及真空泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到單個(gè)吸盤(pán)吸緊壁面時(shí)間為1.82s，吸盤(pán)受水平力安全系數(shù)為1.84，吸盤(pán)受鉛錘力的安全系數(shù)為10.22，也就是當(dāng)吸盤(pán)受豎直力作用時(shí)更容易脫離墻面。

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是靠四條運(yùn)動(dòng)腿緊密配合實(shí)現(xiàn)的，模仿壁虎在墻面上爬行。首先，將機(jī)器人放置在橋墩壁面，使機(jī)器人的四足都吸附在橋墩上。其次，再通過(guò)單片機(jī)程序控制，讓機(jī)器人左上足和右下足抬起脫離壁面，并向前（向后）運(yùn)動(dòng)，另外兩足牢牢的吸附在橋墩壁面上。然后，左上、右下兩足上的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，這樣將拖動(dòng)主體跟著運(yùn)動(dòng)。最后，讓左上足和右下足吸附在橋墩壁面，完成一次運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人斜對(duì)向的兩條運(yùn)動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)時(shí)，另外兩條斜對(duì)向的運(yùn)動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)末端的吸盤(pán)吸附在橋墩上，這樣機(jī)器人在橋墩壁面上既可以運(yùn)動(dòng)也能保證吸附在壁面上。四條運(yùn)動(dòng)腿協(xié)同作用，使機(jī)器人不僅在垂直壁面上具有良好的爬壁性能，而且在有一定傾斜角度的壁面也能輕松行走。突破了傳統(tǒng)的多足爬墻機(jī)器人單關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的局限性，使得機(jī)器人獲得了更大的避障空間[3]。

為保證機(jī)器人能夠全面的檢測(cè)到橋墩壁面，在機(jī)器人的“身上”還安裝有傳感器。傳感器不僅可以檢測(cè)到機(jī)器人距離橋墩邊緣的距離，而且還可以檢測(cè)到機(jī)器人距離橋墩下沿水源的距離和橋面的距離。通過(guò)編程控制，讓機(jī)器人本體和吸盤(pán)盡量遠(yuǎn)離這些危險(xiǎn)區(qū)域，保證機(jī)器人能夠正常工作。當(dāng)機(jī)器人的吸盤(pán)處于橋墩的邊緣或者進(jìn)入到橋墩下沿的水中，很可能讓吸盤(pán)的吸附功能失效，機(jī)器人就會(huì)脫離橋墩壁面。

4 結(jié)束語(yǔ)

在爬壁機(jī)器人發(fā)展的早期，主要以單吸盤(pán)吸附為主，極易出現(xiàn)吸附不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人脫離橋墩壁面以及傾覆現(xiàn)象。近年來(lái)多吸盤(pán)吸附的爬壁機(jī)器人逐漸出現(xiàn)，填補(bǔ)了單吸盤(pán)機(jī)器人的缺點(diǎn)，但是對(duì)設(shè)計(jì)者的編程能力要求較高，運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

文中提出了一種多吸盤(pán)吸附的爬壁機(jī)器人，集合了單吸盤(pán)與多吸盤(pán)吸附機(jī)器人的許多優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)該四足橋墩病害檢測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、吸附原理和運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行了論述。通過(guò)理論分析，該四足橋墩病害檢測(cè)機(jī)器人能夠跨越較大的阻礙物及橋墩溝壑，緊密吸附在各種橋墩壁面上，在橋墩壁面能夠靈活走動(dòng)，抵抗傾覆的能力也很強(qiáng)。可以用于檢測(cè)大多數(shù)橋墩，具有檢測(cè)面積廣、檢測(cè)精度高、檢測(cè)方便的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)橋墩的初步檢測(cè)能起到巨大的輔助作用。

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