橋梁檢測的爬壁機器人足力優化方法設計

吳興琪　崔世超　孫恒　鐘永元

摘 要：為了解決當前橋梁裂縫檢測中人工檢測效率低安全性差等問題，設計了一種六足爬壁機器人。文章提出了橋梁檢測多足爬壁機器人的總體設計方案，采用真空吸附的電機驅動的六足爬壁機器人，并且完成了部分運動控制系統的設計。其次，對機器人控制系統的硬軟件系統進行了設計，確定CAN總線的控制系統，利用蟻群算法進行路徑規劃，選擇三角步態規劃和末端軌跡曲線等。最后，提出多足爬壁機器人足力優化分配方法。關鍵詞：橋梁檢測;爬壁機器人;步態規劃;足力優化中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：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，我國的公路橋梁數量就已經超過80萬座，鐵路橋梁數量超過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]，所以在進行橋梁的設計建造時，需要更加注意對橋梁安全方面的檢測。權威數據指出，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。若使用爬壁機器人來進行橋梁裂縫檢測，能夠很好的代替人工操作，節約成本。

目前國內外對多足機器人的足力分配均取得了成果。Nahon[5]等提出的關節驅動力平方規劃方法;陳學東等提出的關節驅動力二次優化方法;王鵬飛提出的建立機器人足底接觸力虛擬懸掛模型，足底接觸力補償與阻抗控制方法[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平衡法[10]。

本文針對爬墻機器人進行的需求，對機器人機械、電控系統進行設計，完成橋梁檢測。

1 多足爬壁機器人總體設計

1.1?系統構成與總體框架

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

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

1.2?零件結構設計

爬墻機器人的零件結構可以分為：機身、舵機、支架燈部分。

1.2.1?機身

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

1.2.2 舵機

本項目爬壁機器人關節用舵機選用成熟產品AX-824智能串行總線舵機。

1.2.3?支架

本項目爬壁機器人六條支撐腿各關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。考慮機身重量，支架材料選用1.5mm和2.0mm輕型硬質鋁板。長U支架用于支撐腿第三關節外執行端，兩側面與舵機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，強度更高，保證爬墻機器人的運動穩定性。短U支架兩兩正交鏈接，用于第一關節與第二關節之間的連接，將橫向旋轉自由度與縱向旋轉自由度關聯。長直U支架用于第二關節與第三關節之間的連接，將垂直平面內兩旋轉自由度關聯。

2 機器人控制系統硬件設計

2.1 硬件系統平臺選擇

本文采用基于CAN總線的多級分布式主從控制系統來實現對多足爬壁機器人的控制。該控制系統由CAN總線通信分布式主從控制系統和地面遙測遙控系統兩大部分組成，包括地面監測站、主控制器和副控制器三級控制。因此本文的多足機器人采用ARM11處理器作為控制系統的主控制器。

2.2 吸附裝置與電磁驅動閥電路設計

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

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驅動電路可以控制這兩條氣體通路的通斷。單片機首先給出控制信號，途經光電耦合器進行處理，光電耦合器的主要作用是隔離控制信號與驅動電路信號，以免造成干擾。電磁閥驅動電路用來控制某一氣體通路的導通或關斷。電磁閥某一線圈的開閉是通過放大電路進行控制。

3 機器人控制系統軟件設計

3.1 軟件系統平臺選擇與結構設計研究

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

3.2 機器人控制程序設計

3.2.1 路徑規劃研究與實現

針對路徑規劃問題，國內外學者提出了眾多的算法，不同的算法有各自不同的優缺點。本文將蟻群算法進行改進，以最短時間為首要目標，最終實現了最優或近似最優無碰路徑的尋找工作。

3.2.2 步態規劃研究與實現

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

3.2.3 足端軌跡規劃研究與實現

首先，爬壁機器人需要具有在平緩地勢穩定行走的能力，其次，爬壁機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，多足爬壁機器人也必須能穩定越過。因此，爬壁機器人的足端軌跡有很高的要求，必須要進行細致的研究和合理的規劃。

機器人的足端軌跡要求比較復雜，所以不能直接利用任何一種現有的曲線當機器人的足端軌跡，真正符合爬壁機器人足端軌跡的曲線應該滿足機器人的運動特性。足端軌跡規劃圖3所示。

由上圖可知，所規劃的該曲線起角、落角以及步高均良好，可以很好的適應環境和靈活操控。

4 機器人足力優化

本文通過對多足爬壁機器人高空作業時的安全性問題進行了討論分析，在此基礎上提出了基于安全性多足爬壁機器人足力優化分配方法，即在通過調節控制安全性目標，找出最優的足底接觸力在腿部關節的分配方法，在此基礎上通過電機控制機器人實現不同的動作。

4.1 關節驅動力和足底接觸力簡化與轉換

本文以支撐腿為研究對象，忽略機器人運動過程中的加速度，將其實際運動看作準靜態運動。在進行受力分析的基礎上，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 基于安全性目標足力優化與仿真

選取吸盤為研究對象，設αi為髖關節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。在此基礎上對摩擦力約束進行強化，將摩擦力約束不等式的左邊乘上安全系數ki，可以得出摩擦力約束條件以及法向安全約束條件，如下：

足力優化的最終目標是要保證扭矩損耗均方差最小，采用ADAMS仿真軟件進行仿真分析，進一步的優化計算。

5?結語

本文介紹了橋梁檢測多足爬壁機器人的總體設計方案，完成了部分運動控制系統的設計。對機器人控制系統的硬軟件系統進行了設計，確定CAN總線的控制系統，利用蟻群算法進行路徑規劃，選擇三角步態規劃和末端軌跡曲線等。最后，提出多足爬壁機器人足力優化分配方法。

參考文獻

[1]?我國公路橋梁總數超80萬座[J].城市規劃訊，2017（22）：13.

[2]?孫悟頡.高精度實時橋梁支座健康監測系統的設計與實現[D].山東：山東大學，2019.

[3]?余加勇，彭旺虎，朱建軍，等.測量機器人在大跨徑橋梁檢測中的應用研究[J].中南公路工程，2007，32（ 3） ：33-36.

[4]?喬陶鵬，鄧焱，嚴普強，等.利用位移測量推估梁及橋梁動態應變的?方法研究[J].儀器儀表學報，2003，24（5）：540-542，546.

[5]?M.A.Nahon，J.Angeles.Optimization of Dynamic Forces in Mechani?-cal Hands[J].Trans.of the ASME：J.of Mechanical Design.1991.113：?167-173.

[6]?王鵬飛.四足機器人穩定行走規劃及控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學.2007.

[7]?Spong，M.W.Holm，J.K.Dongjun Lee.Passivity-Based Control of?Bipe?-dal Locomotion[J].IEEE Robotics & Automation Magazine，2007， 14（30）： 1070-9932.

[8]?Sangbae Kim， Spenko，M.，Trujillo，S..Smooth Vertical Surface ?Clim?-bing With Directional Adhesion[J].IEEE Transaction on Robotics，?2008，24（65）： 1552-3098.

[9]?Sang-Ho Hyon.Compliant Terrain Adaptation for Biped Humanoids Without Measuring Ground Surface and Contact Forces[J].IEEE Transaction on Robotics，2009，25（171）：1552-3098 .

[10]?R.Vidoni，A.Gasparetto.Efficient Force Distribution and Leg ?Pos?-ture for A Bio-inspired Spider Robot [J]. Robotics and Autono?-mous Systems，2011，59（2）： 142-15.