橋梁檢測輕質長臂機器人的設計與研究*

□ 常 勇 □ 杜文龍 □ 景鳳仁 □ 王洪光

1.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110016 2.中國科學院機器人與智能制造創新研究院 沈陽 110016 3.沈陽工業大學 機械工程學院 沈陽 110016

1 研究背景

橋梁是交通設施互聯互通的關鍵節點和樞紐工程,是國民經濟發展和社會安全的重要保障[1]。橋梁發生垮塌事故,不僅會危及人民生命安全,造成巨大經濟損失,而且會使社會產生極大恐慌情緒。研究表明,90%的混凝土橋梁坍塌都與橋梁裂縫有關[2-3]。橋梁裂縫是橋梁安全體系中的一個重要病害問題。橋梁表面出現裂縫,表明橋梁已經處于亞健康狀態,若不進行及時修補,將會導致橋梁內部鋼筋水泥產生侵蝕腐化,最終可能釀成重大橋梁安全事故。

橋梁裂縫是評價橋梁健康狀況的主要指標之一,對橋梁裂縫進行檢測和分析,對于橋梁的養護而言具有非常重要的意義[4]。

目前對高墩、大厚度、寬幅大型橋梁進行裂縫檢測,主要采用人工作業方式,由重型桁架式或臂架吊籃式橋梁檢測工程車在橋面上開展作業,檢測人員通過吊籃傳送或桁架通道到達主梁底部壁面處,手持檢測工具對橋梁進行檢測。這種傳統檢測方法的缺點是作業人員勞動強度大、危險性高、檢測效率低,并且橋梁檢測工程車體積大,影響交通,使用不便。近年來,國內外開發出通過臂架式橋梁檢測工程車末端搭載小型機械臂的橋梁檢測裝備[5-7],這類設備多由兩套機械臂系統構成,關節自由度多,控制復雜,作業效率低。另一方面,由于前端仍為臂架式橋梁檢測工程車,占地面積大,影響交通。

為實現對高墩、大厚度、寬幅大型橋梁的快速、便捷檢測,筆者設計了一種橋梁檢測輕質長臂機器人。基于作業空間分析,設計合理的機構構型和連桿結構,實現機器人的輕質化。在建立運動學模型的基礎上,規劃機器人的運動,實現對主梁底部側壁和邊緣的檢測。筆者設計的重點在于完成機器人的機構設計,基于運動學模型實現檢測任務運動規劃,為最終機器人的作業提供技術支撐。

2 檢測作業空間

筆者設計的橋梁檢測輕質長臂機器人主要應用背景為杭州灣大橋引橋段主梁側壁檢測,主梁主體結構尺寸如圖1所示。機器人長臂末端目標檢測范圍為圖1中的區域a和區域b。

▲圖1 主梁主體結構尺寸

引橋的特點是主梁厚度大、高墩,并且主梁待檢測位置距離橋頂面遠,護欄的上沿與主梁側壁底端直線距離超過7.8 m。要實現機器人的長臂在橋面展開,并實現對主梁底部側壁等部位進行檢測,必須設計合理的長臂機構,并使其輕質化。

3 機構設計

根據主梁側壁等位置的檢測要求,設定輕質橋梁檢測長臂機器人的基本功能指標:機器人本體輕質化、小型化;機構實現展開和收攏功能,便于運輸和作業;機器人長臂末端搭載視覺傳感器,實現對主梁混凝土壁面細小裂縫的精準檢測。

調研分析相關專利,其中具有可實施性的兩款橋梁檢測裝置,其展開收攏機構自由度數不小于六[8-9],作業時要實現機械臂主體由橋面上展開到橋底下作業,所需的關節轉矩很大。

作為借鑒,分析傳統六自由度工業機器人機構,前三個關節機構的作用是實現機械臂可達空間最大化,典型構型如圖2所示,包括腰關節1、大臂關節2、小臂關節3。

▲圖2 傳統工業機器人典型機構

為實現機器人輕質化設計,筆者將機器人檢測作業空間范圍內的負載能力作為設計依據,對機器人作業空間及運動范圍的特殊性進行分析。

機器人作業空間位于橋梁下方,部分橋體及護欄是障礙物。機器人作業范圍相對較小,在主梁截面內,作業空間近似為平面折線。

機器人長臂初始狀態為收攏狀態,停靠在橋梁主梁上表面。作業時,長臂主體從橋面上展開,并下探到橋底內側。

機器人末端負載為視覺檢測云臺。

根據機器人作業任務及作業空間環境約束,完成機器人機構設計。

(1)在傳統工業機器人構型的基礎上,增大連桿1的長度,在腰關節1旋轉到位后,大臂關節2可以延伸到橋梁護欄外部,如圖3(a)所示。

(2)根據大臂關節2的位置及主梁側壁底部的檢測范圍,初步規劃大臂和小臂的連桿尺寸,取兩者近似等長,實現末端在主梁側壁邊緣的作業要求。

(3)在保證作業空間的前提下,縮短連桿尺寸,以減小機器人的整體尺寸,滿足收攏運輸要求。將大臂部分拆分為大臂關節2和伸縮關節3,通過伸縮連桿增大大臂的長度,如圖3(b)所示。

(4)大臂的負載能力是機器人設計的關鍵,為降低大臂關節2的負載要求,在小臂關節4回轉收攏和伸縮關節3收縮到零位時,大臂關節2所有負載近似對稱分布,從而降低大臂關節2展開和收攏工況下的負載要求,如圖3(c)所示。

(5)為實現對主梁壁面的對正拍照,在小臂的末端增加俯仰關節5,以調整拍照角度,如圖3(d)所示。

(6)綜合以上分析,完成機器人完整機構設計,如圖3(e)所示,包括展開和收攏狀態。

4 結構設計

橋梁檢測輕質長臂機器人安裝在移動平臺上,末端搭載視覺檢測云臺。機器人大臂和小臂采用方管或框架式結構,以減輕機器人本體的質量。

機器人三維實體模型如圖4所示。

以連桿4為例,將末端搭載的視覺檢測云臺作為小臂負載,開展連桿整體強度和剛度設計。

連桿4從展開到作業需繞水平軸旋轉近似360°,關節彎矩需考慮連桿水平時最大負載狀態。為保證強度要求,采用大截面尺度方管,提高抗彎性能。在方管表面設計減重孔,實現輕質化,通過非均布減重孔設計,末端增大減重孔,根部減小減重孔,使在輕質化的同時提高連桿4的剛度。連桿4有限元分析云圖如圖5所示。

5 運動學模型

依據Denavit-Hartenberg坐標系建立橋梁檢測輕質長臂機器人坐標系,如圖6所示。

▲圖3 橋梁檢測輕質長臂機器人機構設計

▲圖4 橋梁檢測輕質長臂機器人三維實體模型

機器人坐標系參數見表1。表1中,αi-1為連桿扭角,ai-1為連桿長度,θi為連桿轉角,di為連桿距離。

▲圖5 連桿4有限元分析云圖

▲圖6 橋梁檢測輕質長臂機器人坐標系

表1 橋梁檢測輕質長臂機器人坐標系參數

(1)

(2)

6 運動學反解

機器人運動學反解時,已知目標點相對于機器人基礎坐標系的位姿,求機器人的關節角。筆者已知橋梁主梁底部待檢測點的坐標,求解橋梁檢測長臂機器人各關節變量。

(3)

(4)

(5)

f1=a4cosθ4

(6)

f2=a4sinθ4

(7)

(8)

g1=a2+f1

(9)

g2=d3+f2

(10)

(11)

e1=a1+g1cosθ2-g2sinθ2

(12)

e2=-g2cosθ2-g1sinθ2

(13)

(14)

將式(8)代入式(3),得:

e1cosθ1=x

(15)

e1sinθ1=y

(16)

e2=z

(17)

將已知的末端位移代入式(15)～式(17)進行反推,即可求出各關節變量。

7 運動規劃

為實現橋梁檢測輕質長臂機器人的輕質化和檢測作業的便捷性,機構設計、結構設計以機器人作業空間范圍內的運動和負載能力作為依據,避免為滿足機械臂在整個可達空間內的負載能力而帶來的過于粗大的連桿和關節,以及龐大的體積問題。由此,在關節驅動力受限的條件下,針對主梁壁面不同部位的檢測需求進行機器人的運動規劃,顯得十分重要。

(1)中國男籃與“世界水準”的差距具有梯次性, 其中，“一定差距”對應6個指標，“較大差距”對應2個指標,“相當差距”對應4個指標。不同類別的差距對應的指標不同，但造成差距的某些原因是相同或相近的。

機器人檢測作業過程劃分為幾個階段,對每個階段進行關節的運動規劃。

機器人由收攏狀態展開到作業狀態,如圖7所示。關節動作如下:① 腰關節1轉過90°;② 大臂關節2轉過100°;③ 伸縮關節3伸長達到長度限位;④ 小臂關節4轉過250°;⑤ 俯仰關節5逆向旋轉,朝向壁面。在這一狀態下,長臂實現最大長度,大臂關節2的轉動慣量折算到電機軸處,約為電機自身慣量的23倍,很難實現轉動控制,因此,大臂關節2鎖死。

▲圖7 橋梁檢測輕質長臂機器人展開

機器人檢測部位由主梁側壁下端到側壁中間位置,如圖8、圖9所示。在這一過程中,鑒于大臂關節2的鎖死狀態及連桿2相對側壁的夾角,規劃伸縮關節3、小臂關節4、俯仰關節5的角度,實現視覺檢測云臺對正側壁。

機器人檢測部位由主梁側壁中間位置到側壁頂端,如圖10所示。在機器人末端到達主梁側壁中間位置附近時,連桿3的端部與連桿2的端部近似重合,大臂關節2的轉動慣量折算到電機軸處后,與電機自身轉動慣量的比值減小到8.62,大臂關節2可解鎖。因此,在這一階段的運動學反解時,可規劃的關節變量包括大臂關節2、小臂關節4、俯仰關節5的轉角。為保證機械臂不處于奇異狀態,小臂關節4的位置要高于側壁頂點法線位置,伸縮關節3鎖死。

▲圖8 主梁側壁下端檢測

▲圖9 主梁側壁中間檢測

▲圖10 主梁側壁頂端檢測

機器人檢測部位由主梁側壁頂端到主梁外沿約1/4處,如圖11所示。此時,大臂關節2與豎直面夾角為15°,達到最大值。

▲圖11 主梁外沿1/4處檢測

機器人末端在主梁側壁頂點附近沿主梁頂面橫向移動檢測拍照,伸縮關節3角度不變,運動學反解規劃的對象包括大臂關節2、小臂關節4、俯仰關節5。

機器人檢測部位由主梁外沿約1/4處至外沿約1/2處,如圖12所示。

▲圖12 主梁外沿1/2處檢測

機器人拍照檢測位置沿主梁頂面向邊緣移動,鑒于主梁外沿約1/4處的極限位置,大臂關節2保持鎖死,運動學反解規劃的對象包括伸縮關節3、小臂關節4、俯仰關節5。

以上為整個檢測過程的運動規劃,需要說明的是,主梁外沿剩余1/2范圍內不做檢測要求,但可以通過調整機器人安裝座在移動平臺上的橫向位置,減小移動平臺到護欄的距離,完成該范圍的檢測。

8 運動仿真

基于橋梁檢測輕質長臂機器人的運動規劃,利用運動學模型,開展運動學反解仿真分析。根據作業過程,給出目標檢測點相對機器人基礎坐標系的旋轉變換矩陣,由運動學反解,仿真計算關節轉角及伸縮量。

機器人對主梁檢測過程的運動學反解仿真結果如圖13所示,其中,橫坐標為檢測點在基礎坐標系中X軸的坐標。

在檢測作業過程中,為實現末端檢測,連桿2由最初靠近橋體逐漸外展,轉角逐漸減小。小臂關節4轉角與俯仰關節5轉角緊密相關,主梁側壁傾斜角度大于16°,當檢測位置由主梁側壁下端沿側壁上移時,連桿4趨向于與側壁平行,小臂關節4轉角逐漸減小,俯仰關節5要指向側壁,轉角逐漸增大。大臂開始外展時,小臂關節4轉角逐漸增大,俯仰關節5轉角逐漸減小。大臂繼續外展,小臂關節4轉角繼續增大。檢測部位由主梁側壁頂端到主梁外沿約1/4處初始,俯仰關節5檢測面突變,轉角突變,隨后微量增大。后續檢測過程中,隨著連桿4長度的增大,小臂關節4轉角繼續增大,而俯仰關節5相對于連桿4反向運動,轉角銳減。

上述仿真結果通過運動學正解得到驗證。

9 結束語

針對高墩、大厚度、寬幅橋梁主梁快速、便捷檢測的要求,在傳統工業機器人構型分析及主梁結構尺寸特性分析的基礎上,設計了一種橋梁檢測輕質長臂機器人。

▲圖13 檢測過程仿真結果

在設計中,建立了機器人運動學模型,基于作業空間和關節力矩特性分析,規劃了機器人檢測作業運動。通過輸入末端視覺檢測云臺的檢測位置,仿真計算運動學反解,驗證了各關節的運動。筆者的設計為最終橋梁檢測輕質長臂機器人樣機研制和檢測作業運動控制提供了技術支撐。