隧道綜合巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)及研究

孫 炳，劉丹丹，劉宜勝，陳志丹

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310018；2.浙江眾合科技股份有限公司 中央研究院，杭州 310051）

隨著我國綜合國力的不斷提升，軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，2022 年在各地投入運(yùn)營的線路中，地鐵運(yùn)營線路占比達(dá)77.84%[1]。為保證地鐵的順利運(yùn)營，維修人員需要定期對(duì)地鐵線路進(jìn)行巡檢排除安全隱患[2]。目前對(duì)于地鐵運(yùn)營安全狀態(tài)的檢測主要以人工巡檢的方式為主，但對(duì)巡檢人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高，檢測結(jié)果往往受主觀的影響較大，而且由于地鐵運(yùn)營的特殊性，一些檢測需在運(yùn)營空窗期內(nèi)進(jìn)行，甚至還可能危害到巡檢工人的人身安全，難以滿足日益增長的運(yùn)營需求[3]。近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、5G、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)器人的發(fā)展提供了技術(shù)支持[4]。機(jī)器人代替人工巡檢地鐵線路，不僅在檢測效率上有較大的提升，而且能夠減少巡檢時(shí)遇到的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)今國內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)隧道巡檢裝置的識(shí)別方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺的車載式鐵路軌道巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用相機(jī)采集圖片，實(shí)現(xiàn)對(duì)道床軌道缺陷的識(shí)別。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于多傳感器的重載鐵路巡檢無人機(jī)，介紹了無人機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)任務(wù)工作的管理。文獻(xiàn)[7]研究了一種車載式道床部件檢測裝置，采用3D 相機(jī)與2D 相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌、扣件、道床等軌道部件各類病害的識(shí)別。文獻(xiàn)[8]研發(fā)了一種懸掛式隧道運(yùn)營安全智能巡檢機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)病害、路面異常以及交通環(huán)境的自動(dòng)巡檢，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體架構(gòu)。地鐵隧道中病害種類多，針對(duì)隧道和道床的綜合檢測研究較少。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)隧道綜合巡檢機(jī)器人，并生產(chǎn)了樣機(jī)，在實(shí)際地鐵隧道工況中進(jìn)行試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了機(jī)器人的可靠性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)地鐵隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)采集。

1 總體設(shè)計(jì)

隧道綜合巡檢機(jī)器人的總體框架設(shè)計(jì)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分分為隧道病害采集模塊、道床病害采集模塊、鋼軌點(diǎn)云采集模塊、地基沉降檢測模塊以及底盤行走模塊。控制系統(tǒng)由通訊模塊、機(jī)器人控制模塊、傳感器報(bào)警模塊和電池模塊組成。數(shù)據(jù)中心保存隧道綜合巡檢機(jī)器人運(yùn)行時(shí)采集的隧道數(shù)據(jù)，并通過采集數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。隧道綜合巡檢機(jī)器人總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 隧道巡檢機(jī)器人總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of tunnel inspection robot

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道綜合巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，每個(gè)模塊都有其對(duì)應(yīng)的獨(dú)有功能，并且各個(gè)模塊之間均保持一定的獨(dú)立性。同時(shí)，各模塊之間的機(jī)械接口和電氣接口既能保證其進(jìn)行可靠連接，還能實(shí)現(xiàn)其進(jìn)行快速化的拆換，使其保持簡單性和操作的便捷性各不影響[9]，實(shí)現(xiàn)隧道巡檢機(jī)器人的快速上下線。隧道綜合巡檢機(jī)器人Solid-Works 模型如圖2 所示。

圖2 隧道巡檢機(jī)器人模型Fig.2 Tunnel inspection robot model

2.1 隧道與道床病害采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過查找隧道施工資料了解，單洞單軌隧道的半徑在2600 mm，道床檢測范圍在2800 mm，這就要求機(jī)器人搭載模塊的相機(jī)拍攝角度需要相互重疊一部分，才能實(shí)現(xiàn)同一段區(qū)域圖像的拼接，反饋這一區(qū)域的病害圖像信息。

隧道與道床病害采集模塊采集模塊由線陣相機(jī)、光源、報(bào)警燈、立柱組成，如圖3 所示。隧道病害采集模塊與道床病害采集模塊連接部分立柱采用碳纖維復(fù)合材料加工制作，碳纖維復(fù)合材料隨著工業(yè)的發(fā)展，被越來越多應(yīng)用為各類零部件的所選材料，市場前景良好[10]。采用碳纖維復(fù)合材料降低了模塊重量，也有利于人工的搬運(yùn)，減輕工作負(fù)擔(dān)。隧道病害采集模塊相機(jī)數(shù)量為7 個(gè)，每個(gè)相機(jī)的拍攝寬度為2500 mm；道床病害采集模塊相機(jī)數(shù)量為2 個(gè)，每個(gè)拍攝寬度為1500 mm，相機(jī)拍攝角度整體布局如圖4 所示。

圖3 隧道與道床病害采集模塊模型Fig.3 Tunnel and track bed disease collection module model

圖4 采集布局Fig.4 Collection layout

2.2 底盤行走模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核

2.2.1 底盤行走模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤行走模塊結(jié)構(gòu)如圖5 所示。底盤行走模塊主要由底盤、從動(dòng)輪、鏈輪、驅(qū)動(dòng)輪、減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸和編碼器輪組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速器、鏈輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，前進(jìn)方向兩輪之間用傳動(dòng)軸傳輸動(dòng)力，處于后方的兩輪采用分體設(shè)計(jì)，相互獨(dú)立，作為從動(dòng)輪。編碼器輪隨底盤的前進(jìn)或后退而轉(zhuǎn)動(dòng)，周期性輸出脈沖信號(hào)。為避免打滑而產(chǎn)生脈沖缺失，使得采集數(shù)據(jù)丟失，編碼器輪通過使用彈簧機(jī)構(gòu)，使編碼器輪的表面始終貼合在鋼軌表面。

圖5 底盤行走模塊模型Fig.5 Chassis walking module model

2.2.2 電機(jī)校核

確認(rèn)各模塊的相關(guān)信息后，可以得出隧道綜合巡檢機(jī)器人的重量、運(yùn)行信息與尺寸數(shù)據(jù)等參數(shù)，參數(shù)表如表1 所示。

表1 隧道綜合巡檢機(jī)器人參數(shù)Tab.1 Parameters of tunnel comprehensive inspection robot

根據(jù)隧道綜合巡檢機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)對(duì)行走電機(jī)進(jìn)行選型及參數(shù)計(jì)算。無刷電機(jī)相對(duì)于有刷電機(jī)，具有無電刷、低干擾、噪聲低、運(yùn)行順暢、壽命長和維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)[11]，因此本隧道綜合巡檢機(jī)器人所選用永磁直流無刷電機(jī)。

驅(qū)動(dòng)力的確定。機(jī)器人在行駛過程中需要克服阻力，阻力的形式具體有：滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw、坡度阻力Fr，加速度阻力Fj，這些阻力均由驅(qū)動(dòng)力Ft來克服。

在對(duì)機(jī)器人加速性能沒有要求的情況下，加速度阻力暫不考慮[12]。

滾動(dòng)阻力Ff：

空氣阻力Fw：

坡度阻力Fr：

將表1 數(shù)據(jù)帶入式（1）～式（4）計(jì)算可得滾動(dòng)阻力Ff為88.2 N、空氣阻力Fw為29.7 N、坡度阻力Fr為102.6 N，F(xiàn)t驅(qū)動(dòng)力為220.5 N。

電機(jī)功率的確定：

將表1 數(shù)據(jù)與驅(qū)動(dòng)力Ft帶入式（5）計(jì)算可得電機(jī)功率P 為1.441 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定：

將表1 數(shù)據(jù)帶入式（6）計(jì)算可得電機(jī)轉(zhuǎn)矩T 為4.32 N·m。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定（行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)機(jī)器人的最高車速確定）：

計(jì)算得所需電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速2793 r/min。

確認(rèn)所需電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)后，選用步科的SMC 130D-0150-30ABK-ADKR 電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表2 SMC130D-0150-30ABK-ADKR 電機(jī)參數(shù)Tab.2 SMC130D-0150-30ABK-ADKR motor parameters

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FPGA 具有高度并行性、實(shí)時(shí)性好和豐富的資源等優(yōu)點(diǎn)，因此被更多地應(yīng)用于電機(jī)控制等高性能控制領(lǐng)域[13]。機(jī)器人選用FPGA 控制板負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的采集、運(yùn)算和通訊。系統(tǒng)包括了無線模塊、相機(jī)模塊、光源模塊、電源模塊、點(diǎn)云模塊等，通過FPGA控制各個(gè)模塊的運(yùn)行與停止。激光雷達(dá)用于判斷機(jī)器人前方是否存在障礙物，聲光報(bào)警器用于提醒機(jī)器人功能異常，及時(shí)排除故障，編碼器除了周期性提供脈沖觸發(fā)信號(hào)控制外，還提供機(jī)器人的定位里程信息，反饋機(jī)器人在隧道中的位置。FPGA 通過路由器與工控機(jī)上位機(jī)連接，控制人員通過網(wǎng)絡(luò)連接即可查看到機(jī)器人的狀態(tài)信息，工控機(jī)將采集的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。人員通過網(wǎng)絡(luò)連接至工控機(jī)，將任務(wù)命令下發(fā)至機(jī)器人系統(tǒng)，控制機(jī)器人采集任務(wù)執(zhí)行，必要時(shí)也可以使用遙控器通過無線模塊控制電調(diào)模塊，控制隧道綜合巡檢機(jī)器人的運(yùn)行。硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.6 Overall hardware system architecture

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

啟動(dòng)旋鈕開關(guān)后，機(jī)器人首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，機(jī)器人的電機(jī)、相機(jī)模塊、點(diǎn)云模塊、激光雷達(dá)和聲光報(bào)警器等開始啟動(dòng)，通過接收遙控器的控制運(yùn)動(dòng)指令后，機(jī)器人進(jìn)行前進(jìn)或后退等動(dòng)作。機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)探測到前方有人或者物體等障礙物時(shí)，巡檢機(jī)器人將立即抱閘并發(fā)出聲光報(bào)警，停止運(yùn)行。通過遙控器解除機(jī)器人抱閘，并移除障礙物。PAD 端通過上位機(jī)控制界面設(shè)置機(jī)器人巡檢任務(wù)，確認(rèn)機(jī)器人的運(yùn)行速度、巡檢里程等信息。控制系統(tǒng)程序流程如圖7 所示。

圖7 控制系統(tǒng)流程Fig.7 Control system flow chart

4 基于ANSYS Workbench 的底盤變形分析

確認(rèn)了隧道綜合巡檢機(jī)器人的整體框架后，利用ANSYS Workbench 對(duì)底盤進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析[14]。機(jī)器人的自重也是設(shè)計(jì)考量的重要因素之一，所以設(shè)計(jì)時(shí)在保證結(jié)構(gòu)承載能力的情況下，選用合適的材料。底盤材料選擇有鋁合金與結(jié)構(gòu)鋼兩種，其相關(guān)的材料屬性如表3 與表4 所示。

表3 鋁合金材料屬性Tab.3 Aluminum alloy material properties

表4 結(jié)構(gòu)鋼材料屬性Tab.4 Structural steel material properties

鋁合金等效應(yīng)力圖和變形云圖如圖8 所示。由圖8 可知，等效應(yīng)力圖所示最大應(yīng)力為37.52 MPa，等效應(yīng)力圖如圖8（a）所示；變形云圖所示最大位移量0.34 mm，變形云圖如圖8（b）所示。

圖8 鋁合金等效應(yīng)力與變形云圖Fig.8 Aluminum alloy equivalent stress and total deformation diagram

結(jié)構(gòu)鋼等效應(yīng)力圖和變形云圖如圖9 所示，由圖9 可知，等效應(yīng)力圖所示最大應(yīng)力為53.11 MPa，等效應(yīng)力圖如圖9（a）所示；變形云圖所示最大位移量0.16 mm，變形云圖如圖9（b）所示。

圖9 結(jié)構(gòu)鋼等效應(yīng)力與變形云圖Fig.9 Structural steel equivalent stress and total deformation diagram

兩種材料都滿足隧道綜合巡檢機(jī)器人強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，但鋁合金相較于結(jié)構(gòu)鋼，其密度更低，同樣尺寸的結(jié)構(gòu)件，重量可減輕50%以上，選用鋁合金作為機(jī)器人底盤的加工材料。

5 樣機(jī)測試

設(shè)計(jì)完成后，加工隧道綜合巡檢機(jī)器人各部分模塊結(jié)構(gòu)件，在真實(shí)地鐵環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制采集試驗(yàn)，樣機(jī)測試如圖10 所示。

圖10 隧道環(huán)境測試樣機(jī)Fig.10 Tunnel environment testing prototype

對(duì)采集的隧道圖像進(jìn)行拼接，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 隧道圖像拼接結(jié)果Fig.11 Tunnel image stitching results

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)隧道病害檢測采集的隧道綜合巡檢機(jī)器人，開發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng)的功能架構(gòu)，確認(rèn)了病害采集的各個(gè)模塊功能，并采用SolidWorks 軟件建立3D 結(jié)構(gòu)模型。介紹了機(jī)器人的機(jī)械部分及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了相機(jī)的采集角度與機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行狀況選擇合適電機(jī)，并進(jìn)行了電機(jī)校核，進(jìn)一步分析了機(jī)器人底盤的靜力學(xué)變形問題，確認(rèn)選用材料，使其既可滿足使用要求，且自重較輕。通過搭建樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)器人在真實(shí)隧道環(huán)境中能夠安全可靠運(yùn)行；機(jī)器人的功能與性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；機(jī)器人采集圖像結(jié)果為后續(xù)隧道病害識(shí)別提供了基礎(chǔ)。