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(wú)線(xiàn)控制的機(jī)器人檢測(cè)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(lái)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(wú)線(xiàn)控制方案,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在爬升過(guò)程中通過(guò)均勻分布在纜索周?chē)奈迓犯咔鍞z像機(jī),實(shí)時(shí)地將纜索表面檢測(cè)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(wú)線(xiàn)控制機(jī)器人檢測(cè)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(cè),并為惡劣自然環(huán)境下機(jī)器人的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制提供一種參考方法。
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(lái)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(cè)維護(hù)是一項(xiàng)很重要的工作。目前纜索的涂裝、檢測(cè)和修復(fù)等維護(hù)作業(yè)都是采用人工檢測(cè),檢測(cè)周期長(zhǎng),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(cè)機(jī)器人的需求日益迫切。在近年來(lái)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(cè)、監(jiān)控視頻的傳輸和纜索內(nèi)部磁檢測(cè)等方面,對(duì)于纜索檢測(cè)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(xiàn)控制。而無(wú)線(xiàn)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(guó)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(cè)機(jī)器人,這些機(jī)器人的無(wú)線(xiàn)控制多數(shù)是采用適用于室內(nèi)環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)控制。然而,橋梁纜索檢測(cè)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(wú)線(xiàn)控制方案不適用于該檢測(cè)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(wú)線(xiàn)控制檢測(cè)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(cè)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(guò)一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。
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(cè)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(guò)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(xiāo)釘保證了安裝柔性,可以避免裝配誤差帶來(lái)的不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,通過(guò)調(diào)整插銷(xiāo)的不同位置,可以使得機(jī)器人能夠滿(mǎn)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(jiǎn)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(kāi)從動(dòng)輪上的螺母,其下方原本壓縮的彈簧隨即張開(kāi),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(kāi)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(guò)程中能夠越過(guò)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(guò)固定A1-A4 四個(gè)防偏輪來(lái)限制機(jī)器人的爬升軌跡。通過(guò)試驗(yàn),安裝防偏輪后的爬升效果很好,沒(méi)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(guò)連接桿和單向離合器相連接,通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖器阻尼的大小來(lái)適應(yīng)需要的不同阻力,達(dá)到安全回收的效果。
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(xiàn)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(shì)E=Keω,Ke為電動(dòng)勢(shì)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(guò)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(shì)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(kāi)環(huán)函數(shù)為
機(jī)器人控制多數(shù)采用處理器和無(wú)線(xiàn)射頻芯片組合而成的無(wú)線(xiàn)遙控系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)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(cè)機(jī)器人系統(tǒng),此種無(wú)線(xiàn)控制方式的通訊距離、通訊可靠性均無(wú)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(hù)端接入設(shè)備,與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)組成無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通訊使用兩個(gè)無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(wú)線(xiàn)通訊平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議的數(shù)字無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù),機(jī)器人端的百萬(wàn)攝像機(jī)可通過(guò)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(guò)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(guò)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器(左下為內(nèi)部電路,右側(cè)為定向天線(xiàn))
圖8 無(wú)線(xiàn)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(wú)法滿(mǎn)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(wàn)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(cè)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(mǎn)足的條件下需要在纜索周?chē)贾? 路檢測(cè)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(chǎng)安裝測(cè)試圖
由于整個(gè)機(jī)器人檢測(cè)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(mén)=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(guò)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(mǎn)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(cè)機(jī)器人的性能,室內(nèi)和室外的相關(guān)性能測(cè)試是必要的,室內(nèi)主要測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(lái)替代實(shí)際應(yīng)用中的纜索表面的PE 層。在測(cè)試過(guò)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(cè)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(cè)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(chǎng)所,該斜拉橋上的纜索直徑為160mm,測(cè)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(chǎng)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。
本文呈現(xiàn)了一種應(yīng)用于大跨度斜拉橋上的纜索檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、無(wú)線(xiàn)控制方案的可行性,基站可以通過(guò)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(wú)死角的視頻和圖片采集。此外,機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中可攜帶10kg 的負(fù)載,為后續(xù)的其他檢測(cè)設(shè)備(如磁通量檢測(cè)裝置)添加預(yù)留空間,增強(qiáng)機(jī)器人的實(shí)用性。在未來(lái)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。