橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究*

□ 常 勇 □ 杜文龍 □ 景鳳仁 □ 王洪光

1.中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110016 2.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院 沈陽 110016 3.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 沈陽 110016

1 研究背景

橋梁是交通設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樞紐工程,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安全的重要保障[1]。橋梁發(fā)生垮塌事故,不僅會(huì)危及人民生命安全,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,而且會(huì)使社會(huì)產(chǎn)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(guān)[2-3]。橋梁裂縫是橋梁安全體系中的一個(gè)重要病害問題。橋梁表面出現(xiàn)裂縫,表明橋梁已經(jīng)處于亞健康狀態(tài),若不進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ),將會(huì)導(dǎo)致橋梁內(nèi)部鋼筋水泥產(chǎn)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(píng)價(jià)橋梁健康狀況的主要指標(biāo)之一,對(duì)橋梁裂縫進(jìn)行檢測(cè)和分析,對(duì)于橋梁的養(yǎng)護(hù)而言具有非常重要的意義[4]。

目前對(duì)高墩、大厚度、寬幅大型橋梁進(jìn)行裂縫檢測(cè),主要采用人工作業(yè)方式,由重型桁架式或臂架吊籃式橋梁檢測(cè)工程車在橋面上開展作業(yè),檢測(cè)人員通過吊籃傳送或桁架通道到達(dá)主梁底部壁面處,手持檢測(cè)工具對(duì)橋梁進(jìn)行檢測(cè)。這種傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺點(diǎn)是作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高、檢測(cè)效率低,并且橋梁檢測(cè)工程車體積大,影響交通,使用不便。近年來,國(guó)內(nèi)外開發(fā)出通過臂架式橋梁檢測(cè)工程車末端搭載小型機(jī)械臂的橋梁檢測(cè)裝備[5-7],這類設(shè)備多由兩套機(jī)械臂系統(tǒng)構(gòu)成,關(guān)節(jié)自由度多,控制復(fù)雜,作業(yè)效率低。另一方面,由于前端仍為臂架式橋梁檢測(cè)工程車,占地面積大,影響交通。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)高墩、大厚度、寬幅大型橋梁的快速、便捷檢測(cè),筆者設(shè)計(jì)了一種橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人?；谧鳂I(yè)空間分析,設(shè)計(jì)合理的機(jī)構(gòu)構(gòu)型和連桿結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的輕質(zhì)化。在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁底部側(cè)壁和邊緣的檢測(cè)。筆者設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于完成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)檢測(cè)任務(wù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,為最終機(jī)器人的作業(yè)提供技術(shù)支撐。

2 檢測(cè)作業(yè)空間

筆者設(shè)計(jì)的橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人主要應(yīng)用背景為杭州灣大橋引橋段主梁側(cè)壁檢測(cè),主梁主體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。機(jī)器人長(zhǎng)臂末端目標(biāo)檢測(cè)范圍為圖1中的區(qū)域a和區(qū)域b。

▲圖1 主梁主體結(jié)構(gòu)尺寸

引橋的特點(diǎn)是主梁厚度大、高墩,并且主梁待檢測(cè)位置距離橋頂面遠(yuǎn),護(hù)欄的上沿與主梁側(cè)壁底端直線距離超過7.8 m。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的長(zhǎng)臂在橋面展開,并實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁底部側(cè)壁等部位進(jìn)行檢測(cè),必須設(shè)計(jì)合理的長(zhǎng)臂機(jī)構(gòu),并使其輕質(zhì)化。

3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)主梁側(cè)壁等位置的檢測(cè)要求,設(shè)定輕質(zhì)橋梁檢測(cè)長(zhǎng)臂機(jī)器人的基本功能指標(biāo):機(jī)器人本體輕質(zhì)化、小型化;機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)展開和收攏功能,便于運(yùn)輸和作業(yè);機(jī)器人長(zhǎng)臂末端搭載視覺傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁混凝土壁面細(xì)小裂縫的精準(zhǔn)檢測(cè)。

調(diào)研分析相關(guān)專利,其中具有可實(shí)施性的兩款橋梁檢測(cè)裝置,其展開收攏機(jī)構(gòu)自由度數(shù)不小于六[8-9],作業(yè)時(shí)要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂主體由橋面上展開到橋底下作業(yè),所需的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩很大。

作為借鑒,分析傳統(tǒng)六自由度工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu),前三個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂可達(dá)空間最大化,典型構(gòu)型如圖2所示,包括腰關(guān)節(jié)1、大臂關(guān)節(jié)2、小臂關(guān)節(jié)3。

▲圖2 傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人典型機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕質(zhì)化設(shè)計(jì),筆者將機(jī)器人檢測(cè)作業(yè)空間范圍內(nèi)的負(fù)載能力作為設(shè)計(jì)依據(jù),對(duì)機(jī)器人作業(yè)空間及運(yùn)動(dòng)范圍的特殊性進(jìn)行分析。

機(jī)器人作業(yè)空間位于橋梁下方,部分橋體及護(hù)欄是障礙物。機(jī)器人作業(yè)范圍相對(duì)較小,在主梁截面內(nèi),作業(yè)空間近似為平面折線。

機(jī)器人長(zhǎng)臂初始狀態(tài)為收攏狀態(tài),?？吭跇蛄褐髁荷媳砻?。作業(yè)時(shí),長(zhǎng)臂主體從橋面上展開,并下探到橋底內(nèi)側(cè)。

機(jī)器人末端負(fù)載為視覺檢測(cè)云臺(tái)。

根據(jù)機(jī)器人作業(yè)任務(wù)及作業(yè)空間環(huán)境約束,完成機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型的基礎(chǔ)上,增大連桿1的長(zhǎng)度,在腰關(guān)節(jié)1旋轉(zhuǎn)到位后,大臂關(guān)節(jié)2可以延伸到橋梁護(hù)欄外部,如圖3(a)所示。

(2)根據(jù)大臂關(guān)節(jié)2的位置及主梁側(cè)壁底部的檢測(cè)范圍,初步規(guī)劃大臂和小臂的連桿尺寸,取兩者近似等長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)末端在主梁側(cè)壁邊緣的作業(yè)要求。

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

(4)大臂的負(fù)載能力是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,為降低大臂關(guān)節(jié)2的負(fù)載要求,在小臂關(guān)節(jié)4回轉(zhuǎn)收攏和伸縮關(guān)節(jié)3收縮到零位時(shí),大臂關(guān)節(jié)2所有負(fù)載近似對(duì)稱分布,從而降低大臂關(guān)節(jié)2展開和收攏工況下的負(fù)載要求,如圖3(c)所示。

(5)為實(shí)現(xiàn)對(duì)主梁壁面的對(duì)正拍照,在小臂的末端增加俯仰關(guān)節(jié)5,以調(diào)整拍照角度,如圖3(d)所示。

(6)綜合以上分析,完成機(jī)器人完整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖3(e)所示,包括展開和收攏狀態(tài)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人安裝在移動(dòng)平臺(tái)上,末端搭載視覺檢測(cè)云臺(tái)。機(jī)器人大臂和小臂采用方管或框架式結(jié)構(gòu),以減輕機(jī)器人本體的質(zhì)量。

機(jī)器人三維實(shí)體模型如圖4所示。

以連桿4為例,將末端搭載的視覺檢測(cè)云臺(tái)作為小臂負(fù)載,開展連桿整體強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)。

連桿4從展開到作業(yè)需繞水平軸旋轉(zhuǎn)近似360°,關(guān)節(jié)彎矩需考慮連桿水平時(shí)最大負(fù)載狀態(tài)。為保證強(qiáng)度要求,采用大截面尺度方管,提高抗彎性能。在方管表面設(shè)計(jì)減重孔,實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化,通過非均布減重孔設(shè)計(jì),末端增大減重孔,根部減小減重孔,使在輕質(zhì)化的同時(shí)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型

依據(jù)Denavit-Hartenberg坐標(biāo)系建立橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人坐標(biāo)系,如圖6所示。

▲圖3 橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

▲圖4 橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人三維實(shí)體模型

機(jī)器人坐標(biāo)系參數(shù)見表1。表1中,αi-1為連桿扭角,ai-1為連桿長(zhǎng)度,θi為連桿轉(zhuǎn)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(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人坐標(biāo)系

表1 橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人坐標(biāo)系參數(shù)

(1)

(2)

6 運(yùn)動(dòng)學(xué)反解

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)反解時(shí),已知目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位姿,求機(jī)器人的關(guān)節(jié)角。筆者已知橋梁主梁底部待檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo),求解橋梁檢測(cè)長(zhǎng)臂機(jī)器人各關(guān)節(jié)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(jìn)行反推,即可求出各關(guān)節(jié)變量。

7 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人的輕質(zhì)化和檢測(cè)作業(yè)的便捷性,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以機(jī)器人作業(yè)空間范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和負(fù)載能力作為依據(jù),避免為滿足機(jī)械臂在整個(gè)可達(dá)空間內(nèi)的負(fù)載能力而帶來的過于粗大的連桿和關(guān)節(jié),以及龐大的體積問題。由此,在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力受限的條件下,針對(duì)主梁壁面不同部位的檢測(cè)需求進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,顯得十分重要。

(1)中國(guó)男籃與“世界水準(zhǔn)”的差距具有梯次性, 其中，“一定差距”對(duì)應(yīng)6個(gè)指標(biāo)，“較大差距”對(duì)應(yīng)2個(gè)指標(biāo),“相當(dāng)差距”對(duì)應(yīng)4個(gè)指標(biāo)。不同類別的差距對(duì)應(yīng)的指標(biāo)不同，但造成差距的某些原因是相同或相近的。

機(jī)器人檢測(cè)作業(yè)過程劃分為幾個(gè)階段,對(duì)每個(gè)階段進(jìn)行關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

機(jī)器人由收攏狀態(tài)展開到作業(yè)狀態(tài),如圖7所示。關(guān)節(jié)動(dòng)作如下:① 腰關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)過90°;② 大臂關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)過100°;③ 伸縮關(guān)節(jié)3伸長(zhǎng)達(dá)到長(zhǎng)度限位;④ 小臂關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)過250°;⑤ 俯仰關(guān)節(jié)5逆向旋轉(zhuǎn),朝向壁面。在這一狀態(tài)下,長(zhǎng)臂實(shí)現(xiàn)最大長(zhǎng)度,大臂關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸處,約為電機(jī)自身慣量的23倍,很難實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制,因此,大臂關(guān)節(jié)2鎖死。

▲圖7 橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人展開

機(jī)器人檢測(cè)部位由主梁側(cè)壁下端到側(cè)壁中間位置,如圖8、圖9所示。在這一過程中,鑒于大臂關(guān)節(jié)2的鎖死狀態(tài)及連桿2相對(duì)側(cè)壁的夾角,規(guī)劃伸縮關(guān)節(jié)3、小臂關(guān)節(jié)4、俯仰關(guān)節(jié)5的角度,實(shí)現(xiàn)視覺檢測(cè)云臺(tái)對(duì)正側(cè)壁。

機(jī)器人檢測(cè)部位由主梁側(cè)壁中間位置到側(cè)壁頂端,如圖10所示。在機(jī)器人末端到達(dá)主梁側(cè)壁中間位置附近時(shí),連桿3的端部與連桿2的端部近似重合,大臂關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)軸處后,與電機(jī)自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值減小到8.62,大臂關(guān)節(jié)2可解鎖。因此,在這一階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解時(shí),可規(guī)劃的關(guān)節(jié)變量包括大臂關(guān)節(jié)2、小臂關(guān)節(jié)4、俯仰關(guān)節(jié)5的轉(zhuǎn)角。為保證機(jī)械臂不處于奇異狀態(tài),小臂關(guān)節(jié)4的位置要高于側(cè)壁頂點(diǎn)法線位置,伸縮關(guān)節(jié)3鎖死。

▲圖8 主梁側(cè)壁下端檢測(cè)

▲圖9 主梁側(cè)壁中間檢測(cè)

▲圖10 主梁側(cè)壁頂端檢測(cè)

機(jī)器人檢測(cè)部位由主梁側(cè)壁頂端到主梁外沿約1/4處,如圖11所示。此時(shí),大臂關(guān)節(jié)2與豎直面夾角為15°,達(dá)到最大值。

▲圖11 主梁外沿1/4處檢測(cè)

機(jī)器人末端在主梁側(cè)壁頂點(diǎn)附近沿主梁頂面橫向移動(dòng)檢測(cè)拍照,伸縮關(guān)節(jié)3角度不變,運(yùn)動(dòng)學(xué)反解規(guī)劃的對(duì)象包括大臂關(guān)節(jié)2、小臂關(guān)節(jié)4、俯仰關(guān)節(jié)5。

機(jī)器人檢測(cè)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(cè)

機(jī)器人拍照檢測(cè)位置沿主梁頂面向邊緣移動(dòng),鑒于主梁外沿約1/4處的極限位置,大臂關(guān)節(jié)2保持鎖死,運(yùn)動(dòng)學(xué)反解規(guī)劃的對(duì)象包括伸縮關(guān)節(jié)3、小臂關(guān)節(jié)4、俯仰關(guān)節(jié)5。

以上為整個(gè)檢測(cè)過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,需要說明的是,主梁外沿剩余1/2范圍內(nèi)不做檢測(cè)要求,但可以通過調(diào)整機(jī)器人安裝座在移動(dòng)平臺(tái)上的橫向位置,減小移動(dòng)平臺(tái)到護(hù)欄的距離,完成該范圍的檢測(cè)。

8 運(yùn)動(dòng)仿真

基于橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,利用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,開展運(yùn)動(dòng)學(xué)反解仿真分析。根據(jù)作業(yè)過程,給出目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣,由運(yùn)動(dòng)學(xué)反解,仿真計(jì)算關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角及伸縮量。

機(jī)器人對(duì)主梁檢測(cè)過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解仿真結(jié)果如圖13所示,其中,橫坐標(biāo)為檢測(cè)點(diǎn)在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中X軸的坐標(biāo)。

在檢測(cè)作業(yè)過程中,為實(shí)現(xiàn)末端檢測(cè),連桿2由最初靠近橋體逐漸外展,轉(zhuǎn)角逐漸減小。小臂關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)角與俯仰關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)角緊密相關(guān),主梁側(cè)壁傾斜角度大于16°,當(dāng)檢測(cè)位置由主梁側(cè)壁下端沿側(cè)壁上移時(shí),連桿4趨向于與側(cè)壁平行,小臂關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)角逐漸減小,俯仰關(guān)節(jié)5要指向側(cè)壁,轉(zhuǎn)角逐漸增大。大臂開始外展時(shí),小臂關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)角逐漸增大,俯仰關(guān)節(jié)5轉(zhuǎn)角逐漸減小。大臂繼續(xù)外展,小臂關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大。檢測(cè)部位由主梁側(cè)壁頂端到主梁外沿約1/4處初始,俯仰關(guān)節(jié)5檢測(cè)面突變,轉(zhuǎn)角突變,隨后微量增大。后續(xù)檢測(cè)過程中,隨著連桿4長(zhǎng)度的增大,小臂關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大,而俯仰關(guān)節(jié)5相對(duì)于連桿4反向運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)角銳減。

上述仿真結(jié)果通過運(yùn)動(dòng)學(xué)正解得到驗(yàn)證。

9 結(jié)束語

針對(duì)高墩、大厚度、寬幅橋梁主梁快速、便捷檢測(cè)的要求,在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型分析及主梁結(jié)構(gòu)尺寸特性分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人。

▲圖13 檢測(cè)過程仿真結(jié)果

在設(shè)計(jì)中,建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,基于作業(yè)空間和關(guān)節(jié)力矩特性分析,規(guī)劃了機(jī)器人檢測(cè)作業(yè)運(yùn)動(dòng)。通過輸入末端視覺檢測(cè)云臺(tái)的檢測(cè)位置,仿真計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)反解,驗(yàn)證了各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。筆者的設(shè)計(jì)為最終橋梁檢測(cè)輕質(zhì)長(zhǎng)臂機(jī)器人樣機(jī)研制和檢測(cè)作業(yè)運(yùn)動(dòng)控制提供了技術(shù)支撐。