一種用于管道檢測的雙爪式爬桿機(jī)器人系統(tǒng)＊

黃 林，趙天玲，譚文凱，王 波，于丁一，孫玉磊

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

機(jī)器人是機(jī)械、電子、控制論、計(jì)算機(jī)、人工智能、材料學(xué)和仿生學(xué)等多學(xué)科綜合的高科技產(chǎn)物。作為當(dāng)前和未來人類社會不可或缺的自動(dòng)化智能化裝備，機(jī)器人對人類社會生產(chǎn)與生活方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。無論是美國的“再工業(yè)化戰(zhàn)略”、德國的“工業(yè)4.0”，還是中國的“中國制造2025”，都把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)擺在非常重要的位置[1]。

移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支，應(yīng)用非常廣泛且發(fā)展?jié)摿薮螅罈U機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，其主要功能是可靠地?cái)y帶相關(guān)清洗與檢修設(shè)備，克服重力的作用依附于管道、電線桿、路燈桿、大橋斜拉索和變電站避雷針等高層桿狀物表面進(jìn)行爬行，代替人工安全、高效、低成本地完成清洗、檢測、維護(hù)等相關(guān)任務(wù)。它將地面移動(dòng)技術(shù)拓展到桿件表面，拓展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍[2]。早在20 世紀(jì)70 年代，國外學(xué)者就開始對爬桿機(jī)器人進(jìn)行研究，研制出多種桿外行走機(jī)構(gòu)。進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，隨之矗立起愈來愈多各類集實(shí)用與美觀于一體的市政、商業(yè)工程等高層建筑，對爬桿機(jī)器人工作條件和適應(yīng)性提出了更高的要求。此外，爬桿機(jī)器人的使用也大大降低了高層桿狀建筑物的清洗和維護(hù)成本，改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，將帶來一次清洗和檢修行業(yè)的革命，因此新型爬桿機(jī)器人的研制成為當(dāng)前特種機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，爬桿機(jī)器人主要應(yīng)用于高空環(huán)境。20 世紀(jì)80 年代，美國、日本等發(fā)達(dá)國家先后開展了爬桿機(jī)器人的有關(guān)研究。2008 年，美國卡耐基梅隆大學(xué)、波斯頓動(dòng)力公司及斯坦福大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與仿生學(xué)結(jié)合，聯(lián)合研制了仿生六足爬桿機(jī)器人“Rise”，其可以像蟑螂一樣在地面及各種垂直建筑物粗糙表面，包括樹木、磚、灰泥和碎石，實(shí)現(xiàn)爬升運(yùn)動(dòng)，速度可達(dá)4 cm/s，而在光滑表面，最大爬升的傾角為65°，具有質(zhì)量輕、噪聲小、可以實(shí)現(xiàn)長距離可靠爬升的特點(diǎn)；2011 年，香港中文大學(xué)徐揚(yáng)生院士團(tuán)隊(duì)研制了新型靈活爬樹機(jī)器人“Treebot”，該機(jī)器人在不規(guī)則的樹木上可以高機(jī)動(dòng)性地完成爬樹動(dòng)作，可以模仿生物運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)體變形，可以適應(yīng)各種形狀的樹木，其夾持機(jī)構(gòu)不但夾持力強(qiáng)，而且夾持曲率廣泛，可以全方位的保持對不同直徑樹木的夾緊；2012 年，卡耐基梅隆大學(xué)生物機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一款模塊化仿蛇形爬桿機(jī)器人“Uncle Sam”，其采用螺旋步態(tài)實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)蜿蜒、翻滾運(yùn)動(dòng)，同時(shí)具有翻滾爬樹的新功能，蛇形機(jī)器人通過纏繞附著在攀爬對象外表面，然后采用一定的步態(tài)上下攀爬，為爬桿機(jī)器人的研發(fā)提供了新思路；2014 年，浙江大學(xué)機(jī)械工程系研制了一種輪式爬樹機(jī)器人，機(jī)器人主要部件包括2 個(gè)小車、固定保持裝置、電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)總質(zhì)量為1.2 kg，攀爬樟樹的速度為0.32 m/s，爬升速度較快；2016 年，印度Akshay Prasad Dubey 設(shè)計(jì)了一款椰子樹攀爬收獲機(jī)器人，成本較低，由上下兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，交替抱樹實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下攀升，該機(jī)器人有自動(dòng)模式與終端用戶完全控制的手動(dòng)模式[3]。

2 夾持性能分析

對上述4 大類爬桿機(jī)器人的性能分析如下。

滾動(dòng)式爬桿機(jī)器人：設(shè)計(jì)簡單，輪式驅(qū)動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)，但輪式機(jī)構(gòu)限制越障能力，使得機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)連續(xù)性運(yùn)動(dòng)。

夾持式爬桿機(jī)器人：可實(shí)現(xiàn)小尺寸范圍內(nèi)的變徑需求，但夾持式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎或者越障時(shí)需要占用較大空間，同時(shí)抓手的尺寸大大限制了機(jī)器人對變徑的適應(yīng)性。

仿生式桿機(jī)器人：具有最合理、最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)靈活且具有良好的適應(yīng)性和生存能力，但由于技術(shù)問題導(dǎo)致研究成果僅限于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

吸附式爬桿機(jī)器人：結(jié)構(gòu)靈巧，控制靈活，可適應(yīng)任意小于機(jī)身曲率的桿件、壁面，但小巧的機(jī)身使得其越障和負(fù)載能力大大下降。

而在諸多的爬桿機(jī)器人中，雙手爪式爬桿機(jī)器人一般是以多自由度機(jī)械臂為本體，在其兩個(gè)末端安裝夾持器組合而成，通過控制兩端夾持器交替抓夾來實(shí)現(xiàn)桿上攀爬和桿間過渡，其相比其他爬桿機(jī)器人而言，具有突出的桿間過渡、越障和桿上攀爬等優(yōu)勢，成為諸多研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注對象[4]。本文介紹的爬桿機(jī)器人系統(tǒng)以雙手爪式爬桿機(jī)器人為框架構(gòu)建而成，用以降低高空作業(yè)危險(xiǎn)，提高工作效率，代替人類完成桿狀物表面監(jiān)察、檢測與維修等工作。

3 機(jī)械構(gòu)造

針對管道檢測的需要，本文設(shè)計(jì)了一款雙爪式爬桿機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 一種雙爪式爬桿機(jī)器人系統(tǒng)

該機(jī)器人系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由3 種模塊搭建而成：I 形關(guān)節(jié)模塊（回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊）、T 形關(guān)節(jié)模塊（擺轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊）和末端執(zhí)行模塊（夾持器模塊）。

I 形關(guān)節(jié)模塊：由1 個(gè)舵機(jī)和2 個(gè)長U 形支架組成，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)使機(jī)械臂由I 形變?yōu)棰跣?，同時(shí)通過2只手爪交替抓握所夾持管道，不斷“換手”，模仿尺蠖運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在管道上的攀爬運(yùn)動(dòng)。

T 形關(guān)節(jié)模塊：一個(gè)二自由度T 形關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺，由2 個(gè)舵機(jī)通過連接塊組成T 形轉(zhuǎn)動(dòng)平臺，使機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)2 個(gè)自由度上的轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足不同工況下的需求。

末端執(zhí)行模塊：機(jī)械爪由6 片呈半弧形的鋁合金片及6 根平行的銅柱構(gòu)成，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)舵角帶動(dòng)與舵角相連的齒輪盤使機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)張合運(yùn)動(dòng)。

本文所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人系統(tǒng)以I 形關(guān)節(jié)模塊為主干，在其兩端配以手爪用來夾緊桿件，通過交替手爪的抓緊操作、關(guān)節(jié)處的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)、后退等步態(tài)運(yùn)動(dòng)。通過更換不同尺寸的機(jī)械手爪能夠適應(yīng)不同直徑的管道，變換不同的攀爬步態(tài)，可以順利通過T 形和U 形等復(fù)雜管道，越障能力強(qiáng)。但是對其進(jìn)行控制較為復(fù)雜，需要對運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析后方可正常工作[5]。

4 管道攀爬

4.1 平衡模型構(gòu)建

當(dāng)機(jī)器人在管道上攀爬時(shí)，受舵機(jī)和重力的限制，機(jī)器人手爪所產(chǎn)生的夾持力是有限的。同時(shí)由于負(fù)荷的原因，在攀爬時(shí)所產(chǎn)生的負(fù)載最大，我們可以按照以下步驟建立如下模型。

第一步，夾持階段。當(dāng)機(jī)器人的兩端手爪緊握管道保持相對靜止時(shí)，只需考慮手爪產(chǎn)生的夾持力和反作用力之間的相對平衡即可。

第二步，攀爬階段。當(dāng)機(jī)器人處于攀爬狀態(tài)時(shí)，手爪受負(fù)載的作用會傾斜一定角度。與此同時(shí)，由于手爪獨(dú)特的U 形結(jié)構(gòu)，在傾斜過程中，保持靜止的手爪與管道表面會產(chǎn)生一定的靜摩擦力，從而阻止機(jī)器人向下滑動(dòng)[6]。

4.2 尺蠖運(yùn)動(dòng)

本機(jī)器人系統(tǒng)采用雙手爪式機(jī)械結(jié)構(gòu)，攀爬能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高。夾持式夾緊方式夾持速度快，適應(yīng)性好，可面對不同尺寸、高度的桿進(jìn)行夾持。仿尺蠖運(yùn)動(dòng)的爬桿機(jī)器人結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用范圍廣，易于操作。

在攀爬過程中模仿尺蠖運(yùn)動(dòng)具體步驟如下：當(dāng)初始狀態(tài)機(jī)器人與管道保持相對靜止時(shí)，處于下方的手爪仍然保持靜止，位于上方的手爪受舵機(jī)的控制，松開管道，軀干部分的舵機(jī)控制上方松開的手爪前伸一定距離然后握緊管道。在上方的手爪與管道保持相對靜止后，下方的手爪受舵機(jī)的控制，松開管道，軀干部分的舵機(jī)控制下方松開的手爪前伸一定距離然后握緊管道。當(dāng)下方的手爪與管道保持相對靜止后，此時(shí)機(jī)器人已完成了一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，向上移動(dòng)了一定距離。尺蠖步態(tài)通過控制爬桿機(jī)器人中間關(guān)節(jié)和手爪模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)“小碎步”，使機(jī)器人沿著桿件方向前進(jìn)或后退[7]。

5 控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中的核心，而控制系統(tǒng)的核心部件則是處理器。處理器不僅需要控制爬桿機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還需要對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與發(fā)送。本文所設(shè)計(jì)的爬桿機(jī)器人系統(tǒng)選用STM32 單片機(jī)作為處理器的主控單元，STM32 單片機(jī)具有優(yōu)良的計(jì)算處理能力、高集成度和開發(fā)簡易的特點(diǎn)，能夠滿足一般的爬桿機(jī)器人控制需要。

由于需要實(shí)時(shí)采集爬桿機(jī)器人系統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)計(jì)算并控制機(jī)器人系統(tǒng)的當(dāng)前姿態(tài)等，因此本文選用uC/OS-II 構(gòu)建底層軟件控制系統(tǒng)。而在上層操作系統(tǒng)中，本文采取擴(kuò)展卡爾曼濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，選用四元數(shù)法對爬桿機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)解算，設(shè)計(jì)控制算法并對爬桿機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和回傳[8]。

根據(jù)推進(jìn)器、機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)速度和角速度，推算出爬桿機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而建立機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。進(jìn)而建立不同路徑的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，并利用假設(shè)條件對系統(tǒng)模型進(jìn)行解耦，進(jìn)一步研究爬桿機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性。

6 表面檢測

通過加裝不同的傳感器或探測器如紅外、溫度、超聲波傳感器等對桿狀物表面情況進(jìn)行檢測，通過控制芯片對探測結(jié)果進(jìn)行分析，分析是否出現(xiàn)破損、裂縫、老化及生銹等不良情況。然后將桿狀物表面狀況分析結(jié)果通過Wi-Fi 無線傳輸單元發(fā)送至控制臺，工作人員可在控制臺上及時(shí)觀察并記錄管道的表面情況，從而實(shí)現(xiàn)對管道表面狀況的檢測。

7 圖像傳輸

本機(jī)器人系統(tǒng)采用openmv 模塊對管道表面情況進(jìn)行圖像的采集，通過Wi-Fi 拓展板將視頻流發(fā)送至控制臺，用戶可在控制臺進(jìn)行管道表面狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外，openmv 模塊也可以針對不同的任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)不同功能。如傳輸單個(gè)圖片、目標(biāo)物的坐標(biāo)或是其他一些數(shù)據(jù)至機(jī)器人系統(tǒng)的控制芯片或者用戶控制臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取或者控制。

8 通信技術(shù)

遠(yuǎn)程通信與在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立需與地面監(jiān)測基站建立遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的雙向傳輸。一方面地面檢測人員能夠接收來自爬桿機(jī)器人上傳感器在桿件表面收集的聲音、圖像、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及檢測數(shù)據(jù)等信息；另一方面，地面監(jiān)測人員也可以通過遠(yuǎn)程通信對爬桿機(jī)器人傳輸相關(guān)指令，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測爬桿機(jī)器人工作情況，利于爬桿機(jī)器人及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整。本機(jī)器人系統(tǒng)采用Wi-Fi 模塊、藍(lán)牙無線傳輸單元進(jìn)行通信，進(jìn)行爬桿機(jī)器人的數(shù)據(jù)交互[9]。

9 結(jié)論

此爬桿機(jī)器人系統(tǒng)使用了雙爪式結(jié)構(gòu)，使其具有了自主攀爬、偏差修正、避障和安全防護(hù)的功能，減少了人工工作量；通過雙爪式結(jié)構(gòu)，可靈活避障，到達(dá)環(huán)境復(fù)雜、障礙物多及折彎密集的管道進(jìn)行探測。

此爬桿機(jī)器人系統(tǒng)可以及時(shí)將檢測數(shù)據(jù)反饋至用戶控制臺，用戶無需等待即可看到管道表面狀況結(jié)果。此爬桿機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械手爪可根據(jù)不同管道的長度或形狀改變自身直徑或形狀；管道檢測系統(tǒng)的傳感器可根據(jù)不同的測量需求自由更換，操作簡單，檢測方便。