桥梁检测的爬壁机器人足力优化方法设计

吴兴琪　崔世超　孙恒　钟永元

摘 要：为了解决当前桥梁裂缝检测中人工检测效率低安全性差等问题，设计了一种六足爬壁机器人。文章提出了桥梁检测多足爬壁机器人的总体设计方案，采用真空吸附的电机驱动的六足爬壁机器人，并且完成了部分运动控制系统的设计。其次，对机器人控制系统的硬软件系统进行了设计，确定CAN总线的控制系统，利用蚁群算法进行路径规划，选择三角步态规划和末端轨迹曲线等。最后，提出多足爬壁机器人足力优化分配方法。关键词：桥梁检测;爬壁机器人;步态规划;足力优化中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-181-04

Abstract： In order to solve the problems of low manual detection efficiency and poor safety in bridge crack detection， a six-legged wall climbing robot is designed. In this paper， the overall design scheme of a multi-legged wall-climbing robot for bridge detection is proposed. A six-footed wall-climbing robot driven by a vacuum-sucked motor is used to complete the design of a partial motion control system. Secondly， the hardware and software systems of the robot control system are designed， the CAN bus control system is determined， the ant colony algorithm is used for path planning， the triangle gait planning and the end trajectory curve are selected. Finally， a method for optimal foot force distribution of a multi-footed wall-climbing robot is proposed.Keywords： Bridge inspection; Wall climbing robot; Gait planning; Foot force optimizationCLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-181-04

引言

中国目前是世界桥梁第一大国，早在2017年，我国的公路桥梁数量就已经超过80万座，铁路桥梁数量超过20万座 [1-2]。由于桥梁的日常损耗以及受到各种外力后难以避免的损伤[3]，所以在进行桥梁的设计建造时，需要更加注意对桥梁安全方面的检测。权威数据指出，桥梁裂缝是混凝土桥梁的坍塌的主要因素[4]。

目前我国对于桥梁裂缝检测方式主要是依靠人工或半人工，效率低且主观性较大。若使用爬壁机器人来进行桥梁裂缝检测，能够很好的代替人工操作，节约成本。

目前国内外对多足机器人的足力分配均取得了成果。Nahon[5]等提出的关节驱动力平方规划方法;陈学东等提出的关节驱动力二次优化方法;王鹏飞提出的建立机器人足底接触力虚拟悬挂模型，足底接触力补偿与阻抗控制方法[6];Spong等提出的被动控制方法[7];Sangbae等提出的在光滑垂直平面上的足部粘性控制方法[8];Sang-Ho提出的适应未知外力和粗糙地形的阻抗控制方法[9];Vidoni等提出用于解决多种吸附情况下的最小力矩分配问题的静态平衡法[10]。

本文针对爬墙机器人进行的需求，对机器人机械、电控系统进行设计，完成桥梁检测。

1 多足爬壁机器人总体设计

1.1 系统构成与总体框架

作为桥梁检测系统的搭载平台，多足爬壁机器人首先应具有可靠的爬行能力和移动能力，机身应该满足轻量、小型、易操作的要求。此外，应具有优良的爬高、吸附能力和一定的克服障碍能力也很重要。根据桥梁检测爬壁机器人使用场景，确定了机器人各项设计性能指标如表1所示：

本文所设计的爬壁机器人本体主要由六条机械腿和躯干组成。在设计多足爬壁机器人的足部时，采用高自由度的机械手，并且在机械手的末端连接真空吸盘，机器人关节的传动装置采用大扭矩电机。各个吸盘的吸放通过电磁阀由主控制器控制，从而机器人可以灵活的到达目标位置。本文爬墙机器人硬件系统采用多足真空吸附方式，配有六条支撑腿;每条支撑腿应包括三个关节，用以实现支撑腿向各个方向的自由旋转;每条支撑腿末端含三个吸盘，每个吸盘至少有2个真空点，每个支撑腿可以调节爬墙机器人与吸附壁面的距离。

1.2 零件结构设计

爬墙机器人的零件结构可以分为：机身、舵机、支架灯部分。

1.2.1 机身

本项目爬壁机器人考虑机身要为电路板、摄像头、气路和线路安装留有空间，并且整机自重不能过大，采用两块六边形碳纤维板平行布置作为机身主体结构，上下机身與第一关节处的六个舵机通过M2螺栓多孔位连接，机械系统装配图如图1所示。

1.2.2 舵机

本项目爬壁机器人关节用舵机选用成熟产品AX-824智能串行总线舵机。

1.2.3 支架

本项目爬壁机器人六条支撑腿各关键通过三种支架链接：长U型支架、短U型支架以及长直U支架。考虑机身重量，支架材料选用1.5mm和2.0mm轻型硬质铝板。长U支架用于支撑腿第三关节外执行端，两侧面与舵机输出轴通过多孔螺纹连接固定，底部孔位用以安装真空吸盘连接杆等金属件。多孔固定，强度更高，保证爬墙机器人的运动稳定性。短U支架两两正交链接，用于第一关节与第二关节之间的连接，将横向旋转自由度与纵向旋转自由度关联。长直U支架用于第二关节与第三关节之间的连接，将垂直平面内两旋转自由度关联。

2 机器人控制系统硬件设计

2.1 硬件系统平台选择

本文采用基于CAN总线的多级分布式主从控制系统来实现对多足爬壁机器人的控制。该控制系统由CAN总线通信分布式主从控制系统和地面遥测遥控系统两大部分组成，包括地面监测站、主控制器和副控制器三级控制。因此本文的多足机器人采用ARM11处理器作为控制系统的主控制器。

2.2 吸附装置与电磁驱动阀电路设计

由于建筑桥梁表面大多为非导磁性材料，选用多吸盘真空吸附方式来给多组爬行机器人提供吸附力。虽然多吸盘增加了结构的复杂性，但并没有增加机器人控制的困难，而且同时提升了负载与越障能力。

通过多次实验，最终确定使用两种吸盘：一种是40mm柔性真空吸盘。理论吸附力为12.7公斤（垂直吸力），安全系数为0.25，实际吸附力最终为3公斤，如果单端3个吸盘，则六个支撑臂理论垂直吸力可达54公斤，但考虑壁面粗糙成都以及在垂直水平面的壁面上，柔性真空吸盘的吸附能力大打折扣，确切数值需通过实验测定。对于控制吸盘吸放的电磁阀，本文使用的电磁阀有两个气体通路。控制信号和电磁阀驱动电路可以控制这两条气体通路的通断。单片机首先给出控制信号，途经光电耦合器进行处理，光电耦合器的主要作用是隔离控制信号与驱动电路信号，以免造成干扰。电磁阀驱动电路用来控制某一气体通路的导通或关断。电磁阀某一线圈的开闭是通过放大电路进行控制。

3 机器人控制系统软件设计

3.1 软件系统平台选择与结构设计研究

本系统软件平台选择嵌入式 Linux 操作系统。而且由于选择的ARM11处理器硬件支持此系统，因此移植起来相对容易。

3.2 机器人控制程序设计

3.2.1 路径规划研究与实现

针对路径规划问题，国内外学者提出了众多的算法，不同的算法有各自不同的优缺点。本文将蚁群算法进行改进，以最短时间为首要目标，最终实现了最优或近似最优无碰路径的寻找工作。

3.2.2 步态规划研究与实现

为了使对称分布的机器人的腿部可以周期性的作业，模式运动的形式是本文主要研究的步态形式。不同种类的四足动物由于生理结构不同拥有不同的步态，即使是同种类的动物，由于身体上和神经控制能力上的差异，步态也有所不同。考量动物的运动形式主要考虑相位差和负载因子两个参数。本文中所设计的多足爬壁机器人采用的是三角步态运动。

3.2.3 足端轨迹规划研究与实现

首先，爬壁机器人需要具有在平缓地势稳定行走的能力，其次，爬壁机器人也需要具有在垂直壁面上攀爬的能力。此外，对于平面和垂直壁面的障碍，多足爬壁机器人也必须能稳定越过。因此，爬壁机器人的足端轨迹有很高的要求，必须要进行细致的研究和合理的规划。

机器人的足端轨迹要求比较复杂，所以不能直接利用任何一種现有的曲线当机器人的足端轨迹，真正符合爬壁机器人足端轨迹的曲线应该满足机器人的运动特性。足端轨迹规划图3所示。

由上图可知，所规划的该曲线起角、落角以及步高均良好，可以很好的适应环境和灵活操控。

4 机器人足力优化

本文通过对多足爬壁机器人高空作业时的安全性问题进行了讨论分析，在此基础上提出了基于安全性多足爬壁机器人足力优化分配方法，即在通过调节控制安全性目标，找出最优的足底接触力在腿部关节的分配方法，在此基础上通过电机控制机器人实现不同的动作。

4.1 关节驱动力和足底接触力简化与转换

本文以支撑腿为研究对象，忽略机器人运动过程中的加速度，将其实际运动看作准静态运动。在进行受力分析的基础上，可以建立支撑腿的力平衡方程和力矩平衡方程，得出如下公式。

4.3 基于安全性目标足力优化与仿真

选取吸盘为研究对象，设αi为髋关节的轴线方向和吸盘吸附面之间的夹角，容易得出吸盘的力平衡方程。在此基础上对摩擦力约束进行强化，将摩擦力约束不等式的左边乘上安全系数ki，可以得出摩擦力约束条件以及法向安全约束条件，如下：

足力优化的最终目标是要保证扭矩损耗均方差最小，采用ADAMS仿真软件进行仿真分析，进一步的优化计算。

5 结语

本文介绍了桥梁检测多足爬壁机器人的总体设计方案，完成了部分运动控制系统的设计。对机器人控制系统的硬软件系统进行了设计，确定CAN总线的控制系统，利用蚁群算法进行路径规划，选择三角步态规划和末端轨迹曲线等。最后，提出多足爬壁机器人足力优化分配方法。

参考文献

[1] 我国公路桥梁总数超80万座[J].城市规划讯，2017（22）：13.

[2] 孙悟颉.高精度实时桥梁支座健康监测系统的设计与实现[D].山东：山东大学，2019.

[3] 余加勇，彭旺虎，朱建军，等.测量机器人在大跨径桥梁检测中的应用研究[J].中南公路工程，2007，32（ 3） ：33-36.

[4] 喬陶鹏，邓焱，严普强，等.利用位移测量推估梁及桥梁动态应变的 方法研究[J].仪器仪表学报，2003，24（5）：540-542，546.

[5] M.A.Nahon，J.Angeles.Optimization of Dynamic Forces in Mechani -cal Hands[J].Trans.of the ASME：J.of Mechanical Design.1991.113： 167-173.

[6] 王鹏飞.四足机器人稳定行走规划及控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2007.

[7] Spong，M.W.Holm，J.K.Dongjun Lee.Passivity-Based Control of Bipe -dal Locomotion[J].IEEE Robotics & Automation Magazine，2007， 14（30）： 1070-9932.

[8] Sangbae Kim， Spenko，M.，Trujillo，S..Smooth Vertical Surface  Clim -bing With Directional Adhesion[J].IEEE Transaction on Robotics， 2008，24（65）： 1552-3098.

[9] Sang-Ho Hyon.Compliant Terrain Adaptation for Biped Humanoids Without Measuring Ground Surface and Contact Forces[J].IEEE Transaction on Robotics，2009，25（171）：1552-3098 .

[10] R.Vidoni，A.Gasparetto.Efficient Force Distribution and Leg  Pos -ture for A Bio-inspired Spider Robot [J]. Robotics and Autono -mous Systems，2011，59（2）： 142-15.