一种用于管道检测的双爪式爬杆机器人系统＊

2022-07-26赵天玲谭文凯于丁一孙玉磊

科技与创新 2022年14期

黄林，赵天玲，谭文凯，王波，于丁一，孙玉磊

（西南科技大学信息工程学院，四川绵阳 621010）

机器人是机械、电子、控制论、计算机、人工智能、材料学和仿生学等多学科综合的高科技产物。作为当前和未来人类社会不可或缺的自动化智能化装备，机器人对人类社会生产与生活方式产生了深远的影响。无论是美国的“再工业化战略”、德国的“工业4.0”，还是中国的“中国制造2025”，都把发展机器人技术和产业摆在非常重要的位置[1]。

移动机器人作为机器人的一个重要分支，应用非常广泛且发展潜力巨大，爬杆机器人作为移动机器人领域的一个重要组成部分，其主要功能是可靠地携带相关清洗与检修设备，克服重力的作用依附于管道、电线杆、路灯杆、大桥斜拉索和变电站避雷针等高层杆状物表面进行爬行，代替人工安全、高效、低成本地完成清洗、检测、维护等相关任务。它将地面移动技术拓展到杆件表面，拓展了机器人的应用范围[2]。早在20 世纪70 年代，国外学者就开始对爬杆机器人进行研究，研制出多种杆外行走机构。进入21 世纪后，随着经济的迅猛发展以及城市现代化建设步伐的加快，随之矗立起愈来愈多各类集实用与美观于一体的市政、商业工程等高层建筑，对爬杆机器人工作条件和适应性提出了更高的要求。此外，爬杆机器人的使用也大大降低了高层杆状建筑物的清洗和维护成本，改善了工人的劳动环境，提高了劳动生产率，将带来一次清洗和检修行业的革命，因此新型爬杆机器人的研制成为当前特种机器人研究的一个热点课题。

1 国内外研究现状

目前，爬杆机器人主要应用于高空环境。20 世纪80 年代，美国、日本等发达国家先后开展了爬杆机器人的有关研究。2008 年，美国卡耐基梅隆大学、波斯顿动力公司及斯坦福大学等研究机构将传统设计方法与仿生学结合，联合研制了仿生六足爬杆机器人“Rise”，其可以像蟑螂一样在地面及各种垂直建筑物粗糙表面，包括树木、砖、灰泥和碎石，实现爬升运动，速度可达4 cm/s，而在光滑表面，最大爬升的倾角为65°，具有质量轻、噪声小、可以实现长距离可靠爬升的特点；2011 年，香港中文大学徐扬生院士团队研制了新型灵活爬树机器人“Treebot”，该机器人在不规则的树木上可以高机动性地完成爬树动作，可以模仿生物运动时的机体变形，可以适应各种形状的树木，其夹持机构不但夹持力强，而且夹持曲率广泛，可以全方位的保持对不同直径树木的夹紧；2012 年，卡耐基梅隆大学生物机器人技术实验室开发了一款模块化仿蛇形爬杆机器人“Uncle Sam”，其采用螺旋步态实现空间内蜿蜒、翻滚运动，同时具有翻滚爬树的新功能，蛇形机器人通过缠绕附着在攀爬对象外表面，然后采用一定的步态上下攀爬，为爬杆机器人的研发提供了新思路；2014 年，浙江大学机械工程系研制了一种轮式爬树机器人，机器人主要部件包括2 个小车、固定保持装置、电力系统和控制系统等，实验样机总质量为1.2 kg，攀爬樟树的速度为0.32 m/s，爬升速度较快；2016 年，印度Akshay Prasad Dubey 设计了一款椰子树攀爬收获机器人，成本较低，由上下两个环形结构组成，交替抱树实现机器人的上下攀升，该机器人有自动模式与终端用户完全控制的手动模式[3]。

2 夹持性能分析

对上述4 大类爬杆机器人的性能分析如下。

滚动式爬杆机器人：设计简单，轮式驱动运行平稳，但轮式机构限制越障能力，使得机器人只能实现连续性运动。

夹持式爬杆机器人：可实现小尺寸范围内的变径需求，但夹持式结构转弯或者越障时需要占用较大空间，同时抓手的尺寸大大限制了机器人对变径的适应性。

仿生式杆机器人：具有最合理、最优化的结构，运动灵活且具有良好的适应性和生存能力，但由于技术问题导致研究成果仅限于实验验证。

吸附式爬杆机器人：结构灵巧，控制灵活，可适应任意小于机身曲率的杆件、壁面，但小巧的机身使得其越障和负载能力大大下降。

而在诸多的爬杆机器人中，双手爪式爬杆机器人一般是以多自由度机械臂为本体，在其两个末端安装夹持器组合而成，通过控制两端夹持器交替抓夹来实现杆上攀爬和杆间过渡，其相比其他爬杆机器人而言，具有突出的杆间过渡、越障和杆上攀爬等优势，成为诸多研究团队的关注对象[4]。本文介绍的爬杆机器人系统以双手爪式爬杆机器人为框架构建而成，用以降低高空作业危险，提高工作效率，代替人类完成杆状物表面监察、检测与维修等工作。

3 机械构造

针对管道检测的需要，本文设计了一款双爪式爬杆机器人系统，如图1 所示。

图1 一种双爪式爬杆机器人系统

该机器人系统采用模块化设计，由3 种模块搭建而成：I 形关节模块（回转关节模块）、T 形关节模块（摆转关节模块）和末端执行模块（夹持器模块）。

I 形关节模块：由1 个舵机和2 个长U 形支架组成，舵机旋转使机械臂由I 形变为Ⅴ形，同时通过2只手爪交替抓握所夹持管道，不断“换手”，模仿尺蠖运动，实现在管道上的攀爬运动。

T 形关节模块：一个二自由度T 形关节转动平台，由2 个舵机通过连接块组成T 形转动平台，使机械爪实现2 个自由度上的转动，以满足不同工况下的需求。

末端执行模块：机械爪由6 片呈半弧形的铝合金片及6 根平行的铜柱构成，舵机旋转舵角带动与舵角相连的齿轮盘使机械爪实现张合运动。

本文所设计的爬杆机器人系统以I 形关节模块为主干，在其两端配以手爪用来夹紧杆件，通过交替手爪的抓紧操作、关节处的协调旋转和回转关节的运动，实现前进、旋转、后退等步态运动。通过更换不同尺寸的机械手爪能够适应不同直径的管道，变换不同的攀爬步态，可以顺利通过T 形和U 形等复杂管道，越障能力强。但是对其进行控制较为复杂，需要对运动过程进行运动学分析后方可正常工作[5]。

4 管道攀爬

4.1 平衡模型构建

当机器人在管道上攀爬时，受舵机和重力的限制，机器人手爪所产生的夹持力是有限的。同时由于负荷的原因，在攀爬时所产生的负载最大，我们可以按照以下步骤建立如下模型。

第一步，夹持阶段。当机器人的两端手爪紧握管道保持相对静止时，只需考虑手爪产生的夹持力和反作用力之间的相对平衡即可。

第二步，攀爬阶段。当机器人处于攀爬状态时，手爪受负载的作用会倾斜一定角度。与此同时，由于手爪独特的U 形结构，在倾斜过程中，保持静止的手爪与管道表面会产生一定的静摩擦力，从而阻止机器人向下滑动[6]。

4.2 尺蠖运动

本机器人系统采用双手爪式机械结构，攀爬能力强，稳定性高。夹持式夹紧方式夹持速度快，适应性好，可面对不同尺寸、高度的杆进行夹持。仿尺蠖运动的爬杆机器人结构拥有优良的运动系统，应用范围广，易于操作。

在攀爬过程中模仿尺蠖运动具体步骤如下：当初始状态机器人与管道保持相对静止时，处于下方的手爪仍然保持静止，位于上方的手爪受舵机的控制，松开管道，躯干部分的舵机控制上方松开的手爪前伸一定距离然后握紧管道。在上方的手爪与管道保持相对静止后，下方的手爪受舵机的控制，松开管道，躯干部分的舵机控制下方松开的手爪前伸一定距离然后握紧管道。当下方的手爪与管道保持相对静止后，此时机器人已完成了一个运动周期，向上移动了一定距离。尺蠖步态通过控制爬杆机器人中间关节和手爪模块实现两个“小碎步”，使机器人沿着杆件方向前进或后退[7]。

5 控制系统

本文所设计的爬杆机器人控制系统主要包括运动系统、夹持系统、控制系统、检测系统、通信系统、电源系统等。控制系统是整个机器人系统中的核心，而控制系统的核心部件则是处理器。处理器不仅需要控制爬杆机器人的实时运动，同时还需要对检测数据进行处理与发送。本文所设计的爬杆机器人系统选用STM32 单片机作为处理器的主控单元，STM32 单片机具有优良的计算处理能力、高集成度和开发简易的特点，能够满足一般的爬杆机器人控制需要。

由于需要实时采集爬杆机器人系统传感器的数据、实时计算并控制机器人系统的当前姿态等，因此本文选用uC/OS-II 构建底层软件控制系统。而在上层操作系统中，本文采取扩展卡尔曼滤波对数据进行融合，选用四元数法对爬杆机器人系统进行姿态解算，设计控制算法并对爬杆机器人的运动系统进行控制，并对相应数据进行存储和回传[8]。

根据推进器、机械手爪的运动速度和角速度，推算出爬杆机器人系统当前的运动状态，从而建立机器人系统的动力学方程，并将系统动力学在坐标系下进行转换。进而建立不同路径的运动学与动力学模型，并利用假设条件对系统模型进行解耦，进一步研究爬杆机器人运动过程的稳定性。

6 表面检测

通过加装不同的传感器或探测器如红外、温度、超声波传感器等对杆状物表面情况进行检测，通过控制芯片对探测结果进行分析，分析是否出现破损、裂缝、老化及生锈等不良情况。然后将杆状物表面状况分析结果通过Wi-Fi 无线传输单元发送至控制台，工作人员可在控制台上及时观察并记录管道的表面情况，从而实现对管道表面状况的检测。

7 图像传输

本机器人系统采用openmv 模块对管道表面情况进行图像的采集，通过Wi-Fi 拓展板将视频流发送至控制台，用户可在控制台进行管道表面状况的实时监测。此外，openmv 模块也可以针对不同的任务需求，实现不同功能。如传输单个图片、目标物的坐标或是其他一些数据至机器人系统的控制芯片或者用户控制台，进行数据的读取或者控制。

8 通信技术

远程通信与在线监测网络的建立需与地面监测基站建立远程通信，实现通信数据的双向传输。一方面地面检测人员能够接收来自爬杆机器人上传感器在杆件表面收集的声音、图像、机器人运动姿态及检测数据等信息；另一方面，地面监测人员也可以通过远程通信对爬杆机器人传输相关指令，实时在线监测爬杆机器人工作情况，利于爬杆机器人及时作出相应的调整。本机器人系统采用Wi-Fi 模块、蓝牙无线传输单元进行通信，进行爬杆机器人的数据交互[9]。