基于真空吸附的橋墩病害檢測機器人

蘭京 黃文韜 廖國美 蘇海林 習(xí)慈羊

摘? 要：文章運用真空吸附原理，設(shè)計一種真空吸附式橋墩病害檢測四足爬壁機器人，用于橋墩病害的檢測。該機器人利用氣泵作為真空產(chǎn)生裝置，設(shè)計一種帶球閥的氣路管道對吸盤內(nèi)的空氣壓力進行控制，使機器人運動腿末端的吸盤吸附在橋墩上。機器人每條運動腿上都有兩個舵機，由單片機控制其在橋墩上運動。通過機器人主體上安裝的高清攝像頭，可實時采集橋墩壁面的狀況，幫助工作人員更準確、快速的判斷橋墩病害的存在，可以代替人在危險的橋墩上對橋墩進行檢測，提高工作效率，降低風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：真空吸附;四足;橋墩病害;爬壁機器人

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0044-02

Abstract： Based on the principle of vacuum adsorption， a four-legged climbing robot for pier disease detection is designed in this paper， which can be used to detect pier diseases. The robot uses the air pump as the vacuum generating device， and designs a kind of air pipe with ball valve to control the air pressure in the sucker， so that the sucker at the end of the robot's moving leg is adsorbed on the pier. The robot has two steering gears on each moving leg， which is controlled by a single chip microcomputer to move on the pier. The high-definition camera installed on the main body of the robot can collect the condition of the pier wall in real time， help the staff to judge the existence of the pier disease more accurately and quickly， and can replace the person to detect the pier on the dangerous pier， so as to improve work efficiency and reduce risk.

Keywords： vacuum adsorption; quadruped; pier disease; wall climbing robot

引言

目前，隨著科技的日益發(fā)展，各式各樣的橋梁進入我們的視野，為人們的出行帶來巨大便利。但是，眾多的橋梁病害帶來的安全問題也不容小覷，為此需要對橋梁的安全狀況進行檢測，以保障國家和人們的財產(chǎn)生命安全。但是，對于橋梁的病害檢測我國主要采取人工檢測為主，以橋梁檢測車、橋梁檢測系統(tǒng)為輔，這些方法檢測效率低、成本高、檢測的精度差。為此，爬壁機器人的出現(xiàn)為橋梁病害檢測帶來巨大的改變。

爬壁機器人的吸附方式主要有仿生吸附、負壓吸附、真空吸附、旋翼吸附、磁力吸附和振動吸附等幾種[1]。真空吸附作為一種發(fā)展比較早，吸附可靠、穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)比較簡單的吸附方式，得到廣泛的使用。但是，這種吸附方式對于壁面的平整度和光潔度要求較高，因此需要設(shè)計一種適應(yīng)性良好的吸盤。為了讓機器人可靠地吸附在橋墩壁面，保持壁面行走時有良好的穩(wěn)定性，可將幾個吸盤串聯(lián)形成吸盤組。這樣，當(dāng)其中某一子吸盤不起作用時也不會讓機器人發(fā)生脫落，減小機器人脫落的可能性。

文中將利用真空技術(shù)，基于真空模塊設(shè)備，結(jié)合一種爬壁機器人平臺[1]。利用氣泵來充當(dāng)真空產(chǎn)生裝置，同時結(jié)合帶球閥的真空氣道傳輸裝置，讓吸盤吸附在橋墩上。將舵機安裝在每條機械腿的關(guān)節(jié)處，利用單片機進行控制，實現(xiàn)機器人在橋墩壁面上運動。對于橋墩的病害檢測主要通過機器人的高清攝像頭，將橋墩壁面的實時情況傳送給工作人員，幫助工作人員對橋墩進行觀察分析。提高了橋墩病害檢測的速度、精度和安全性。

1 機器人的結(jié)構(gòu)

該橋墩病害檢測機器人是以單片機為控制核心，實現(xiàn)在橋墩壁面上進行移動。利用仿生學(xué)原理，設(shè)計機器人為四足，每條運動足的運動末梢都帶有吸盤。爬壁機器人運動足過少，容易發(fā)生脫落和傾覆現(xiàn)象;運動足過多增加了編程控制的復(fù)雜性，機器人成本升高不利于機器人的推廣利用。因此，機器人采用多吸盤的四足結(jié)構(gòu)。

壁面機器人是集機構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)等科學(xué)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品[2]。本文設(shè)計的機器人的結(jié)構(gòu)包括機器人主體1、攝像頭2、運動腿3和吸盤結(jié)構(gòu)4。機器人主體1結(jié)構(gòu)包含電路板、單片機、電源和真空產(chǎn)生裝置，攝像頭2由控制電路連接控制。在機器人的主體1的左右兩側(cè)對稱布置有兩條運動腿3，且運動腿3的活動關(guān)節(jié)處都安裝有舵機，這樣的運動腿3運動都具有多個自由度，機器人可以在橋墩壁面多方向的移動。每個運動腿3由舵機控制其運動，舵機通過單片機進行控制。運動腿3的運動末梢上均設(shè)置吸盤結(jié)構(gòu)4，吸盤結(jié)構(gòu)4通過機器人主體1內(nèi)置的真空產(chǎn)生裝置控制吸盤吸放。為保證機器人在壁面吸附的緊密性和結(jié)構(gòu)的牢固性，該橋墩病害檢測機器人的運動腿用鋁合金材料，其他部分采用工程塑料以減輕重量，降低機器人運行過程中脫落的可能性。

2 吸附工作原理

該橋墩病害檢測機器人采用了真空吸附原理。由真空泵產(chǎn)生真空，配合吸盤以及帶有雙球閥的氣管回路將機器人的吸盤吸附在橋墩壁面上，以實現(xiàn)機器人吸附在橋墩壁面上的目的。

機器人吸附工作原理圖如圖2所示。圖中1構(gòu)件為球閥，2構(gòu)件為吸盤，3構(gòu)件為真空腔，機器人采用吸盤吸附墻壁，使吸盤與壁面的吸附力大于摩擦力，以達到機器人在墻壁上不脫落的目的。如圖2所示，真空產(chǎn)生裝置通過氣管與吸盤連結(jié)，球閥安裝在氣管中，控制吸盤內(nèi)空氣。當(dāng)需要吸盤進行吸附時，球閥轉(zhuǎn)動一定角度，使得機器人前左運動腿與后右運動腿（圖左下方兩吸盤）進氣管導(dǎo)通而其余兩條運動腿的進氣管關(guān)閉，通過氣泵抽氣，促使左下方兩吸盤內(nèi)的空氣通過連接管被抽走，形成真空，讓吸盤吸附在墻面，當(dāng)球閥再次轉(zhuǎn)動時，另外兩個對向的吸盤進行吸附，此兩吸盤脫落，最終實現(xiàn)吸附目的。

帶有雙球閥的氣路進行設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)吸盤吸附在橋墩壁面上。剛開始時，機器人的四個吸盤都能同時吸附;在運動過程中，則采用了兩個吸盤為一組進行吸附。吸盤可靠吸附是機器人正常工作的關(guān)鍵，吸盤吸附和脫離橋墩壁面的時間影響機器人的運行效率。對單個吸盤及真空泵進行了實驗，得到單個吸盤吸緊壁面時間為1.82s，吸盤受水平力安全系數(shù)為1.84，吸盤受鉛錘力的安全系數(shù)為10.22，也就是當(dāng)吸盤受豎直力作用時更容易脫離墻面。

3 機器人運動原理

機器人的運動是靠四條運動腿緊密配合實現(xiàn)的，模仿壁虎在墻面上爬行。首先，將機器人放置在橋墩壁面，使機器人的四足都吸附在橋墩上。其次，再通過單片機程序控制，讓機器人左上足和右下足抬起脫離壁面，并向前（向后）運動，另外兩足牢牢的吸附在橋墩壁面上。然后，左上、右下兩足上的舵機運動，這樣將拖動主體跟著運動。最后，讓左上足和右下足吸附在橋墩壁面，完成一次運動。當(dāng)機器人斜對向的兩條運動腿運動時，另外兩條斜對向的運動腿運動末端的吸盤吸附在橋墩上，這樣機器人在橋墩壁面上既可以運動也能保證吸附在壁面上。四條運動腿協(xié)同作用，使機器人不僅在垂直壁面上具有良好的爬壁性能，而且在有一定傾斜角度的壁面也能輕松行走。突破了傳統(tǒng)的多足爬墻機器人單關(guān)節(jié)設(shè)計的局限性，使得機器人獲得了更大的避障空間[3]。

為保證機器人能夠全面的檢測到橋墩壁面，在機器人的“身上”還安裝有傳感器。傳感器不僅可以檢測到機器人距離橋墩邊緣的距離，而且還可以檢測到機器人距離橋墩下沿水源的距離和橋面的距離。通過編程控制，讓機器人本體和吸盤盡量遠離這些危險區(qū)域，保證機器人能夠正常工作。當(dāng)機器人的吸盤處于橋墩的邊緣或者進入到橋墩下沿的水中，很可能讓吸盤的吸附功能失效，機器人就會脫離橋墩壁面。

4 結(jié)束語

在爬壁機器人發(fā)展的早期，主要以單吸盤吸附為主，極易出現(xiàn)吸附不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴重時會出現(xiàn)機器人脫離橋墩壁面以及傾覆現(xiàn)象。近年來多吸盤吸附的爬壁機器人逐漸出現(xiàn)，填補了單吸盤機器人的缺點，但是對設(shè)計者的編程能力要求較高，運動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

文中提出了一種多吸盤吸附的爬壁機器人，集合了單吸盤與多吸盤吸附機器人的許多優(yōu)點。本文對該四足橋墩病害檢測機器人的結(jié)構(gòu)、吸附原理和運動原理進行了論述。通過理論分析，該四足橋墩病害檢測機器人能夠跨越較大的阻礙物及橋墩溝壑，緊密吸附在各種橋墩壁面上，在橋墩壁面能夠靈活走動，抵抗傾覆的能力也很強?？梢杂糜跈z測大多數(shù)橋墩，具有檢測面積廣、檢測精度高、檢測方便的優(yōu)點，對橋墩的初步檢測能起到巨大的輔助作用。

參考文獻：

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