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      一種基于海綿吸盤爬壁機器人裝置的隧道檢測方法

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-28 12:27:15    瀏覽次數:55    評論:0
      導讀

      自主研發的爬壁機器人采用十字形框架式結構,利用鼎達信海綿真空負壓吸盤組進行吸附。該機器人走行過程中具有位姿保持和調整能力,可保障雷達電磁波信號的穩定性和可靠性。利用爬壁機器人搭載CAS-S800地質雷達對隧道進行檢測,分析了隧道襯砌背后的缺陷情況,并手持地質雷達對左邊墻測線進行了復核。復核結果表明:爬壁機器

      鐵路運營隧道的襯砌狀態檢測對鐵路部門掌握隧道襯砌的病害有著至關重要的意義。目前隧道襯砌狀態檢測手段主要有2種:傳統人工手檢與隧道檢測車等大型機械化設備檢測[1-2]。本文介紹一種全新的檢測手段,通過爬壁機器人裝置搭載地質雷達對隧道襯砌進行檢測,用于分析隧道襯砌背后的缺陷情況。爬壁機器人最主要的一個特點是機器人可以克服重力作用,在一定傾斜度、垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力[3]。目前爬壁機器人吸附方式主要包括磁吸附、負壓吸附、螺旋槳推壓等。近年來又出現了膠吸附、仿壁虎足的干吸附、仿蝸牛的濕吸附、類攀巖抓持、毛刺抓持等方式[4]。

      1 爬壁機器人結構設計

      由于隧道表面為混凝土墻面,而鼎達信海綿吸盤負壓吸附具有適用面廣,不受墻壁表面材料限制,集成度高的特點,因此在隧道內適合采用真空負壓吸附方式。隧道表面具有一定的曲率特征,不同隧道的曲率半徑存在差異,吸附時不僅需要保證吸附過程的穩定性,還要能夠適應不同隧道的表面及隧道不同部位曲率半徑的變化。因此吸附裝置采用材料適應性強、密封性好的海綿真空負壓吸盤,且為了保證吸附的穩定可靠,宜采用多吸盤式結構[5-6]。當機器人在隧道上爬行時,能夠很好吸附在粗糙的表面,同時通過吸盤接口處15°范圍內的彈性單向擺動軸可以很好適應隧道表面曲率的變化。

      爬壁機器人的行走方式主要分為車輪式、履帶式、多足步行式和框架式4種。隧道襯砌檢測需要機器人能攜帶地質雷達穩定平穩地運動,否則會影響檢測效果;同時應最大程度減小系統控制上的復雜性,保障吸附的穩定性??蚣苁降臋C器人自由度低、結構簡單,可使控制方式便捷,而且走行和吸附轉換動態特性穩定。雖然對壁面曲率的適應性遜于多足式機器人,但通過對框架的足部做相應的技術處理可以較好彌補這一缺憾。本爬壁機器人采用十字形框架式結構,即機器人外形輪廓與平面直角坐標相似,關節軸線相互垂直,相當于笛卡爾坐標系的X軸和Y軸,2個關節都是移動關節[7]。X軸和Y軸主要由同步帶和導軌實現移動功能,機器人在隧道襯砌表面爬行靠X軸和Y軸的交替運動來實現。爬壁樣機(含地質雷達)結構見圖1。

      圖1 爬壁樣機(含地質雷達)結構

      2 樣機控制系統設計

      控制系統主要根據機械系統中的執行機構運動學特性來設計[8]。機器人各項功能主要通過電機帶動同步帶運轉、電磁閥控制氣路開閉、氣缸伸縮、無線遙控器發送指令來實現,并配備多個狀態顯示LED燈。

      控制系統運行流程見圖2。

      圖2 控制系統運行流程

      吸盤和氣缸的氣路控制示意如圖3??諝鈮嚎s機首先產生高壓氣體,經過過壓保護閥、總閥門、流量控制閥、油水分離器、壓力表之后分成兩路,分別作為吸盤吸附和氣缸伸縮的空氣動力源。在吸盤吸附控制模塊當中,氣體經過串聯的電磁閥、真空發生器、氣壓傳感器和過濾器到達各組吸盤,各組吸盤之間的吸附與釋放狀態互不干涉。

      圖3 吸盤和氣缸的氣路控制示意

      吸盤的氣路也包括通、斷2種狀態,接通電源時為關閉狀態,斷開電源時為打開狀態。打開時能夠吸附。這種設計思路可以在斷電等異常狀態發生時,保證機器人樣機的安全??刂莆P電磁閥的電源通、斷采用1組繼電器完成,由主控制板輸出1組觸發電平即可實現電磁閥的通、斷。X軸方向上的2組吸盤的控制狀態同步,Y軸方向上的2組吸盤的控制狀態也是同步的。

      3 檢測作業安全測試

      爬壁機器人能否完成爬壁作業,關鍵在于可否在對應工況下安全穩定吸附。對此需要進行測試。

      測試方案:機器人的4只腳都采用等邊三角形布置,在機器人實際爬行的過程中不可避免地會出現一個問題,即三角形可能呈上三角或者下三角狀態。當吸盤呈上三角形布置時,下面2只吸盤均承受壓力,上面1只承受拉力。當吸盤呈下三角形布置時,下面的1只吸盤承受壓力,上面的2只均承受拉力。從理論分析來看,上三角姿態更易使機器人傾覆。同時,機器人在隧道襯砌表面走行時,接觸面與水平面形成的角度θ是一個變化量,其變化范圍為0°~90°,如圖4所示。對不同傾斜角度的吸附可靠性需要進行測試分析。

      圖4 傾斜接觸式吸附示意

      此外,吸盤是否會從墻面脫落除了跟機器人本體質量有關外,機器人的重心到墻面的距離也是一個很重要的因素,即需要克服設備對吸盤產生的彎矩。

      機器人攜地質雷達總質量不超過30 kg,形成對機器人本體有害的等效力臂不足0.15 m,每次動作時共有2組吸盤處于吸附狀態,理論上任何工況下每組吸盤承擔一半負載即可實現吸附。在試驗中,施加150 N的載荷,依次改變與墻面的傾斜角度,并采用更易傾覆的上三角方式對吸盤進行布置。經實測,吸盤在表面質量較好的襯砌表面和粗糙不平的磚面均能實現可靠吸附。為保證一定的安全系數,試驗力臂設定為0.25 m。試驗數據及結果見表1。

      分析表1可知:采用上三角分布方式、海綿真空負壓吸盤與被測面接觸時成功吸附,并無傾覆等失效現象,所選空氣壓縮機和真空發生器滿足系統要求,吸盤與接觸面成不同夾角時對穩定氣壓值的影響很小。

      表1 吸盤吸附試驗數據及結果

      4 負載地質雷達整機試驗

      4.1 試驗情況

      綜合考慮雷達硬件能力、輕量化和便捷性,地質雷達設備應質量輕、高度低、體積小,探測深度與分辨率滿足隧道襯砌探測要求,可無線WIFI傳輸采集的數據。選擇主機天線一體化CAS-S800地質雷達。該雷達內置800 MHz屏蔽天線,隧道襯砌等混凝土材質探測深度0.5~0.9 m,被測介質的最大深度可達1.5 m。測量時窗40 ns,采樣點數512,因爬壁走行方式并不能保證無間歇連續移動,故觸發方式選擇距離觸發。

      本次試驗在中國鐵道科學研究院東郊分院環形鐵道試驗線隧道進行。隧道較長,不運營,僅供開展試驗所用。抽測部分區段(隧道洞身標0~31 m)。

      試驗在右邊墻、左邊墻(距軌面1.5 m)布置2道測線。通過遙控方式操作爬壁機器人爬到對應的測線位置,再操控機器人沿著大里程方向推進(見圖5)。數據采集員即時在筆記本電腦的采集軟件上做位置標記。當檢測工作結束后,采用手持地質雷達的方式對左邊墻測線進行復核。

      4.2 結果與分析

      地質雷達接收的是來自不同介質界面的反射波,根據雷達波形圖進行結果判讀。結果解釋的準確性取決于合理選擇檢測參數、數據處理方法得當、判圖經驗豐富等因素[9]。

      依據有關規定,對隧道襯砌空洞、襯砌背后密實度等情況進行等級評定[10-11]。該隧道檢測區段襯砌缺陷統計結果見表2。

      圖5 爬壁機器人試驗現場

      表2 隧道檢測區段襯砌缺陷統計結果

      注:缺陷累計長度為同一測線、相同等級缺陷測線長度的累計值。

      分析表2可知:

      1)右邊墻測線襯砌內部及背后空洞1處,累計長度約3.8 m,占測線長度的12.26%;不密實1處,累計長度約6.1 m,占測線長度的19.68%。其中空洞缺陷達到嚴重程度。

      2)左邊墻測線襯砌內部及背后空洞2處,累計長度約2.5 m,占測線長度的8.06%;不密實2處,累計長度約5.7 m,占測線長度的18.39%。

      隧道左邊墻人工復核結果:襯砌內部及背后空洞2處,不密實2處。與爬壁機器人檢出的缺陷數量相同,位置相同。

      5 結論與建議

      1)采用爬壁機器人可在20 m距離內利用遙控方式實現爬壁走行,可以有效操控檢測裝置到達需要檢測的目標部位。機器人作業為小型機械電子化作業,可減少煙塵、噪聲等環境污染,大幅度降低對人體產生的傷害。

      2)爬壁機器人利用海綿真空負壓吸盤作為關鍵吸附件,每個吸盤組由3只吸盤組成,使得單個吸盤組在90°范圍內0.25 m力臂作用下負載可達150 N,并能吸附磚面、石材面、混凝土面等粗糙表面。通過吸盤與氣缸連接處的鉸接使得機器人在走行推進過程中在一定表面曲率范圍內具有較好的適應能力。

      3)爬壁機器人檢測與人工手持地質雷達檢測這2種方法對襯砌內部及背后空洞和不密實缺陷的檢出數量相同,位置亦相同。

      應用遙控爬壁樣機進行襯砌狀態檢測這種新技術雖具有較大挑戰性,尚需完善,但它具有很大的發展潛力。該技術比較適用于人力及大型機械裝備較難作業的局部區段檢測或隧道襯砌缺陷抽檢。

      參考文獻:

      [1]吳波鴻,白雪冰,孔祥春.探地雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用[J].物探與化探,2008,32(2):229-231.

      [2]王偉,魏永久,崔高峰,等.隧道限界檢測列車動態標定技術的研究與設計[J].電子測試,2013,4(7):24-26.

      [3]雷洋.隧道襯砌檢測中的無線遙測裝置[J].鐵道知識,2015(4):54-57.

      [4]王家斌.壁面移動機器人吸附方式的研究現狀與發展[J].機械,2012,39(1):1-5.

      [5]高學山.應用于爬壁機器人的反推力與負壓力復合吸附方法及其實現:中國,ZL200810227554.X[P].2009-04-22.

      [6]吳善強.低噪聲負壓爬壁機器人系統的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007.

      [7]吳神麗.新型高樓清洗爬壁機器人的研究與設計[D].成都:成都理工大學,2009.

      [8]CUI Dengqi,LEI Yang,CHEN Dongsheng,et al.Safety Analysis of a Climbing Robot with Dual Pumps for Building Surface Detection[C]//IEEE International Conference on Mechatronics and Automation.Harbin:Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated Company,2016:508-513.

      [9]雷洋.隧道狀態檢查車哈爾濱局隧道檢測報告(嫩林線、塔韓線)[R].北京:中國鐵道科學研究院,2015.

      [10]中華人民共和國鐵道部.TB 10223—2004 鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程[S].北京:中國鐵道出版社,2004.

      [11]中華人民共和國鐵道部.鐵運函[2004]170號 鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2004.


       
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