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我院丁宁博士团队获 IROS 2021最佳应用论文奖

  • 2021.10.1
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特种机器人研究中心丁宁博士团队关于桥梁缆索攀爬检测机器人的研究获IROS 2021最佳应用论文奖。

        9月27日至10月1日,机器人与智能系统领域最著名、影响力最大的顶级学术会议—— IEEE智能机器人与系统国际会议(IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2021)于线上召开。

        AIRS 特种机器人研究中心丁宁博士团队关于桥梁缆索攀爬检测机器人的研究 CCRobot-IV-F: A Ducted-Fan-Driven Flying-Type Bridge Stay Cable Climbing Robot同时入围本届 IROS 最佳机器人机构及设计论文(Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design)和最佳应用论文(Best Application Paper Award)两个奖项提名(Finalists),并在评审中均以第一名胜出。但由于一篇论文只能获得一个奖项,丁宁博士团队最终选择接受最佳应用论文奖。(关于奖项详细情况可查看:https://www.iros2021.org/awards

        在往届 IROS Best Paper Award 最佳论文评比中,同一论文同时入选两项最佳提名的情况本就屈指可数,而入选的同时均在评比中获得第一名更是凤毛麟角。

        IROS 各个奖项都是独立评选,最佳机构及设计奖侧重于机器人设计的创新性,而最佳应用奖注重应用效果。两个奖项同时入围并拔得头筹,证明了 IROS 对该研究在设计方案上的新颖性和实际应用的可行性做出了双重认可。最终,丁宁博士团队选择了最佳应用论文奖,这既发扬了AIRS “for Society” 的优良传统,也表明了团队的初心,“把科研成果写在祖国的大地上”。

丁宁博士(左三)与其带领的桥梁检修机器人研究团队

研究背景

        我国是一个基础设施建设大国。其中,仅桥梁总数就超过100万座。桥梁等大型基础设施的安全事关国民经济建设、群众生命财产安全等重要问题。随着中国经济的快速发展,国家对基础设施病害监测技术的应用需求也日益旺盛。

        以桥梁为例,随着斜拉桥技术广泛地被采用,其主要构件——桥梁缆索,也面临着越来越迫切的检测需求。

        斜拉桥缆索的内部是多股平行钢丝,外部覆盖有两层PE保护层。下图(d)显示了三种典型缆索病害,其中缆索覆盖层的机械损伤易造成雨水渗透,导致缆索内部钢丝腐蚀,风雨激振也会造成内部钢丝磨损断裂。因此,定期对缆索表面和内部钢丝进行病害检测,对延长拉索类桥梁的使用寿命具有重要意义。

        目前,桥梁缆索检修主要由人工借助挂在缆索上的载具,通过桥塔顶部卷扬机拖拽移动来完成。由于涉及到高空、深水、强风以及结构复杂的作业环境,人工检测安全风险高、盲区多、覆盖率低,检测效率也难以保障。因此,开展缆索检测的仿生特种机器人关键技术研究,具有重要的科学意义和显著的社会经济效益。

研究概要

        多年来,尽管有许多研究团队提出了各种攀爬机器人的解决方案,用于检测桥梁缆索的损坏情况,但基于掌/足的攀爬机器人解决方案仍然面临着不能兼备高速和高负载性能的主要问题。丁宁博士团队针对上述问题,于2020年研发出了基于攀爬机器人 CCRobot-III 技术的解决方案。该机器人采用分体式设计,将连续的攀爬运动分解为一系列车轮和手掌的离散交替运动。然而要完全解决这个问题,驱动力必须与接触机构产生的摩擦力解耦。在随后的研发方案中,丁宁博士团队提出了一种新型涵道风扇驱动的攀爬机器人解决方案——CCRobot-IV-F(CCRobot-IV 的攀爬前体),旨在获得更佳的攀爬速度和越障性能。

 

        CCRobot-IV-F 的重量不到10公斤,空载速度高达4.5米/秒,明显超过了其他攀爬机器人。为了适应桥梁附近的复杂环境(GPS & 磁力计不可靠)和不同角度的缆索,团队建立了一个融合缆索坐标系的动力学模型,并设计了一个串联控制器,用于实现带抱爪机器人的稳定悬停和爬升。实验结果表明,CCRobot-IV-F 显著改善了 CCRobot-IV 的性能(相关研究 CCRobot-IV: An Obstacle-Free Split-Type Quad-Ducted Propeller-Driven Bridge Stay Cable-Climbing Robot 也被此次 IROS+RAL 录取),同时具备优异的速度、较高的负载和出色的越障性能。

        CCRobot-IV-F 已经于2020年10月,应用在重庆李家沱桥梁的实地检测上。

        目前,CCRobot 系列机器人已在国内多座桥梁上完成了缆索缺陷检测的实际应用,并取得了不错的效果。未来,丁宁博士团队将进一步提升其可靠性与易用性,着重发挥 CCRobot 系列高载荷高速度的特点,开展缆索的清洁清理与局部自主修补等关键技术攻关和落地应用。

作者介绍

        论文通讯作者是丁宁博士。丁宁,博士,研究员,毕业于香港中文大学机械与自动化工程学系,研究方向为仿生特种机器人与计算机视觉。现任香港中文大学(深圳)机器人与智能制造研究院副院长,深圳市人工智能与机器人研究院特种机器人中心主任;同时担任SAC/SWG13全国特种作业机器人国家标准工作组委员、NEA/TC35能源行业电力机器人标准化技术委员会委员、广东省人工智能与机器人学会理事、深圳市电子学会理事、重庆市桥梁与结构智能监测工程研究中心技术委员会委员;主持或参与科技部重点研发计划“智能机器人专项”课题1项、国自然基金重大研究计划课题1项,国自然区域联合重点3项、住建部课题1项、 广东省基金重点项目1项、香港ITF课题1项、深圳市基础研究重点1项。发表国际会议与期刊论文30余篇,授权发明专利30余项及国际专利1项,参与编制并发布国家标准5项。

       论文第一作者是张文超,他是深圳市人工智能与机器人研究院特种机器人中心中级工程师,拥有10多年飞行器设计经验,目前主要研究方向包括缆索攀爬机器人和集群无人机。