AEROCROS: Sistema de Inspección por Contacto de Puentes y Estructuras Viarias Mediante Robots Aéreos
Plan Estatal 2013-2016 Retos – Proyectos I+D+i
Referencia: DPI2015-71524-R
Investigadores principales: Guillermo Heredia.
Fecha: Enero 2016 a diciembre 2018
Investigadores: Pedro Sánchez-Cuevas, Alejandro Suárez, Antonio Jiménez-Cano, Antidio Viguria, Ángel Rodríguez-Castaño, Manuel Béjar, Joaquín Ferruz, Manuel Galán, Fernando Lasagni, José Antonio Cobano, Pablo Ramón-Soria, Manuel Fernández-González, Begoña Arrúe, Manuel Pérez-Jiménez, Javier Prada, Ignacio Hinojosa, Carlos Nogales y Francisco López-Pichaco.
Resumen del proyecto
El objetivo principal del proyecto AEROCROS es el desarrollo de un sistema robótico aéreo con un brazo manipulador compliant de múltiples grados de libertad para la inspección por contacto de puentes y estructuras de paso en carreteras mientras está volando, con un módulo de sensores situado en el extremo del brazo. En los tests para evaluar el estado de las grietas y las barras corrugadas de refuerzo en puentes de hormigón armado es necesario que un módulo de sensores (por ejemplo ultrasonidos) esté en contacto con la estructura un tiempo determinado para tomar las medidas. Actualmente, es necesario que inspectores con experiencia tengan acceso directo a los componentes del puente para la realización de las pruebas, utilizando grúas, andamios y otros dispositivos, lo que es peligroso y agotador para los inspectores, es muy costoso e interfiere con el tráfico rodado. La aplicación de robots terrestres no resuelve el problema, ya que interfiere con el tráfico y tiene problemas para llegar a algunas zonas del puente para la inspección.
AEROCROS ha desarrollado varios prototipos de robots aéreos basados en un multirotor. Uno de ellos tiene un brazo manipulador especializado para la inspección por contacto de puentes y estructuras viales. El brazo se ha colocado en la parte superior del robot aéreo, ya que muchas de las tareas de inspección que requieren contacto en los puentes tienen que hacerse desde la parte inferior del tablero del puente. Esta configuración no se ha probado nunca antes, y presenta varios desafíos en estabilidad y control del robot aéreo. Además, a fin de mantener el contacto del módulo de sensores con la estructura, se ha desarrollado un brazo compliant, con varias articulaciones elásticas, de modo que sus elementos elásticos de la articulación puedan absorber las perturbaciones y oscilaciones del robot aéreo durante el vuelo, mejorando la estabilidad. El control acoplado de la plataforma aérea y el brazo compliant también se han desarrollado en el proyecto.
Otro de los objetivos del proyecto es el desarrollo del sistema de localización y generación de mapas necesarios para el posicionamiento relativo preciso para compensar la falta de un sistema de posicionamiento por satélite fiable bajo el puente, y para guiar la inspección. La demostración final de AEROCROS se ha hecho en varios puentes en la Escuela de Ingenieros de Sevilla, Algodonales (Cádiz), Grazalema (Cádiz) y Strymonas (Grecia).
Resultados del proyecto
Se han desarrollado dos prototipos del sistema aéreo de inspección: un primer prototipo con un brazo manipulador situado en la parte superior del robot aéreo, del que se han fabricado varias versiones con brazos con articulaciones rígidas y articulaciones flexibles o compliant (ver Figura 1, Figura 2 y Figura 3).
En AEROCROS se ha desarrollado también un segundo prototipo basado en la utilización de las fuerzas aerodinámicas que se generan cuando los rotores vuelan cerca de una superficie. De esta segunda configuración se han hecho varios diseños y prototipos, y se han fabricado dos unidades de la versión final en fibra de carbono.
Para la realización de los vuelos de inspección se utiliza un mapa del puente que se quiere inspeccionar, utilizando un láser scanner para obtención de nubes de puntos. El mapa 3D es el resultado de la fusión de varios mapas obtenidos desde distintas localizaciones. Se ha desarrollado un sistema de medición de la deflexión de las vigas y la inclinación de los pilares con robots aéreos utilizando un sensor láser y una estación de seguimiento automático (una estación total automatizada). El la figura se pueden ver los componentes del sistema. Se coloca un prisma reflector en el robot aéreo:
- en el extremo del brazo en el prototipo 1: cuando el brazo toca la parte inferior del puente, el prisma está en contacto con el puente.
- fijado a la parte superior del fuselaje en el prototipo 2: de esta forma, cuando el robot se pega a la parte inferior de la viga, el prisma está en contacto con el puente.
En ambos casos se puede medir la posición del prisma con alta precisión utilizando la estación total. Tomando medidas en distintos puntos a lo largo de la viga, se puede medir la deflexión de la viga y compararla con inspecciones anteriores para la evaluación estructural.
Para la realización de los vuelos de inspección se utiliza un mapa del puente que se quiere inspeccionar, utilizando un láser scanner para obtención de nubes de puntos. El mapa 3D es el resultado de la fusión de varios mapas obtenidos desde distintas localizaciones. Se han realizado experimentos de validación en varios puentes en la Escuela de Ingenieros de Sevilla, Algodonales (Cádiz), Grazalema (Cádiz) y Strymonas (Grecia). En la figura se muestran secuencias de fotos de los experimentos en varios de los puentes con un prototipo de ARBI.
Publicaciones
- P. Sanchez-Cuevas, P. Ramon-Soria, B. Arrue, A. Ollero and G. Heredia, Robotic System for Inspection by Contact of Bridge Beams Using UAVs, Sensors, 2019, Vol. 19(2), pp. 305. DOI: 10.3390/s19020305.
- A. Suarez, P. Sanchez-Cuevas, M. Fernandez, M. Perez, G. Heredia and A. Ollero, Lightweight and Compliant Long Reach Aerial Manipulator for Inspection Operations, 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Madrid, 2018, pp. 6746-6752. DOI: 10.1109/IROS.2018.8593940.
- A. Suarez, G. Heredia and A. Ollero, Physical-Virtual Impedance Control in Ultra-Lightweight and Compliant Dual Arm Aerial Manipulators, IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 3, no. 3, pp. 2553-2560, 2018. DOI: 10.1109/LRA.2018.2809964.
- A. Suarez, G. Heredia and A. Ollero, Design of an Anthropomorphic, Compliant and Lightweight Dual Arm for Aerial Manipulation, IEEE Access, vol. 6, pp. 29173-29189, 2018. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2833160.
- A. Suarez, A.E. Jimenez-Cano, V. Vega, G. Heredia, A. Rodriguez-Castaño and A. Ollero, Design of a lightweight dual arm system for aerial manipulation, Mechatronics, vol. 50, pp. 30-44, 2018. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2018.01.005.
- A. Suarez, A.M. Giordano, K. Kondak, G. Heredia and A. Ollero, Flexible link long reach manipulator with lightweight dual arm: Soft-collision detection, reaction, and obstacle localization, 2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), pp. 406-411, 2018. DOI: 10.1109/ROBOSOFT.2018.8404953.
- A. Suarez, G. Heredia and A. Ollero, Cooperative Virtual Sensor for Fault Detection and Identification in Multi-UAV Applications, Journal of Sensors, pp. 1-19, 2018. DOI: 10.1155/2018/4515828.
- P. Sanchez-Cuevas, G. Heredia and A. Ollero, Characterization of the Aerodynamic Ground Effect and its Influence in Multirotor Control, International Journal of Aerospace Engineering, 2017, Vol. 2017, pp. 1-17. DOI: 10.1155/2017/1823056.
- P. Sanchez-Cuevas, G. Heredia and A. Ollero, Experimental approach to the aerodynamic effects produced in multirotors flying close to obstacles, Third Iberian Robotics Conference (ROBOT 2017), Sevilla, noviembre 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-70833-1_60.
- A.E. Jimenez-Cano, G. Heredia and A. Ollero, Aerial manipulator with a compliant arm for bridge inspection, 2017 International Conference on Unmanned Aerial Systems (ICUAS), Miami, USA, 2017, pp. 767-774. DOI: 10.1109/ICUAS.2017.7991458.
- P. Sanchez-Cuevas, G. Heredia and A. Ollero, Multirotor UAS for bridge inspection by contact using the ceiling effect, 2017 International Conference on Unmanned Aerial Systems (ICUAS), Miami, USA, 2017, pp. 1217-1222. DOI: 10.1109/ICUAS.2017.7991412.
- A.E. Jimenez-Cano, P. J. Sanchez-Cuevas, P. Grau, A. Ollero and G. Heredia, “Contact-based Bridge Inspection Multirotors: Design, Modelling and Control Considering the Ceiling Effect”, IEEE Robotics and Automation Letters, under review, 2019.
- A. Suarez, M. Perez, A.E. Jimenez-Cano, G. Heredia and A. Ollero, “Cartesian Aerial Manipulator with Compliant Joint Arm”, IEEE Robotics and Automation Letters, under review,, 2019.
- G. Heredia, R. Cano, A.E. Jimenez-Cano and A. Ollero, “Modeling and Design of Multirotors with Multi-joint Arms”, in Aerial Robotic Manipulation: Research, Development and Applications, A. Ollero, B. Siciliano (Eds.), Springer Tracts in Advanced Robotics, Heidelberg, Germany, 2019, ISBN 978-3-030-12945-3, in press, available July 2019.
- P. Sanchez-Cuevas, G. Heredia, and A. Ollero, “Multirotor Aerodynamic Effects in Aerial Manipulation”, in Aerial Robotic Manipulation: Research, Development and Applications, A. Ollero, B. Siciliano (Eds.), Springer Tracts in Advanced Robotics, Heidelberg, Germany, ISBN 978-3-030-12945-3, 2019, in press, available July 2019.
- A.E. Jimenez-Cano, G. Heredia, and A. Ollero, “Centralized Control of Multirotors with Manipulators”, in Aerial Robotic Manipulation: Research, Development and Applications, A. Ollero, B. Siciliano (Eds.), Springer Tracts in Advanced Robotics, Heidelberg, Germany, 2019, ISBN 978-3-030-12945-3, in press, available July 2019.
- M. Bejar, A. Ollero and K. Kondak, “ Centralized Control of Helicopters with Manipulators”, in Aerial Robotic Manipulation: Research, Development and Applications, A. Ollero, B. Siciliano (Eds.), Springer Tracts in Advanced Robotics, Heidelberg, Germany, 2019, ISBN 978-3-030-12945-3, in press, available July 2019.
- A. Viguria, A. Ollero, M.A. Trujillo, M. Oetiker and B. Revaz, “Applications of Aerial Manipulation: Inspection and maintenance”, in Aerial Robotic Manipulation: Research, Development and Applications, A. Ollero, B. Siciliano (Eds.), Springer Tracts in Advanced Robotics, Heidelberg, Germany, 2019, ISBN 978-3-030-12945-3, in press, available July 2019.
Links
- Tutorial “Aerial Robotic Manipulation”, 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 1-5 octubre, 2018, Madrid, Spain.
- Workshop on Aerial Robotic Inspection and Maintenance: Research Challenges, Field Experience and Industry Needs. 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Brisbane, Australia, 21-25 mayo 2018.
Contacto
Guillermo Heredia, guiller@us.es
GRVC Robotics Lab
Universidad de Sevilla