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.

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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).

Prototipos del robot aéreo basados en un octorotor coaxial con brazo para inspección de puentes, en vuelo en el puente de la Escuela de Ingenieros de Sevilla, a) con brazo de articulaciones rígidas; b) con brazo lightweight de articulaciones rígidas; c) con brazo de articulaciones compliant.
a) Experimentos de control de la fuerza de contacto del brazo con el puente; b) Resultados de control de fuerza en un experimento, con una referencia de 1,5 N.

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.

a) Prototipo de ARBI en vuelo, pegado al puente de la Escuela de Ingenieros de Sevilla. b) Prototipo final de ARBI con carenado en rotores, fabricado 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.

Sistema para medición de deflexión de las vigas de un puente. a) Prototipo ARBI con el prisma montado en parte superior; b) Prisma reflector omnidireccional 360º; c) Estación total Leica de seguimiento automático.

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.

Secuencias de inspección por contacto con un prototipo de ARBI. a) Puente de la Escuela de Ingenieros de Sevilla. b) Inspección de una viga del puente de Grazalema. c) Inspección de zona entre vigas del puente de Grazalema.
 
 

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Contacto

Guillermo Heredia, guiller@us.es
GRVC Robotics Lab
Universidad de Sevilla