管道內行走機器人設計

代小林，周志鵬，張彬彬，張云鵬，陳龍庭

（電子科技大學 機械電子工程學院，四川 成都 611731）

機器人作為一種新興的智能機器系統，廣泛應用于工業、軍事、航天航空等領域。近年來，隨著國家對大學生創新能力培養的重視程度不斷提高，以機器人為平臺的創新教學活動日益增多［1］。隨著機器人應用領域的拓展，需研制能適應不同的工作面的機器人。為了探索各種工作面上機器人的行走方式及其實現方法，我校開設了機器人實驗教學活動，期望以此提升學生的創新與實踐能力。

管道作為一種輸送方式，因其便捷性、經濟性在我們生活中占據重要地位。而管道的探查與維修常常需要借助于管道機器人來實現［2］。通過對目前國內外的管道機器人結構特點進行研究分析，本文提出了一種新型的輪腿配合移動式機器人結構，進一步提高了機器人的管徑適應能力。另外，通過搭載各類傳感器，機器人具備多種場合下在管道內探查的功能。該機器人的設計實踐對學生綜合運用知識以及科研能力的培養有重要意義。

1 總體方案設計

管道機器人應具備管內移動、管內探查、障礙物清除等基本功能，因此本管道機器人的系統組成框圖如1所示。

電源和上位機為外置組成部分，而控制系統、行走單元、抓取單元與傳感器均為管內機器人主體的組成部分。為了避免因管道的屏蔽作用而影響機器人的正常工作，本設計采用了拖纜方式進行上下位機通信與運動控制［3］。外置電源為控制系統與其他機身搭載單元供電，上位機為整個系統的控制端，通過網線連接外置PC機和管內機器人，實現對各下位機單元的控制?？刂葡到y的主控芯片選擇含ARM Cortex－M3內核的STM32F207ZG芯片，以實現對機器人各驅動單元的控制與視頻信息的實時采集與傳輸。

圖1 系統組成框圖

2 管道機器人機械結構設計

目前已研制的管道機器人按驅動方式的不同可分為介質壓差驅動、輪式驅動、爬行式驅動、腹壁式驅動、行走式驅動、蠕動式驅動和螺旋式驅動等7種［4］，其中輪式管道機器人的驅動效率最高［5］。為了提高機器人的攀爬能力，本設計采用了頂壁式結構，但其適應的管徑范圍較小。為了在保證輪式管道機器人驅動效率與穩定性的前提下，進一步擴大機器人的管徑適應范圍，本文提出了在機器人輪腿結構中引入一種串聯式雙平行四邊形機構方案。

2.1 機器人機械結構組成及工作原理

輪式頂壁管道機器人的張緊方式主要分為機械自適應性張緊和反饋式電機驅動張緊兩種［6］。本設計中采用了機械結構相對簡單的機械自適應張緊結構，該結構可以根據行走管道管徑的大小自主調節自身徑向尺寸，以適應一定范圍內的不同管徑的管道。本設計中機器人整體采用多節串聯式結構，頭部單元節的結構簡圖如圖2所示。

圖2 機器人單元節結構簡圖

該機器人主要由驅動單元、行走單元、控制單元和抓取單元組成。行走單元即為機器人的“輪腿”，該結構中引入雙平行四邊形機構，增大了機器人的管徑適應范圍。其張緊原理是依靠轉動關節處扭簧的張力，使主從動輪壓緊管壁，產生相互作用力而實現張緊。

控制單元接受上位機發來的指令，并根據指令的不同產生對應的信號，控制驅動單元與抓取單元執行相應動作。

每個驅動單元電機的驅動力經由一對錐齒輪換向后輸出，由控制單元輸出的方向信號和PWM波控制主動輪以相應的速度沿管壁前進或后退［7］。

抓取單元的機械手具有2個自由度，可以到達直徑為250mm以下管道的任意位置，通過旋轉、擺臂和夾取等動作實現管內障礙物清除。

管道機器人實驗樣機見圖3。

圖3 實驗樣機實物圖

2.2 行走單元結構設計及工作原理

本管徑機器人要求能適應管徑范圍為150～300 mm，且具備較強的過彎能力與攀爬能力。針對以上要求，本文在傳統平行四邊形機構的基礎上提出了一種串聯式的雙平行四邊形機構方案，通過對變化量的累計來滿足變徑范圍的要求，其結構簡圖如圖4所示。

圖4 行走單元結構簡圖

機器人進入管道前，先根據具體管徑的大小調節限位齒的位置，以確定下平行四邊形的位置。進入管道后，管壁與主從動輪發生擠壓，而關節1處布置有扭簧，擠壓力F使上平行四邊形發生一定程度的折疊，關節處扭簧產生反作用力以達到平衡，從而實現機器人在管內張緊。

為了確保能將機器人在不同管徑管道內的張緊力控制在一定范圍內，并避免發生“卡死”或“打滑”現象，行走單元中采用限位齒結構將可變徑范圍均分為3段。通過只依靠上平行四邊發生折疊產生一定范圍的作用力，來控制管內機器人張緊力的大小。圖5為行走單元的3段變徑示意圖。

圖5 三段變徑示意圖

機器人行走單元結構采用串聯式雙平行四邊形機構和三段式可控變徑方式，通過段間離散、總體連續的方式，既滿足了大變徑范圍的要求，又保證了機器人運動過程中的穩定性。

3 機器人控制系統設計

本機器人的控制系統主要分為2個部分：上位機人機交互界面部分和下位機軟硬件部分。兩者通過TCP／IP協議進行通信［8］。控制系統結構組成見圖6。

圖6 控制系統結構組成

上位機部分，本設計結合了MFC和OPENCV庫函數在Visual Studio 2010平臺上實現了機器人的運動控制與現場視頻實時顯示功能［9］。下位機部分，STM32F207ZG（圖6中記為STM32）主控模塊、視頻緩沖器、視頻采集模塊、以太網模塊和I／O接口共同組成了硬件平臺，另外采用LWIP協議和FreeRTOS，實現了系統更好更快地響應。

3.1 上位機人機交互界面設計

本設計中上位機控制系統是基于Visual Studio 2010開放平臺與OpenCV庫函數進行設計的。由于開放平臺自帶的MFC具有大量的API（應用開發接口），能夠提高軟件編寫效率，因此本設計采用了MFC進行用戶界面的開發。另外，將OpenCV庫加入到系統之中，實現了圖像顯示功能，并為后續的圖像處理提供了開發接口［10］。

本設計中首先通過新建一個包含了 Win Socket的MFC應用程序，建立好開發界面，然后進行底層程序的編寫。

完成了軟件的基本框架后，為了實現機器人的運動控制與視頻顯示功能，本設計中采用以下流程進行程序設計，具體流程如圖7所示。

圖7 上位機軟件設計流程圖

上述流程中程序設計的關鍵在于圖像顯示方面。首先要先新建一個具有8位分辨率與3通道的IplImage的數據類型，然后將從下位機接收到的RGB圖像數據依次存儲到三通道數據之中，最后借助于OpenCV庫中的ShowImage函數來實現采集圖像信息的顯示。最終控制界面見圖8。

3.2 下位機軟硬件系統設計

在下位機軟件設計方面，首先需要編寫攝像頭、SRAM和以太網的驅動程序，并對其進行初始化，然后等待上位機的連接；連接成功后，下位機不斷地向上位機發送圖像信息，同時接收不同的控制指令，并執行不同的動作。

圖8 上位機控制界面

下位機運動控制程序中采用PID控制算法，以便對電機進行快速精確地控制［11－12］。另外，加入了FreeRTOS操作系統，使系統更加穩定和高效，也為后續進一步開發預留出更多的接口。

下位機硬件主要包括主控模塊和功能模塊兩大部分。主控模塊部分主要包括一個核心控制系統和外部靜態存儲器SRAM。功能模塊主要包含以太網模塊、PWM波輸出模、圖像采集模塊以及其他傳感模塊。

主控模塊作為整個機器人控制系統的核心，決定了整個系統的效率和性能。本設計中采用了具有ARM Cortex－M3內核的32位CPU控制芯片STM32F207ZG作為主控芯片，并通過外擴SRAM后與攝像頭、以太網接口連接，實現視頻信息與控制信息的雙向傳輸，其電路連接見圖9。

圖9 主控模塊電路連接圖

功能模塊是根據用戶的需求進行添加的，機器人搭載的傳感器越多功能模塊也就越多。本設計中除了用來實現運動控制的PWM波輸出模塊外，比較關鍵的就是圖像采集模塊與以太網模塊。

圖像采集模塊中，本設計采用OV7670芯片作為攝像頭傳感器，傳輸速度為30幀／秒，輸出最高圖像質量為VGA（640像素×480像素）格式的視頻。另外，它與STM32F207ZG的接口確定，可大大縮短程序開發周期。其電路原理圖見圖10。

圖10 圖像采集模塊原理圖

以太網模塊方面，考慮到STM32F207ZG芯片具有支持 MII／RMII方式的以太網接口，而且DP83848C芯片同時也支持 MII和RMII［13］，因此本設計選擇DP83848CW芯片來搭建以太網模塊電路。為了節省更多的I／O引腳去輸出PWM波，本設計中選擇了RMII模式。以太網模塊的電路原理圖見圖11。

圖11 以太網模塊電路原理圖

4 結束語

通過對管道等環形工作面上機器人的行走方式及其結構進行探究，對目前存在的輪腿式機械自適應型管道機器人的行走單元結構進行了改進，設計了一種新型的輪腿式管道機器人，在保證機器人穩定性和張緊力的前提下，進一步增大了管道機器人的管徑適應范圍。實驗樣機在實際管道環境下具有良好的攀爬能力且轉彎靈活，通過上位機的控制界面可以流暢地觀測到管內情況，且能方便地對機器人進行控制，很好地達到了預期效果。

教學效果證明，借助該機器人教學實踐平臺，可對各工作面上的機器人技術進行研究與探索活動，大大地激發了學生的創造熱情，學生的動手能力與創新能力得到進一步提高，這對后續的機器人技術教學活動以及大學生科技創新實踐活動或競賽都大有裨益。

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