管外爬行機(jī)器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈朝川，楊 婷，符茂勝

（1.皖西學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 六安237012；2.皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012）

管道爬行機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)主要的研究方向，它分為內(nèi)管道和外管道機(jī)器人，內(nèi)管道機(jī)器人研究較為成熟，而對(duì)外管道機(jī)器人的研究還相對(duì)較少，外管道機(jī)器人主要是針對(duì)纜索、電纜、電線桿、自來(lái)水管道、輸油管道、輸氣管道、輸暖管道等圓形管道進(jìn)行作業(yè)。其中，大多數(shù)管道中都含有高溫、高壓、有毒、有輻射的流體物質(zhì)，如果發(fā)生管道裂紋或者斷裂，管內(nèi)有害物質(zhì)泄漏將會(huì)給人們的性命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大的損失，因此，對(duì)管道進(jìn)行定期的檢測(cè)和保養(yǎng)必不可少［1］。若僅僅靠人工方法對(duì)其進(jìn)行作業(yè)，不僅耗費(fèi)人力和物力，而且效率也比較低，況且許多場(chǎng)合根本無(wú)法容納人工作業(yè)，此類情況下，管外爬行機(jī)器人就能充分發(fā)揮出它的優(yōu)越性和實(shí)用性。本文針對(duì)圓形管道給出了管外爬行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的模型。

1 管外爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)管道的形狀，有些管道并非都是豎直，有些是交叉狀等特點(diǎn)。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可能需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或者旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。根據(jù)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)出的管外爬行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一共分為前后兩節(jié)，每一節(jié)都是有一個(gè)車(chē)體、兩個(gè)自由滾輪支架、兩個(gè)行走滾輪、兩個(gè)行走滾輪舵機(jī)、一個(gè)電機(jī)螺桿和一個(gè)翻轉(zhuǎn)電機(jī)組成，行走滾輪的安裝方位與管道的方位設(shè)置成空間45°的夾角。該管外爬行機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的動(dòng)作：①調(diào)節(jié)行走滾輪舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，使爬管機(jī)器人沿著管道前進(jìn)或者后退；②調(diào)節(jié)行走滾輪舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，使該機(jī)器人在管道上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；③在與電機(jī)螺桿連接的直線電機(jī)和關(guān)節(jié)間的翻轉(zhuǎn)電機(jī)的配合下，實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊和松開(kāi)，以及前后車(chē)體的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)圖二維示意圖如圖1所示。

圖1 爬管機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)二維示意圖

2 管外爬行機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，機(jī)器人的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是由直流電機(jī)和舵機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)主要由電源模塊；主控制器模塊；通信模塊；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；信號(hào)反饋模塊等組成［2］，硬件控制系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

圖2 硬件控制系統(tǒng)的整體框圖

2.1 電源模塊

電源是整個(gè)控制系統(tǒng)賴以正常工作的基礎(chǔ)，硬件控制系統(tǒng)以c8051f020為核心器件。核心MCU和各個(gè)模塊需要提供的電源型號(hào)是不一樣的，在電路中需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換電路。電路中需要的電源型號(hào)有舵機(jī)12V、直流電機(jī)5V和控制芯片3.3V等3種類型。可以通過(guò)12V的穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電，通過(guò)LM7805、LM1117分別將12V轉(zhuǎn)換為5V，5V轉(zhuǎn)換為3.3V。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.2 信號(hào)反饋模塊

管道機(jī)器人作業(yè)的管道一般都是垂直、傾斜、交叉等形狀，機(jī)器人想在管外進(jìn)行作業(yè)，勢(shì)必就需要固定在管道外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就包含有固定機(jī)構(gòu)，它是由一個(gè)直流電機(jī)通過(guò)螺桿帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的固定。但是，在夾緊的力度方面，如果不加以控制，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)度，損壞電機(jī)或者夾緊機(jī)構(gòu)。因此，在控制系統(tǒng)中，采用壓力傳感器檢測(cè)夾緊機(jī)構(gòu)與管道之間的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)控制，這樣可以有效的緩解因電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)度所產(chǎn)生的危害。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，壓力轉(zhuǎn)化的摩擦力將平衡與機(jī)器人本身的重力，從而就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡［3］。系統(tǒng)中采用的壓力傳感器型號(hào)為 MPS1200，測(cè)量范圍在-100～1 000KPa。輸出0.5～4.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓。c8051f020內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)采集所需的ADC和DAC，其中ADC有2個(gè)，一個(gè)是8路12位逐次逼近型ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100ksps，可編程增益為：0.5、1、2、4、8或16；另一路是8路8位 ADC，可編程轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500ksps，可編程增益為0.5、1、2、4。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器信號(hào)的采集。壓力傳感器有3個(gè)接線端子，分別是電源VIN，數(shù)據(jù)輸出端OUT和接地端GND。

2.3 通信模塊

系統(tǒng)中舵機(jī)采用的是485總線控制方式，由于主控器c8051f020內(nèi)部具有2路UART通信模塊，故控制器與舵機(jī)的通信需要采用max232轉(zhuǎn)max485轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)［4］，轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示。

2.4 主控制器模塊

主控制器是信息處理的中心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類型指令的處理；壓力傳感器信號(hào)和無(wú)線發(fā)送器信號(hào)。通過(guò)對(duì)以上信號(hào)的處理，產(chǎn)生兩種控制信號(hào)：舵機(jī)控制信號(hào)和直流電機(jī)PWM控制信號(hào)［5］。由于舵機(jī)的控制信號(hào)是通過(guò)max485總線方式發(fā)送給各個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，舵機(jī)反饋的位置等信息通過(guò)max485總線返回到MCU，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制舵機(jī)，舵機(jī)控制信號(hào)及反饋信號(hào)格式如表1所示。PWM信號(hào)是占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。整個(gè)系統(tǒng)的硬件原理圖如圖5所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

圖4 max232轉(zhuǎn)max485原理圖

表1 舵機(jī)控制指令和反饋信號(hào)格式

圖5 主控制器硬件原理圖

讀指令格式說(shuō)明：FF，F(xiàn)F是數(shù)據(jù)包開(kāi)始標(biāo)志；01是舵機(jī)的ID號(hào)為1；04是ID號(hào)后的參數(shù)個(gè)數(shù)為4個(gè)；02表示是讀操作指令；2B是指讀數(shù)據(jù)的起始地址為0x2B；01表示的是讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為1個(gè)；CC為校驗(yàn)碼是對(duì)開(kāi)始標(biāo)志后面的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和再取反所得結(jié)果。反饋信號(hào)格式說(shuō)明：FF，F(xiàn)F也是數(shù)據(jù)包開(kāi)始標(biāo)志；01是舵機(jī)的ID號(hào)為1；03是后面參數(shù)的個(gè)數(shù)為3個(gè)；00表示讀取的數(shù)據(jù)狀態(tài)為無(wú)錯(cuò)誤；20是讀取的數(shù)據(jù)，DB為校驗(yàn)碼。寫(xiě)指令操作與讀指令操作格式是統(tǒng)一的［6］。在程序中可以通過(guò)讀取或者寫(xiě)入舵機(jī)內(nèi)部特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)位置、速度、加速度等參數(shù)的設(shè)置。

3 管外爬行機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，初始化各個(gè)參數(shù)，如設(shè)置舵機(jī)ID號(hào)、通信波特率、中斷方式、I／O口輸入輸出功能寄存器配置等，然后進(jìn)入等待狀態(tài)，等待控制端發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)，判斷是何種控制指令，如果是直流電機(jī)控制指令，就是驅(qū)動(dòng)加緊機(jī)構(gòu)夾緊管道，在直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，采用中斷方式不斷采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，停止直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明夾緊機(jī)構(gòu)已經(jīng)夾緊管道，此時(shí)，返回等待接收控制指令；如果為舵機(jī)控制指令，然后，檢測(cè)壓力傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否滿足壓力，如果滿足則根據(jù)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)形式驅(qū)動(dòng)不同舵機(jī)完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，如前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，返回等待下一步操作指令，如果不滿足則輸出控制直流電機(jī)，帶動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊管道；如果為停止指令，則禁止所有電機(jī)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人停止在當(dāng)前位置等待控制指令。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 軟件控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)設(shè)計(jì)的爬管機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑分別為8cm和10cm粗糙的鋼質(zhì)密封管，測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的可行性及實(shí)用性。該爬行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在水平、垂直和帶有十字交叉的管道外爬行，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平滑性有待于進(jìn)一步提高。該機(jī)器人可以為各種工業(yè)管道、民用管道、大橋斜拉索、電纜等圓柱形體的質(zhì)量檢測(cè)、維護(hù)修復(fù)等作業(yè)提供一種新型的管外行走裝置。

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