面向地下管道的四向行走智能機器人系統*

周衛元， 方 飛， 陳立建， 毛科技， 夏 明

(1.浙江廣播電視大學 蕭山學院，浙江 杭州 311200；2.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310032)

面向地下管道的四向行走智能機器人系統*

周衛元1， 方 飛2， 陳立建1， 毛科技2， 夏 明2

(1.浙江廣播電視大學 蕭山學院，浙江 杭州 311200；2.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310032)

為了減小地下管道作業人員傷亡，降低城市地下管道維護的成本，研制開發了一種面向地下管道的四向行走智能機器人系統，詳細描述了機器人的硬件設計和控制軟件設計。機器人控制系統采用ARM—CORTEX芯片作為主控芯片，由于地下管道的特殊性采用有線通信方式，上位機控制軟件簡潔易操作。測試結果表明：機器人工作性能良好，能夠適應不同管徑的地下管道，同時具有防水防塵等特性，研究具有一定參考價值。

管道機器人； 地下管道； 硬件結構； 機器人控制系統； 軟件設計

0 引 言

城市地下管道具備電、熱、水系統的運送和排污等功能，是城市生存和發展所依賴的主要基礎設施[1]。目前，地下管道的清管和管道檢測主要依賴于污水流量或施工人員的工作，不僅效率低下且惡劣的環境對人體有害[2,3]；因此，研究開發一種能夠完成地下管道清洗和檢測的管道機器人，既是建設現代化文明城市的需要，也是加強環境保護的需要。

為了減小工作人員傷亡同時也能夠降低城市地下管道維護的成本，眾多管道機器人應運而生[4～13]。如國外的Versatrax150探索機器人，采用模塊化的設計，同時配有遠端內部管道檢測系統，能夠適應不同管徑管道,然而該機器人機體過于復雜，成本較高，而且僅有偵查功能，無法清掃并且僅有前、后兩個行走方向。韓國的TS-ROBOCAM檢測爬行器操作簡易，具有很強的偵測能力，但該管道機器人采用輪式行走方式，在潮濕及復雜環境，可能出現打滑現象，而影響工程作業。同時，上述管道機器人的控制均需通過特制的控制箱或者控制盒，限制了管道機器人的使用場景且不利于攜帶。

針對上述情況，本文研制了一種適用于地下管道工程作業的智能機器人，并詳細敘述了其總體結構和控制系統，最終，對機器人的性能進行了實驗測試。

1 機器人硬件結構

研制的管道機器人能夠通過攝像頭采集現場圖像，通過氣體傳感器采集管道內相應氣體數據，并將所有數據通過以太網傳輸至遠端控制系統，控制系統監測管道環境，同時控制機器人的行走、機械臂的操作，實現人力替代。機器人硬件系統如圖1所示，主要由行走機構、機械臂機構、清潔機構、控制機構以及感知機構5大模塊組成。

1.1 行走機構

行走機構包括由3 mm厚不銹鋼打造的機器人機身、滾輪組件以及包覆在滾輪組件外部且安置在機身兩側的不銹鋼防水履帶。機身內部安裝有2個參數為12 V/15 W，120 r/min的行走驅動電機帶動履帶轉動，通過控制電機的正、反轉實現管道機器人的左轉、右轉以及原地轉向；通過控制電機的脈沖寬度調制(PWM)調節行走電機的速度控制機器人的行進速度。高功率的電機以及履帶式行走方式使得機器人能夠在環境惡劣的地下管道中穿梭自如，并且具有極強的越障能力。另外，機器人的履帶通過U型支架與機器人機身連接，使得履帶能夠變換不同的角度以適應不同管徑的管道。

圖1 機器人硬件結構

1.2 機械臂機構

機械臂機構安裝于機器人機身上部，包括1個三自由度機械臂；3個參數為12 V/8 W，30 r/min的蝸桿電機，用于控制機械臂前伸后縮以及左右擺動；2個180°舵機控制清潔機的轉動與清潔工具的切換。三自由度機械臂組件為四連桿結構，包括第一機械臂、第二機械臂、第一連桿和第二連桿，其中，第一機械臂的底部與第二蝸桿電機的輸出軸連接，第二機械臂的后端與第一機械臂的上端鉸接，第二機械臂的前端配有用于安裝清潔機構的第一舵機；第一連桿的一端與所述的第一機械臂的底部鉸接，第一連桿的另一端與第二連桿的一端鉸接，第二連桿的另一端與安裝在第二機械臂后端的第二舵機鉸接；舵機及電機的控制端與主控模塊的舵機及電機控制端口相連，實現三自由度機械臂組件不同方向的運動。

1.3 清潔機構

清潔機構包括殼體、第三蝸桿電機、清潔毛刷、機械爪和第四舵機，通過第二舵機安裝在第二機械臂前端。清潔毛刷與第三蝸桿電機的輸出軸連接，機械爪通過第四舵機安裝在所述的殼體另一端。當控制第二舵機時，能夠實現清潔毛刷與機械爪之間的切換，配合完成各項作業任務。

1.4 控制機構

控制機構包括主控模塊、與主控模塊相連的數據傳輸模塊、用于發送用戶操作指令的上位機控制模塊、與主控模塊相連的電機驅動控制模塊等。

1)主控模塊為基于STM32F103ZET6芯片的嵌入式控制主板[14]，用于解析上位機控制模塊的控制指令，并驅動機器人各模塊協同工作。

2)數據傳輸模塊包括型號為MT7620N的智能路由芯片，可以同時提供無線(WiFi)、有線(以太網)2種數據傳輸方式與上位機控制模塊進行通信(由于地下管道對無線信號屏蔽嚴重，因此，本文采用有線方式對數據進行傳輸，但同時也保留了無線傳輸接口)，用于傳輸主控模塊與上位機控制模塊之間的通信數據。

3)上位機控制模塊為便攜式計算機或者智能移動終端，用于向用戶提供一個可視化的機器人操作界面，同時將攝像頭采集到的圖像數據、傳感器數據、機器人狀態等信息通過可視化界面展現出來。并且，用戶可以通過該模塊向機器人發送指令，控制機器人的行為。

4)電機驅動控制模塊包括單片機或DSP嵌入式電機控制芯片，用于驅動機器人各部分電機，如行走模塊的直流電機、機械臂的伺服電機等。

此外，控制機構還設有保護裝置(限位開關機紅外傳感器)。限位開關安裝于機器人機身，限制機械臂的最大活動范圍；而紅外傳感器能夠探測傳感器前方障礙物，防止撞擊對機器人帶來的損傷。

1.5 感知機構

感知模塊包括危險氣體傳感器、第一紅外傳感器、360°旋轉式攝像頭以及LED照明燈。機身裝有攝像頭、氣體(甲烷、硫化氫、一氧化碳)傳感器、第一紅外傳感器以及LED照明燈，其中攝像頭通過360°舵機安裝在機身上方，實現攝像頭360°旋轉，并將圖像信號通過以太網實時傳輸至上位機控制模塊； LED照明燈設置于機身外圍，用于探測管道內環境，為操作人員提供更廣闊的視野，方便操作。

2 機器人控制系統及軟件設計

設計的管道機器人控制系統采用上位機和下位機2級分布式控制，主要用于控制機器人實現不同的行進方向、行進速度、攝像頭朝向、機械臂的伸縮以及完成相應的清潔去障等簡易工作，同時將機器人所采集的實時影像數據以及傳感器數據上傳至上位機控制系統，為工程作業人員操作機器人提供參考。

圖2 控制系統整體模塊

管道機器人控制系統的整體架構如圖2所示。機器人控制系統的總體結構如圖3所示，其中虛線框內即為下位機部分。上位機通過控制軟件經由以太網向下位機發送控制指令，數據傳輸模塊接收到上位機的數據后，通過RS—232串口將指令傳輸至機器人主控板[16]。指令數據經由下位機程序解析后，控制執行相對應的管道機器人行為。同時，機器人相應的傳感器數據經由RS—232串口發送至數據傳輸模塊，傳感器數據以及攝像頭采集的圖像數據通過以太網實時發送至上位機控制系統。

圖3 機器人控制系統總體結構

當指令數據傳輸至主控板時，下位機程序的控制流程如圖4所示。主要由2個中斷程序組成。其中串口中斷用于判斷接收上位機發送的數據包，定時器中斷則定時采集傳感器數據并進行A/D轉換，再經由低通濾波處理后通過串口以及數據傳輸模塊上傳至上位機。

圖4 下位機控制流程

上位機控制軟件采用C#語言編寫，使用TCP/IP協議，與下位機之間通過建立Socket套接字進行數據傳輸。控制系統界面如圖5所示，界面簡潔易操作。

機器人控制系統的整體使用流程如下：

1)啟動供電模塊為整個系統供電，機器人自動將機械臂、清潔毛刷、機械爪等復位。同時上位機控制模塊啟動、初始化，并選擇線或者無線方式與機器人建立連接。

2)用戶在上位機控制模塊選擇不同的操作，如控制機器人前進后退轉向、開閉攝像頭、機械臂前伸、啟動清潔毛刷、開閉機械爪等，上位機控制模塊通過以太網或者無線WiFi將控制指令發送至數據傳輸模塊，數據傳輸模塊再經由RS—232串口送至主控模塊。

3)主控模塊根據通信協議對所收到的控制指令進行解析，進而執行相應的操作。例如，用戶在上位機控制模塊控制機器人前進，主控模塊收到對應指令并解析后，通過電機驅動控制模塊控制相應行走模塊中的直流電機正轉，從而實現機器人前進動作。在這個過程中，如果保護模塊檢測到機器臂活動幅度過大或者檢測到一定距離內出現障礙物，或感知模塊中的危險氣體傳感器檢測到危險氣體濃度過高時，機器人將停止運行，并給出相應警示信息。

圖5 上位機控制系統界面

3 樣機測試與實驗

管道機器人的樣機如圖6所示，主要性能如下所示：機器人質量約14 kg；行走速度可達10 m/s；電池續航時間可達60 min；地下管道內有線通信距離可達80 m；機身整體采用IP68防水防塵標準；并且采用履帶可四向行走。

圖6 管道機器人樣機

4 結 論

設計了一種面向地下管道的四向行走智能機器人。該機器人可前、后、左、右行走，可用于轉彎、復雜管道及狹隘空間。機器人上方裝有多模塊的三自由度機械手臂，其清潔機構設計了可切換功能，能夠自由切換清潔毛刷和機械爪，以進行管道清潔、異物移除等工作；機器人后方裝有氣體傳感器，用于監測管道內氣體的主要成分；可調節的不銹鋼履帶，使得其能夠適應不同直徑的管道；不依賴特制的機器人控制箱，能夠在任意便攜式筆記本電腦或者智能移動終端上通過有線或者無線的方式對機器人進行實時的操作控制，抗干擾性強、應用范圍廣；管道機器人的狀態、攝像頭的圖像以及傳感器數據能夠在上位機操作模塊中實時顯示，配合上位機操作模塊中的控制軟件，操作簡便、直觀；保護模塊能夠有效保證機器人自身的安全。因此，該機器人具有較好的穩定性與較高的實用性。

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Four directions walking intelligent robot system for underground pipeline*

ZHOU Wei-yuan1, FANG Fei2, CHEN Li-jian1, MAO Ke-ji2,XIA Ming2

(1.College of Xiaoshan,Zhejiang Radio and Television University,Hangzhou 311200,China; 2.College of Computer Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China)

In order to reduce the casualties in underground pipe operations and lower the cost of urban underground pipeline maintenance,develop an intelligent robot system which can replace human to accomplish underground pipe operations.design of hardware and control software of the robot is described.The robot control system uses an ARM-CORTEX chip as the master control chip.The robot adopts wired communications due to the particularity of the underground pipeline environment，software of upper PC control is simple and easy for operation.All the experimental results suggest that the robot performs well in real environment;it adapts to different underground pipes with different diameter and meets the standards of the waterproof and dustproof.It has certain reference value for study of in-pipe robot.

in-pipe robot; underground pipes; hardware structure; robot control system; software design

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0073—04

2017—06—27

國家自然科學基金資助項目(61401397)； 浙江省高校訪問學者項目(FX2016053)

TP 242

A

1000—9787(2017)09—0073—04

周衛元(1970-)，男，碩士，講師,主要研究方向為機電工程，智能機器人。

夏 明(1981-)，男，通訊作者，博士，副教授，研究方向為無線傳感器網絡，E—mail:maokeji@zjut.edu.cn。