蜘蛛型風力發電機檢測儀的腿部控制方式研究

李躍 盧奭瑄 周銳

摘要：針對蜘蛛型風力發電機葉片檢測儀（以下簡稱檢測儀）的行走方式，根據風力發電機葉片的實際狀況，以及檢測儀的行走需要，基于蜘蛛仿生學，提出了一種蜘蛛肢體演化的方法，采用多自由度的控制方案。檢測儀以ARM為控制核心，將六條腿分成兩組，每條腿有三個自由度，共18個自由度，分成三種運動方式，并通過實驗對該方案進行驗證。方案能夠有效地完成檢測儀的各種行走方式，為檢測儀的行走方式提出了一種新方法。

關鍵詞：檢測儀；行走；仿生；自由度

風機葉片是風力發電機的重要組成部分。風力發電機一般安裝在偏遠地區，葉片容易受環境影響而受損，因此需要定期檢測和維護。對風機葉片的定期檢測可對風機總體運行狀況進行合理的判斷，對一些問題可以及時進行處理，并對風機的使用壽命進行預測，制定發電計劃。

爬壁機器人是特種機器人的一種，可以在一定高度且具有一定光滑度的壁面上進行移動，它的出現改善了操作人員的工作環境。爬壁機器人具有廣泛的應用前景，但因其工作環境的特殊，仍有許多的關鍵性技術需要解決，例如吸附技術、移動技術等。因此它已經成為國內外機器人學者的研究熱點之一文獻。[13]

1系統模型描述

根據蜘蛛的行走特性，以及檢測儀的行走需要，檢測儀有六條機械腿，把六條機械腿分成兩組，每側的前后兩條腿及另一側的中腿為一組，并對檢測儀的腿部進行簡化，每個腿具有三個自由度，檢測儀的行進與轉彎通過擺腿完成，一組腿抬起，另外一組腿落下。假設檢測儀的任意時刻處在支撐相的腿的條數為n，此時檢測儀由n個并聯機構組成，其自由度計算如下：

其中：——運動副數目，；——第i個運動副所具有的自由度數目，，，——獨立封閉環的數目，；第i個獨立的封閉環所具有的封閉約束條件數目，；——消極的自由度數目，；——局部的自由度數目，；——重復的自由度數目，。

把上述參數代入式子，可得

由計算可得知，無論檢測儀采用何種步態，檢測儀均可以需要的姿態達到任意位置。

分析蜘蛛的一條腿可以得出，蜘蛛的運動方式與蜘蛛肢體各個關節的傾斜角度有關。本文對蜘蛛的腿部結構進行了簡化以適應檢測儀的移動，雖然精簡了腿部結構，但一樣可以完成移動的任務。每條機械腿具有三個關節，各關節皆由舵機驅動。舵機將電機、減速箱、驅動反饋電路板集成，控制簡便，具有較大靈活度。通過對各關節上的步進電機進行控制，完成檢測儀爬行和轉彎功能。在結構上保證了檢測儀可以更有效地模擬蜘蛛的行走方式，完成較為復雜的運動。為了減輕整個機械結構的重量，在滿足檢測儀腿部結構強度的前提下，對腿的股節和脛節進行了優化處理。足作為檢測儀與地面接觸的部分，由裝在踝關節上的電機控制其運動。在吸盤的作用下能有效在葉片上進行行走。

檢測儀以ARM為控制核心，AT89C51為驅動器，跟關節，膝關節，踝關節每次運動時這三個關節相互不產生影響，所以又把18個關節驅動器分為3組，其中膝關節，踝關節的運動方式除加速減速時幾乎不變，只要給固定的脈沖就可以，跟關節涉及到檢測儀的前進與轉彎，所以有兩種形態。

對于檢測儀來說，行走是最為重要的一部分，我們對蜘蛛的腿部進行了演化，演化成為檢測儀的腿部，將檢測儀的六條腿分成兩組，一組腿抬起，另一組腿落下，完成檢測儀的行進與轉彎，每條腿共有三個關節，其中跟關節與膝關節負責行進與轉彎，踝關節負責控制吸盤的吸附，因為每條腿的運行方式在機器人的行進中幾乎相同，所以一條腿的研究也可以適應其他腿部，每條腿分成兩種運行方式，即前進與轉彎，膝關節負責腿部的抬起與落下，跟關節負責旋轉一定的幅度使檢測儀行進。

行走系統主要采用AT89C51單片機來控制步進電機完成行走，因為步進電機可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量，從而達到對檢測儀行進的精確控制，還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，進而控制檢測儀的速度。混合式步進電機的基本步距角為1.8°/步，必要時可加裝半步驅動器，步距角將減少為0.9°。AT89C51單片機能穩定的控制輸出脈沖，對步進電機進行良好的控制。

對檢測儀的行進方式進行分析可以得出，在直線行進時，只要知道一條腿的前進步數，在轉彎時知道兩條腿的行走步數，經過公式的計算就可以精確地得出檢測儀的行動位置，能對檢測儀進行定位。

2軟件設計及運動軌跡

使用Proteus進行了仿真實驗。Proteus具有良好的仿真性能，能直觀的對硬件原理圖進行調試，評估硬件設計電路的正確性，且其資源豐富，能有效的完成仿真實驗。

檢測儀在移動時，通過控制步進電機脈沖的個數以及脈沖頻率來控制檢測儀的前進，后退，加速，減速。在轉彎時，通過左右側機械腿的脈沖個數不同來控制檢測儀的左右轉彎。通過仿真實驗證明本方法可以有效的控制機器人的行走，完成機器人的各項行走功能。

3總結

本文以蜘蛛腿部為仿真原型，設計并研制了蜘蛛型風機葉片檢測儀的機械腿。對檢測儀的腿部的運動學和運動力學進行了分析，并通過仿真與實驗，對檢測儀的運動性能，及運動過程的穩定性進行了驗證，證明該機械腿構造合理，能夠根據檢測任務的要求，合理規劃出步態，完成檢測儀的行走任務，為檢測儀的移動方式給出了一種合理的方案。

參考文獻：

[1]李志海，等.四輪驅動滑動吸盤爬壁機器人的動力學研究李志海[J].機器人，2010，32.601607.

[2]田興華，等.四足仿生機器人混聯腿構型設計及比較[J].機械工程學報，2013，49.8188

[3]呂鑫，等.一種爬壁機器人的吸附機構分析和設計[J].液壓與氣動，2012，9.4649.

作者簡介：李躍（1995），男，漢族，遼寧朝陽人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。