爬壁機(jī)器人吸盤傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁浩浩 ，張聯(lián)盟

(1.廣西工學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，廣西 柳州545006;2.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，武漢430070;3.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640)

爬壁機(jī)器人是可以在垂直壁面或者斜面上靈活移動(dòng)，代替人工在極限條件下完成多種作業(yè)任務(wù)的自動(dòng)化機(jī)器人［1］。它與各種傳感器技術(shù)相結(jié)合，使機(jī)器人具有一定的自主探測(cè)能力。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)控制，自我調(diào)節(jié)，具有自主攀爬能力，是爬壁移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。爬壁機(jī)器人按照吸附方式可分為真空吸附機(jī)器人和磁吸附機(jī)器人兩種［2］。真空吸盤則是真空吸附式爬壁機(jī)器人的重要組成部分，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的可靠吸附除了對(duì)吸盤吸附力和壁面狀況有要求外還與吸盤與吸附面之間的貼合狀況有關(guān)系。現(xiàn)有爬壁機(jī)器人通過(guò)在吸盤上安裝接觸傳感器［3－6］來(lái)探測(cè)吸盤和吸附面的接觸狀況，這些需要吸盤接觸到吸附面產(chǎn)生信號(hào)后才能判斷調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)使吸盤與吸附面緊密貼合，需進(jìn)行多次試探［7］，沒有實(shí)現(xiàn)在接近過(guò)程中對(duì)各關(guān)節(jié)的調(diào)整，因而會(huì)產(chǎn)生一定的冗余動(dòng)作。超聲波測(cè)距是一種非接觸式檢測(cè)方式［8］，本文采用一種非接觸式三角布局的超聲波測(cè)距模塊對(duì)吸盤與吸附面的姿態(tài)進(jìn)行探測(cè)，在測(cè)量出吸盤和吸附面之間的距離、傾角等吸盤位姿信號(hào)后根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)即可算出各關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)量，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整來(lái)使吸盤與吸附面緊密貼合，具有快速性、實(shí)時(shí)性并且無(wú)冗余動(dòng)作的特點(diǎn)。

1 吸盤上傳感系統(tǒng)

在吸盤上安裝各種傳感器，通過(guò)對(duì)各信號(hào)的采集分析及時(shí)調(diào)整吸盤姿態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤的可靠吸附。機(jī)器人結(jié)構(gòu)［9－10］和吸盤上傳感器布置如圖1所示，吸盤組是由三個(gè)小吸盤組成，三個(gè)超聲波傳感器分別布置在A、B、C三處，用來(lái)測(cè)量吸盤與吸附面之間的距離和吸盤與吸附面之間的夾角，用來(lái)控制調(diào)節(jié)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量。E處的氣壓傳感器用來(lái)測(cè)量吸盤內(nèi)部氣壓，檢測(cè)吸盤內(nèi)部的真空度，保障吸盤可靠吸附。D為傾角傳感器，配合超聲波測(cè)距傳感器可以實(shí)現(xiàn)任意角度的斜面過(guò)渡。各信號(hào)的主控電路和傳感器的降壓、AD轉(zhuǎn)換、濾波、和真空泵電磁閥驅(qū)動(dòng)等電路都集成在吸盤上，方便信號(hào)采集和控制。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)和吸盤傳感器布局圖

2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性，使用兩塊C8051F040單片機(jī)分別安裝在兩個(gè)吸盤足部，對(duì)各傳感器信號(hào)進(jìn)行采集處理，根據(jù)上位PC下傳的控制命令，通過(guò)UART方式將信號(hào)回傳給PC，PC根據(jù)傳來(lái)的信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，然后進(jìn)一步下達(dá)控制命令。C8051F040單片機(jī)主頻為24MHz，帶有4通道12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，硬件實(shí)現(xiàn)的I2C和兩個(gè)UART串行接口，工作電壓為2.7 V～3.6 V。傳感系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 傳感系統(tǒng)模塊

2.1 超聲波測(cè)距傳感器

超聲波測(cè)距傳感器采用正三角布局不僅可以檢測(cè)吸盤與吸附面之間的距離而且通過(guò)計(jì)算還可以得出吸盤與吸附面之間的夾角，這樣就可以得出吸盤在將要吸附的點(diǎn)的位置和姿態(tài)，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可求出各個(gè)關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)量。吸盤能可靠吸附的必要條件是各個(gè)吸盤與壁面緊密貼合，不能有任何漏氣。首先要求壁面必須是光滑的;其次，當(dāng)吸盤模塊中的一個(gè)吸盤邊下壓，另外兩個(gè)吸盤緊密貼合壁面時(shí)，如圖3(a)所示，可使吸盤模塊與壁面呈一定夾角α，則吸盤模塊與壁面夾角在0～α以內(nèi)都可以使吸盤可靠吸附。如圖3(b)所示，已知各吸盤腔內(nèi)深度為h=7 mm，半徑 r=125 mm，吸盤模塊半徑 R=130 mm，由此可以計(jì)算出:

圖3 吸盤傾斜吸附示意圖

超聲波測(cè)距傳感器采用URF01－I2C模塊實(shí)時(shí)的測(cè)出距離，根據(jù)距離值則可以計(jì)算出吸盤模塊和壁面之間的夾角，從而可以確定吸盤模塊末端吸附時(shí)的姿態(tài)，來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)使其達(dá)到吸附條件。已知超聲波傳感器組成的三角形邊長(zhǎng)為d，測(cè)出的距離值分別為l1、l2和l3，吸盤和吸附面的夾角為θ，則根據(jù)余弦定理、攝影定理等推導(dǎo)出夾角θ:

由上可知，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出的距離其中之一每變化1 mm，則計(jì)算出來(lái)的角度變化0.3°。也就是說(shuō)超聲波測(cè)距距離差兩兩之間不能大于4 mm，否則θ＞α，吸盤模塊將無(wú)法吸附。所以，吸盤與吸附面接觸判斷條件為:

(1)超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出的距離在46 mm～50 mm(因?yàn)槌暡▊鞲衅鞑贾迷诰辔P底部50 mm處);

(2)θ≤α，即θ不能大于α，否則將無(wú)法吸附;

(3)當(dāng) n=4－θ/0.3(n 四舍五入取整數(shù))，超聲波測(cè)距傳感器測(cè)出的結(jié)果必須有一個(gè)為46+n，其他在46 mm～50 mm之間，以保證傾角較大時(shí)距離兩兩之差不超過(guò)4 mm。

2.2 氣壓傳感器

吸盤與吸附面的接觸狀況最終需要?dú)鈮簜鞲衅鱽?lái)驗(yàn)證，當(dāng)吸盤腔內(nèi)真空度滿足一定條件即可說(shuō)明吸盤與吸附面接觸良好。氣壓傳感器采用Freescale公司的MPX5100來(lái)檢測(cè)吸盤內(nèi)部真空度，是一種壓阻式傳感器，在0℃ ～80℃最大誤差為2.5%，輸出電壓與氣壓呈線性關(guān)系。由于C8051F040單片機(jī)輸入電壓為3 V，MPX5100最大輸出電壓為5 V，所以需要在單片機(jī)與氣壓傳感器之間加一個(gè)用LMV358構(gòu)成的比例運(yùn)算電路來(lái)降壓。使用方法是將氣壓傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波降壓傳給單片機(jī)，用最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，保證信號(hào)采集的精度。在實(shí)際中吸盤內(nèi)部氣壓達(dá)到40 kPa就可以滿足吸附要求，因此當(dāng)吸盤內(nèi)部氣壓能穩(wěn)定的下降到40 kPa以下即可說(shuō)明吸盤與吸附面接觸良好，吸盤能可靠的吸附。氣壓值大于40 kPa時(shí)說(shuō)明未可靠吸附，吸盤與吸附面接觸不良或者吸附面不平整。

2.3 傾角傳感器

采用VTI公司的SCA100T－D02傾角傳感器，配合超聲波測(cè)距傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)任意角度的壁面過(guò)渡和對(duì)吸盤姿態(tài)進(jìn)行輔助測(cè)量。SCA100T－D02是雙軸傾角測(cè)量，測(cè)量范圍為0°～90°，具有高分辨率、低噪聲和抗震性。爬壁機(jī)器人大多數(shù)工作在垂直方向的壁面上，所以傾角傳感器垂直布置在吸盤上方便測(cè)量。此傳感器是電壓輸出型傳感器，為了提高測(cè)量精度采用分段直線擬合［11］的方法。先對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，分別多次測(cè)出 0°、30°、45°、60°、90°的ADC電壓轉(zhuǎn)換值，求取各點(diǎn)平均值;再分別在0°～30°、30°～45°、45°～60°、60°～90°之間采用最小二乘法擬合出一條直線。實(shí)際測(cè)量時(shí)，在相應(yīng)的直線段內(nèi)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正即可得出實(shí)際角度值。此方法在一定程度上提高了測(cè)量精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)有序的運(yùn)行離不開軟件系統(tǒng)。單片機(jī)初始化后等待PC命令，當(dāng)接受到命令后進(jìn)入相應(yīng)的程序段內(nèi)。在采集傳感器信息時(shí)，由于事先對(duì)各傳感器進(jìn)行過(guò)標(biāo)定，所以直接對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。然后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)PC，由于超聲波測(cè)距模塊可以測(cè)出吸附點(diǎn)的位置和姿態(tài)，再配合傾角傳感器，所以PC可計(jì)算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)量，控制機(jī)器人攀爬、壁面過(guò)渡、吸附和判斷障礙物等。單片機(jī)主程序流程圖見圖4。

圖4 主程序流程

串口通信波特率為9 600 bit/s，用來(lái)接收PC傳來(lái)的命令和向PC機(jī)發(fā)送各傳感器采集到的信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

超聲波測(cè)距模塊回波的能量大小受入射角、反射面大小、形狀和材質(zhì)、空氣的濕度和溫度等因素決定［12］，下面對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行分析。

表1 超聲波傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1數(shù)據(jù)說(shuō)明在35 mm～65 mm之間，傾角越小測(cè)出的距離值越準(zhǔn)確，誤差在1 mm以內(nèi);距離越大傾角越大時(shí)測(cè)出的距離值越失真。因此吸盤模塊貼合墻面不可能一步實(shí)現(xiàn)，需要多次測(cè)量逐步逼近。

步驟如下:

(1)測(cè)距得出吸盤與墻面的夾角和距離值，以測(cè)出最短的距離值的1/2算出各關(guān)節(jié)調(diào)整量;

(2)按照關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)量運(yùn)動(dòng)到新的位置;

(3)重復(fù)1，2過(guò)程直至吸盤貼近墻面并符合吸附條件;

(4)吸附并檢查氣壓是否滿足可靠吸附時(shí)的氣壓要求，不滿足時(shí)檢查壁面是否有縫隙或者障礙物。

氣壓傳感器和傾角傳感器的測(cè)試結(jié)果如表2所示，從測(cè)量數(shù)據(jù)可見也能夠滿足系統(tǒng)要求。

表2 氣壓傳感器和傾角傳感器性能指標(biāo)

機(jī)器人根據(jù)各關(guān)節(jié)內(nèi)部的光電碼盤可以計(jì)算出當(dāng)前位置和姿態(tài)，通過(guò)超聲波測(cè)距模塊可以計(jì)算出將要吸附點(diǎn)的位置和姿態(tài)，從而通過(guò)計(jì)算各關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)量，按照上述步驟即可完成任意夾角的壁面過(guò)渡。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)吸盤與吸附面的可靠吸附和任意夾角的壁面過(guò)渡。

5 結(jié)論

自主攀爬是仿生爬壁機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)，而傳感器則是機(jī)器人的觸角。本文設(shè)計(jì)了正三角布局的超聲波測(cè)距傳感器系統(tǒng)、傾角傳感器和氣壓傳感器組成的真空吸附式爬壁機(jī)器人吸盤的傳感系統(tǒng)，采用C8051F040單片機(jī)作為各傳感器的主控單元，完成了對(duì)吸盤位置、姿態(tài)等信息采集，結(jié)合上位機(jī)PC實(shí)現(xiàn)了非接觸式的吸盤與吸附面狀況探測(cè)和任意夾角壁面之間的過(guò)渡，具有貼近吸附面速度快、無(wú)冗余動(dòng)作等特點(diǎn)，為爬壁機(jī)器人自主攀爬打下基礎(chǔ)。

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