管外爬行機器人及其控制系統(tǒng)設(shè)計

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)院機械與電子工程學(xué)院，安徽 六安237012）

管道爬行機器人是機器人研究領(lǐng)域的一個主要的研究方向，它分為內(nèi)管道和外管道機器人，內(nèi)管道機器人研究較為成熟，而對外管道機器人的研究還相對較少，外管道機器人主要是針對纜索、電纜、電線桿、自來水管道、輸油管道、輸氣管道、輸暖管道等圓形管道進行作業(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)泄漏將會給人們的性命和財產(chǎn)帶來重大的損失，因此，對管道進行定期的檢測和保養(yǎng)必不可少［1］。若僅僅靠人工方法對其進行作業(yè)，不僅耗費人力和物力，而且效率也比較低，況且許多場合根本無法容納人工作業(yè)，此類情況下，管外爬行機器人就能充分發(fā)揮出它的優(yōu)越性和實用性。本文針對圓形管道給出了管外爬行機器人的機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的模型。

1 管外爬行機器人結(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。機器人在運動過程中，可能需要進行翻轉(zhuǎn)或者旋轉(zhuǎn)等動作。根據(jù)以上特點設(shè)計出的管外爬行機器人本體結(jié)構(gòu)是一個對稱結(jié)構(gòu)，一共分為前后兩節(jié)，每一節(jié)都是有一個車體、兩個自由滾輪支架、兩個行走滾輪、兩個行走滾輪舵機、一個電機螺桿和一個翻轉(zhuǎn)電機組成，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。該管外爬行機器人能實現(xiàn)以下幾個方面的動作：①調(diào)節(jié)行走滾輪舵機的旋轉(zhuǎn)方向，使爬管機器人沿著管道前進或者后退；②調(diào)節(jié)行走滾輪舵機的旋轉(zhuǎn)方向，使該機器人在管道上做旋轉(zhuǎn)運動；③在與電機螺桿連接的直線電機和關(guān)節(jié)間的翻轉(zhuǎn)電機的配合下，實現(xiàn)夾緊機構(gòu)的夾緊和松開，以及前后車體的翻轉(zhuǎn)運動。機器人本體結(jié)構(gòu)圖二維示意圖如圖1所示。

圖1 爬管機器人整體機構(gòu)二維示意圖

2 管外爬行機器人硬件控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)機器人的運動特性，機器人的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是由直流電機和舵機來驅(qū)動，機器人硬件控制系統(tǒng)主要由電源模塊；主控制器模塊；通信模塊；電機驅(qū)動模塊；信號反饋模塊等組成［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和各個模塊需要提供的電源型號是不一樣的，在電路中需要設(shè)計相應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換電路。電路中需要的電源型號有舵機12V、直流電機5V和控制芯片3.3V等3種類型?？梢酝ㄟ^12V的穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電，通過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 信號反饋模塊

管道機器人作業(yè)的管道一般都是垂直、傾斜、交叉等形狀，機器人想在管外進行作業(yè)，勢必就需要固定在管道外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中就包含有固定機構(gòu)，它是由一個直流電機通過螺桿帶動夾緊機構(gòu)運動實現(xiàn)機器人的固定。但是，在夾緊的力度方面，如果不加以控制，可能會導(dǎo)致電機運動過度，損壞電機或者夾緊機構(gòu)。因此，在控制系統(tǒng)中，采用壓力傳感器檢測夾緊機構(gòu)與管道之間的壓力來實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制，這樣可以有效的緩解因電機運動過度所產(chǎn)生的危害。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，壓力轉(zhuǎn)化的摩擦力將平衡與機器人本身的重力，從而就可以實現(xiàn)機器人的平衡［3］。系統(tǒng)中采用的壓力傳感器型號為 MPS1200，測量范圍在-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，一個是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。可以實現(xiàn)對壓力傳感器信號的采集。壓力傳感器有3個接線端子，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，故控制器與舵機的通信需要采用max232轉(zhuǎn)max485轉(zhuǎn)換電路來實現(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，主要實現(xiàn)對兩類型指令的處理；壓力傳感器信號和無線發(fā)送器信號。通過對以上信號的處理，產(chǎn)生兩種控制信號：舵機控制信號和直流電機PWM控制信號［5］。由于舵機的控制信號是通過max485總線方式發(fā)送給各個舵機，實現(xiàn)對多個舵機進行控制，舵機反饋的位置等信息通過max485總線返回到MCU，實現(xiàn)閉環(huán)控制舵機，舵機控制信號及反饋信號格式如表1所示。PWM信號是占空比可調(diào)的脈沖信號，通過調(diào)節(jié)信號的占空比來調(diào)節(jié)電機的速度。整個系統(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 舵機控制指令和反饋信號格式

圖5 主控制器硬件原理圖

讀指令格式說明：FF，F(xiàn)F是數(shù)據(jù)包開始標(biāo)志；01是舵機的ID號為1；04是ID號后的參數(shù)個數(shù)為4個；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)個數(shù)為1個；CC為校驗碼是對開始標(biāo)志后面的數(shù)據(jù)進行求和再取反所得結(jié)果。反饋信號格式說明：FF，F(xiàn)F也是數(shù)據(jù)包開始標(biāo)志；01是舵機的ID號為1；03是后面參數(shù)的個數(shù)為3個；00表示讀取的數(shù)據(jù)狀態(tài)為無錯誤；20是讀取的數(shù)據(jù)，DB為校驗碼。寫指令操作與讀指令操作格式是統(tǒng)一的［6］。在程序中可以通過讀取或者寫入舵機內(nèi)部特殊功能寄存器來實現(xiàn)對舵機位置、速度、加速度等參數(shù)的設(shè)置。

3 管外爬行機器人軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電啟動后，初始化各個參數(shù)，如設(shè)置舵機ID號、通信波特率、中斷方式、I／O口輸入輸出功能寄存器配置等，然后進入等待狀態(tài)，等待控制端發(fā)送來的控制信號，判斷是何種控制指令，如果是直流電機控制指令，就是驅(qū)動加緊機構(gòu)夾緊管道，在直流電機運動過程中，采用中斷方式不斷采集壓力傳感器數(shù)據(jù)，并進行判斷，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值時，停止直流電機運動，說明夾緊機構(gòu)已經(jīng)夾緊管道，此時，返回等待接收控制指令；如果為舵機控制指令，然后，檢測壓力傳感器數(shù)據(jù)，判斷是否滿足壓力，如果滿足則根據(jù)發(fā)送的運動形式驅(qū)動不同舵機完成相應(yīng)運動，如前進、后退、旋轉(zhuǎn)等動作，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，帶動夾緊機構(gòu)夾緊管道；如果為停止指令，則禁止所有電機運動，機器人停止在當(dāng)前位置等待控制指令。

表2 實驗測試數(shù)據(jù)

圖6 軟件控制系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語

對設(shè)計的爬管機器人在實驗室進行測試，實驗管道內(nèi)徑分別為8cm和10cm粗糙的鋼質(zhì)密封管，測試的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。實驗結(jié)果驗證了本設(shè)計方案的可行性及實用性。該爬行機器人能夠?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一步提高。該機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、維護修復(fù)等作業(yè)提供一種新型的管外行走裝置。

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