氣動(dòng)六足壁面爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

楊慧斌 馬春港 汪 滿 吳竹霞 齊亞夢(mèng)

上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

氣動(dòng)六足壁面爬行機(jī)器人是一個(gè)采用真空吸附和PLC（可編程控制器）控制技術(shù)的系統(tǒng)。文章詳細(xì)闡述了機(jī)器人的機(jī)械組成、氣動(dòng)和控制系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)順序等。機(jī)器人控制系統(tǒng)選用了西門子S7-200 系列PLC 作為核心，采用PLC 順序控制完成了對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的編程，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定地進(jìn)行直行以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

概述

進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人在各行各業(yè)中都得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，其研究與應(yīng)用水平已成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸廣泛，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如安全、建筑、國(guó)防等，要求工作可靠、體積小、動(dòng)作靈活的氣動(dòng)爬行機(jī)器人，尤其是在壁面爬行機(jī)器人的研究。壁面爬行機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，是在惡劣、危險(xiǎn)、極限等情況下進(jìn)行特定作業(yè)的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置，如今越來(lái)越受到人們的重視。為使其盡快完善，對(duì)壁面爬行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。目前壁面爬行機(jī)器人已在核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑工業(yè)、消防部門、造船業(yè)一。目前壁面爬行機(jī)器人已在核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑工業(yè)、消防部門、造船業(yè)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，只有穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)作為前提，才有可能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬壁運(yùn)動(dòng)。本文所述氣動(dòng)六足壁面爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由主連接板、腳連接板、氣缸、用于支撐控制系統(tǒng)的上托板、護(hù)腳板、真空吸盤及連接部件構(gòu)成。主連接板用于連接機(jī)器人的三個(gè)腳連接板；腳連接板用于一對(duì)足的連接，實(shí)現(xiàn)相連兩足的聯(lián)動(dòng)；上托板用于承載氣動(dòng)元件，如：電磁閥、真空閥等；護(hù)腳板用于保護(hù)機(jī)器人的足不受外界因素的影響；氣缸用于將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；真空吸盤使機(jī)器人能穩(wěn)定地吸附在壁面上。連接部件用于連接機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械部分，保證機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（圖1：機(jī)械結(jié)構(gòu)圖）

控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

PLC 選型

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在執(zhí)行存儲(chǔ)邏輯運(yùn)算和順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬的輸入（I）和輸出（O）接口，控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。氣動(dòng)六足機(jī)器人選用了西門子S7-200 系列PLC 作為控制系統(tǒng)的核心。S7-200 PLC是緊湊型可編程控制器，它結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)，具有很高的性價(jià)比，在中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中廣泛應(yīng)用，能夠滿足各種設(shè)備的自動(dòng)化控制要求，而且其具有功能強(qiáng)大的指令集及通信指令功能，S7-200 PLC 不同于S7-300 或S7-400 系列PLC 是小型可編程控制器，由于其體積小等特點(diǎn)，故更適合作為小型機(jī)器人的控制核心。

I/0 點(diǎn)分配

熟悉機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)流程，確定輸入/輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，由此分配PLC 的I/O 點(diǎn)。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)PLC 可編程控制器對(duì)機(jī)器人的爬行進(jìn)行編程，順序控制一組電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)（相應(yīng)編號(hào)可參考圖2：機(jī)器人三維簡(jiǎn)圖）。初始狀態(tài)為6 個(gè)吸盤全部吸合在壁面。

表1 I/O 分配表（氣缸和吸盤分布詳情見(jiàn)圖2）

直線行走運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：1 首先通過(guò)控制電磁閥將機(jī)器人的Z9、Z10 真空破壞，Z3、Z4 氣缸升起，即爬壁機(jī)器人的直行狀態(tài)；2Z7、Z12 真空破壞，Z1、Z6氣缸升起，Z14 直行氣缸伸出，Z1、Z6 氣缸下降，Z7、Z12 吸盤吸合，實(shí)現(xiàn)Z1、Z6 氣缸相應(yīng)的機(jī)器人足向前移動(dòng)；3Z8、Z11 真空破壞，Z2、Z5 氣缸升起，Z14 直行氣缸縮回，Z2、Z5 氣缸下降，Z8、Z11 吸盤吸合，實(shí)現(xiàn)Z2、Z5 氣缸相應(yīng)的機(jī)器人足向前移動(dòng)；4 重復(fù)以上步驟即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)。

直行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：1 首先通過(guò)控制電磁閥將機(jī)器人的Z3、Z4 氣缸下降，Z9、Z10 吸盤吸合，Z7、Z8、Z11、Z12 真空破壞，Z1、Z2、Z5、Z6 氣缸升起；2Z13 轉(zhuǎn)向氣缸伸出（收縮），主連接板相對(duì)于Z3、Z4 氣缸相對(duì)應(yīng)的腳連接板逆時(shí)針（順時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，即實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)（右轉(zhuǎn)）；

3Z1、Z2、Z5、Z6 氣缸下降，Z7、Z8、Z11、Z12 吸盤吸合，機(jī)器人回到6 個(gè)吸盤全部吸合在壁面上的初始狀態(tài)。

機(jī)器人的編程與調(diào)試

順序功能圖（Sequeential Function Chart）是一種新穎、按工藝流程圖進(jìn)行編程的圖形化編程語(yǔ)言，也是一種符合國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)，被首選推薦用于可編程控制器的通用編程語(yǔ)言，在PLC 應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛及推廣。采用順序功能圖進(jìn)行PLC 梯形圖應(yīng)用編程具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、在程序中能直觀地看到設(shè)備的動(dòng)作順序。順序功能圖程序是按照設(shè)備（或工藝）的動(dòng)作順序而編寫(xiě)，所以程序的規(guī)律性較強(qiáng)，容易讀懂，具有一定的可視性。2、在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能很容易的找出故障所在位置。3、不需要復(fù)雜的互鎖電路，更容易設(shè)計(jì)和維護(hù)系統(tǒng)。故本文選用了順序控制對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的順序功能圖如圖3：

圖2 機(jī)器人三維簡(jiǎn)圖

圖3 順序功能圖

依據(jù)順序功能圖編寫(xiě)梯形圖程序，部分程序語(yǔ)句表如下：

經(jīng)過(guò)對(duì)程序的逐步調(diào)試，證實(shí)所編寫(xiě)程序能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直行及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的整體調(diào)試結(jié)果：機(jī)器人能夠穩(wěn)定的在壁面上進(jìn)行直行以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，甚至機(jī)器人的穩(wěn)定性比預(yù)想中的更好。

結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)品在人們的工作環(huán)境中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，機(jī)器人也就成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題，六足爬行機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)分支，其運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，故而在軍事運(yùn)輸、天文探測(cè)等領(lǐng)域就具有重要的意義，因此在國(guó)內(nèi)外六足機(jī)器人均得到了廣泛研究。