立式金屬罐輪足組合爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

安會(huì)朋，佟仕忠，郭 穎，付貴增，張采鳳

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順　113001）

立式金屬罐輪足組合爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

安會(huì)朋，佟仕忠，郭 穎，付貴增，張采鳳

（遼寧石油化工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 撫順113001）

為了提高爬壁機(jī)器人在立式金屬罐檢測作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載能力，提出一種用于立式金屬罐壁面檢測的爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。爬壁機(jī)器人采用永磁吸附三輪步進(jìn)結(jié)合四足支撐的運(yùn)動(dòng)方式。介紹了其基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了AT89C51微控制器為核心構(gòu)成直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、遙控電路、電源電路、驅(qū)動(dòng)電路等模塊。通過一系列的仿真和型式實(shí)驗(yàn)達(dá)到了對(duì)檢測機(jī)器人的基本要求。

爬壁機(jī)器人；立式金屬罐；機(jī)械結(jié)構(gòu)；永磁吸附

立式金屬罐是石化行業(yè)常用的存儲(chǔ)設(shè)備，因此對(duì)其容量計(jì)量檢測的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到企業(yè)的成本高低和利潤多少。傳統(tǒng)的人工檢測方法［1］不僅危險(xiǎn)、效率低下，而且由于罐體高，圓板直徑、板高、板厚及保溫罐內(nèi)徑向偏差等人工無法測量，而導(dǎo)致計(jì)量失準(zhǔn)。文中研制一種永磁吸附三輪步進(jìn)結(jié)合四足支撐的運(yùn)動(dòng)方式［2］爬壁機(jī)器人解決立式金屬罐檢定過程中的存在的問題。

1　爬壁機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1、圖2所示爬壁機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)為4個(gè)磁力座、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)導(dǎo)向輪。正常行進(jìn)狀態(tài)時(shí)磁力輪接觸于金屬壁面，磁力座收起。前置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)后置導(dǎo)向輪使爬壁機(jī)器人本體移動(dòng)。爬壁機(jī)器人采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向原理，向右轉(zhuǎn)彎時(shí)右側(cè)輪減速，左側(cè)輪加速。同理，向左側(cè)轉(zhuǎn)向時(shí)左側(cè)輪減速右側(cè)輪加速。當(dāng)爬壁機(jī)器人停止移動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，磁力座放置于壁面，便于人工作業(yè)。此種機(jī)械結(jié)構(gòu)解決了輪式爬壁機(jī)器人附著力不足的同時(shí)又克服了足式爬壁機(jī)器人行進(jìn)速度慢的缺點(diǎn)［3］。

圖1　爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig．1　Diagram of wall climbing robot mechanical structure

圖2　爬壁機(jī)器人足部簡圖Fig．2　Diagram of wall climbing robot foot

2　爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)：上位機(jī)采用的是工業(yè)計(jì)算機(jī)，主要完成對(duì)金屬壁面的進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便人能夠了解金屬罐壁面的腐蝕、孔洞、凹坑、裂紋等信息［4］；下位機(jī)是單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要控制爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

為了完成檢測任務(wù)，機(jī)器人必須攝像機(jī)在金屬罐外壁面上爬行，而出于對(duì)操作員工作環(huán)境等因素的考慮，這樣就需要下位機(jī)處于地面上，因此爬壁機(jī)器人與上位機(jī)之間的通訊長度長達(dá)幾十米。

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由主電路模塊，紅外遙控模塊，電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊組成。紅外遙控模塊主要負(fù)責(zé)遙控爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；視頻監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)金屬罐壁面信息的采集；各模塊之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig．3　Diagram of the control system

2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由主電路模塊、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、視頻監(jiān)控模塊、遙控模塊組成。電源主要由24 V蓄電池供電，作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，通過MC34063降為5 V的直流電，作為單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。視頻監(jiān)控模塊主要是采集金屬罐表面的數(shù)據(jù)信息，然后通過無線傳輸將數(shù)據(jù)輸出到上位機(jī)，以便數(shù)據(jù)成像。遙控器模塊主要由BC7210、飛利浦公司的SAA3010和發(fā)射頭、接收頭組成，由SAA3010和發(fā)射頭組成紅外信號(hào)的編碼發(fā)送電路，由BC7210和接收頭組成紅外信號(hào)的接收譯碼電路。

2.1.1主電路模塊

主電路模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其主要包括AT89C51單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、看門狗電路。主電路模塊是整個(gè)系統(tǒng)的中央控制單元，其主要完成對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，并發(fā)出指令控制各個(gè)模塊的運(yùn)行，電路圖如圖4所示。

圖4　主電路控制圖Fig．4　Chart of the main circuit

2.1.2電源模塊

由于爬壁機(jī)器人本體重量有7 kG，運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)重能力要求達(dá)到140 N，靜止時(shí)負(fù)載能力要求達(dá)到1 000 N，因此要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)有比較大的輸出扭矩和適合的電源。本方案中爬壁機(jī)器人的供電電源選用的+12 V蓄電池，其提供的電池容量為60 Ah，將兩節(jié)電池串聯(lián)提供24 V電壓。單片機(jī)控制系統(tǒng)的輸入電壓為+5 V，選用MC34063來作為DC-DC降壓電路。

2.1.3驅(qū)動(dòng)模塊

爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于差動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用的是單片機(jī)和繼電器組合的方式來完成的。爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括4個(gè)直流電機(jī)、兩個(gè)電機(jī)和4個(gè)推桿電機(jī)。所有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓都為24 V。4個(gè)直流電機(jī)主要用來控制4個(gè)磁力座的吸附和斷開。兩個(gè)電機(jī)用來控制驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。4個(gè)推桿電機(jī)用來控制磁力座的收起和放置。每個(gè)電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)通過單片機(jī)控制兩個(gè)繼電器來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)繼電器控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，另一個(gè)繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)［5］。

圖5　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig．5　Diagram of DC motor drive circuitry

2.1.4紅外遙控模塊

紅外遙控模塊主要完成對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，由發(fā)送和接收兩個(gè)部分組成。發(fā)射端的主要元件為紅外發(fā)光二極管，發(fā)送端將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收完成對(duì)紅外信號(hào)的接收、放大、檢波、整形，并解調(diào)得到TTL電平。的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)譯碼并執(zhí)行去控制相關(guān)對(duì)象。如圖6所示。

圖6　紅外線通信原理圖Fig．6　Diagram of infrared communication

2.1.5視頻監(jiān)控模塊

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的是數(shù)字視頻信號(hào)［6］，需要相應(yīng)的硬件將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并且壓縮，這樣才可以由計(jì)算機(jī)直接處理并可在數(shù)字通訊線路上直接傳輸?？紤]到硬件壓縮的效率較高且質(zhì)量較好，因此選擇高性能視頻采集壓縮卡。它直接安裝在計(jì)算機(jī)上，通過它可以將模擬視頻信號(hào)、音頻信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)字化并壓縮編碼，然后交由計(jì)算機(jī)直接處理，如此就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的分屏顯示、動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存、實(shí)時(shí)捕捉和實(shí)時(shí)發(fā)送等功能。采用模擬攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．7　Diagram of camera surveillance system

2.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)爬壁機(jī)器人運(yùn)行速度的控制與調(diào)節(jié)、采集金屬壁面的圖像信息，并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信功能；爬壁機(jī)器人采取模塊化編程方式。將程勛按著功能劃分為各個(gè)模塊，然后根據(jù)各個(gè)模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

圖8所示為控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖。整個(gè)控制體系通過紅外遙控器接受來自控制系統(tǒng)的指令，根據(jù)該指令控制爬壁機(jī)器人各種電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證爬壁機(jī)器人能夠按照預(yù)期的設(shè)想在金屬壁面上實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)中，首先初始化保證爬壁機(jī)器人四只仿生足（磁力座）都能吸附在金屬罐壁面上，然后根據(jù)發(fā)送的控制指令，磁力座收起，驅(qū)動(dòng)輪來執(zhí)行前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)。當(dāng)爬壁機(jī)器人需要停止作業(yè)時(shí)仿生足放置于壁面。爬壁機(jī)器人行走過程中，攝像頭工作，開始攝像，采集金屬罐壁面圖像。當(dāng)接收到停止指令時(shí)，爬壁機(jī)器人暫停運(yùn)轉(zhuǎn)，等待接收下一個(gè)指令。當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，機(jī)器人結(jié)束任務(wù)。

圖8　控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig．8　Chart of the main program flow

3　結(jié)　論

文中介紹的輪足組合式爬壁機(jī)器人結(jié)合了兩種運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證其靜止時(shí)負(fù)載能力達(dá)到1 100 N，運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)載能力為160 N左右。運(yùn)動(dòng)最大速度為5 m/min。整體性能達(dá)到了日常作業(yè)要求。

［1］田蘭圖．油罐檢測爬壁機(jī)器人技術(shù)及系統(tǒng)研究 ［D］．北京：清華大學(xué)，2004．

［2］Wang Zhi-heng，Bao Guan-jun，Zhang Li-bin．Development and control of flexible pneumatic wall-climbing robot［J］．Cent．South Univ．Technol．，2009（16）:961-970．

［3］劉愛華，王洪光，房立金．一種輪足復(fù)合式爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)建模與分析［J］．機(jī)器人，2008（6）:486-490．

［4］Luk B L，Cooke D S，Galt S，et al．Intelligent legged climbing service robot for remote maintenance applications in hazardous environments［J］．Robotics and Autonomous Systems，2005:142-152．

［5］張立國．立式金屬罐容積檢定爬壁機(jī)器人本體設(shè)計(jì)［D］．撫順：遼寧石油化工大學(xué)，2010．

［6］劉富強(qiáng)．?dāng)?shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［7］張偉，龔嬌龍，張惠芳，等．基于視覺導(dǎo)航的變電站智能巡檢機(jī)器人的研究［J］．陜西電力，2015（6）:63-66，74．

Design of a wheeled and myriapod wall-climbing robot for vertical metal tank

AN Hui-peng，TONG Shi-zhong，GUO Ying，F(xiàn)U Gui-zeng，ZHANG Cai-feng
（Liaoning Shihua University School of Information and Control Engineering，F(xiàn)ushun 113001，China）

In order to improve the movement speed and load capacity of the wall-climbing robot during the detection process，a design scheme for wall climbing robot for vertical metal wall detection is introduced．The travel mode of the wall climbing robot is a combination of permanent magnetic adsorption wheels and quadruped support．A mechanical structure is proposed．The AT89c51 micro controller is used as core component of the control system，and the remote control circuit，power supply circuit，drivecircuitisalsodesigned．Through thesimulationandaseriesofexperiments，thedetectionrobotmeetthebasicrequirements．

wall climbing robot；vertical metal tank；physical construction；magnetic adsorption

TN05

A

1674－6236（2016）02-0079-03

2015-03-06稿件編號(hào)：201503095

安會(huì)朋（1987—），男，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：智能儀表，計(jì)量。