蜘蛛型風(fēng)力發(fā)電機(jī)檢測(cè)儀的腿部控制方式研究

李躍 盧奭瑄 周銳

摘要：針對(duì)蜘蛛型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片檢測(cè)儀（以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)儀）的行走方式，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的實(shí)際狀況，以及檢測(cè)儀的行走需要，基于蜘蛛仿生學(xué)，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(cè)儀以ARM為控制核心，將六條腿分成兩組，每條腿有三個(gè)自由度，共18個(gè)自由度，分成三種運(yùn)動(dòng)方式，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。方案能夠有效地完成檢測(cè)儀的各種行走方式，為檢測(cè)儀的行走方式提出了一種新方法。

關(guān)鍵詞：檢測(cè)儀；行走；仿生；自由度

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，葉片容易受環(huán)境影響而受損，因此需要定期檢測(cè)和維護(hù)。對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的定期檢測(cè)可對(duì)風(fēng)機(jī)總體運(yùn)行狀況進(jìn)行合理的判斷，對(duì)一些問題可以及時(shí)進(jìn)行處理，并對(duì)風(fēng)機(jī)的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，制定發(fā)電計(jì)劃。

爬壁機(jī)器人是特種機(jī)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(jìn)行移動(dòng)，它的出現(xiàn)改善了操作人員的工作環(huán)境。爬壁機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景，但因其工作環(huán)境的特殊，仍有許多的關(guān)鍵性技術(shù)需要解決，例如吸附技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)等。因此它已經(jīng)成為國內(nèi)外機(jī)器人學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一文獻(xiàn)。[13]

1系統(tǒng)模型描述

根據(jù)蜘蛛的行走特性，以及檢測(cè)儀的行走需要，檢測(cè)儀有六條機(jī)械腿，把六條機(jī)械腿分成兩組，每側(cè)的前后兩條腿及另一側(cè)的中腿為一組，并對(duì)檢測(cè)儀的腿部進(jìn)行簡(jiǎn)化，每個(gè)腿具有三個(gè)自由度，檢測(cè)儀的行進(jìn)與轉(zhuǎn)彎通過擺腿完成，一組腿抬起，另外一組腿落下。假設(shè)檢測(cè)儀的任意時(shí)刻處在支撐相的腿的條數(shù)為n，此時(shí)檢測(cè)儀由n個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成，其自由度計(jì)算如下：

其中：——運(yùn)動(dòng)副數(shù)目，；——第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副所具有的自由度數(shù)目，，，——獨(dú)立封閉環(huán)的數(shù)目，；第i個(gè)獨(dú)立的封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數(shù)目，；——消極的自由度數(shù)目，；——局部的自由度數(shù)目，；——重復(fù)的自由度數(shù)目，。

把上述參數(shù)代入式子，可得

由計(jì)算可得知，無論檢測(cè)儀采用何種步態(tài)，檢測(cè)儀均可以需要的姿態(tài)達(dá)到任意位置。

分析蜘蛛的一條腿可以得出，蜘蛛的運(yùn)動(dòng)方式與蜘蛛肢體各個(gè)關(guān)節(jié)的傾斜角度有關(guān)。本文對(duì)蜘蛛的腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化以適應(yīng)檢測(cè)儀的移動(dòng)，雖然精簡(jiǎn)了腿部結(jié)構(gòu)，但一樣可以完成移動(dòng)的任務(wù)。每條機(jī)械腿具有三個(gè)關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)皆由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)將電機(jī)、減速箱、驅(qū)動(dòng)反饋電路板集成，控制簡(jiǎn)便，具有較大靈活度。通過對(duì)各關(guān)節(jié)上的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，完成檢測(cè)儀爬行和轉(zhuǎn)彎功能。在結(jié)構(gòu)上保證了檢測(cè)儀可以更有效地模擬蜘蛛的行走方式，完成較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。為了減輕整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量，在滿足檢測(cè)儀腿部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，對(duì)腿的股節(jié)和脛節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化處理。足作為檢測(cè)儀與地面接觸的部分，由裝在踝關(guān)節(jié)上的電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)。在吸盤的作用下能有效在葉片上進(jìn)行行走。

檢測(cè)儀以ARM為控制核心，AT89C51為驅(qū)動(dòng)器，跟關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)每次運(yùn)動(dòng)時(shí)這三個(gè)關(guān)節(jié)相互不產(chǎn)生影響，所以又把18個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器分為3組，其中膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式除加速減速時(shí)幾乎不變，只要給固定的脈沖就可以，跟關(guān)節(jié)涉及到檢測(cè)儀的前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎，所以有兩種形態(tài)。

對(duì)于檢測(cè)儀來說，行走是最為重要的一部分，我們對(duì)蜘蛛的腿部進(jìn)行了演化，演化成為檢測(cè)儀的腿部，將檢測(cè)儀的六條腿分成兩組，一組腿抬起，另一組腿落下，完成檢測(cè)儀的行進(jìn)與轉(zhuǎn)彎，每條腿共有三個(gè)關(guān)節(jié)，其中跟關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)行進(jìn)與轉(zhuǎn)彎，踝關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)控制吸盤的吸附，因?yàn)槊織l腿的運(yùn)行方式在機(jī)器人的行進(jìn)中幾乎相同，所以一條腿的研究也可以適應(yīng)其他腿部，每條腿分成兩種運(yùn)行方式，即前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎，膝關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)腿部的抬起與落下，跟關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)一定的幅度使檢測(cè)儀行進(jìn)。

行走系統(tǒng)主要采用AT89C51單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)完成行走，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到對(duì)檢測(cè)儀行進(jìn)的精確控制，還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，進(jìn)而控制檢測(cè)儀的速度。混合式步進(jìn)電機(jī)的基本步距角為1.8°/步，必要時(shí)可加裝半步驅(qū)動(dòng)器，步距角將減少為0.9°。AT89C51單片機(jī)能穩(wěn)定的控制輸出脈沖，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行良好的控制。

對(duì)檢測(cè)儀的行進(jìn)方式進(jìn)行分析可以得出，在直線行進(jìn)時(shí)，只要知道一條腿的前進(jìn)步數(shù)，在轉(zhuǎn)彎時(shí)知道兩條腿的行走步數(shù)，經(jīng)過公式的計(jì)算就可以精確地得出檢測(cè)儀的行動(dòng)位置，能對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行定位。

2軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)軌跡

使用Proteus進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。Proteus具有良好的仿真性能，能直觀的對(duì)硬件原理圖進(jìn)行調(diào)試，評(píng)估硬件設(shè)計(jì)電路的正確性，且其資源豐富，能有效的完成仿真實(shí)驗(yàn)。

檢測(cè)儀在移動(dòng)時(shí)，通過控制步進(jìn)電機(jī)脈沖的個(gè)數(shù)以及脈沖頻率來控制檢測(cè)儀的前進(jìn)，后退，加速，減速。在轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過左右側(cè)機(jī)械腿的脈沖個(gè)數(shù)不同來控制檢測(cè)儀的左右轉(zhuǎn)彎。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明本方法可以有效的控制機(jī)器人的行走，完成機(jī)器人的各項(xiàng)行走功能。

3總結(jié)

本文以蜘蛛腿部為仿真原型，設(shè)計(jì)并研制了蜘蛛型風(fēng)機(jī)葉片檢測(cè)儀的機(jī)械腿。對(duì)檢測(cè)儀的腿部的運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)儀的運(yùn)動(dòng)性能，及運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，證明該機(jī)械腿構(gòu)造合理，能夠根據(jù)檢測(cè)任務(wù)的要求，合理規(guī)劃出步態(tài)，完成檢測(cè)儀的行走任務(wù)，為檢測(cè)儀的移動(dòng)方式給出了一種合理的方案。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)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(dòng)化。