一種應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的線桿類多功能清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

歐志廣 林偉澍 陳琦添 黃超禹 盧杰鑫

摘? ?要：針對(duì)高低空線桿類清潔的難題，減少人們操作失誤以及降低高空高壓作業(yè)的危險(xiǎn)性?；诖?，文章提出一種對(duì)線桿類障礙物、垃圾處理清潔機(jī)器人的概念模型，在理論上能有效減少人工投入量以及提高作業(yè)效率。機(jī)器人采用手動(dòng)與自動(dòng)的工作模式，可在半徑范圍內(nèi)的管道、線纜以及立桿等物體上通過(guò)壓緊結(jié)構(gòu)以及輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下運(yùn)動(dòng)，完成檢測(cè)、清理纏繞物以及簡(jiǎn)單清潔的作業(yè)。

關(guān)鍵詞：線桿;清潔機(jī)器人;STM32

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)以及基建行業(yè)的高速發(fā)展，公共基礎(chǔ)設(shè)施不斷地增多、完善，目前，針對(duì)線類、桿類的勘測(cè)或清潔主要采用人工的方式進(jìn)行，不但耗時(shí)、費(fèi)力，而且存在很大的危險(xiǎn)性。若將現(xiàn)有的技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人上對(duì)線桿進(jìn)行清潔，將大大提高工作效率，減少人工成本的投入。文章提出一個(gè)可行的概念模型，希望在未來(lái)得到更為專業(yè)的改造、升級(jí)，并應(yīng)用到更多的領(lǐng)域范圍內(nèi)。

1? ? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于STM32MCU構(gòu)成的小型機(jī)器人，通過(guò)遙控及自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)沿線沿桿對(duì)其表面的清潔處理。利用3D繪圖軟件SolidWorks進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，分析并得出其概念模型。方案設(shè)計(jì)框架如圖1所示，主要分為4個(gè)部分，第一部分為爬桿機(jī)器人，該機(jī)器人采用輪子驅(qū)動(dòng)進(jìn)行攀爬的方式，是攀爬類機(jī)器人時(shí)代發(fā)展潮流。第二部分為圖像處理部分，先用攝像頭采集圖像，并采用各種濾波算法（如卡爾曼濾波）處理數(shù)據(jù)，然后通過(guò)WiFi圖傳模式將數(shù)據(jù)返回，以供操作人員進(jìn)行操作及分析。第三部分為主控制部分，本系統(tǒng)采用以ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F4系列單片機(jī)作為主控，該芯片功耗低、處理速度快，非常適合進(jìn)行圖像處理以及驅(qū)動(dòng)控制。第四部分為清潔部分，采用可拆除的機(jī)構(gòu)，使得后續(xù)功能的擴(kuò)展更加便捷。

2? ? 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有：載輪式、履帶式、蠕動(dòng)式，在許多相同方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大部分采用了蠕動(dòng)式方案[1-2]，而本文所提到的機(jī)器人是應(yīng)用在線桿類的物體之上，采用夾緊式鎖定機(jī)構(gòu)以及輪式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

機(jī)器人的上下部分分別由3個(gè)3D打印件緊緊地包裹住電機(jī)構(gòu)成，電機(jī)帶動(dòng)輪子作為動(dòng)力系統(tǒng)，在上下兩個(gè)相對(duì)的電機(jī)下都有一根相互拉緊的彈力繩索。這個(gè)結(jié)構(gòu)使電機(jī)有足夠的壓力實(shí)施在目標(biāo)桿道上。采用彈簧的可變形能力，幫助機(jī)器人更好地適應(yīng)大小不同的柱子。同時(shí)選用扭矩極大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只需要產(chǎn)生足夠的摩檫力，機(jī)器人就可以在桿道上爬行。機(jī)器人搭載攝像頭來(lái)采集線桿上的圖像，攝像頭固定在機(jī)器人外圍的鋁結(jié)構(gòu)上，與平行方向有一定內(nèi)傾角，以保證采集更為完整的線桿圖像[3]。

整體上，機(jī)器人使用六邊形開(kāi)口的設(shè)計(jì)，使用較為輕質(zhì)且經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)切割的鋁條進(jìn)行模型搭建，鋁條上有精確的定位螺絲孔，用以固定各種結(jié)構(gòu)。使用3D打印來(lái)完成一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零部件設(shè)計(jì)，機(jī)器人采用雙層鏤空結(jié)構(gòu)，中間留有大片的區(qū)域以供開(kāi)發(fā)。

3? ? 清潔部分

清理結(jié)構(gòu)由固定在機(jī)器人前面兩側(cè)的刀和桿及控制舵機(jī)組成，采用刀和桿配合的方式，結(jié)合地面的遙控控制，將異物用刀隔斷之后再用桿將其撥下。機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，利用刀將纏繞物切斷，配合桿的控制，將異物清除。使用高速轉(zhuǎn)動(dòng)鋼絲輪作為清潔工具，該部分連接一個(gè)高轉(zhuǎn)速的電機(jī)，通過(guò)控制舵機(jī)，使得鋼絲輪接觸到線桿表面，由于轉(zhuǎn)速很快，不需要過(guò)多的壓力就能起到清潔的效果，污漬只要接觸到鋼絲輪，就會(huì)被清除。

4? ? 主控設(shè)計(jì)

單片機(jī)的選型是項(xiàng)目的重中之重。由于要控制的外部設(shè)備較多，加上需要強(qiáng)大的抗干擾能力，在考慮了這幾個(gè)因素后，選擇了STM32f407ZGT6作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

強(qiáng)大的CPU，精準(zhǔn)快速的計(jì)算能力在ZGT6這塊芯片（見(jiàn)圖3）上體現(xiàn)得淋漓盡致，同時(shí)ARM也是中低端芯片采用最多的芯片架構(gòu)，在這樣的存儲(chǔ)基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)的交換更加迅捷，能夠保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

本機(jī)器人的硬件電路構(gòu)成主要分為主控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電路板設(shè)計(jì)采用EDA軟件Altium Designer[4]。主控系統(tǒng)為由STM32MCU構(gòu)成，主控作為機(jī)器人的大腦，布線要求嚴(yán)格，晶振布線采用差分對(duì)布線并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的阻抗計(jì)算;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用大功率的驅(qū)動(dòng)芯BTN7971B，該芯片適合大電流電壓的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人上的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)機(jī)器人的爬桿運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)PCB板，經(jīng)過(guò)手工焊接以及示波器的多輪調(diào)試，顯示板子的EMC性能良好。

5? ? 遙控器設(shè)計(jì)

采用藍(lán)牙遙控或者NRF無(wú)線遙控的方式，確保在某種通信出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，另一種通信方式也能支持機(jī)器人的正常工作。藍(lán)牙采用HC-05藍(lán)牙功能模塊，HC-05采用串口通信的模式，在遙控和機(jī)器人之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NRF通信采用NRF24L01，相對(duì)于藍(lán)牙通信，NRF具有通信距離較遠(yuǎn)、傳輸速度更快等優(yōu)點(diǎn)，兩者的結(jié)合使用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。由于傳輸過(guò)程中會(huì)存在很多干擾，會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸，干擾機(jī)器人的正常工作。所以，軟件采取中值濾波或卡爾曼濾波算法來(lái)解決信號(hào)傳輸過(guò)程中的失真問(wèn)題，以求信號(hào)穩(wěn)定且正確地傳輸。

6? ? PID算法

PID算法通過(guò)自我的負(fù)反饋調(diào)節(jié)能極大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在控制領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[5]。主控芯片通過(guò)讀取電機(jī)編碼器實(shí)時(shí)傳輸返回值，在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行PID算法運(yùn)算，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)輸出占空比使得機(jī)器人在攀爬過(guò)程中保持穩(wěn)定、勻速行走機(jī)器人實(shí)物示意如圖4。

7? ? 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人在框架構(gòu)建上結(jié)合前人的基礎(chǔ)理論，通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證該方案模型是可行的，攀爬機(jī)器人在表面較為光滑的鐵管、電桿、PVC水管等桿類上實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工作效果，總體實(shí)驗(yàn)效果良好，能減少一定的人力、物力投入。本機(jī)器存在一些不完善的地方，但是能基本滿足最初的設(shè)計(jì)要求，在線桿類清潔中也是值得投入的一個(gè)發(fā)展方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張連濱，魯守銀，曹正彬，等.負(fù)重爬樹(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及有限元分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2017（7）：69-72.

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