一種小型攀爬機器人的設計

張東鵬，唐嘉欣，王曉杰，張思巖，張凌龍

(東北林業(yè)大學，黑龍江哈爾濱，150000)

0 引言

目前，我國社會城鎮(zhèn)化已經(jīng)進行到了一定階段，大批樓房的排雨水管道、太陽能水管等已經(jīng)老化，地下供水系統(tǒng)也常常需要大規(guī)模檢測。由于其大多在樓房外部，或處于地下，對于其老化部位的人工檢測較為困難，需要大量的時間，給維修帶來許多不便，并且檢測具有較大的危險性，設計一個自動攀爬機器人以實現(xiàn)對高空供排水管道或地下供水管道的攀爬檢測，對于保障工作人員的安全，節(jié)省勞動力，提高工作效率，節(jié)約資源有重大意義。

1 本課題的總體研究方案

本課題設計了一種小型的自動攀爬裝置，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

該自動攀爬裝置的主要器件包括，電磁鐵a、連接承重裝置a、齒輪，連接承重裝置b、電磁鐵b、輪子、拓展部件。中心控制系統(tǒng)、電源等可置于連接承重裝置內(nèi)部，以實現(xiàn)對整個裝置的自動控制，連接承重裝置a與連接承重裝置b通過齒輪相連，形成半圓形。控制齒輪的電機接受電信號時，齒輪轉動，可改變半圓大小以適應不同管道，兩個本裝置通過各自的繼電器相吸引，就形成了包裹管道的圓環(huán)，即可實現(xiàn)在管道上的移動，同樣，當電磁鐵接收到指令電信號時會改變吸引力的大小以適應管道的攀爬。并且其由于管道的參數(shù)大多已知，所以可以對本裝置的控制系統(tǒng)進行預先編程，使用時，將本裝置安裝于待攀爬物體上，即可實現(xiàn)對待攀爬物體的檢測，同樣，由于管道的結構較為簡單，主要障礙為連接節(jié)點、凹凸坑等，所以，對于此，本裝置通過調(diào)節(jié)電磁鐵吸引力的大小并利用一定的慣性可以實現(xiàn)對于管道的越障前行。按照控制方式，本裝置可以實現(xiàn)的功能包括預編程模式下的沿固定爬行軌跡爬行和遠程控制現(xiàn)場編程模式下變軌爬行。預編程模式下，可以完全實現(xiàn)自動化，編程后，裝置按照編程軌跡，可以順利的爬行和越障，此種模式適用于管道結構已知，不需現(xiàn)場控制的行動軌跡 。在現(xiàn)場可變軌模式下，可以通過智能手機或者遙控器等控制終端設備控制此設備的爬行軌跡，此模式適用于行動軌跡較為復雜，需要實時改變的場景。將目標爬行地點以圓柱型的數(shù)學模型替代，裝置的運動方向可以分解為直徑方向及母線方向。本裝置應保證直徑方向的相對靜止和母線方向的準確運動。在材料選用上，本設計的骨架結構采用輕便且較為便宜的鋁合金材料，并且對于傳感器和電磁鐵，采用市面上主流產(chǎn)品即可，價格也相對合適，并且當其隨壞時，可以做到即使替換，不許用更換整個裝置，綜合以上幾點可知，本設計的成本較低，可以大規(guī)模投入使用。

2 自動控制系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)通過壓力傳感器，將外部系統(tǒng)輸入的壓力信號轉換為電信號，其經(jīng)過修正，濾波并通過適當?shù)姆糯蠛髸c系統(tǒng)預設的給定值進行比較，比較結果的電信號同時發(fā)送給電機和電磁鐵a與b。收到電信號后觸發(fā)可控開關，電動機帶動齒輪機構轉動以實現(xiàn)裝置的伸縮變化，根據(jù)管道的大小調(diào)節(jié)裝置本身以適應對管道的攀爬，電機在接收電信號后也會轉動并帶動輪子旋轉，利用摩擦力以實現(xiàn)裝置的移動，電磁鐵收到電信號后也會產(chǎn)生電流，實現(xiàn)裝置的互相吸引，提供攀爬所必須的摩擦力。在攀爬的過程中，可能會遇到一定的障礙物，如凹凸坑，連接螺絲，節(jié)點等，經(jīng)過這些地方時，傳感器收到不同的壓力后會發(fā)出變化的信號，電機在接收信號后其轉速會發(fā)生變化，從而改變裝置半徑和裝置的爬行速度，電磁鐵的電流大小在收到信號時也會發(fā)生變化，從而改變電磁鐵吸合力的大小，二者結合，會不斷減小傳感器測量值與給定值的誤差，從而實現(xiàn)整個裝置的勻速上升或勻速直行。

3 動力裝置的設計

運動時，對于母線方向的攀爬，本裝置采用轉輪帶動整體，向上攀爬，利用電磁鐵互相吸引的電磁力，使整個裝置對待攀爬對象產(chǎn)生壓力，此時，與待攀爬裝置接觸的滑輪收到的是靜摩擦力，當電機帶動滑輪轉動時，整個裝置即可向上爬行，勻速直行也與此類似僅僅是運動與受力的方向不同。通過電磁鐵、力傳感器、控制系統(tǒng)等的結合，可產(chǎn)生穩(wěn)定并可以適當調(diào)整變化的力，從而使轉輪與待攀爬裝置之間產(chǎn)生適合的壓力，運動時，本設備與管道之間的摩擦力為滾動摩擦力，在滾動摩擦系數(shù)確定的情況下，通過改變徑向的壓力可以改變母線方向接觸面摩擦力的大小，這樣，有了可控制的摩擦力，便可實現(xiàn)實現(xiàn)裝置的穩(wěn)定攀爬。由于工程的需要，此設備也具有懸停的能力。懸停時，此設備由機械自鎖和電氣自鎖兩部分共同實現(xiàn)，機械自鎖仿照的是線路檢修工人設計，利用特殊機械結構實現(xiàn)自鎖，無需能量損耗。電氣自鎖即利用電磁鐵的吸附抱合原理實現(xiàn)。其中，機械自鎖只適合于垂直方向的鎖定，而電氣自鎖作為主體，可以實現(xiàn)基本的懸停功能。

4 檢測裝置的設計

本設計的主要攀爬和檢測對象均為柱狀水管，同時本設計也可用于檢測高大樹木主干病蟲害等，對于現(xiàn)研究階段，檢測裝置主要采用WIFI攝像頭與超聲波發(fā)射器的結合來完成，前者主要用于檢測管道外部的破損情況，生銹狀況等，后者主要用于管道的內(nèi)部探傷。利用上述二者的結合，可以較為精準的檢測待測部件的損壞點，從而大幅度降低人力物力，實現(xiàn)對供水管道等的精確維修，如若要進行其他方面的檢測，也可更換檢測裝置，對應更換編程即可。本設計不僅可以運用于高空樓房供水管道的攀爬檢測，其也可以對橫向的地下供水管道等進行勘測，從而降低人工檢測的危險性，節(jié)省勞動力，體現(xiàn)以人為本的觀念。

5 電路設計

此設計在攀爬時，會收到待攀爬對象對裝置向外的壓力，當安裝在裝置上的壓力傳感器受力變形時，與其對應相連的應變計橋路失去平衡(組成惠斯登電橋)，輸出的壓力值轉換成函數(shù)信號，同時經(jīng)過放大器放大，濾波器濾波后形成完整的波形電信號再經(jīng)過A/D轉化模塊轉換為數(shù)字信號，由控制系統(tǒng)的中央處理器（cpu）進行運算處理，得到的數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉化輸出到電機和電磁鐵以改變輪子的轉速與電磁鐵之間的吸引力，進而推動整個裝置運行。整個電路結構安裝在裝置骨架的內(nèi)部，考慮到供水管道可能比較潮濕，電路結構外部可包裹密封防潮層，以防止短路，延長裝置使用壽命。

6 總結

本文整體的對設計的結構的合理性與實用性進行了分析，考慮了裝置的攀爬移動、檢測效率、故障識別率、應用范圍、能耗，使用壽命、制造成本等多種問題，運用了自動控制系統(tǒng)的相關分析，設計了裝置的基本結構與連接電路。將自動控制機器人的優(yōu)越性大大發(fā)揮出來，并在一定程度上克服了其繁瑣復雜性。同時，本裝置考慮了工人的生命安全問題，體現(xiàn)了以人為本的觀念。在裝置被放置在管道上后，運用計算機控制系統(tǒng)，控制電磁鐵，齒輪的輸出量，實現(xiàn)裝置的自動移動，再利用傳感器，實現(xiàn)控制信號的輸入與對待維修故障進行檢測，代替人工，實現(xiàn)自動攀爬和故障檢測的自動化。