基于樹莓派的微型磁吸附爬壁檢測(cè)機(jī)器人

姜佳俊，權(quán)家朋，童晨越，劉 俊

（上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

復(fù)雜機(jī)械設(shè)備如果出現(xiàn)故障或損壞會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及安全風(fēng)險(xiǎn)，因此要定期進(jìn)行檢修，但是由于無法確定故障源，所以往往要對(duì)一系列復(fù)雜機(jī)械設(shè)備零件進(jìn)行逐個(gè)拆解檢修，耗費(fèi)巨大人力物力。其他爬壁機(jī)器人還有日本東京工業(yè)大學(xué)LEE等[1]研究人員設(shè)計(jì)的永磁模塊的爬壁機(jī)器人Gunryu III以及國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的一款坦克式爬壁機(jī)器人[2]都屬于將永磁體與履帶相結(jié)合的吸附工藝，缺少爬躍功能，無法在復(fù)雜機(jī)械表面靈活運(yùn)轉(zhuǎn)。由此設(shè)計(jì)了一款基于樹莓派的微型磁吸附爬壁檢測(cè)機(jī)器人。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本發(fā)明小車尺寸為極其微型的42 mm×25 mm×30 mm，SolidWorks3D建模如圖1所示。本小車機(jī)械結(jié)構(gòu)由1個(gè)主機(jī)盒、1個(gè)機(jī)械手臂、7個(gè)無刷電機(jī)、6個(gè)永磁體車輪、1個(gè)攝像機(jī)云臺(tái)、1個(gè)攝像頭、1個(gè)樹莓派、2個(gè)電機(jī)模塊以及1個(gè)電池組成組成。擺桿為L(zhǎng)形結(jié)構(gòu)且整體較長(zhǎng)，在增加爬越距離的同時(shí)，也提高了爬越功能的合理性和可靠性，增加了小車在不同結(jié)構(gòu)表面運(yùn)行的適應(yīng)性。

圖1 3D建模

1.2 爬躍功能實(shí)現(xiàn)

為保證前輪或后輪抬起時(shí)保持吸附以及可以有原動(dòng)件，采用四驅(qū)方式，同側(cè)2個(gè)電機(jī)為一組同時(shí)控制，通過兩側(cè)電機(jī)差速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，利用編碼器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角保證移動(dòng)精度。

小車在設(shè)備表面行進(jìn)時(shí)，前臂上輪體吸附在設(shè)備表面，增加小車吸附穩(wěn)定性；在爬越時(shí)，控制擺桿，使其前端輪體吸附于被爬越表面后，擺桿兩側(cè)的電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以后輪為支點(diǎn)抬起前輪，車體向前運(yùn)動(dòng)使前輪吸附于設(shè)備表面，完成障礙表面的爬越。

1.3 吸附功能實(shí)現(xiàn)

采用6個(gè)釹磁鐵車輪完成金屬墻面吸附功能，永磁體性能參數(shù)如表1所示。

表1 永磁體性能參數(shù)表

進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)的理論計(jì)算，爬壁機(jī)器人的磁吸附模塊磁場(chǎng)為靜態(tài)磁場(chǎng)，所以在磁場(chǎng)閉環(huán)的情況下，需要滿足2個(gè)靜態(tài)磁路的基本方程[3]：

式（1）（2）中：Am、Lm分別為永磁體工作面積和長(zhǎng)度；Kf為漏磁系數(shù)；Ag、Lg分別為氣隙面積和長(zhǎng)度；Kr為磁阻系數(shù)。

由以上兩式可得：

式（3）中：Vm為永磁體體積；Vg為氣隙體積；μ0為真空磁導(dǎo)率，取值為1。

由虛功原理可得，總磁場(chǎng)力為：

由式（4）可知，磁力受多個(gè)因素影響，但是真空磁導(dǎo)率μ0是不變的，又因?yàn)榇盆F是特定的材料，所以Bm、Hm、Kf、Kr都是恒定值，因此吸附力主要與Vm、Lg有關(guān)。因此改變永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作氣隙的間隙，可以改變磁吸附力的大小。

機(jī)器人磁吸附測(cè)試如圖2所示，通過實(shí)測(cè)機(jī)器人可以吸附于金屬表面完成作業(yè)。

圖2 機(jī)器人磁吸附測(cè)試

2 機(jī)器人吸附力學(xué)分析

機(jī)器人在豎直壁面上爬行時(shí)，可能出現(xiàn)沿墻壁向下滑動(dòng)和圍繞爬壁機(jī)器人與墻面的下接觸點(diǎn)傾覆的情況出現(xiàn)，在此情況下可能使機(jī)器人出現(xiàn)失穩(wěn)的狀態(tài)，從而造成機(jī)器人脫落和損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行力學(xué)分析，如圖3所示。

圖3 豎直爬行受力分析

2.1 沿墻壁向下滑

爬壁機(jī)器人在豎直爬行的過程中因重力可能發(fā)生豎直滑動(dòng)。機(jī)器人穩(wěn)定需要以下條件：與豎直平面的各接觸點(diǎn)的支撐力大于零，機(jī)器人的靜摩擦力小于最大靜摩檫力。

如圖3所示，磁性輪子的吸附力的計(jì)算公式為[4]：

式（5）中：N1為主動(dòng)輪1的支撐力；N2為主動(dòng)輪2的支撐力；G為爬壁機(jī)器人的自重；μ為機(jī)器人與豎直面的摩擦因數(shù)，取0.5。

2.2 縱向傾覆

爬壁機(jī)器人在爬行過程中因車體質(zhì)量，可能發(fā)生以后輪接觸線為軸，機(jī)器人前輪脫落，造成車體縱向傾覆的情況。此時(shí)為保持機(jī)器人穩(wěn)定，公式表示為[4]：

根據(jù)計(jì)算可得[4]：

式（6）中：h為重心O點(diǎn)與爬行壁面之間的距離；l為兩輪的中心距離。

要使爬壁機(jī)器人不會(huì)沿墻壁向下滑動(dòng)和縱向傾覆，并考慮到安全系數(shù)，則爬壁機(jī)器人所需最小吸附力為[4]：

式（7）中：K為安全系數(shù)。

根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人具體數(shù)據(jù)可得G=3 N，l=43 mm，h=10 mm，μ=0.5，K=1.7，將參數(shù)代入可得F0=5.1 N。

總結(jié)：爬壁機(jī)器人要在汽輪機(jī)葉片上安全穩(wěn)定地爬行，則設(shè)計(jì)的吸附力必須大于5.1 N。

3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

小車的運(yùn)行與檢測(cè)是一種高度自動(dòng)化的控制，操作人員通過上位機(jī)控制機(jī)器人小車，使機(jī)器人在所需檢測(cè)的設(shè)備表面或內(nèi)部移動(dòng)。

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由樹莓派、電機(jī)模塊、升縮桿、攝像頭和電機(jī)組成。樹莓派是控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制小車的功能實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行。選用樹莓派zero w作為小車的控制芯片，它是一款基于ARM的微型電腦主板，使用基于Linux的操作系統(tǒng)，以Python作為主要程序語言，擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，尺寸較小且成本低。

其中上位機(jī)與小車使用無線網(wǎng)絡(luò)通過一個(gè)局域網(wǎng)連接，經(jīng)過SSH安全協(xié)議遠(yuǎn)程，由上位機(jī)遠(yuǎn)程控制登錄樹莓派操作系統(tǒng)，由上位機(jī)的可視化編程窗口對(duì)機(jī)器人小車下達(dá)指令進(jìn)行控制。

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TB6612fng是一種性能強(qiáng)大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其具有的電流MOSFET-H橋式結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的晶體管H橋驅(qū)動(dòng)器具有更高的效率，可以承擔(dān)更大的負(fù)載。智能小車通過6個(gè)直流減速電機(jī)和TB6612fng電機(jī)搭建驅(qū)動(dòng)模塊來實(shí)行運(yùn)動(dòng)控制。TB6612fng電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以在1.2 A恒定電流下控制直流電機(jī)。2個(gè)輸入信號(hào)可用于以4種功能模式控制電機(jī)，4種功能模式為：-CW、CCW、短制動(dòng)和停止。2個(gè)電機(jī)輸出可以單獨(dú)控制，每個(gè)電機(jī)的速度通過PWM輸入信號(hào)控制，頻率高達(dá)100 kHz。TB6612fng電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通過雙通道路輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)6個(gè)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、停止等一系列動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)小車在汽輪機(jī)葉片上的行進(jìn)和爬越。

3.2 工作原理

使用Raspberry Pi控制直流電機(jī)需要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)特定信號(hào)的接收和輸出。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是一種特殊電路或IC，可對(duì)電機(jī)進(jìn)行信號(hào)和電源的輸出和控制，來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)安全的運(yùn)行。它們從Raspberry Pi獲取控制信號(hào)，并通過電源為電機(jī)提供必要的驅(qū)動(dòng)電流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊TB6612fng有2個(gè)通過GPIO引腳接收來自Raspberry Pi的信號(hào)。根據(jù)Python程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊將控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3.3 攝像頭

使用Raspberry Pi Camera Module V2，具有8百萬像素；定焦鏡頭可達(dá)3 280×24×64像素的靜態(tài)圖片；也支持1080P30、720P60以及640×480P 60/90攝像功能。此款攝像頭擴(kuò)展板可通過主板上的小插槽連接樹莓派，并使用專門的CSI接口，這是特別為攝像頭設(shè)計(jì)的接口。

3.4 連接控制

連接控制模塊如圖4所示，將TB6612fng的引腳連接到外部12 V電源，TB6612fng上有4個(gè)接地引腳。將引腳4連接到電源的GND。另外，將TB6612fng的接地引腳連接到Raspberry Pi的GND引腳。為了能控制輸入輸出引腳，將控制輸入引腳分別連接到GPIO1（物理引腳18）和GPIO2（物理引腳17），將制輸出引腳和分別連接到GPIO2（物理引腳27）和GPIO3（物理引腳22）。

圖4 連接控制模塊圖

3.5 項(xiàng)目工作和代碼說明

使用Python訪問GPIO引腳。將模塊RPi.GPIO導(dǎo)入至程序中。同樣，模塊時(shí)間允許使用其功能睡眠暫停程序一段預(yù)定義的時(shí)間。為電機(jī)模塊分配引腳，將引腳模式設(shè)置為GPIO編號(hào)格式，以此實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出與反饋。

所有引腳都被聲明為輸出。正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，使引腳變?yōu)楦唠婎l，控制輸入1A變?yōu)楦唠婎l，另一個(gè)控制輸入1B變?yōu)榈碗婎l。延遲3 s后，控制輸入1A變?yōu)榈碗婎l，控制輸入1B變?yōu)楦唠婎l，同時(shí)保持使能引腳為高電頻，這將使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

通過信號(hào)輸出控制不同電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)以及制動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向及爬越功能。