一種電纜管道智能巡檢仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周啟平

（安徽繼遠(yuǎn)軟件有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

近年來(lái)，密閉空間作業(yè)發(fā)生的人身傷害事故時(shí)有發(fā)生。某些電纜通道位于地面以下，其通道巡檢屬于密閉空間作業(yè)，對(duì)巡檢人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅[1]。目前，電纜井下巡視主要采用人工進(jìn)入電纜通道巡視的方式。電纜通道不僅有一氧化碳、硫化氫、甲烷等有害氣體的存在，而且由于地勢(shì)、下雨等原因匯聚的積水、淤泥等，使得運(yùn)檢人員進(jìn)行井下巡檢作業(yè)的難度更大，且具備一定危險(xiǎn)性[2]。另外，電纜通道巡檢流程涉及打開(kāi)井蓋、通風(fēng)、測(cè)量氣體濃度、下梯作業(yè)及測(cè)溫拍照等多個(gè)步驟，導(dǎo)致巡檢過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)，直接影響整個(gè)過(guò)程的作業(yè)效率。

對(duì)此，亟需研制一種能夠隨時(shí)在井內(nèi)惡劣環(huán)境下自由移動(dòng)且具備巡視成像、測(cè)溫等多項(xiàng)功能的裝置來(lái)替代傳統(tǒng)人工巡檢作業(yè)方式，提高電纜通道巡檢和故障查找效率。利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，本文提出一種適用于電纜管道智能巡檢場(chǎng)景應(yīng)用的仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。該方案能夠有效提升智能巡檢效率，并且降低巡檢成本。

1 仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

本文提出的仿生機(jī)器人基于仿生學(xué)原理，以六足仿生蜘蛛為模型，通過(guò)分析其自身結(jié)構(gòu)和相關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)。該機(jī)器人可滿足各種復(fù)雜工況下的應(yīng)用。仿生機(jī)器人的總體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 總體實(shí)現(xiàn)方案

該方案主要涉及以下幾方面的工作：

（1）手機(jī)App向控制主板發(fā)送信息傳輸命令；

（2）編寫(xiě)B(tài)CM2835執(zhí)行程序，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制六足機(jī)器人的移動(dòng)；

（3）集成溫度、氣體檢測(cè)、視頻傳輸?shù)妊b置，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜通道的巡視檢測(cè)。

1.2 設(shè)備選型

電纜管道智能運(yùn)檢仿生機(jī)器人主要由機(jī)載系統(tǒng)（控制芯片、舵機(jī)）和檢測(cè)系統(tǒng)（溫度傳感器、通道環(huán)境檢測(cè)及氣體傳感器）兩部分組成。不同設(shè)備的要求有所不同，具體如下。

（1）控制芯片，實(shí)現(xiàn)溫度和氣體監(jiān)測(cè)，控制舵機(jī)操控巡檢裝置的運(yùn)動(dòng)方向，要求具有運(yùn)行高可靠性。

（2）舵機(jī)，具有正反轉(zhuǎn)功能，要能夠容易控制啟停，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，要求具有較高的可靠性。

（4）通道環(huán)境檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)，要求系統(tǒng)可靠性高。

（5）氣體傳感器，保證氣體檢測(cè)的前提下實(shí)現(xiàn)最大程度的省電，并要求傳感器能分辨氧氣、一氧化碳、甲烷、硫化氫等多種氣體，具有高靈敏度[3]。

下面將對(duì)各選型設(shè)備的可選方案進(jìn)行特性分析，比較分析得出滿足條件的選型方案，具體如表1所示。

表1 設(shè)備選型

2 仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)步驟

仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括搭建BCM2835最小系統(tǒng)模塊、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)行走模式、安裝視頻傳輸模塊、安裝氣體檢測(cè)模塊、安裝溫度檢測(cè)模塊以及整體聯(lián)調(diào)測(cè)試等步驟，流程如圖2所示。

圖2 仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程

2.1 搭建最小系統(tǒng)模塊

開(kāi)展仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)，首先要做的是搭建最小系統(tǒng)模塊，并對(duì)該功能模塊進(jìn)行充分的測(cè)試驗(yàn)證，確保模塊滿足系統(tǒng)總體要求。該模塊設(shè)計(jì)分為最小系統(tǒng)構(gòu)成、芯片引腳配置、編寫(xiě)代碼測(cè)試等步驟。

（1）搭建博通BCM2835芯片最小系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要包括電源、通信、電機(jī)、I2C、舵機(jī)及擴(kuò)展等相關(guān)接口，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)構(gòu)成

（2）對(duì)芯片相關(guān)引腳進(jìn)行配置。最小系統(tǒng)模塊主要包括電源/接地、TXD/RXD，GPIO，SDA/SCL以及信號(hào)使能等引腳，相應(yīng)引腳映射配置關(guān)系[4]如表2所示。

表2 引腳配置表

（3）編寫(xiě)代碼及測(cè)試

編寫(xiě)運(yùn)行控制程序，對(duì)每一個(gè)端口利用LED、萬(wàn)用表進(jìn)行邏輯功能測(cè)試。

編寫(xiě)系統(tǒng)GPIO口高低電平輸出程序，利用萬(wàn)用表測(cè)試各個(gè)GPIO口導(dǎo)通功能。核心代碼如下。

2.2 搭建驅(qū)動(dòng)行走模式

驅(qū)動(dòng)行走模式的搭建按以下步驟進(jìn)行。

（1）選取合理的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。為滿足性能要求，經(jīng)計(jì)算，電機(jī)的最大輸出扭矩要大于10.58 kg·cm。本方案選用LX-224HV舵機(jī)。該舵機(jī)采用直流鐵芯碳刷馬達(dá)，工作電壓為11.1 V，扭矩為20 kg·cm。

（2）分配六足機(jī)器人的行走方式。對(duì)機(jī)器人的六足進(jìn)行編號(hào)，1，4，5號(hào)腿為A組腿，2，3，6號(hào)腿為B組腿，步態(tài)過(guò)程如圖4所示（實(shí)心圓代表支撐腿，空心圓代表擺動(dòng)腿）。起初，六腿均處于支撐狀態(tài)，B組腿抬起轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)腿，A組腿作為支撐腿支撐機(jī)體向前移動(dòng)，然后B組腿向前擺動(dòng)后落地轉(zhuǎn)換為支撐腿，A組腿抬起轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)腿，B組腿支撐機(jī)體向前移動(dòng)，A組腿落下，機(jī)器人回到初始姿態(tài)。

圖4 六足機(jī)器人行走步態(tài)

（3）分配串口控制舵機(jī)移動(dòng)方向。對(duì)串口進(jìn)行初始化，設(shè)置舵機(jī)波特率為115 200 b·s-1，對(duì)18個(gè)舵機(jī)分別分配相應(yīng)ID號(hào)，并與中央控制板相連接。利用上位機(jī)VNC軟件對(duì)六足機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左側(cè)移動(dòng)、右側(cè)移動(dòng)等功能。動(dòng)作編輯示意如圖5所示。

圖5 機(jī)器人動(dòng)作編輯示意圖

2.3 安裝視頻傳輸模塊

視頻傳輸模塊采用型號(hào)為hv3808的USB攝像頭，傳感器類(lèi)型為CMOS，像素為30萬(wàn)，最高分辨率為640×480，工作溫度為-20～75 ℃，接口為USB2.0驅(qū)動(dòng)，協(xié)議支持UAC1.0和UVC1.1/1.5。

將攝像頭USB接口接入控制板并測(cè)試安裝情況。如圖6所示，打開(kāi)Linux終端，在插入攝像頭前后，分別輸入命令lsusb，從中可以得到攝像頭設(shè)備ID，表示攝像頭已被成功識(shí)別。

圖6 視頻模塊接入測(cè)試圖

2.4 安裝溫度檢測(cè)模塊

DS18B20模塊用于溫度檢測(cè)，其具有體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。模塊引腳定義：DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，GND為接地端，VCC為外接供電電源輸入端。將該模塊與BCM2835進(jìn)行連接測(cè)試，步驟如下：

（1）掛載設(shè)備驅(qū)動(dòng)，sudo modprobe w1-gpiosudo modprobe w1-therm；

（2）驗(yàn)證設(shè)備是否生效，cd /sys/bus/w1/devices；

（3）查看溫度，cat 28-011939632f5b/w1_slave；

如圖7所示，其中t=25 062代表溫度檢測(cè)結(jié)果，除以1 000換算為攝氏度，即實(shí)際溫度值為25.062 ℃。

圖7 溫度測(cè)量結(jié)果示意圖

2.5 安裝氣體檢測(cè)模塊

氣體檢測(cè)采用精訊暢通公司的工業(yè)氣體檢測(cè)專用模組MQ-2，模組檢測(cè)靈敏度較高。該模組具有4個(gè)端口：DO為連接到開(kāi)發(fā)板的數(shù)字引腳，GND為接地引腳，VCC為外接供電電源引腳，AO為連接到開(kāi)發(fā)板的模擬引腳，引腳輸出的電壓值越高，通過(guò)ADC采集的模擬值越高[5]。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該模塊具有良好的檢測(cè)性能，誤差控制在2%以內(nèi)。

2.6 整體聯(lián)調(diào)測(cè)試

圖8給出了六足機(jī)器人實(shí)物圖和App操控界面。通過(guò)手機(jī)App連接六足機(jī)器人內(nèi)置的藍(lán)牙模塊，通過(guò)向其發(fā)送前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等方向指令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)拍照、溫度、氣體檢測(cè)等功能。

圖8 六足機(jī)器人實(shí)物及App操控界面

為測(cè)試功能的有效性，利用六足機(jī)器人對(duì)10 m段電纜井通道進(jìn)行巡視，結(jié)果如表3所示。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，六足機(jī)器人可實(shí)時(shí)傳輸視頻數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確執(zhí)行指令，完成對(duì)溫度和氣體的檢測(cè)。

表3 巡視結(jié)果數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用效果

為充分驗(yàn)證六足機(jī)器人在電纜管道巡檢的有效性，本文選取某供電公司的電纜線路進(jìn)行了測(cè)試。應(yīng)用機(jī)器人前后的巡檢時(shí)間比較如表4所示?？梢钥闯觯啾扔趥鹘y(tǒng)人工巡檢方式，六足機(jī)器人在效率上有了極大的提升。并且，使用機(jī)器人替代人工進(jìn)行電纜通道巡檢，能夠極大提升電纜通道巡檢運(yùn)維水平。

表4 應(yīng)用前后巡檢時(shí)間對(duì)比表

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的電纜溝井內(nèi)巡檢方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、巡檢效率較低的問(wèn)題，且井下長(zhǎng)期密閉、通風(fēng)性差，人員井下作業(yè)具有一定危險(xiǎn)性。本文利用仿生物學(xué)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理確定運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，提出一種電纜管道智能巡檢仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，極大地提升了電纜管道運(yùn)檢的水平，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。