管外爬行機器人及其控制系統設計

賈朝川，楊 婷，符茂勝

（1.皖西學院信息工程學院，安徽 六安237012；2.皖西學院機械與電子工程學院，安徽 六安237012）

管道爬行機器人是機器人研究領域的一個主要的研究方向，它分為內管道和外管道機器人，內管道機器人研究較為成熟，而對外管道機器人的研究還相對較少，外管道機器人主要是針對纜索、電纜、電線桿、自來水管道、輸油管道、輸氣管道、輸暖管道等圓形管道進行作業。其中，大多數管道中都含有高溫、高壓、有毒、有輻射的流體物質，如果發生管道裂紋或者斷裂，管內有害物質泄漏將會給人們的性命和財產帶來重大的損失，因此，對管道進行定期的檢測和保養必不可少［1］。若僅僅靠人工方法對其進行作業，不僅耗費人力和物力，而且效率也比較低，況且許多場合根本無法容納人工作業，此類情況下，管外爬行機器人就能充分發揮出它的優越性和實用性。本文針對圓形管道給出了管外爬行機器人的機械結構及控制系統的模型。

1 管外爬行機器人結構原理

根據管道的形狀，有些管道并非都是豎直，有些是交叉狀等特點。機器人在運動過程中，可能需要進行翻轉或者旋轉等動作。根據以上特點設計出的管外爬行機器人本體結構是一個對稱結構，一共分為前后兩節，每一節都是有一個車體、兩個自由滾輪支架、兩個行走滾輪、兩個行走滾輪舵機、一個電機螺桿和一個翻轉電機組成，行走滾輪的安裝方位與管道的方位設置成空間45°的夾角。該管外爬行機器人能實現以下幾個方面的動作：①調節行走滾輪舵機的旋轉方向，使爬管機器人沿著管道前進或者后退；②調節行走滾輪舵機的旋轉方向，使該機器人在管道上做旋轉運動；③在與電機螺桿連接的直線電機和關節間的翻轉電機的配合下，實現夾緊機構的夾緊和松開，以及前后車體的翻轉運動。機器人本體結構圖二維示意圖如圖1所示。

圖1 爬管機器人整體機構二維示意圖

2 管外爬行機器人硬件控制系統設計

根據機器人的運動特性，機器人的執行結構是由直流電機和舵機來驅動，機器人硬件控制系統主要由電源模塊；主控制器模塊；通信模塊；電機驅動模塊；信號反饋模塊等組成［2］，硬件控制系統的整體框圖如圖2所示。

圖2 硬件控制系統的整體框圖

2.1 電源模塊

電源是整個控制系統賴以正常工作的基礎，硬件控制系統以c8051f020為核心器件。核心MCU和各個模塊需要提供的電源型號是不一樣的，在電路中需要設計相應的電源轉換電路。電路中需要的電源型號有舵機12V、直流電機5V和控制芯片3.3V等3種類型。可以通過12V的穩壓電源為系統供電，通過LM7805、LM1117分別將12V轉換為5V，5V轉換為3.3V。電源轉換電路如圖3所示。

2.2 信號反饋模塊

管道機器人作業的管道一般都是垂直、傾斜、交叉等形狀，機器人想在管外進行作業，勢必就需要固定在管道外，在結構設計中就包含有固定機構，它是由一個直流電機通過螺桿帶動夾緊機構運動實現機器人的固定。但是，在夾緊的力度方面，如果不加以控制，可能會導致電機運動過度，損壞電機或者夾緊機構。因此，在控制系統中，采用壓力傳感器檢測夾緊機構與管道之間的壓力來實現直流電機的閉環控制，這樣可以有效的緩解因電機運動過度所產生的危害。當壓力達到一定值時，壓力轉化的摩擦力將平衡與機器人本身的重力，從而就可以實現機器人的平衡［3］。系統中采用的壓力傳感器型號為 MPS1200，測量范圍在-100～1 000KPa。輸出0.5～4.5V標準電壓。c8051f020內部帶有數據采集所需的ADC和DAC，其中ADC有2個，一個是8路12位逐次逼近型ADC，可編程轉換速率可達100ksps，可編程增益為：0.5、1、2、4、8或16；另一路是8路8位 ADC，可編程轉換速率可達500ksps，可編程增益為0.5、1、2、4。可以實現對壓力傳感器信號的采集。壓力傳感器有3個接線端子，分別是電源VIN，數據輸出端OUT和接地端GND。

2.3 通信模塊

系統中舵機采用的是485總線控制方式，由于主控器c8051f020內部具有2路UART通信模塊，故控制器與舵機的通信需要采用max232轉max485轉換電路來實現［4］，轉換電路原理圖如圖4所示。

2.4 主控制器模塊

主控制器是信息處理的中心，主要實現對兩類型指令的處理；壓力傳感器信號和無線發送器信號。通過對以上信號的處理，產生兩種控制信號：舵機控制信號和直流電機PWM控制信號［5］。由于舵機的控制信號是通過max485總線方式發送給各個舵機，實現對多個舵機進行控制，舵機反饋的位置等信息通過max485總線返回到MCU，實現閉環控制舵機，舵機控制信號及反饋信號格式如表1所示。PWM信號是占空比可調的脈沖信號，通過調節信號的占空比來調節電機的速度。整個系統的硬件原理圖如圖5所示。

圖3 電源轉換電路

圖4 max232轉max485原理圖

表1 舵機控制指令和反饋信號格式

圖5 主控制器硬件原理圖

讀指令格式說明：FF，FF是數據包開始標志；01是舵機的ID號為1；04是ID號后的參數個數為4個；02表示是讀操作指令；2B是指讀數據的起始地址為0x2B；01表示的是讀取的數據個數為1個；CC為校驗碼是對開始標志后面的數據進行求和再取反所得結果。反饋信號格式說明：FF，FF也是數據包開始標志；01是舵機的ID號為1；03是后面參數的個數為3個；00表示讀取的數據狀態為無錯誤；20是讀取的數據，DB為校驗碼。寫指令操作與讀指令操作格式是統一的［6］。在程序中可以通過讀取或者寫入舵機內部特殊功能寄存器來實現對舵機位置、速度、加速度等參數的設置。

3 管外爬行機器人軟件控制系統設計

系統軟件流程圖如圖6所示。系統上電啟動后，初始化各個參數，如設置舵機ID號、通信波特率、中斷方式、I／O口輸入輸出功能寄存器配置等，然后進入等待狀態，等待控制端發送來的控制信號，判斷是何種控制指令，如果是直流電機控制指令，就是驅動加緊機構夾緊管道，在直流電機運動過程中，采用中斷方式不斷采集壓力傳感器數據，并進行判斷，當達到預設值時，停止直流電機運動，說明夾緊機構已經夾緊管道，此時，返回等待接收控制指令；如果為舵機控制指令，然后，檢測壓力傳感器數據，判斷是否滿足壓力，如果滿足則根據發送的運動形式驅動不同舵機完成相應運動，如前進、后退、旋轉等動作，返回等待下一步操作指令，如果不滿足則輸出控制直流電機，帶動夾緊機構夾緊管道；如果為停止指令，則禁止所有電機運動，機器人停止在當前位置等待控制指令。

表2 實驗測試數據

圖6 軟件控制系統流程圖

4 結語

對設計的爬管機器人在實驗室進行測試，實驗管道內徑分別為8cm和10cm粗糙的鋼質密封管，測試的實驗數據如表2所示。實驗結果驗證了本設計方案的可行性及實用性。該爬行機器人能夠實現在水平、垂直和帶有十字交叉的管道外爬行，但系統的穩定性和平滑性有待于進一步提高。該機器人可以為各種工業管道、民用管道、大橋斜拉索、電纜等圓柱形體的質量檢測、維護修復等作業提供一種新型的管外行走裝置。

［1］程向麗.翻轉式爐膛清灰機器人的設計［D］.天津：天津大學（碩士學位論文），2012.

［2］蔡傳武，管貽生，周雪峰，等.雙手爪式仿生攀爬機器人的搖桿控制［J］.機器人，2012，5（24）：120-124.

［3］王永雄，葉青.管道機器人自主導航系統設計［J］.制造業自動化，2009，1（32）：113-115.

［4］遠飛.基于AT89S52單片機的舵機控制系統設計［J］.電子元器件應用，2011，12（13）：26-28.

［5］Chen Xia-feng，He Ya-fei，Shen Xin-di，Development of Apulse-type Servo Driver System and the Application on a Three-axises Robot［J］.Informatics in Control，Automation and Robotics，2010，（14）：404-406.

［6］馬云，石秀華，賀天鵬.IIC總線的四路舵機控制系統研究［J］.機電一體化技術，2012，7（5）：36-39.