面向地下管道的四向行走智能機(jī)器人系統(tǒng)*

周衛(wèi)元， 方 飛， 陳立建， 毛科技， 夏 明

(1.浙江廣播電視大學(xué) 蕭山學(xué)院，浙江 杭州 311200；2.浙江工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310032)

面向地下管道的四向行走智能機(jī)器人系統(tǒng)*

周衛(wèi)元1， 方 飛2， 陳立建1， 毛科技2， 夏 明2

(1.浙江廣播電視大學(xué) 蕭山學(xué)院，浙江 杭州 311200；2.浙江工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310032)

為了減小地下管道作業(yè)人員傷亡，降低城市地下管道維護(hù)的成本，研制開發(fā)了一種面向地下管道的四向行走智能機(jī)器人系統(tǒng)，詳細(xì)描述了機(jī)器人的硬件設(shè)計和控制軟件設(shè)計。機(jī)器人控制系統(tǒng)采用ARM—CORTEX芯片作為主控芯片，由于地下管道的特殊性采用有線通信方式，上位機(jī)控制軟件簡潔易操作。測試結(jié)果表明：機(jī)器人工作性能良好，能夠適應(yīng)不同管徑的地下管道，同時具有防水防塵等特性，研究具有一定參考價值。

管道機(jī)器人； 地下管道； 硬件結(jié)構(gòu)； 機(jī)器人控制系統(tǒng)； 軟件設(shè)計

0 引 言

城市地下管道具備電、熱、水系統(tǒng)的運(yùn)送和排污等功能，是城市生存和發(fā)展所依賴的主要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。目前，地下管道的清管和管道檢測主要依賴于污水流量或施工人員的工作，不僅效率低下且惡劣的環(huán)境對人體有害[2,3]；因此，研究開發(fā)一種能夠完成地下管道清洗和檢測的管道機(jī)器人，既是建設(shè)現(xiàn)代化文明城市的需要，也是加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的需要。

為了減小工作人員傷亡同時也能夠降低城市地下管道維護(hù)的成本，眾多管道機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[4～13]。如國外的Versatrax150探索機(jī)器人，采用模塊化的設(shè)計，同時配有遠(yuǎn)端內(nèi)部管道檢測系統(tǒng)，能夠適應(yīng)不同管徑管道,然而該機(jī)器人機(jī)體過于復(fù)雜，成本較高，而且僅有偵查功能，無法清掃并且僅有前、后兩個行走方向。韓國的TS-ROBOCAM檢測爬行器操作簡易，具有很強(qiáng)的偵測能力，但該管道機(jī)器人采用輪式行走方式，在潮濕及復(fù)雜環(huán)境，可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，而影響工程作業(yè)。同時，上述管道機(jī)器人的控制均需通過特制的控制箱或者控制盒，限制了管道機(jī)器人的使用場景且不利于攜帶。

針對上述情況，本文研制了一種適用于地下管道工程作業(yè)的智能機(jī)器人，并詳細(xì)敘述了其總體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，最終，對機(jī)器人的性能進(jìn)行了實驗測試。

1 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)

研制的管道機(jī)器人能夠通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像，通過氣體傳感器采集管道內(nèi)相應(yīng)氣體數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)監(jiān)測管道環(huán)境，同時控制機(jī)器人的行走、機(jī)械臂的操作，實現(xiàn)人力替代。機(jī)器人硬件系統(tǒng)如圖1所示，主要由行走機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂機(jī)構(gòu)、清潔機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及感知機(jī)構(gòu)5大模塊組成。

1.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)包括由3 mm厚不銹鋼打造的機(jī)器人機(jī)身、滾輪組件以及包覆在滾輪組件外部且安置在機(jī)身兩側(cè)的不銹鋼防水履帶。機(jī)身內(nèi)部安裝有2個參數(shù)為12 V/15 W，120 r/min的行走驅(qū)動電機(jī)帶動履帶轉(zhuǎn)動，通過控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)實現(xiàn)管道機(jī)器人的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及原地轉(zhuǎn)向；通過控制電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)行走電機(jī)的速度控制機(jī)器人的行進(jìn)速度。高功率的電機(jī)以及履帶式行走方式使得機(jī)器人能夠在環(huán)境惡劣的地下管道中穿梭自如，并且具有極強(qiáng)的越障能力。另外，機(jī)器人的履帶通過U型支架與機(jī)器人機(jī)身連接，使得履帶能夠變換不同的角度以適應(yīng)不同管徑的管道。

圖1 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)

機(jī)械臂機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)器人機(jī)身上部，包括1個三自由度機(jī)械臂；3個參數(shù)為12 V/8 W，30 r/min的蝸桿電機(jī)，用于控制機(jī)械臂前伸后縮以及左右擺動；2個180°舵機(jī)控制清潔機(jī)的轉(zhuǎn)動與清潔工具的切換。三自由度機(jī)械臂組件為四連桿結(jié)構(gòu)，包括第一機(jī)械臂、第二機(jī)械臂、第一連桿和第二連桿，其中，第一機(jī)械臂的底部與第二蝸桿電機(jī)的輸出軸連接，第二機(jī)械臂的后端與第一機(jī)械臂的上端鉸接，第二機(jī)械臂的前端配有用于安裝清潔機(jī)構(gòu)的第一舵機(jī)；第一連桿的一端與所述的第一機(jī)械臂的底部鉸接，第一連桿的另一端與第二連桿的一端鉸接，第二連桿的另一端與安裝在第二機(jī)械臂后端的第二舵機(jī)鉸接；舵機(jī)及電機(jī)的控制端與主控模塊的舵機(jī)及電機(jī)控制端口相連，實現(xiàn)三自由度機(jī)械臂組件不同方向的運(yùn)動。

1.3 清潔機(jī)構(gòu)

清潔機(jī)構(gòu)包括殼體、第三蝸桿電機(jī)、清潔毛刷、機(jī)械爪和第四舵機(jī)，通過第二舵機(jī)安裝在第二機(jī)械臂前端。清潔毛刷與第三蝸桿電機(jī)的輸出軸連接，機(jī)械爪通過第四舵機(jī)安裝在所述的殼體另一端。當(dāng)控制第二舵機(jī)時，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔毛刷與機(jī)械爪之間的切換，配合完成各項作業(yè)任務(wù)。

1.4 控制機(jī)構(gòu)

控制機(jī)構(gòu)包括主控模塊、與主控模塊相連的數(shù)據(jù)傳輸模塊、用于發(fā)送用戶操作指令的上位機(jī)控制模塊、與主控模塊相連的電機(jī)驅(qū)動控制模塊等。

1)主控模塊為基于STM32F103ZET6芯片的嵌入式控制主板[14]，用于解析上位機(jī)控制模塊的控制指令，并驅(qū)動機(jī)器人各模塊協(xié)同工作。

2)數(shù)據(jù)傳輸模塊包括型號為MT7620N的智能路由芯片，可以同時提供無線(WiFi)、有線(以太網(wǎng))2種數(shù)據(jù)傳輸方式與上位機(jī)控制模塊進(jìn)行通信(由于地下管道對無線信號屏蔽嚴(yán)重，因此，本文采用有線方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，但同時也保留了無線傳輸接口)，用于傳輸主控模塊與上位機(jī)控制模塊之間的通信數(shù)據(jù)。

3)上位機(jī)控制模塊為便攜式計算機(jī)或者智能移動終端，用于向用戶提供一個可視化的機(jī)器人操作界面，同時將攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人狀態(tài)等信息通過可視化界面展現(xiàn)出來。并且，用戶可以通過該模塊向機(jī)器人發(fā)送指令，控制機(jī)器人的行為。

4)電機(jī)驅(qū)動控制模塊包括單片機(jī)或DSP嵌入式電機(jī)控制芯片，用于驅(qū)動機(jī)器人各部分電機(jī)，如行走模塊的直流電機(jī)、機(jī)械臂的伺服電機(jī)等。

此外，控制機(jī)構(gòu)還設(shè)有保護(hù)裝置(限位開關(guān)機(jī)紅外傳感器)。限位開關(guān)安裝于機(jī)器人機(jī)身，限制機(jī)械臂的最大活動范圍；而紅外傳感器能夠探測傳感器前方障礙物，防止撞擊對機(jī)器人帶來的損傷。

1.5 感知機(jī)構(gòu)

感知模塊包括危險氣體傳感器、第一紅外傳感器、360°旋轉(zhuǎn)式攝像頭以及LED照明燈。機(jī)身裝有攝像頭、氣體(甲烷、硫化氫、一氧化碳)傳感器、第一紅外傳感器以及LED照明燈，其中攝像頭通過360°舵機(jī)安裝在機(jī)身上方，實現(xiàn)攝像頭360°旋轉(zhuǎn)，并將圖像信號通過以太網(wǎng)實時傳輸至上位機(jī)控制模塊； LED照明燈設(shè)置于機(jī)身外圍，用于探測管道內(nèi)環(huán)境，為操作人員提供更廣闊的視野，方便操作。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)及軟件設(shè)計

設(shè)計的管道機(jī)器人控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)2級分布式控制，主要用于控制機(jī)器人實現(xiàn)不同的行進(jìn)方向、行進(jìn)速度、攝像頭朝向、機(jī)械臂的伸縮以及完成相應(yīng)的清潔去障等簡易工作，同時將機(jī)器人所采集的實時影像數(shù)據(jù)以及傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)控制系統(tǒng)，為工程作業(yè)人員操作機(jī)器人提供參考。

圖2 控制系統(tǒng)整體模塊

管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中虛線框內(nèi)即為下位機(jī)部分。上位機(jī)通過控制軟件經(jīng)由以太網(wǎng)向下位機(jī)發(fā)送控制指令，數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)后，通過RS—232串口將指令傳輸至機(jī)器人主控板[16]。指令數(shù)據(jù)經(jīng)由下位機(jī)程序解析后，控制執(zhí)行相對應(yīng)的管道機(jī)器人行為。同時，機(jī)器人相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)由RS—232串口發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳感器數(shù)據(jù)以及攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時發(fā)送至上位機(jī)控制系統(tǒng)。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)指令數(shù)據(jù)傳輸至主控板時，下位機(jī)程序的控制流程如圖4所示。主要由2個中斷程序組成。其中串口中斷用于判斷接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，定時器中斷則定時采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由低通濾波處理后通過串口以及數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至上位機(jī)。

圖4 下位機(jī)控制流程

上位機(jī)控制軟件采用C#語言編寫，使用TCP/IP協(xié)議，與下位機(jī)之間通過建立Socket套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。控制系統(tǒng)界面如圖5所示，界面簡潔易操作。

機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體使用流程如下：

1)啟動供電模塊為整個系統(tǒng)供電，機(jī)器人自動將機(jī)械臂、清潔毛刷、機(jī)械爪等復(fù)位。同時上位機(jī)控制模塊啟動、初始化，并選擇線或者無線方式與機(jī)器人建立連接。

2)用戶在上位機(jī)控制模塊選擇不同的操作，如控制機(jī)器人前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向、開閉攝像頭、機(jī)械臂前伸、啟動清潔毛刷、開閉機(jī)械爪等，上位機(jī)控制模塊通過以太網(wǎng)或者無線WiFi將控制指令發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊再經(jīng)由RS—232串口送至主控模塊。

3)主控模塊根據(jù)通信協(xié)議對所收到的控制指令進(jìn)行解析，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的操作。例如，用戶在上位機(jī)控制模塊控制機(jī)器人前進(jìn)，主控模塊收到對應(yīng)指令并解析后，通過電機(jī)驅(qū)動控制模塊控制相應(yīng)行走模塊中的直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)動作。在這個過程中，如果保護(hù)模塊檢測到機(jī)器臂活動幅度過大或者檢測到一定距離內(nèi)出現(xiàn)障礙物，或感知模塊中的危險氣體傳感器檢測到危險氣體濃度過高時，機(jī)器人將停止運(yùn)行，并給出相應(yīng)警示信息。

圖5 上位機(jī)控制系統(tǒng)界面

3 樣機(jī)測試與實驗

管道機(jī)器人的樣機(jī)如圖6所示，主要性能如下所示：機(jī)器人質(zhì)量約14 kg；行走速度可達(dá)10 m/s；電池續(xù)航時間可達(dá)60 min；地下管道內(nèi)有線通信距離可達(dá)80 m；機(jī)身整體采用IP68防水防塵標(biāo)準(zhǔn)；并且采用履帶可四向行走。

圖6 管道機(jī)器人樣機(jī)

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種面向地下管道的四向行走智能機(jī)器人。該機(jī)器人可前、后、左、右行走，可用于轉(zhuǎn)彎、復(fù)雜管道及狹隘空間。機(jī)器人上方裝有多模塊的三自由度機(jī)械手臂，其清潔機(jī)構(gòu)設(shè)計了可切換功能，能夠自由切換清潔毛刷和機(jī)械爪，以進(jìn)行管道清潔、異物移除等工作；機(jī)器人后方裝有氣體傳感器，用于監(jiān)測管道內(nèi)氣體的主要成分；可調(diào)節(jié)的不銹鋼履帶，使得其能夠適應(yīng)不同直徑的管道；不依賴特制的機(jī)器人控制箱，能夠在任意便攜式筆記本電腦或者智能移動終端上通過有線或者無線的方式對機(jī)器人進(jìn)行實時的操作控制，抗干擾性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣；管道機(jī)器人的狀態(tài)、攝像頭的圖像以及傳感器數(shù)據(jù)能夠在上位機(jī)操作模塊中實時顯示，配合上位機(jī)操作模塊中的控制軟件，操作簡便、直觀；保護(hù)模塊能夠有效保證機(jī)器人自身的安全。因此，該機(jī)器人具有較好的穩(wěn)定性與較高的實用性。

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Four directions walking intelligent robot system for underground pipeline*

ZHOU Wei-yuan1, FANG Fei2, CHEN Li-jian1, MAO Ke-ji2,XIA Ming2

(1.College of Xiaoshan,Zhejiang Radio and Television University,Hangzhou 311200,China; 2.College of Computer Science and Technology,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China)

In order to reduce the casualties in underground pipe operations and lower the cost of urban underground pipeline maintenance,develop an intelligent robot system which can replace human to accomplish underground pipe operations.design of hardware and control software of the robot is described.The robot control system uses an ARM-CORTEX chip as the master control chip.The robot adopts wired communications due to the particularity of the underground pipeline environment，software of upper PC control is simple and easy for operation.All the experimental results suggest that the robot performs well in real environment;it adapts to different underground pipes with different diameter and meets the standards of the waterproof and dustproof.It has certain reference value for study of in-pipe robot.

in-pipe robot; underground pipes; hardware structure; robot control system; software design

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0073—04

2017—06—27

國家自然科學(xué)基金資助項目(61401397)； 浙江省高校訪問學(xué)者項目(FX2016053)

TP 242

A

1000—9787(2017)09—0073—04

周衛(wèi)元(1970-)，男，碩士，講師,主要研究方向為機(jī)電工程，智能機(jī)器人。

夏 明(1981-)，男，通訊作者，博士，副教授，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，E—mail:maokeji@zjut.edu.cn。