智能焊縫循檢機器人設(shè)計與實現(xiàn)

楊見

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

0 引言

焊縫循檢機器人屬于一種爬壁機器人，主要是針對大型金屬容器壁或管壁的焊縫進行循檢作業(yè)[1]。傳統(tǒng)的循檢作業(yè)主要采用人工手動的方式，存在效率低下、危險性高，且不適宜大規(guī)模作業(yè)。本次設(shè)計將未經(jīng)打磨處理的焊縫作為循檢軌跡。在現(xiàn)有的焊縫循跡研究中，部分學(xué)者利用CCD圖像處理的方式，經(jīng)過軟件算法的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫的識別，但該方式算法復(fù)雜，實時性不高。本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路、循檢電路以及其他功能電路組成，實現(xiàn)對焊縫的識別檢測；軟件部分通過C語言程序編程，利用PWM調(diào)制信號輸出不同的占空比的脈沖[2]，以此控制電機的轉(zhuǎn)向和速度。通過多次的調(diào)試改進，進而到達(dá)實時控制。

1 機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本次設(shè)計的閉環(huán)控制系統(tǒng)以微處理器為核心，由電源電路、驅(qū)動模塊、循檢模塊、復(fù)位電路、轉(zhuǎn)向控制模塊等組成，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

控制單元采用STC89系列CMOS8位微處理器[3]（STC89C52），功耗低、性能高，且擁有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，32位I/O口，內(nèi)置4K的E2PROM以及3個16位定時器、計數(shù)器等資源，便于功能的擴展[4]。主控電路實現(xiàn)的功能：單片機接收、處理循檢電路的采集信號；根據(jù)采集信號所反饋的信息，單片機生成相應(yīng)的PWM波驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)并實現(xiàn)調(diào)速，同時控制舵機對機體進行轉(zhuǎn)向調(diào)整。

圖1 機器人控制系統(tǒng)的總體框圖

1.1 電源電路

本次設(shè)計中采用3組12VDC 3000mAh鋰離子可充電電源，其中一組電源為單片機系統(tǒng)單獨供電，另外兩組電源為電機、舵機、傳感器以及其他元器件供電。圖2所示為電源穩(wěn)壓電路，該電路經(jīng)LM2596-5.0穩(wěn)壓芯片和電容器，將12V電壓穩(wěn)定在5V，輸出給單片機。單獨供電可以提高單片機系統(tǒng)的工作可靠性。

1.2 循檢模塊

機體循檢部分采用4路EE-SX671A型光電傳感器，該傳感器包含VCC、L、OUTPUT和GND。VCC端接5V電壓，L端懸空，OUTPUT端的電壓信號作為循檢信號輸送到單片機，4路光電傳感器分別接單片機4路I/O口（P0.1～P0.4）。安裝過程中，將光電傳感器對稱安裝在機體循檢裝置的前排，導(dǎo)軌上的擋光板能夠在光電傳感器的發(fā)射端和接收端的之間滑動，其滑動的狀態(tài)直接影響光電傳感器的輸出狀態(tài)。

循檢原理：機器人在行進過程中，導(dǎo)軌擋光板置于焊縫兩側(cè)，當(dāng)機體直行時，光電傳感器輸出高電平，繼續(xù)直行；當(dāng)機體發(fā)生左偏，擋光板在焊縫的作用下右移，右側(cè)光電傳感器輸出低電平，舵機調(diào)整機體左轉(zhuǎn)；當(dāng)機體向右偏，擋光板在焊縫的作用下左移，左側(cè)光電傳感器輸出低電平，舵機調(diào)整機體右轉(zhuǎn)。單片機通過獲取左右光電傳感器的輸出信號，控制機體的行進狀態(tài)，最終到達(dá)循檢的目的。

圖2 12VDC轉(zhuǎn)5VDC穩(wěn)壓電路

1.3 電機驅(qū)動模塊

機器人的動力部分采用4個12V渦輪蝸桿直流減速電機，能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，扭矩大，簡單易用且便于安裝。電機驅(qū)動電路如圖3所示，采用L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片[5]，最大的輸出電流可達(dá)2A。單片機4路I/O口（P1.0～P1.3）依次接驅(qū)動芯片的輸入端IN口（IN1～IN4），用以控制電機的轉(zhuǎn)動方向。單片機的2路 I/O口（P0.5、P0.6）接芯片使能端（ENA、ENB），單片機輸出PWM調(diào)速脈沖至使能端，實現(xiàn)對電機的調(diào)速。使能端為高電平，且輸入端為相反電平時，電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，否則為制動狀態(tài)；使能端為低電平，電機處于停止?fàn)顟B(tài)。

1.4 轉(zhuǎn)向控制模塊

機器人的轉(zhuǎn)向控制部分通過舵機來調(diào)節(jié)，本次設(shè)計采用JX6221型金屬舵機，反應(yīng)快，帶有堵轉(zhuǎn)保護功能，最大實現(xiàn)20Kg·CM的扭矩。舵機有3根線，即VCC、GND、PWM控制信號線。如圖4所示，為舵機控制電路，單片機的P2.1腳連接舵機的PWM控制信號端口。通過輸出脈寬為0.5ms～2.5ms的控制脈沖，實現(xiàn)-90°～+90°的角度控制。舵機工作電流較大，因此，在設(shè)計中舵機的控制采用單獨的電源供電，以便舵機穩(wěn)定地達(dá)到轉(zhuǎn)向控制的目的。反轉(zhuǎn)，否則為制動狀態(tài)；使能端為低電平，電機處于停止?fàn)顟B(tài)。

圖3 電機驅(qū)動電路

圖4 舵機控制電路

1.5 其他功能模塊

為了提高機器人的環(huán)境適應(yīng)性，在控制系統(tǒng)中，加入溫濕度傳感器、氣敏傳感器、無線攝像頭模塊等。采用DHT11溫濕度傳感器，用于實時監(jiān)測容器壁面周圍環(huán)境的溫濕度狀況。采用MQ-2煙霧氣敏傳感器用以檢測濃度為300～10000ppm的煙霧和可燃?xì)怏w，如發(fā)生火災(zāi)等狀況，提前發(fā)出預(yù)警。無線攝像頭模塊可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測焊縫循檢狀態(tài)，實時做出預(yù)判，調(diào)整機器人的工作狀態(tài)。

2 機器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 機器人循檢狀態(tài)分析

機器人在循檢過程中，主要依靠4個光電傳感器來識別焊縫。單片機通過傳感器的循檢信號控制機器人的行進狀態(tài)。機體的行進狀態(tài)包含前進、左轉(zhuǎn)、減速左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、減速右轉(zhuǎn)。為了保證識別的準(zhǔn)確率，機體的行進速度盡量保持慢速，因此，對不規(guī)則焊縫的檢測時，做相應(yīng)的減速處理。當(dāng)擋光板位于中間，即4個傳感器未觸發(fā)時，機體保持直行；當(dāng)擋光板左移，觸發(fā)左1傳感器時，機體左轉(zhuǎn)；當(dāng)擋光板左移，觸發(fā)左1和左2傳感器時，機體減速左轉(zhuǎn)；當(dāng)擋光板右移，觸發(fā)右1傳感器時，機體右轉(zhuǎn)；當(dāng)擋光板右移，觸發(fā)右1和右2傳感器時，機體減速右轉(zhuǎn)。機體的行進速度通過單片機調(diào)節(jié)PWM波的占空比來實現(xiàn)。機體行進狀態(tài)與傳感器的循檢信號關(guān)系如表1所示。表中“H”代表高電平，“L”代表低電平。輸出低電平時，單片機進行轉(zhuǎn)向控制。

表1 機體行進狀態(tài)與傳感器的循檢信號關(guān)系

2.2 控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計

機器人上電后，進行系統(tǒng)初始化操作，延遲1s后進入工作狀態(tài)，單片機不斷檢測I/O的狀態(tài)，根據(jù)高低電平的變化，執(zhí)行相應(yīng)的子程序。首先執(zhí)行環(huán)境檢測子程序，檢測機體周圍環(huán)境的溫濕度狀況，判定當(dāng)前是否適合機器人工作。環(huán)境狀況正常時，執(zhí)行循檢子程序，循檢結(jié)束后，機器人停止工作返回。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.3 循檢子程序

機器人啟動循檢子程序，單片機不斷檢測I/O口高低電平的變化，根據(jù)軟件程序的設(shè)定，檢測到傳感器發(fā)出循檢信號，執(zhí)行相應(yīng)地行進動作，在焊縫的導(dǎo)向下，進行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或直行。循檢子程序如圖6所示。

圖6 循檢子程序

3 結(jié)語

本文設(shè)計的智能焊縫循檢機器人，通過單片機控制，利用光電傳感器采集焊縫信息，在電機驅(qū)動模塊和轉(zhuǎn)向模塊的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對焊縫的循跡檢測，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性較好，成本低，具有一定的實際意義。但限于單片機的處理能力，焊縫的識別檢測率有待提高。

[1]閆久江，趙西陣.爬壁機器人研究現(xiàn)狀與技術(shù)應(yīng)用分析[J].機械研究與應(yīng)用，2015，3(28)：52-58．

[2]張巖，裴曉敏，付韶彬.基于單片機的智能尋跡小車設(shè)計[J].研究與開發(fā)，2014，3(33)：51-54．

[3]曹磊，曹蕊，華永康.激光傳感器在智能尋跡小車中的應(yīng)用[J].科技視界，2015(22)．

[4]何宏，趙磊，張志宏.基于ARM-Linux的爬壁機器人遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)[J].研究與開發(fā)，2016，12(35)：56-60.

[5]張玉帥，楊婷婷.基于51單片機的智能尋跡機器人系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界，2016(10)．

[6]劉莉，劉潔，蘭斌.尋跡避障機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2017，6(30)：131-133．