一種爬繩爬桿機器人的設(shè)計和制作

趙鵬，吳濛濤，顧佳祥，陳躍

（徐州工程學院機電學院，江蘇徐州221111）

隨著橋梁、管線、輸電線越來越多以及相應(yīng)的安全要求越來越嚴格，相應(yīng)的安全檢測也越來越多，橋梁懸索檢測、輸電線路檢測往往在高空進行，充滿危險因素，管線檢測往往要在人們無法進入的地方進行，因此設(shè)計一種能夠在懸索、輸電線或管路上運動實現(xiàn)無人巡檢的機器人顯得非常重要。

國內(nèi)外很多學者針對各種特定的行業(yè)，展開了大量的研究。有對船體清洗開發(fā)的機器人[1-3]。德國KAMAT公司[4]開發(fā)了一種高空除銹機器人。張申林的橋梁拉索檢測機器人[5]。華南理工大學研制的Climbot加持類機器人[6]。寧波大學的陳偉設(shè)計研制了船體拋光小型機器人彎曲曲面行走系統(tǒng)[7]對于爬壁機器人[8]有較良好的改善，并開展了故障診斷技術(shù)研究[9]。

本文設(shè)計了一種爬繩爬桿機器人，闡述了其機械構(gòu)型與工作原理以及運動控制方法。

1 爬繩爬桿機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機器人總體方案設(shè)計

一般來說爬桿機器人正常工作需滿足移動功能和貼附功能。移動功能有4種：蠕動式[10]、履帶式[11]、輪式以及腿式。貼附功能有兩種實現(xiàn)方式：夾持式和吸附式[12]。傳統(tǒng)吸附方式有負壓吸附、推力與加持力吸附及磁力吸附等[13-14]。并且正常工作需要依據(jù)抓持桿件的方式，爬桿機器人大體可分環(huán)抱式、鉤爪式和夾持式3類[15]。

本文設(shè)計的機器人機械機構(gòu)主要包括以下幾個部分：驅(qū)動機構(gòu)、減速器、壓緊機構(gòu)、爬升機構(gòu)。驅(qū)動機構(gòu)主要是由電機和聯(lián)軸器組成；減速器由渦輪蝸桿減速機構(gòu)組成，通過對機器人爬行時所需要的最大扭矩的估算進行減速器的選擇和尺寸設(shè)計。壓緊機構(gòu)主要是由彈簧、輪架、車輪等組成，這部分主要根據(jù)對輪軸所能承受的強度來進行軸徑的計算。爬升機構(gòu)是由驅(qū)動輪、傳動軸、軸承、套筒等零件組成。這些機構(gòu)均安裝于機器人殼體上，機器人殼體對內(nèi)部的機械機構(gòu)和控制裝置起到保護作用，同時也作為安裝攝像頭等附加設(shè)備的本體[16]。機器人的爬升機構(gòu)的箱體內(nèi)安裝有雙電動機和蝸輪蝸桿，電機通過蝸輪蝸桿傳遞的速度和扭矩帶動傳動軸上驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動。穩(wěn)定輪通過拉簧的拉緊來使穩(wěn)定輪和驅(qū)動輪緊緊的壓在繩索上，穩(wěn)定輪和驅(qū)動輪分別位于繩索的下方和上方，保持機器人的平穩(wěn)運行。機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示；機器人傳動部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 機器人整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 機器人傳動部分結(jié)構(gòu)圖

1.2 壓緊機構(gòu)的設(shè)計

壓緊機構(gòu)的主要作用是通過調(diào)節(jié)彈簧的預緊力來使機器人滾輪能夠?qū)K或桿產(chǎn)生一定的壓力從而產(chǎn)生足夠的摩擦力，保證機器人能夠在繩或桿上穩(wěn)定爬行；同時還可以使機器人能夠在不同直徑的繩或桿上工作。機器人的壓緊機構(gòu)主要由彈簧、滾輪、滾輪叉架、固定座以及一系列標準件組成，如圖3所示，機器人壓緊機構(gòu)圖。

圖3 機器人壓緊機構(gòu)

2 爬繩爬桿機器人控制部分設(shè)計

2.1 機器人的控制方法

機器人可以通過遙控器進行控制，機器人的運動狀態(tài)分為啟動/停止、加速/減速、前進/后退遙控器能發(fā)出4條指令，分別為A（啟停按鍵），B（正反轉(zhuǎn)按鍵），C（加速按鍵），D（減速按鍵）。

本文設(shè)計的爬繩爬桿機器人采用ST89C52單片機作為整個電路控制系統(tǒng)的核心，單片機通過驅(qū)動器控制步進電動機運動，改變單片機輸出控制信號頻率進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速，改變給電機接口的電流順序，則可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向的控制。

2.2 機器人的控制流程圖

圖4 控制系統(tǒng)框圖

2.3 單片機選型

單片機作為系統(tǒng)的控制核心，其穩(wěn)定性直接決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于工作環(huán)境極其惡劣且復雜的引信電路來講，其對單片機的穩(wěn)定性和可靠性均有著極高的要求。因此，選擇合適的單片機就是十分重要的工作。

51單片機能夠成為經(jīng)典是有原因的。首先，它具有一整套完善的按位操作系統(tǒng)，配合雙重功能的地址區(qū)間和乘法、除法指令，也為開發(fā)者帶來了極大的便利。但其缺點也是極其明顯的，作為單片機中的“老爺機”，其外設(shè)資源極其有限，常用的AD、EEPROM等功能均需要外接外設(shè)進行擴展，增加了軟硬件負擔。同時，IO口驅(qū)動能力很差，這也是51系列單片機最大的軟肋，這一點直接限制了其在工業(yè)控制和軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時由于其老舊的硬件架構(gòu)導致其運行速度過慢，代碼效率極低。同時，51單片機的硬件保護能力非常差，穩(wěn)定性和可靠性都不高，很容易燒毀芯片。但是低廉的成本和豐富的開發(fā)資料，使得51單片機仍然是國內(nèi)占市場比例最高的低級單片機。

PIC系列單片機是美國微芯半導體主打的微控制器產(chǎn)品。由于內(nèi)置CMOS互補推挽輸出的IO口具有很強的外設(shè)驅(qū)動能力，是很多工業(yè)控制類項目的首選。同時，極強的抗干擾性也是PIC系列單片機的一大優(yōu)點，得益于其簡潔高效的硬件結(jié)構(gòu)，PIC單片機的可靠性和穩(wěn)定性均非常出色。但同樣由于其硬件結(jié)構(gòu)過于簡化，導致其沒有乘法指令等很多常用指令，這為開發(fā)工作帶來了一定的難度。

綜合需求考慮，本項目選用宏晶半導體推出的STC89C52單片機作為項目主控。

2.4 遙控部分說明

遙控與接收部分采用2262/2272四路無線遙控模塊。

遙控器上有四個按鍵，分別對應(yīng)接收板上的4個數(shù)據(jù)輸出位輸出引腳D0、D1、D2、D3。按按鍵發(fā)射信號，對應(yīng)的輸出位就會輸出高電平。

接收裝置即帶有2272解碼芯片的接收板，其工作電壓為5 V，接收靈敏度為-98 db。有7個引腳位，分別是 VT、D3、D2、D1、D0、+5V、GND。其中 VT是有效信號高電平輸出腳，一旦收到有效信號，該引腳輸出高電平，也可以驅(qū)動繼電器。

2272接收解碼器的D0-D4引腳與單片機的P1.4-P1.7引腳相連，單片機檢測每個引腳的電瓶，一旦某個引腳電平變成高電平，則按照預設(shè)的功能要求給出指令，控制機器人運動。

圖5 2272紅外線接收板

2.5 電動機的選擇

考慮到該機器人運行精度要求不高，需要較大的扭矩以及實時速度的調(diào)整，而且步進電機控制比較方便，本文選用步進電動機驅(qū)動機器人運動，經(jīng)過計算，兩相57步進電機即可滿足要求。電動機是機器人的唯一動力源，其外部尺寸也將影響到其他機構(gòu)的安置，選用的此電機的外部尺寸也是考慮因素之一。

查表知，可選用的型號為57HB41K-104，軸徑選用8 mm的規(guī)格的。該步進電機的矩頻特性曲線如圖6所示。由圖知該步進電機轉(zhuǎn)速在300 r/min，以下時，轉(zhuǎn)矩可近似看成不變。

圖6 兩相57步進電機的矩頻特性（粗線24 V驅(qū)動電壓，細線36 V驅(qū)動電壓）

2.6 電機驅(qū)動的選擇

電機驅(qū)動模塊是影響項目穩(wěn)定性的一個重要因素。本項目使用兩個步進電機作為系統(tǒng)的動力部分。步進電機的驅(qū)動可以選用專用的電機驅(qū)動模塊，L298N，UN2803等，這類驅(qū)動模塊接口簡單，操作方便，它們既可以驅(qū)動步進電機，也可以驅(qū)動直流電機。從功能實現(xiàn)上來講，這兩種芯片無疑也可以完成對步進電機的控制，但是由于本次設(shè)計所選擇的電機驅(qū)動電流大，使用上述兩個驅(qū)動器時，當步進電機每運行一步時，其繞組內(nèi)的電流變化巨大，容易引起電機的噪聲和振動。我此次設(shè)計選用的步進電機配帶有YK2M406的驅(qū)動器，這種驅(qū)動器可以實現(xiàn)在電機正常工作的情況下對電機繞組內(nèi)電流的細分，從而降低噪聲和振動。

2.7 控制電路連接總圖及說明

圖7 控制電路圖

如圖7所示，本設(shè)計中將2272接受模塊的供電引腳和地腳接好后，再對其輸出引腳進行接線將D0至D3分別接到單片機的P2.4至P2.7，VT引腳接到單片機的P2.3引腳，至此單片機與接收模塊連接完成。將遙控器上的4個按鍵A、B、C、D分別用作電機的啟停按鍵、正反轉(zhuǎn)按鍵、加速按鍵、減速按鍵。當控制系統(tǒng)開始工作時，如果遙控器上的A（啟停按鍵）按鍵被按下，則編碼芯片發(fā)出帶有地址、數(shù)據(jù)、同步碼的編碼信號，單片機檢測VT引腳的電平發(fā)現(xiàn)為高電平，即說明數(shù)據(jù)發(fā)送成功。解碼芯片收到信號后先對地址碼進行校核，發(fā)現(xiàn)發(fā)出信號的是遙控器A按鍵，則2272模塊的D0引腳產(chǎn)生高電平，對應(yīng)的單片機引腳P2.4被拉高，此時單片機通過執(zhí)行內(nèi)部程序，使電機開始轉(zhuǎn)動或是停止轉(zhuǎn)動，即機器人前進和停止。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計的爬繩爬桿機器人主要是由2組機械滾輪，每組一個穩(wěn)定輪和一個驅(qū)動機械輪、電機、減速器、單片機控制系統(tǒng)組成。通過調(diào)節(jié)兩個穩(wěn)定輪上彈簧的預緊力來實現(xiàn)機械滾輪對繩索的抓緊，然后電動機通過減速機構(gòu)把運動傳遞到驅(qū)動輪，由于摩擦力的作用，使機器人延繩爬行。該爬繩爬桿遙控機器人只需一個驅(qū)動源，就能使整個機器人運動，結(jié)構(gòu)十分簡單。通過更換滾輪可以攀爬不同直徑的繩索，也可由于彈簧的緩沖作用攀爬連續(xù)變化的直徑的繩索，可以廣泛的用于各種高空作業(yè)。

由于該機器人可以進行高空作業(yè)，安裝上視頻采集和傳輸裝置可以實現(xiàn)對懸索、管線等的檢測，這可以使機器人代替人類進行高空作業(yè)，隨著技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的成熟可以降低人力高空作業(yè)所產(chǎn)生的風險性和難度性。但是后期如何將其他器件負載在機器人上目前還沒有具體的方案，機器人搭載其他器件所產(chǎn)生的額外重量對機器人產(chǎn)生的影響目前也不得而知。