仿生設(shè)計(jì)管道機(jī)器人的深究

趙祥至

摘 ?要：本文首先闡述了管道機(jī)器人設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，分析了管道機(jī)器人的軟硬件控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種管道機(jī)器人系統(tǒng)方案。對(duì)管道機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件做出了設(shè)計(jì)，并對(duì)其管道機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。主要對(duì)管道機(jī)器人做出以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)管道機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng)的基本要求，提出管道機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng)總體方案。

（2）對(duì)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)管道機(jī)器人實(shí)物進(jìn)行制作，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的可行性，以及對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試分析其設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人;控制系統(tǒng);單片機(jī);實(shí)物制作

第1章 ?管道機(jī)器人控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人控制系統(tǒng)便為一個(gè)移動(dòng)的完整的測(cè)控系統(tǒng)，在完整的控制系統(tǒng)中包含檢測(cè)模塊、控制模塊、與之相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊。這些模塊彼此是互相關(guān)聯(lián)的，其中檢測(cè)模塊依照機(jī)械具體構(gòu)造選取合理的合適的檢測(cè)方式，驅(qū)動(dòng)模塊依照任務(wù)需求與機(jī)械構(gòu)造的具體從而設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電路，控制模塊就要以機(jī)械構(gòu)造、檢測(cè)方式、驅(qū)動(dòng)模式等方面綜合的考慮。

1.1管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)

基于普遍的車輪驅(qū)動(dòng)的實(shí)際配置，與系統(tǒng)中實(shí)際的情況相結(jié)合從而設(shè)計(jì)滿足本次課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最好的選項(xiàng)，當(dāng)然這樣的選擇并不是某個(gè)方面單獨(dú)的最好，然而其一定必須要充分的參考各個(gè)實(shí)際的狀況（例如管道機(jī)器人實(shí)際的載重、管道機(jī)器人的材質(zhì)、操控的方式和加工的手法）后從而得出的最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本次課題設(shè)計(jì)里，管道機(jī)器人實(shí)施清理管道的操作的時(shí)候，我們要考慮到運(yùn)行的穩(wěn)定性，這也是重要的一個(gè)考慮因素之一。管道機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)方案示意圖1-1所示。其中每個(gè)模塊代表如下：1、第一固定塊;2、第一外殼;3、滾輪;4、第一防水伸縮管;5、液壓推桿;6、云臺(tái);7、微型攝像機(jī);8、第一防水馬達(dá);9、第一轉(zhuǎn)軸;10、第二轉(zhuǎn)軸;11、雙軸馬達(dá);12、第二外殼;13、第二固定塊;14、第一轉(zhuǎn)動(dòng)塊;15、控制芯片;16、微型蓄電池;17、伸縮桿;18、第二轉(zhuǎn)動(dòng)塊;19、電磁鐵;20、防滑硅膠套;21、清潔片;22、第二防水馬達(dá);23、第一固定桿;24、安裝箱;25、第二固定桿;26、第三固定塊;27、第一轉(zhuǎn)動(dòng)桿;28、第三防水馬達(dá);29、第二防水伸縮管;30、支桿;31、第二轉(zhuǎn)動(dòng)桿;32、微型馬達(dá);33、固定管;34、第三轉(zhuǎn)動(dòng)桿。

1.2 管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，現(xiàn)代機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力源，具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)快速活，不污染環(huán)境，適合在惡劣工況條件下工作等特點(diǎn)。但是由于氣體具有可壓縮氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時(shí)還需緩沖或制動(dòng)裝置，低速時(shí)不易控制，速度、置控制難于達(dá)到精確值。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有重量輕、慣量小、傳動(dòng)平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓油容易泄漏，污染環(huán)境并影響機(jī)器性能，它需要單獨(dú)的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機(jī)器人。

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡(jiǎn)單精確、無(wú)污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)管路系統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，適用于中、小型機(jī)器人。

采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，負(fù)荷IO00N以內(nèi)的中、小型機(jī)器人，絕大部分采用了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在參考了國(guó)內(nèi)外大量管道機(jī)器人實(shí)例，以及炮管擦洗機(jī)器人實(shí)際使用環(huán)境后，炮管擦洗機(jī)器人采用電動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.3 管道機(jī)器人控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案經(jīng)由系統(tǒng)中硬件的選擇，進(jìn)一步的確定出系統(tǒng)需要的硬件，主要的聯(lián)系是：STM32F103RCT6是主控芯片，是全部的控制系統(tǒng)中的重要核心;而ESP8266 WIFI模塊經(jīng)由WIFI網(wǎng)絡(luò)以手機(jī)端口進(jìn)一步的接收到實(shí)際的控制信號(hào)，且將這些信號(hào)輸送到主控芯片中進(jìn)一步的解析;TFT LCD模塊是人機(jī)交互設(shè)備從而顯示出各類交互數(shù)據(jù)信息;但是，全部信號(hào)的最后處理的結(jié)果皆是傳輸?shù)街绷麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)部分，進(jìn)一步的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

1.4 本章小結(jié)

本章節(jié)里，主要的系統(tǒng)化地講解硬件模塊的實(shí)際選擇和它的運(yùn)行原理，以及硬件間構(gòu)成的實(shí)際的硬件結(jié)構(gòu)。就整個(gè)系統(tǒng)而言，正確的選擇硬件是非常重要的，硬件對(duì)系統(tǒng)而言就像骨骼對(duì)于人體的重要性，支撐著系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行。

第2章 ?管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1程序結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)由上面章節(jié)的具體的介紹，已完成了管道機(jī)器人中硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)，但無(wú)軟件的支持，系統(tǒng)硬件便無(wú)法正常的運(yùn)行工作。軟件為硬件的實(shí)際靈魂，操控全部硬件系統(tǒng)實(shí)際工作。因此軟件對(duì)于系統(tǒng)的重要性就某種意義來(lái)講是比硬件還要重要的。

管道機(jī)器人內(nèi)全部軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)牽涉到非常多的方面，軟件系統(tǒng)為一個(gè)非常復(fù)雜的具體的系統(tǒng)，無(wú)法一次性的將全部的代碼全編寫出來(lái)。所以，此處進(jìn)行軟件代碼的具體編寫選擇模塊化的基本設(shè)計(jì)思想，把軟件系統(tǒng)逐一的劃分成子系統(tǒng)，然后把子系統(tǒng)在逐一的細(xì)化成單一功能的具體模塊進(jìn)一步的完成，最終把全部模塊都整合為整體的大的系統(tǒng)，從而完成預(yù)期的所有的功能。

2.2主程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)中主要包含主控制構(gòu)件，避障構(gòu)件，中斷和PWM控制的具體設(shè)計(jì)。

主控制模塊：一、實(shí)現(xiàn)初始化工作，初始化主要的目標(biāo)是初始化有循跡部分，初始化避障部分，初始化電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，初始化主控制部分;二、單片機(jī)輸送PWM進(jìn)一步操控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和具體的轉(zhuǎn)向，

PWM控制模塊：本次課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中選擇PWM操控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。控制的過(guò)程里，確定52單片機(jī)中定時(shí)器T0內(nèi)部初始值，能用不一樣的占空比的實(shí)際脈沖波形的輸出P0.4以及P0.5輸出端口。占空比實(shí)際數(shù)值直接的影響著電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。

第3章 ?結(jié)論

目前的管道機(jī)器人控制系統(tǒng)通常由微控制器系統(tǒng)、受硬件特性約束的微控制器組成，在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，很難滿足許多復(fù)雜的控制要求。為此，本文基于stm32單片機(jī)，對(duì)無(wú)線管道機(jī)器人的通用性和實(shí)時(shí)性進(jìn)行了優(yōu)化和提高。證明了管道機(jī)器人系統(tǒng)可以在保障及時(shí)的前提下完成復(fù)雜的多任務(wù)控制。只要在wifi熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域，無(wú)限遠(yuǎn)地服務(wù)器就可以在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用現(xiàn)有的智能算法。主要對(duì)管道機(jī)器人做出以下幾點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)管道機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng)的基本要求，提出管道機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng)總體方案。

（2）對(duì)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）對(duì)管道機(jī)器人控制系統(tǒng)做出的研究進(jìn)行總結(jié)分析，得到本設(shè)計(jì)的有點(diǎn)與證實(shí)可行性。

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