一種小型攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)

張東鵬，唐嘉欣，王曉杰，張思巖，張凌龍

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150000)

0 引言

目前，我國(guó)社會(huì)城鎮(zhèn)化已經(jīng)進(jìn)行到了一定階段，大批樓房的排雨水管道、太陽能水管等已經(jīng)老化，地下供水系統(tǒng)也常常需要大規(guī)模檢測(cè)。由于其大多在樓房外部，或處于地下，對(duì)于其老化部位的人工檢測(cè)較為困難，需要大量的時(shí)間，給維修帶來許多不便，并且檢測(cè)具有較大的危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)攀爬機(jī)器人以實(shí)現(xiàn)對(duì)高空供排水管道或地下供水管道的攀爬檢測(cè)，對(duì)于保障工作人員的安全，節(jié)省勞動(dòng)力，提高工作效率，節(jié)約資源有重大意義。

1 本課題的總體研究方案

本課題設(shè)計(jì)了一種小型的自動(dòng)攀爬裝置，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

該自動(dòng)攀爬裝置的主要器件包括，電磁鐵a、連接承重裝置a、齒輪，連接承重裝置b、電磁鐵b、輪子、拓展部件。中心控制系統(tǒng)、電源等可置于連接承重裝置內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置的自動(dòng)控制，連接承重裝置a與連接承重裝置b通過齒輪相連，形成半圓形。控制齒輪的電機(jī)接受電信號(hào)時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可改變半圓大小以適應(yīng)不同管道，兩個(gè)本裝置通過各自的繼電器相吸引，就形成了包裹管道的圓環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)在管道上的移動(dòng)，同樣，當(dāng)電磁鐵接收到指令電信號(hào)時(shí)會(huì)改變吸引力的大小以適應(yīng)管道的攀爬。并且其由于管道的參數(shù)大多已知，所以可以對(duì)本裝置的控制系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先編程，使用時(shí)，將本裝置安裝于待攀爬物體上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待攀爬物體的檢測(cè)，同樣，由于管道的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要障礙為連接節(jié)點(diǎn)、凹凸坑等，所以，對(duì)于此，本裝置通過調(diào)節(jié)電磁鐵吸引力的大小并利用一定的慣性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于管道的越障前行。按照控制方式，本裝置可以實(shí)現(xiàn)的功能包括預(yù)編程模式下的沿固定爬行軌跡爬行和遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)編程模式下變軌爬行。預(yù)編程模式下，可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，編程后，裝置按照編程軌跡，可以順利的爬行和越障，此種模式適用于管道結(jié)構(gòu)已知，不需現(xiàn)場(chǎng)控制的行動(dòng)軌跡 。在現(xiàn)場(chǎng)可變軌模式下，可以通過智能手機(jī)或者遙控器等控制終端設(shè)備控制此設(shè)備的爬行軌跡，此模式適用于行動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)改變的場(chǎng)景。將目標(biāo)爬行地點(diǎn)以圓柱型的數(shù)學(xué)模型替代，裝置的運(yùn)動(dòng)方向可以分解為直徑方向及母線方向。本裝置應(yīng)保證直徑方向的相對(duì)靜止和母線方向的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。在材料選用上，本設(shè)計(jì)的骨架結(jié)構(gòu)采用輕便且較為便宜的鋁合金材料，并且對(duì)于傳感器和電磁鐵，采用市面上主流產(chǎn)品即可，價(jià)格也相對(duì)合適，并且當(dāng)其隨壞時(shí)，可以做到即使替換，不許用更換整個(gè)裝置，綜合以上幾點(diǎn)可知，本設(shè)計(jì)的成本較低，可以大規(guī)模投入使用。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過壓力傳感器，將外部系統(tǒng)輸入的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其經(jīng)過修正，濾波并通過適當(dāng)?shù)姆糯蠛髸?huì)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的給定值進(jìn)行比較，比較結(jié)果的電信號(hào)同時(shí)發(fā)送給電機(jī)和電磁鐵a與b。收到電信號(hào)后觸發(fā)可控開關(guān)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)裝置的伸縮變化，根據(jù)管道的大小調(diào)節(jié)裝置本身以適應(yīng)對(duì)管道的攀爬，電機(jī)在接收電信號(hào)后也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)，利用摩擦力以實(shí)現(xiàn)裝置的移動(dòng)，電磁鐵收到電信號(hào)后也會(huì)產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)裝置的互相吸引，提供攀爬所必須的摩擦力。在攀爬的過程中，可能會(huì)遇到一定的障礙物，如凹凸坑，連接螺絲，節(jié)點(diǎn)等，經(jīng)過這些地方時(shí)，傳感器收到不同的壓力后會(huì)發(fā)出變化的信號(hào)，電機(jī)在接收信號(hào)后其轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化，從而改變裝置半徑和裝置的爬行速度，電磁鐵的電流大小在收到信號(hào)時(shí)也會(huì)發(fā)生變化，從而改變電磁鐵吸合力的大小，二者結(jié)合，會(huì)不斷減小傳感器測(cè)量值與給定值的誤差，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的勻速上升或勻速直行。

3 動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于母線方向的攀爬，本裝置采用轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)整體，向上攀爬，利用電磁鐵互相吸引的電磁力，使整個(gè)裝置對(duì)待攀爬對(duì)象產(chǎn)生壓力，此時(shí)，與待攀爬裝置接觸的滑輪收到的是靜摩擦力，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)裝置即可向上爬行，勻速直行也與此類似僅僅是運(yùn)動(dòng)與受力的方向不同。通過電磁鐵、力傳感器、控制系統(tǒng)等的結(jié)合，可產(chǎn)生穩(wěn)定并可以適當(dāng)調(diào)整變化的力，從而使轉(zhuǎn)輪與待攀爬裝置之間產(chǎn)生適合的壓力，運(yùn)動(dòng)時(shí)，本設(shè)備與管道之間的摩擦力為滾動(dòng)摩擦力，在滾動(dòng)摩擦系數(shù)確定的情況下，通過改變徑向的壓力可以改變母線方向接觸面摩擦力的大小，這樣，有了可控制的摩擦力，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)裝置的穩(wěn)定攀爬。由于工程的需要，此設(shè)備也具有懸停的能力。懸停時(shí)，此設(shè)備由機(jī)械自鎖和電氣自鎖兩部分共同實(shí)現(xiàn)，機(jī)械自鎖仿照的是線路檢修工人設(shè)計(jì)，利用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自鎖，無需能量損耗。電氣自鎖即利用電磁鐵的吸附抱合原理實(shí)現(xiàn)。其中，機(jī)械自鎖只適合于垂直方向的鎖定，而電氣自鎖作為主體，可以實(shí)現(xiàn)基本的懸停功能。

4 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要攀爬和檢測(cè)對(duì)象均為柱狀水管，同時(shí)本設(shè)計(jì)也可用于檢測(cè)高大樹木主干病蟲害等，對(duì)于現(xiàn)研究階段，檢測(cè)裝置主要采用WIFI攝像頭與超聲波發(fā)射器的結(jié)合來完成，前者主要用于檢測(cè)管道外部的破損情況，生銹狀況等，后者主要用于管道的內(nèi)部探傷。利用上述二者的結(jié)合，可以較為精準(zhǔn)的檢測(cè)待測(cè)部件的損壞點(diǎn)，從而大幅度降低人力物力，實(shí)現(xiàn)對(duì)供水管道等的精確維修，如若要進(jìn)行其他方面的檢測(cè)，也可更換檢測(cè)裝置，對(duì)應(yīng)更換編程即可。本設(shè)計(jì)不僅可以運(yùn)用于高空樓房供水管道的攀爬檢測(cè)，其也可以對(duì)橫向的地下供水管道等進(jìn)行勘測(cè)，從而降低人工檢測(cè)的危險(xiǎn)性，節(jié)省勞動(dòng)力，體現(xiàn)以人為本的觀念。

5 電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)在攀爬時(shí)，會(huì)收到待攀爬對(duì)象對(duì)裝置向外的壓力，當(dāng)安裝在裝置上的壓力傳感器受力變形時(shí)，與其對(duì)應(yīng)相連的應(yīng)變計(jì)橋路失去平衡(組成惠斯登電橋)，輸出的壓力值轉(zhuǎn)換成函數(shù)信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過放大器放大，濾波器濾波后形成完整的波形電信號(hào)再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由控制系統(tǒng)的中央處理器（cpu）進(jìn)行運(yùn)算處理，得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)化輸出到電機(jī)和電磁鐵以改變輪子的轉(zhuǎn)速與電磁鐵之間的吸引力，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)裝置運(yùn)行。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)安裝在裝置骨架的內(nèi)部，考慮到供水管道可能比較潮濕，電路結(jié)構(gòu)外部可包裹密封防潮層，以防止短路，延長(zhǎng)裝置使用壽命。

6 總結(jié)

本文整體的對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的合理性與實(shí)用性進(jìn)行了分析，考慮了裝置的攀爬移動(dòng)、檢測(cè)效率、故障識(shí)別率、應(yīng)用范圍、能耗，使用壽命、制造成本等多種問題，運(yùn)用了自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)分析，設(shè)計(jì)了裝置的基本結(jié)構(gòu)與連接電路。將自動(dòng)控制機(jī)器人的優(yōu)越性大大發(fā)揮出來，并在一定程度上克服了其繁瑣復(fù)雜性。同時(shí)，本裝置考慮了工人的生命安全問題，體現(xiàn)了以人為本的觀念。在裝置被放置在管道上后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制電磁鐵，齒輪的輸出量，實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)移動(dòng)，再利用傳感器，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸入與對(duì)待維修故障進(jìn)行檢測(cè)，代替人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)攀爬和故障檢測(cè)的自動(dòng)化。