一種基于集成閥控制的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)

甄久軍，馬濤，王曉勇

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210023；2.南京康尼電氣技術(shù)有限公司，江蘇南京 210038)

0 前言

管道因其自身特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于給排水、石油天然氣、工業(yè)、軍事裝備等領(lǐng)域中。為確保管道的功能和安全，必須定期對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)、維護(hù)，管道機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。管道機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)部或外部自動(dòng)行走、攜帶一種或多種傳感器及操作機(jī)械，進(jìn)行一系列管道作業(yè)的智能機(jī)電系統(tǒng)。其中，蠕動(dòng)式機(jī)器人有效克服了輪式機(jī)器人對(duì)管壁磨損較嚴(yán)重的問(wèn)題，在越障方面也優(yōu)于輪式機(jī)器人，因而在小管徑、短距離任務(wù)中應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研制了各種管道清淤設(shè)備。其中，蠕動(dòng)式管道機(jī)器人特點(diǎn)為牽引力大、性能好，表現(xiàn)突出，但價(jià)格過(guò)高。因此，研發(fā)一種能夠用于城市較大輸水量的中小型下水管道(管徑300～600 mm)疏通檢測(cè)的、符合我國(guó)國(guó)情的、經(jīng)濟(jì)型的管道機(jī)器人具有重要意義。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)分析

考慮到上述管道污水、殘留氣體等惡劣的作業(yè)環(huán)境，提出一種基于集成閥控制的氣動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。采用壓縮空氣、氣缸作為動(dòng)力系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)；采用密封集成閥作為下位機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)纜線與上位PC機(jī)通信進(jìn)行集中控制。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更加實(shí)用、靈活，同時(shí)可解決能源供給、可靠性、防水防爆、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。機(jī)器人能在300～600 mm變徑管道中行走，攜帶高壓水槍進(jìn)行管道清洗或攝像頭進(jìn)行管道檢測(cè)。

1.2 方案設(shè)計(jì)

為滿足防水、輕型的要求，機(jī)器人的機(jī)架采用鋁合金材料，機(jī)器人本體上安裝有清洗機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、攝像機(jī)等執(zhí)行器件，用于清洗、傳送物品和監(jiān)測(cè)。機(jī)器人通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)，下位機(jī)采用單片機(jī)與集成閥，通過(guò)485總線與PC機(jī)相連，進(jìn)行集中控制。操作員可以根據(jù)攝像機(jī)傳輸?shù)膱D像，通過(guò)PC上的操作界面控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、抓取和清洗。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)包含清洗機(jī)器人本體、動(dòng)力源、纜線、集成閥與下位機(jī)控制單元、輔助單元、上位PC機(jī)等部件。

(1)機(jī)器人本體根據(jù)控制器信號(hào)做爬行運(yùn)動(dòng)或清洗運(yùn)動(dòng)。

(2)動(dòng)力源包括氣源、高壓水源、電源，功能為產(chǎn)生壓縮空氣，為氣缸運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力；高壓水源提供機(jī)器人連續(xù)清洗所需的液體。

(3)下位機(jī)控制單元從機(jī)器人處接收反饋信號(hào)，根據(jù)機(jī)器人的狀態(tài)控制集成閥，控制機(jī)器人完成規(guī)定動(dòng)作。

(4)輔助單元包括攝像機(jī)、機(jī)械手等，用于采集機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和清洗、抓取的圖像，進(jìn)行輔助機(jī)械操作。

(5)上位PC機(jī)顯示攝像機(jī)拍攝的圖像，操作人員根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、清洗狀態(tài)等，選擇手動(dòng)或自動(dòng)模式控制機(jī)器人運(yùn)行。

機(jī)器人工作所需的壓縮空氣氣源、高壓水源等均集中放置在管道口，由軟管送至機(jī)器人上，既可有效地降低機(jī)器人的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又可保證能源的連續(xù)供應(yīng)。總纜線由鋼絲繩、控制電纜和軟管構(gòu)成，當(dāng)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)總纜線方便地將它回收。

1.3 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

機(jī)器人本體采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材，具有以下優(yōu)點(diǎn)：尺寸標(biāo)準(zhǔn)，加工方便，性價(jià)比高，便于安裝緊固件、連接件；為一體化型材，強(qiáng)度高；可以把氣缸、傳感器放在型材內(nèi)部，保證了元器件的安全與清潔。

機(jī)器人本體由3段鋁型材、氣缸、集成閥等組成，每1段有3個(gè)支撐腳。下面的2個(gè)為滑動(dòng)腳，應(yīng)保證能在管道中滑動(dòng)。上面的腳為固定腳，由頂升氣缸帶動(dòng)伸縮，其支撐管道內(nèi)壁時(shí)應(yīng)保證不能滑動(dòng)。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

機(jī)器人本體上共有7個(gè)氣缸。上面左中右3個(gè)頂升氣缸用于帶動(dòng)3個(gè)上固定腳做上下運(yùn)動(dòng)。鋁型材內(nèi)的2個(gè)前驅(qū)動(dòng)氣缸、2個(gè)后驅(qū)動(dòng)氣缸用于帶動(dòng)3節(jié)機(jī)器人本體做伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管道中的爬動(dòng)，左視圖中的雙點(diǎn)劃線為管道。

由于此機(jī)器人的行走部件為氣缸，氣缸行程具有自適應(yīng)性，所以機(jī)器人能在300～600 mm的變徑管道中行走，并能進(jìn)行一定回轉(zhuǎn)半徑的轉(zhuǎn)彎。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用壓縮空氣作為動(dòng)力系統(tǒng)，氣壓設(shè)置為0.5 MPa。集成閥中氣動(dòng)回路如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)回路

圖3中，1Y、2Y 兩個(gè)兩位四通電磁閥控制前驅(qū)動(dòng)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，1SP1、1SP2、2SP1、2SP2 四個(gè)傳感器反饋前驅(qū)動(dòng)氣缸的位置信號(hào)。3Y、4Y 兩個(gè)兩位四通電磁閥控制后驅(qū)動(dòng)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，3SP1、3SP2、4SP1、4SP2 四個(gè)傳感器反饋后驅(qū)動(dòng)氣缸的位置信號(hào)。5Y1、6Y1、7Y1 三個(gè)兩位四通電磁閥分別控制3個(gè)頂升氣缸運(yùn)動(dòng)。

3 集成閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主控單元具有控制、檢測(cè)與通信的功能，主要以集成閥的形式體現(xiàn)。它以貼片式AT89S51單片機(jī)為控制核心，包括電磁閥片、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，IB2405LS集成電源、傳感器檢測(cè)電路、光電隔離電路和485通信電路。集成閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 集成閥原理

電磁閥片安裝在集成閥的閥座上，控制電路板安裝在集成閥的閥蓋上，最后密封防水。閥座閥蓋如圖5所示，安裝如圖6所示。

圖5 集成閥閥座(a)與閥蓋(b)

圖6 集成閥的安裝示意

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)和后退2種方式，文中主要以前進(jìn)運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行分析。狀態(tài)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 機(jī)器人行走狀態(tài)簡(jiǎn)圖

行走動(dòng)作如下：(1)中、右頂升氣缸伸出，上固定腳固定機(jī)器人中段和右段，左頂升氣缸縮回；(2)前驅(qū)動(dòng)氣缸伸出，機(jī)器人左段向前滑行，左頂升氣缸伸出，上固定腳固定機(jī)器人左段，中頂升氣缸縮回；(3)前驅(qū)動(dòng)氣缸縮回，后驅(qū)氣缸伸出，機(jī)器人中段向前滑行，中頂升氣缸伸出，上固定腳固定機(jī)器人中段，右頂升氣缸縮回；(4)后驅(qū)動(dòng)氣缸縮回，機(jī)器人右段向前滑行，右頂升氣缸伸出，上固定腳固定機(jī)器人右段，左頂升氣缸縮回，完成一個(gè)周期。

根據(jù)狀態(tài)分析繪制動(dòng)作控制狀態(tài)表，如表1所示,其中，“+”表示電磁閥得電，“-”表示電磁閥失電。

表1 前進(jìn)控制狀態(tài)

4.2 上位機(jī)與下位機(jī)通信協(xié)議

下位機(jī)輸入口為P0.7～P0.4、P0.3～P0.0、P1.3～P1.0共12位，接按鈕和傳感器信號(hào)；輸出口為P2.7～P2.4、P2.3～P2.0、P3.7～P3.4共12位，控制電磁閥及指示燈。I/O口信息通過(guò)串行通信到PC機(jī)。

PC機(jī)發(fā)出的命令包括6個(gè)幀：1個(gè)起始幀(10H(<∧P>)為握手信號(hào))、4個(gè)數(shù)據(jù)幀(為P2.7～P2.4，P2.3～P2.0，P3.7～P3.4控制數(shù)據(jù))、1個(gè)命令尾幀(尾幀23H(<#>)為PC把數(shù)據(jù)寫到單片機(jī)P口，并讀出P口所有狀態(tài)；尾幀24H(<＄>)為只讀出P口所有狀態(tài))，數(shù)據(jù)為ASCⅡ形式，格式為

<∧P> □ □ □ □ <#>(或者<＄>)

單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包括14幀:1個(gè)起始幀(02H(<∧B>)為握手信號(hào))，12個(gè)數(shù)據(jù)幀(為P3.7～P3.4、P2口、P1口、P0口讀入數(shù)據(jù)及2個(gè)備用幀)、1個(gè)命令尾幀(如果為04H(<∧C>)只接收一遍),數(shù)據(jù)格式為

<∧B> <∧C>

4.3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)(集成閥)主要完成管道機(jī)器人的初始化、I/O檢測(cè)與控制、通信等功能。程序包括主程序和中斷子程序。主程序主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人初始化和中斷等待等功能。中斷子程序主要完成數(shù)據(jù)傳輸、I/O檢測(cè)和控制、計(jì)算等功能。主程序流程如圖8所示。

圖8 單片機(jī)主程序

4.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位PC機(jī)作為主控系統(tǒng)。采用VB編程軟件進(jìn)行主控系統(tǒng)軟件代碼和監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。通過(guò)VB的通信控件進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 上位機(jī)監(jiān)控界面

機(jī)器人工作方式分為：手動(dòng)工作方式、智能工作方式和只讀I/O工作方式。

選擇手動(dòng)控制，機(jī)器人能夠按照點(diǎn)動(dòng)按鈕要求一步一個(gè)動(dòng)作運(yùn)行。界面右邊的輸入、輸出信號(hào)狀態(tài)燈顯示機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

選擇智能控制，選擇速度設(shè)定。點(diǎn)擊前進(jìn)按鈕，則機(jī)器人一直前進(jìn)直到停止按鈕被按下后才停止；點(diǎn)擊后退按鈕則機(jī)器人后退，直到停止按鈕被按下后才停止。

選擇只讀I/O工作方式可以檢測(cè)系統(tǒng)的輸入口與輸出口狀態(tài)而不使機(jī)器人動(dòng)作，用于機(jī)器人的故障診斷與維修。

機(jī)器人在管道中的運(yùn)行狀態(tài)如圖10所示。

圖10 機(jī)器人在管道中運(yùn)行

5 結(jié)論

本文作者設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)鋁型材構(gòu)架，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用密封防水集成閥和氣動(dòng)系統(tǒng)，能在污水管道或易燃易爆氣體中作業(yè)，是一種兩級(jí)控制的、輕便靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高、符合我國(guó)國(guó)情的經(jīng)濟(jì)型機(jī)器人。它的研制為復(fù)雜環(huán)境下的300～600 mm變徑管道檢修提供了參考。