方杰，佟仕忠，付貴增

（遼寧石油化工大學(xué) 遼寧 撫順 113001）

近20年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)和國(guó)外對(duì)爬壁機(jī)器人的需求不斷增加，爬壁機(jī)器人的研究得到很大的發(fā)展。爬壁機(jī)器人一般必須具備兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能[1]。針對(duì)立式金屬罐爬壁機(jī)器人[2]，吸附方式主要采用磁力吸附，移動(dòng)方式主要采用輪式或者履帶式。當(dāng)金屬罐的表面有縫隙或者凹陷時(shí)，采用輪式或者履帶式爬壁機(jī)器人的磁力座的磁力隨壁面和磁鐵之間的間距的增大而呈急劇減小，導(dǎo)致爬壁機(jī)器人的傾覆，這樣爬壁機(jī)器人的安全性就得不到保障。

為了實(shí)現(xiàn)立式金屬罐表面的檢測(cè)作業(yè)，研究設(shè)計(jì)了一種足式爬壁機(jī)器人。其越障能力能達(dá)到20 mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)重能力能夠達(dá)到150 N，靜止時(shí)負(fù)載能力達(dá)到1 000 N。

1 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

本爬壁機(jī)器人使用600 mm*300 mm的鋁板作為承載平臺(tái)，以4只仿生足作為支撐和主要運(yùn)動(dòng)支架。爬壁機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿生足位于立方體側(cè)下端，平均分布于鋁板的4個(gè)方向，前后兩個(gè)仿生足固定在機(jī)械平臺(tái)上，中間兩個(gè)仿生足銜接在滑塊上，通過(guò)傳送帶的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)中間兩個(gè)仿生足的移動(dòng)。仿生足分為兩部分：上半部分主要是一個(gè)推桿電機(jī)，能夠控制仿生足的伸縮；下半部分主要是吸附部分；中間兩個(gè)仿生足通過(guò)兩個(gè)齒輪銜接在滑塊上，通過(guò)電機(jī)控制齒輪的旋轉(zhuǎn)，從而控制爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。銜接部分有180°的自由度，爬壁機(jī)器人可以向任意方向運(yùn)動(dòng)。

1.2 磁力座

磁力座的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其采用的是第三代[3]稀土永磁釹鐵硼。鐵釹硼磁性能極高，能吸起相當(dāng)于自身重量640倍的重物。釹鐵硼磁鐵的機(jī)械性能比釤鈷磁鐵和鋁鎳鈷磁鐵都好，更易于切割和鉆孔及復(fù)雜形狀加工。

圖2 磁力座的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Mechanical structure diagram of magnetic block

本永磁體的磁力是可控的，當(dāng)嵌入永磁體的旋轉(zhuǎn)軸的角度為0°（設(shè)定嵌入部分旋轉(zhuǎn)軸豎直方向?yàn)?°，水平方向?yàn)?0°）時(shí)，永磁體的吸附力為0，當(dāng)角度為90°時(shí)，永磁體的吸附力處于最大值。在0°和90°方向設(shè)置兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)控制永磁體的吸附與斷開(kāi)。

1.3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。機(jī)器人在爬行過(guò)程中至少兩個(gè)仿生足吸附在金屬罐壁面上，才能保證機(jī)器人吸附在金屬罐壁面上而不顛覆。

圖3 爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.3 Movement diagram of wall-climbing robot

圖3（A）-（F）展示爬壁機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。 圖 3（A）表示機(jī)器人處于初始狀態(tài)推桿電機(jī)的推桿達(dá)到最大行程。四足全部處于吸附狀態(tài)。圖3（B）-（C）表示中間兩個(gè)永磁體不吸附，收縮仿生足并通過(guò)傳送帶帶動(dòng)仿生足前進(jìn)。圖3（D）-（E）中間仿生足伸長(zhǎng)并吸附，前后兩仿生足不吸附并收縮。圖3（F）中間支撐點(diǎn)固定，平臺(tái)前進(jìn)，前后仿生足伸長(zhǎng)并吸附，爬壁機(jī)器人回到初始狀態(tài)。

圖3（a）-（f）展示爬壁機(jī)器人旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。圖 3（b）-（c）中間仿生足不吸附，收縮中間仿生足，然后旋轉(zhuǎn)中間仿生足。圖3（d）中級(jí)仿生足伸長(zhǎng)吸附，前后仿生足不吸附并收縮。圖3（e）-（f）中間支撐點(diǎn)固定，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)，然后前后仿生足伸長(zhǎng)并吸附。

2 爬壁機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)，紅外遙控模塊，電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊組成。紅外遙控模塊主要負(fù)責(zé)遙控爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；攝像頭模塊負(fù)責(zé)金屬罐壁面信息的采集；各模塊之間的關(guān)系如4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 System architecture

2.2 遙控模塊

紅外遙控模塊主要完成對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，由發(fā)送和接收兩個(gè)組成部分。發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖序列[4]，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收完成對(duì)紅外信號(hào)的接收、放大、檢波、整形，并解調(diào)出遙控編碼脈沖。紅外接收頭接收紅外信號(hào)[5]，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并執(zhí)行去控制相關(guān)對(duì)象。如圖5所示。

圖5 紅外通信原理圖Fig.5 Schematic of the infrared communication

紅外發(fā)射二極管采用IR204C-A，紅外接收二極管采用PT204-6B。SAA3010是飛利浦公司設(shè)計(jì)的通用紅外遙控系統(tǒng)的紅外發(fā)射器電路[6]。SAA3010使用單級(jí)開(kāi)關(guān)鍵盤(pán)，可產(chǎn)生2048條不同指令。SAA3010紅外遙控發(fā)射集成電路具有低電源電壓工作、雙相傳送技術(shù)、串聯(lián)諧振和誤碼率低等特點(diǎn)。BC7210是一款低成本通用紅外遙控解碼芯片，可以完成目前應(yīng)用最廣泛的多種紅外遙控編碼的解碼，其可選擇并行或者串行解碼輸出，兼容SPI及UART的串行輸出，采用數(shù)字濾波技術(shù)，高抗干擾，無(wú)誤碼。

2.3 攝像頭模塊

攝像頭模塊主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭進(jìn)行視頻采集后的信息，經(jīng)過(guò)傳輸和處理后在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)通過(guò)紅外遙控器接收來(lái)自控制系統(tǒng)的指令，根據(jù)該指令控制爬壁機(jī)器人各種電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證爬壁機(jī)器人能夠按照預(yù)期的設(shè)想在金屬罐壁面上實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)中，首先初始化保證爬壁機(jī)器人4只仿生足都能吸附在金屬罐壁面上，然后根據(jù)發(fā)送的控制指令，來(lái)執(zhí)行前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)、停止等動(dòng)作。當(dāng)爬壁機(jī)器人到達(dá)預(yù)定的區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)攝像頭工作，開(kāi)始拍照，采集金屬罐壁面圖像。當(dāng)接收到停止指令時(shí)，爬壁機(jī)器人暫停運(yùn)轉(zhuǎn)，等待接收下一個(gè)指令。當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，機(jī)器人結(jié)束任務(wù)。系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖Fig.6 System control flowchart

4 結(jié) 論

文中介紹了一種足式爬壁機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程。通過(guò)一體化的設(shè)計(jì)，不僅降低了機(jī)器人的體積和重量，還提高了其驅(qū)動(dòng)效率。實(shí)踐表明：立式金屬罐足式爬壁機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功耗低、越障能力強(qiáng)、負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

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