張浩 曹立超 周勇 劉曉光 蔣曉明

學術研究

基于EtherCAT總線的輕量型爬壁機器人系統(tǒng)*

張浩 曹立超 周勇 劉曉光 蔣曉明

（廣東省科學院智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

為解決當前大型鋼結(jié)構(gòu)件的特種作業(yè)人工依賴性高、作業(yè)環(huán)境差和效率低等問題，設計一種基于EtherCAT總線的輕量型爬壁機器人系統(tǒng)。首先，介紹爬壁機器人系統(tǒng)需求與方案；然后，給出設計爬壁機器人系統(tǒng)硬件和軟件；接著，闡述機器人搭載不同工具可用于不同作業(yè)任務；最后，經(jīng)測試驗證，該機器人系統(tǒng)功能達到了預期目標。

輪式爬壁機器人；輕量型；磁吸附；控制系統(tǒng)；EtherCAT總線

0 引言

在工業(yè)4.0大環(huán)境下，人們對提高自動化水平、減輕勞動力依賴和提高生產(chǎn)效率的需求日趨強烈。當前大型船舶、石化儲罐和風電塔筒等大型鋼結(jié)構(gòu)件的清洗、檢測和焊接等作業(yè)，很大程度上依賴于人工操作，作業(yè)環(huán)境差、風險高[1-2]。利用機器人完成這類危險工作是大勢所趨，于是針對該類特種行業(yè)的爬壁機器人應運而生[3]。區(qū)別于地面的常規(guī)輪式移動機器人，輪式爬壁機器人借助磁力吸附在導磁性材料上，作業(yè)時無需事先鋪設爬行軌道，通過攝像頭等傳感器信息的輔助，可實現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)件的全位置爬行作業(yè)[4]。輪式爬壁機器人不僅具有輪式移動機構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性，而且不需要額外的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，僅通過改變兩側(cè)主動輪速度差即可實現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)彎。該機器人結(jié)構(gòu)簡單、運動高效、成本低廉[5]。

1 系統(tǒng)需求與方案

1.1 爬壁機器人本體需求

考慮到吸附的穩(wěn)定性，爬壁機器人采用四輪結(jié)構(gòu)方式，吸附力作用于機器人4個角，相比于兩輪和三輪結(jié)構(gòu)的爬壁機器人，穩(wěn)定性更好；同時考慮到運輸和攜帶的便利性，爬壁機器人需輕量化和小型化設計，主要設計參數(shù)如下：1）整體尺寸為340 mm×230 mm×150 mm；2）最大的行走速度為25 mm/s；3）自重為15 kg。

爬壁機器人依賴4個磁輪上的磁性材料附著在導磁性結(jié)構(gòu)件上[6]。磁性材料采用內(nèi)嵌于鋼輪的方式，可有效克服永磁體脆性大，受力易折斷的缺點。相比于地面的輪式移動機器人，爬壁機器人要克服磁輪額外施加的磁力進行作業(yè)，需要更大的力矩輸出[7-8]?？紤]到爬壁機器人尺寸及自重，利用力矩伺服電機配合諧波減速機輸出動力。

1.2 控制系統(tǒng)需求

控制系統(tǒng)作為爬壁機器人的重要組成部分，對其各項功能進行有效控制，如行走、轉(zhuǎn)向等；還與操作者實現(xiàn)良好交互，具有更好的用戶操作體驗[9]。

根據(jù)工作場景及任務需求，當前爬壁機器人的控制方式多為有線控制，其尾部常常拖拽一束線纜，用于電源供應和通訊[10-11]。這些線纜對機器人產(chǎn)生較大的拖拽力，限制機器人的運動范圍，降低作業(yè)效率；同時相鄰線纜之間可能相互影響，形成電磁干擾，影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12-13]。為此，本文控制系統(tǒng)采用總線方式，減少爬壁機器人尾部線纜的數(shù)量，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，且具有較好的可擴展性。

為降低控制系統(tǒng)復雜度，提高可靠性，爬壁機器人通過控制兩側(cè)車輪的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。速度差越大，轉(zhuǎn)彎半徑越小，操作靈活性越好[14]。但轉(zhuǎn)彎半徑不能過小，否則需要提供較大的轉(zhuǎn)向動力[15-16]，增加車輪與附著面之間的摩擦時間，加大車輪和附著面的磨損，增加功耗[17]。因此，控制系統(tǒng)需要設置閾值，對最小轉(zhuǎn)彎半徑進行限制。

基于以上分析，爬壁機器人控制系統(tǒng)的主要需求如下：

1）實現(xiàn)爬壁機器人基本運動功能，包括直線行走、轉(zhuǎn)彎等；

2）實現(xiàn)無級調(diào)速及在線變速功能；

3）采用總線控制方式；

4）具有較好的可擴展性，便于其他設備接入。

1.3 系統(tǒng)方案

根據(jù)以上需求分析，基于EtherCAT總線的輕量型爬壁機器人系統(tǒng)整體方案如圖1所示。

圖1 基于EtherCAT總線的輕量型爬壁機器人系統(tǒng)整體方案

整個系統(tǒng)由機器人控制柜和機器人本體2部分組成。其中機器人控制柜分為電源、上位機控制器和下位機運動控制器3部分；機器人本體由4個伺服電機驅(qū)動器及其他I/O模塊組成，機器人控制柜提供電源并下達控制命令。

為減少布線并防止布線可能帶來的信號干擾問題，同時增強系統(tǒng)的可擴展性，爬壁機器人控制系統(tǒng)采用EtherCAT總線方式。下位機運動控制器作為EtherCAT主站，安裝在控制柜內(nèi)；4個伺服電機驅(qū)動器及其他I/O模塊作為從站，安裝在機器人本體內(nèi)；主站和從站之間通過EtherCAT通訊線纜進行通訊。當機器人功能擴展要添加額外的軸時，只需在最后一個從站用網(wǎng)線連接新加入的從站并進行相應的參數(shù)配置即可。

2 系統(tǒng)硬件設計

爬壁機器人作為移動載體，考慮其運動靈活性及運輸方便，尺寸不宜過大。因此在設計和選擇系統(tǒng)硬件時，在滿足性能和經(jīng)濟因素的前提下，選擇更小尺寸的設備。

2.1 下位機硬件設計

下位機硬件主要包括下位機運動控制器和4個驅(qū)動模組，驅(qū)動模組如圖2所示。下位機運動控制器用于控制爬壁機器人的4個伺服電機協(xié)調(diào)運行，進而控制其在壁面穩(wěn)定爬行，實施各種作業(yè)任務，下位機結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 驅(qū)動模組

圖3 下位機結(jié)構(gòu)圖

2.2 上位機硬件設計

上位機主要用于用戶與爬壁機器人控制系統(tǒng)進行交互和配置控制系統(tǒng)參數(shù)，同時發(fā)出控制指令并監(jiān)控下位機運行狀態(tài)。上位機主要包括工控主機、顯示器及其他外設。

3 系統(tǒng)軟件設計

爬壁機器人系統(tǒng)軟件主要包括上位機控制軟件和下位機控制軟件。

上位機控制軟件主要功能模塊包括：通信、狀態(tài)顯示、機器人運動控制、焊縫跟蹤、除銹、報警和急停等，控制界面如圖4所示。

圖4 上位機控制界面

下位機和各驅(qū)動器之間是主站和從站的關系，下位機控制軟件的控制流程圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件控制流程

首先，控制系統(tǒng)上電并運行初始化程序；然后，運行EtherCAT通訊程序，確認總線狀態(tài)是否正常，若不正常則軟件異常報警，操作人員進行異常情況處理，直到總線狀態(tài)正常；接著，運行軸狀態(tài)機檢測程序，確保各軸的參數(shù)處于正常范圍，可進行伺服驅(qū)動使能操作，若不正常則軟件異常報警，操作人員進行異常情況處理，直到各軸狀態(tài)機正常；最后，上位機下達控制命令，如直線行走、轉(zhuǎn)彎等。

4 基于移動平臺的機器人系統(tǒng)集成

爬壁機器人系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。該系統(tǒng)作為一個通用型的移動平臺，結(jié)合不同的作業(yè)工具，可設計成適應不同環(huán)境和任務的特種機器人系統(tǒng)，如搭載輕型的多軸機械臂，用于壁面復雜空間作業(yè)任務，如圖7所示；搭載超高壓水除銹工具，用于船舶等大型鋼結(jié)構(gòu)件的除銹作業(yè)，如圖8所示；搭載焊縫傳感器，用于大型鋼結(jié)構(gòu)件的自動化焊接作業(yè)，如圖9所示。

圖6 爬壁機器人系統(tǒng)構(gòu)成

圖7 爬壁機器人+6軸機械臂

圖8 爬壁機器人+擺臂

圖9 爬壁機器人+焊接滑臺

5 實驗與結(jié)論

一般情況下，電機本身電流大小和輸出扭矩呈線性關系，電流大小直接反映爬壁機器人的負載和所需功耗[18-19]。對爬壁機器人系統(tǒng)進行功能測試。首先，測試轉(zhuǎn)彎功能，獲得轉(zhuǎn)彎半徑與系統(tǒng)實際電流關系圖；其次，測試3種極限狀態(tài)，包括豎直往上行走、左右方向行走、豎直往下行走時系統(tǒng)電流的大小，獲得這3種狀態(tài)下的爬壁機器人運行速度與電流關系圖。

在實驗室搭建一處鋼結(jié)構(gòu)壁面，鋼板厚度8 mm，并分為A，B，C 3個區(qū)域。其中區(qū)域A是一塊3 m×5 m的垂直鋼板，實驗在該區(qū)域進行；區(qū)域B是一塊約四分之一圓柱的曲面鋼板，用于爬壁機器人從地面過渡到鋼板；區(qū)域C固定在地面，用于支撐上述2塊鋼板，如圖10所示。

圖10 實驗場地

5.1 轉(zhuǎn)彎功能測試

通過設定兩側(cè)車輪不同的速度差，測試爬壁機器人在不同轉(zhuǎn)彎半徑下的轉(zhuǎn)彎功能，并采集相應的電流數(shù)據(jù)，如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)彎功能測試下總電流和轉(zhuǎn)彎半徑關系圖

由圖11可知：爬壁機器人在轉(zhuǎn)彎半徑最小處的電流值處于允許范圍6A內(nèi)；且未出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎困難的情況。

5.2 極限狀態(tài)測試

機器人在不同速度下進行豎直往上行走、豎直往下行走、左右方向行走3種極限狀態(tài)測試，并采集相應的電流數(shù)據(jù)，如圖12所示。

圖12 3種極限狀態(tài)下電流與速度關系圖

由圖12可知：豎直往上行走時各軸電流及系統(tǒng)總電流比其他2種情況大，此時工況最惡劣；豎直往下行走時的工況最好。

5.3 實驗結(jié)論

由圖12可知：隨著爬行速度加快，爬壁機器人各軸平均電流和總電流均緩慢增大；其中，豎直往上行走時各軸平均電流和總電流最大，此時機器人總電流低于4 A；豎直往下行走時各軸平均電流和總電流最?。晦D(zhuǎn)彎最大電流出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎半徑為151 mm時，低于4.5 A，以上3種極限狀態(tài)下的電流均在驅(qū)動器允許范圍6 A內(nèi)。

由圖11可知，轉(zhuǎn)彎半徑大于150 mm可調(diào)；由圖12可知，機器人直線行走速度在0 mm/s～35 mm/s時，可實現(xiàn)無級調(diào)速。

6 結(jié)語

本文基于EtherCAT總線設計輕量型爬壁機器人系統(tǒng)。經(jīng)測試驗證，爬壁機器人系統(tǒng)運行良好，在低速、中速和高速時均能穩(wěn)定爬行，達到預計設計指標，能夠保證掃查、探傷等作業(yè)的效率和質(zhì)量。

[1] 陳光明,黃旋.基于高壓水射流的船體清洗機器人關鍵技術分析[J].流體機械,2019,47(9):56-62.

[2] 郜海超,韓海敏,陳會濤,等.針對風電機維護任務的爬壁機器人設計與研究[J].機床與液壓,2018,46(9):13-16.

[3] 田蘭圖.油罐檢測爬壁機器人技術及系統(tǒng)研究[D].北京:清華大學,2004.

[4] 周勇,劉曉光,蔣曉明,等.面向大型結(jié)構(gòu)件智能焊接的爬壁機器人系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2019,40(3):1-5.

[5] ZHAI L, DONG S. Electronic differential speed steering control for four in-wheel motors independent drive vehicle[C]// 2011 9th World Congress on Intelligent Control and Automation. IEEE, 2011: 780-783.

[6] 王維鵬,高春艷,張小俊,等.輕量化爬壁機器人永磁吸附特性分析與仿真[J].制造業(yè)自動化,2020,42(12):23-27.

[7] 門小東. 基于關節(jié)力矩估計的可重構(gòu)機器人分散交互控制研究[D].長春:長春工業(yè)大學,2021.

[8] 常睿,樊建春,張來斌.爬壁機器人磁輪特性研究及其運動仿真[J].石油機械,2020,48(1):124-131.

[9] 孫燁.具有壁面過渡功能的爬壁機器人控制系統(tǒng)研究[D].南京:南京林業(yè)大學,2020.

[10] 黃逢.球罐外部焊縫檢測機器人系統(tǒng)的設計[D].南京:東南大學,2019.

[11] 李帥先.鋼面墻表面作業(yè)機器人控制系統(tǒng)的設計[D].重慶:重慶交通大學,2018.

[12] 陳正磊.基于電磁兼容特性及影響因素分析動車布線策略[J].中國科技信息,2021(6):102-103.

[13] 化麒,李艷紅,許沖.電子儀器電磁干擾問題探究[J].電子元器件與信息技術,2021,5(2):11-12.

[14] 熊雕.船舶爬壁機器人力學分析及運動控制研究[D].舟山:浙江海洋學院,2015.

[15] 徐澤亮,馬培蓀.永磁吸附履帶式爬壁機器人轉(zhuǎn)向運動靈活性分析[J].上海交通大學學報,2003(S2):58-61,65.

[16] 王新海.基于四輪驅(qū)動永磁吸附爬壁機器人的設計與研究[D].南昌:南昌大學,2018.

[17] 唐東林,龍再勇,袁波,等.永磁吸附輪式爬壁機器人受力及功耗分析[J].機械科學與技術,2019,38(4):499-506.

[18] 方毅.永磁吸附爬壁機器人設計及性能分析[D].武漢:武漢科技大學,2015.

[19] 周依霖,張華,葉艷輝,等.永磁吸附履帶式爬壁機器人轉(zhuǎn)向動力特性分析[J].機械設計,2017,34(2):56-61.

Lightweight Wall-Climbing Robot System Based on EtherCAT Bus

Zhang Hao Cao Lichao Zhou Yong Liu Xiaoguang Jiang Xiaoming

(Institute of Intelligent Manufacturing, GDAS, Guangzhou 510070, China)

In order to solve the problems of high manual dependence, poor working environment and low efficiency of special operation of large steel structures, a lightweight wall-climbing robot system based on EtherCAT bus is designed. Firstly, the requirements and schemes of wall-climbing robot system are introduced; Then, the hardware and software of the wall-climbing robot system are given; Then, it expounds that the robot can be used for different tasks with different tools; Finally, the test shows that the function of the robot system has achieved the expected goal.

wheel wall-climbing robot; lightweight; magnetic adsorption; control system; EtherCAT bus

張浩，男，1993年生，碩士研究生，主要研究方向：機器人與自動化。E-mail: h.zhang@giim.ac.cn

曹立超，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：機器人設計與自動化。E-mail: lc.cao@giim.ac.cn

周勇，男，1991年生，碩士研究生，主要研究方向：計算機視覺。E-mail: y.zhou@giim.ac.cn

劉曉光，男，1980年生，碩士研究生，主要研究方向：機器人焊接技術。E-mail: xg.liu@giim.ac.cn

蔣曉明，男，1973年生，博士研究生，主要研究方向：電力電子、數(shù)控技術與自動化。E-mail: xm.jiang@giim.ac.cn

TP249

A

1674-2605(2021)04-0002-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.04.002

基金項目：廣東省科技計劃項目（2020B090928002）；廣東省海洋經(jīng)濟專項項目（GDNRC[2021]024）。