代小林，周志鵬，張彬彬，張?jiān)迄i，陳龍庭

（電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

機(jī)器人作為一種新興的智能機(jī)器系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航天航空等領(lǐng)域。近年來，隨著國(guó)家對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重視程度不斷提高，以機(jī)器人為平臺(tái)的創(chuàng)新教學(xué)活動(dòng)日益增多［1］。隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，需研制能適應(yīng)不同的工作面的機(jī)器人。為了探索各種工作面上機(jī)器人的行走方式及其實(shí)現(xiàn)方法，我校開設(shè)了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，期望以此提升學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。

管道作為一種輸送方式，因其便捷性、經(jīng)濟(jì)性在我們生活中占據(jù)重要地位。而管道的探查與維修常常需要借助于管道機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)［2］。通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，本文提出了一種新型的輪腿配合移動(dòng)式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的管徑適應(yīng)能力。另外，通過搭載各類傳感器，機(jī)器人具備多種場(chǎng)合下在管道內(nèi)探查的功能。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)以及科研能力的培養(yǎng)有重要意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

管道機(jī)器人應(yīng)具備管內(nèi)移動(dòng)、管內(nèi)探查、障礙物清除等基本功能，因此本管道機(jī)器人的系統(tǒng)組成框圖如1所示。

電源和上位機(jī)為外置組成部分，而控制系統(tǒng)、行走單元、抓取單元與傳感器均為管內(nèi)機(jī)器人主體的組成部分。為了避免因管道的屏蔽作用而影響機(jī)器人的正常工作，本設(shè)計(jì)采用了拖纜方式進(jìn)行上下位機(jī)通信與運(yùn)動(dòng)控制［3］。外置電源為控制系統(tǒng)與其他機(jī)身搭載單元供電，上位機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制端，通過網(wǎng)線連接外置PC機(jī)和管內(nèi)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)各下位機(jī)單元的控制?？刂葡到y(tǒng)的主控芯片選擇含ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F207ZG芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)單元的控制與視頻信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 管道機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前已研制的管道機(jī)器人按驅(qū)動(dòng)方式的不同可分為介質(zhì)壓差驅(qū)動(dòng)、輪式驅(qū)動(dòng)、爬行式驅(qū)動(dòng)、腹壁式驅(qū)動(dòng)、行走式驅(qū)動(dòng)、蠕動(dòng)式驅(qū)動(dòng)和螺旋式驅(qū)動(dòng)等7種［4］，其中輪式管道機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)效率最高［5］。為了提高機(jī)器人的攀爬能力，本設(shè)計(jì)采用了頂壁式結(jié)構(gòu)，但其適應(yīng)的管徑范圍較小。為了在保證輪式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)效率與穩(wěn)定性的前提下，進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人的管徑適應(yīng)范圍，本文提出了在機(jī)器人輪腿結(jié)構(gòu)中引入一種串聯(lián)式雙平行四邊形機(jī)構(gòu)方案。

2.1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及工作原理

輪式頂壁管道機(jī)器人的張緊方式主要分為機(jī)械自適應(yīng)性張緊和反饋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)張緊兩種［6］。本設(shè)計(jì)中采用了機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械自適應(yīng)張緊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以根據(jù)行走管道管徑的大小自主調(diào)節(jié)自身徑向尺寸，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)的不同管徑的管道。本設(shè)計(jì)中機(jī)器人整體采用多節(jié)串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，頭部單元節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人單元節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)單元、行走單元、控制單元和抓取單元組成。行走單元即為機(jī)器人的“輪腿”，該結(jié)構(gòu)中引入雙平行四邊形機(jī)構(gòu)，增大了機(jī)器人的管徑適應(yīng)范圍。其張緊原理是依靠轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處扭簧的張力，使主從動(dòng)輪壓緊管壁，產(chǎn)生相互作用力而實(shí)現(xiàn)張緊。

控制單元接受上位機(jī)發(fā)來的指令，并根據(jù)指令的不同產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)單元與抓取單元執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由一對(duì)錐齒輪換向后輸出，由控制單元輸出的方向信號(hào)和PWM波控制主動(dòng)輪以相應(yīng)的速度沿管壁前進(jìn)或后退［7］。

抓取單元的機(jī)械手具有2個(gè)自由度，可以到達(dá)直徑為250mm以下管道的任意位置，通過旋轉(zhuǎn)、擺臂和夾取等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)管內(nèi)障礙物清除。

管道機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖

2.2 行走單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

本管徑機(jī)器人要求能適應(yīng)管徑范圍為150～300 mm，且具備較強(qiáng)的過彎能力與攀爬能力。針對(duì)以上要求，本文在傳統(tǒng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種串聯(lián)式的雙平行四邊形機(jī)構(gòu)方案，通過對(duì)變化量的累計(jì)來滿足變徑范圍的要求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 行走單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)器人進(jìn)入管道前，先根據(jù)具體管徑的大小調(diào)節(jié)限位齒的位置，以確定下平行四邊形的位置。進(jìn)入管道后，管壁與主從動(dòng)輪發(fā)生擠壓，而關(guān)節(jié)1處布置有扭簧，擠壓力F使上平行四邊形發(fā)生一定程度的折疊，關(guān)節(jié)處扭簧產(chǎn)生反作用力以達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在管內(nèi)張緊。

為了確保能將機(jī)器人在不同管徑管道內(nèi)的張緊力控制在一定范圍內(nèi)，并避免發(fā)生“卡死”或“打滑”現(xiàn)象，行走單元中采用限位齒結(jié)構(gòu)將可變徑范圍均分為3段。通過只依靠上平行四邊發(fā)生折疊產(chǎn)生一定范圍的作用力，來控制管內(nèi)機(jī)器人張緊力的大小。圖5為行走單元的3段變徑示意圖。

圖5 三段變徑示意圖

機(jī)器人行走單元結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)式雙平行四邊形機(jī)構(gòu)和三段式可控變徑方式，通過段間離散、總體連續(xù)的方式，既滿足了大變徑范圍的要求，又保證了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要分為2個(gè)部分：上位機(jī)人機(jī)交互界面部分和下位機(jī)軟硬件部分。兩者通過TCP／IP協(xié)議進(jìn)行通信［8］?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見圖6。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

上位機(jī)部分，本設(shè)計(jì)結(jié)合了MFC和OPENCV庫(kù)函數(shù)在Visual Studio 2010平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制與現(xiàn)場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)顯示功能［9］。下位機(jī)部分，STM32F207ZG（圖6中記為STM32）主控模塊、視頻緩沖器、視頻采集模塊、以太網(wǎng)模塊和I／O接口共同組成了硬件平臺(tái)，另外采用LWIP協(xié)議和FreeRTOS，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)更好更快地響應(yīng)。

3.1 上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中上位機(jī)控制系統(tǒng)是基于Visual Studio 2010開放平臺(tái)與OpenCV庫(kù)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于開放平臺(tái)自帶的MFC具有大量的API（應(yīng)用開發(fā)接口），能夠提高軟件編寫效率，因此本設(shè)計(jì)采用了MFC進(jìn)行用戶界面的開發(fā)。另外，將OpenCV庫(kù)加入到系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)了圖像顯示功能，并為后續(xù)的圖像處理提供了開發(fā)接口［10］。

本設(shè)計(jì)中首先通過新建一個(gè)包含了 Win Socket的MFC應(yīng)用程序，建立好開發(fā)界面，然后進(jìn)行底層程序的編寫。

完成了軟件的基本框架后，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制與視頻顯示功能，本設(shè)計(jì)中采用以下流程進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，具體流程如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

上述流程中程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于圖像顯示方面。首先要先新建一個(gè)具有8位分辨率與3通道的IplImage的數(shù)據(jù)類型，然后將從下位機(jī)接收到的RGB圖像數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)到三通道數(shù)據(jù)之中，最后借助于OpenCV庫(kù)中的ShowImage函數(shù)來實(shí)現(xiàn)采集圖像信息的顯示。最終控制界面見圖8。

3.2 下位機(jī)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方面，首先需要編寫攝像頭、SRAM和以太網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)程序，并對(duì)其進(jìn)行初始化，然后等待上位機(jī)的連接；連接成功后，下位機(jī)不斷地向上位機(jī)發(fā)送圖像信息，同時(shí)接收不同的控制指令，并執(zhí)行不同的動(dòng)作。

圖8 上位機(jī)控制界面

下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序中采用PID控制算法，以便對(duì)電機(jī)進(jìn)行快速精確地控制［11－12］。另外，加入了FreeRTOS操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和高效，也為后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)預(yù)留出更多的接口。

下位機(jī)硬件主要包括主控模塊和功能模塊兩大部分。主控模塊部分主要包括一個(gè)核心控制系統(tǒng)和外部靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM。功能模塊主要包含以太網(wǎng)模塊、PWM波輸出模、圖像采集模塊以及其他傳感模塊。

主控模塊作為整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，決定了整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能。本設(shè)計(jì)中采用了具有ARM Cortex－M3內(nèi)核的32位CPU控制芯片STM32F207ZG作為主控芯片，并通過外擴(kuò)SRAM后與攝像頭、以太網(wǎng)接口連接，實(shí)現(xiàn)視頻信息與控制信息的雙向傳輸，其電路連接見圖9。

圖9 主控模塊電路連接圖

功能模塊是根據(jù)用戶的需求進(jìn)行添加的，機(jī)器人搭載的傳感器越多功能模塊也就越多。本設(shè)計(jì)中除了用來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的PWM波輸出模塊外，比較關(guān)鍵的就是圖像采集模塊與以太網(wǎng)模塊。

圖像采集模塊中，本設(shè)計(jì)采用OV7670芯片作為攝像頭傳感器，傳輸速度為30幀／秒，輸出最高圖像質(zhì)量為VGA（640像素×480像素）格式的視頻。另外，它與STM32F207ZG的接口確定，可大大縮短程序開發(fā)周期。其電路原理圖見圖10。

圖10 圖像采集模塊原理圖

以太網(wǎng)模塊方面，考慮到STM32F207ZG芯片具有支持 MII／RMII方式的以太網(wǎng)接口，而且DP83848C芯片同時(shí)也支持 MII和RMII［13］，因此本設(shè)計(jì)選擇DP83848CW芯片來搭建以太網(wǎng)模塊電路。為了節(jié)省更多的I／O引腳去輸出PWM波，本設(shè)計(jì)中選擇了RMII模式。以太網(wǎng)模塊的電路原理圖見圖11。

圖11 以太網(wǎng)模塊電路原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)管道等環(huán)形工作面上機(jī)器人的行走方式及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，對(duì)目前存在的輪腿式機(jī)械自適應(yīng)型管道機(jī)器人的行走單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新型的輪腿式管道機(jī)器人，在保證機(jī)器人穩(wěn)定性和張緊力的前提下，進(jìn)一步增大了管道機(jī)器人的管徑適應(yīng)范圍。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)際管道環(huán)境下具有良好的攀爬能力且轉(zhuǎn)彎靈活，通過上位機(jī)的控制界面可以流暢地觀測(cè)到管內(nèi)情況，且能方便地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，很好地達(dá)到了預(yù)期效果。

教學(xué)效果證明，借助該機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，可對(duì)各工作面上的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行研究與探索活動(dòng)，大大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造熱情，學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步提高，這對(duì)后續(xù)的機(jī)器人技術(shù)教學(xué)活動(dòng)以及大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)或競(jìng)賽都大有裨益。

（

）

［1］劉延飛，李琪，畢經(jīng)存，等.一種全自主移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（2）：67－70.

［2］李鵬，馬書根，李斌，等.具有自適應(yīng)能力管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析［J］.機(jī)械工程學(xué).2009，45（1）：154－161.

［3］郭超，郝靜如.管道機(jī)器人智能電纜絞盤研究［J］.電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2011，40（3）：135－137.

［4］Se－gon Roh.Differential－Drive in－Pipe Robot for Moving inside Urban Gas pipeline［J］.IEEE Transactions on Robotics，2005，21（1）：1－17.

［5］唐德威，李凱慶，姜生元，等.三軸差速式管道機(jī)器人過彎管時(shí)的差速特性及拖動(dòng)力分析［J］.機(jī)器人，2010，32（1）：91－96.

［6］吳洪鐘.三輪腿管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2007.

［7］宋亞男，陳永安，徐榮華，等.機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30（1）：115－118.

［8］郝靜如.基于ARM9的嵌入式管道機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［D］.北京：北京信息科技大學(xué)，2008.

［9］Yang Jungnin，Kim Jonghwan.Mode Contorl for Trajectory Tracking of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，1999，15（3）：578－587.

［10］陳勝勇，劉盛.基于OpenCV的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［11］梁明亮，趙成.基于嵌入式技術(shù)的四輪驅(qū)動(dòng)教育機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（11）：82－86.

［12］江武志，許娜芬，孫菁.基于STC12C5A60S的教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.山西電子技術(shù)，2011，10（4）：32－34.

［13］喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex－M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.