楊見(jiàn)

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

0 引言

焊縫循檢機(jī)器人屬于一種爬壁機(jī)器人，主要是針對(duì)大型金屬容器壁或管壁的焊縫進(jìn)行循檢作業(yè)[1]。傳統(tǒng)的循檢作業(yè)主要采用人工手動(dòng)的方式，存在效率低下、危險(xiǎn)性高，且不適宜大規(guī)模作業(yè)。本次設(shè)計(jì)將未經(jīng)打磨處理的焊縫作為循檢軌跡。在現(xiàn)有的焊縫循跡研究中，部分學(xué)者利用CCD圖像處理的方式，經(jīng)過(guò)軟件算法的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊縫的識(shí)別，但該方式算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性不高。本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、循檢電路以及其他功能電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的識(shí)別檢測(cè)；軟件部分通過(guò)C語(yǔ)言程序編程，利用PWM調(diào)制信號(hào)輸出不同的占空比的脈沖[2]，以此控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。通過(guò)多次的調(diào)試改進(jìn)，進(jìn)而到達(dá)實(shí)時(shí)控制。

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)以微處理器為核心，由電源電路、驅(qū)動(dòng)模塊、循檢模塊、復(fù)位電路、轉(zhuǎn)向控制模塊等組成，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

控制單元采用STC89系列CMOS8位微處理器[3]（STC89C52），功耗低、性能高，且擁有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，32位I/O口，內(nèi)置4K的E2PROM以及3個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等資源，便于功能的擴(kuò)展[4]。主控電路實(shí)現(xiàn)的功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收、處理循檢電路的采集信號(hào)；根據(jù)采集信號(hào)所反饋的信息，單片機(jī)生成相應(yīng)的PWM波驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)調(diào)速，同時(shí)控制舵機(jī)對(duì)機(jī)體進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)整。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體框圖

1.1 電源電路

本次設(shè)計(jì)中采用3組12VDC 3000mAh鋰離子可充電電源，其中一組電源為單片機(jī)系統(tǒng)單獨(dú)供電，另外兩組電源為電機(jī)、舵機(jī)、傳感器以及其他元器件供電。圖2所示為電源穩(wěn)壓電路，該電路經(jīng)LM2596-5.0穩(wěn)壓芯片和電容器，將12V電壓穩(wěn)定在5V，輸出給單片機(jī)。單獨(dú)供電可以提高單片機(jī)系統(tǒng)的工作可靠性。

1.2 循檢模塊

機(jī)體循檢部分采用4路EE-SX671A型光電傳感器，該傳感器包含VCC、L、OUTPUT和GND。VCC端接5V電壓，L端懸空，OUTPUT端的電壓信號(hào)作為循檢信號(hào)輸送到單片機(jī)，4路光電傳感器分別接單片機(jī)4路I/O口（P0.1～P0.4）。安裝過(guò)程中，將光電傳感器對(duì)稱安裝在機(jī)體循檢裝置的前排，導(dǎo)軌上的擋光板能夠在光電傳感器的發(fā)射端和接收端的之間滑動(dòng)，其滑動(dòng)的狀態(tài)直接影響光電傳感器的輸出狀態(tài)。

循檢原理：機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，導(dǎo)軌擋光板置于焊縫兩側(cè)，當(dāng)機(jī)體直行時(shí)，光電傳感器輸出高電平，繼續(xù)直行；當(dāng)機(jī)體發(fā)生左偏，擋光板在焊縫的作用下右移，右側(cè)光電傳感器輸出低電平，舵機(jī)調(diào)整機(jī)體左轉(zhuǎn)；當(dāng)機(jī)體向右偏，擋光板在焊縫的作用下左移，左側(cè)光電傳感器輸出低電平，舵機(jī)調(diào)整機(jī)體右轉(zhuǎn)。單片機(jī)通過(guò)獲取左右光電傳感器的輸出信號(hào)，控制機(jī)體的行進(jìn)狀態(tài)，最終到達(dá)循檢的目的。

圖2 12VDC轉(zhuǎn)5VDC穩(wěn)壓電路

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)器人的動(dòng)力部分采用4個(gè)12V渦輪蝸桿直流減速電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)，扭矩大，簡(jiǎn)單易用且便于安裝。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片[5]，最大的輸出電流可達(dá)2A。單片機(jī)4路I/O口（P1.0～P1.3）依次接驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端IN口（IN1～I(xiàn)N4），用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。單片機(jī)的2路 I/O口（P0.5、P0.6）接芯片使能端（ENA、ENB），單片機(jī)輸出PWM調(diào)速脈沖至使能端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速。使能端為高電平，且輸入端為相反電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，否則為制動(dòng)狀態(tài)；使能端為低電平，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。

1.4 轉(zhuǎn)向控制模塊

機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制部分通過(guò)舵機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)，本次設(shè)計(jì)采用JX6221型金屬舵機(jī)，反應(yīng)快，帶有堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能，最大實(shí)現(xiàn)20Kg·CM的扭矩。舵機(jī)有3根線，即VCC、GND、PWM控制信號(hào)線。如圖4所示，為舵機(jī)控制電路，單片機(jī)的P2.1腳連接舵機(jī)的PWM控制信號(hào)端口。通過(guò)輸出脈寬為0.5ms～2.5ms的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)-90°～+90°的角度控制。舵機(jī)工作電流較大，因此，在設(shè)計(jì)中舵機(jī)的控制采用單獨(dú)的電源供電，以便舵機(jī)穩(wěn)定地達(dá)到轉(zhuǎn)向控制的目的。反轉(zhuǎn)，否則為制動(dòng)狀態(tài)；使能端為低電平，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖4 舵機(jī)控制電路

1.5 其他功能模塊

為了提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性，在控制系統(tǒng)中，加入溫濕度傳感器、氣敏傳感器、無(wú)線攝像頭模塊等。采用DHT11溫濕度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器壁面周圍環(huán)境的溫濕度狀況。采用MQ-2煙霧氣敏傳感器用以檢測(cè)濃度為300～10000ppm的煙霧和可燃?xì)怏w，如發(fā)生火災(zāi)等狀況，提前發(fā)出預(yù)警。無(wú)線攝像頭模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)焊縫循檢狀態(tài)，實(shí)時(shí)做出預(yù)判，調(diào)整機(jī)器人的工作狀態(tài)。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人循檢狀態(tài)分析

機(jī)器人在循檢過(guò)程中，主要依靠4個(gè)光電傳感器來(lái)識(shí)別焊縫。單片機(jī)通過(guò)傳感器的循檢信號(hào)控制機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)。機(jī)體的行進(jìn)狀態(tài)包含前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、減速左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、減速右轉(zhuǎn)。為了保證識(shí)別的準(zhǔn)確率，機(jī)體的行進(jìn)速度盡量保持慢速，因此，對(duì)不規(guī)則焊縫的檢測(cè)時(shí)，做相應(yīng)的減速處理。當(dāng)擋光板位于中間，即4個(gè)傳感器未觸發(fā)時(shí)，機(jī)體保持直行；當(dāng)擋光板左移，觸發(fā)左1傳感器時(shí)，機(jī)體左轉(zhuǎn)；當(dāng)擋光板左移，觸發(fā)左1和左2傳感器時(shí)，機(jī)體減速左轉(zhuǎn)；當(dāng)擋光板右移，觸發(fā)右1傳感器時(shí)，機(jī)體右轉(zhuǎn)；當(dāng)擋光板右移，觸發(fā)右1和右2傳感器時(shí)，機(jī)體減速右轉(zhuǎn)。機(jī)體的行進(jìn)速度通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)體行進(jìn)狀態(tài)與傳感器的循檢信號(hào)關(guān)系如表1所示。表中“H”代表高電平，“L”代表低電平。輸出低電平時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

表1 機(jī)體行進(jìn)狀態(tài)與傳感器的循檢信號(hào)關(guān)系

2.2 控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，延遲1s后進(jìn)入工作狀態(tài)，單片機(jī)不斷檢測(cè)I/O的狀態(tài)，根據(jù)高低電平的變化，執(zhí)行相應(yīng)的子程序。首先執(zhí)行環(huán)境檢測(cè)子程序，檢測(cè)機(jī)體周圍環(huán)境的溫濕度狀況，判定當(dāng)前是否適合機(jī)器人工作。環(huán)境狀況正常時(shí)，執(zhí)行循檢子程序，循檢結(jié)束后，機(jī)器人停止工作返回。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2.3 循檢子程序

機(jī)器人啟動(dòng)循檢子程序，單片機(jī)不斷檢測(cè)I/O口高低電平的變化，根據(jù)軟件程序的設(shè)定，檢測(cè)到傳感器發(fā)出循檢信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)地行進(jìn)動(dòng)作，在焊縫的導(dǎo)向下，進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或直行。循檢子程序如圖6所示。

圖6 循檢子程序

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能焊縫循檢機(jī)器人，通過(guò)單片機(jī)控制，利用光電傳感器采集焊縫信息，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和轉(zhuǎn)向模塊的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊縫的循跡檢測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，成本低，具有一定的實(shí)際意義。但限于單片機(jī)的處理能力，焊縫的識(shí)別檢測(cè)率有待提高。

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