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新型轮腿配合式排水管道检测机器人控制系统设计.pdf
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1、 电气技术与自动化 高宏, 等 新型轮腿配合式排水管道检测机器人控制 系统设计 新 型 轮 腿 配合 式排 水管 道检 测机 器人 控制 系统设计 高宏 。 黄民, 李天剑 , 肖晶晶, 韩春茂 ( 北京 信息科技大学 机 电工程学院 。 北京 1 0 0 0 8 5 ) 摘要 : 提 出了一种新型轮腿配合式 管道 机器人 的设计 思想 。机器人 通过轮 式驱动 和腿式 驱 动二者的相互配合 , 兼有轮式机器人移动速度快及腿式机器人环境适应能力强等优点。对机 器人结构及组成进行 了设 计 , 运用重 心偏 移的方 法保证 机器人 腿式行 进时 不发 生侧翻 。对 整 个机器人的控制系统进行设计
2、, 包括主机控制系统的单片机硬件设计 、 移动载体和 C C D摄像 头控制系统的软件结构设计。 关键词: 轮腿机器人; 重心偏移; 控制系统 ; 单片机 中图分类号: T H1 2 ; T P 2 4 文献标志码: B 文章编号: 1 6 7 1 - 5 2 7 6 ( 2 0 1 1 ) 0 3 - 0 1 4 1 - O 4 Co nt r o l S y s t e m De s i g n o f Ne w Ki n d o f W at e r - pi pe Rob o t wi t h Le g s a n d W h e e l s G A O H o n g , HU A
3、N G Mi n g , L I T i a n j i a , X I A O J i n g - j i n g , H A N C h u n m a o ( C o l le g e o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , B e ij i n g I n f o r ma t i o n S c i e n c e&T e c h n o l o g y Un i v e r s it y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 5 ,C h i n a ) Ab s t r a
4、c t: Th i s p ap er d es ig ns a n e w k i n d o f i n- pip e r o b ot wit h l e g s a n d wh e els, wh i c h h as s o me ad v a n t ag e s of high mov ing s p ee d b y wh ee l dr i v i n g a n d g o o d e n v i r on men t a d ap t a t ion b y leg d r iv i n g Th i s r o b ot c a n mo v e s t a bly
5、b y t h e gr a v i ty s hif t s y s t e m wh en it mo ve s b y le g dr iv i n g Th e wh ole c on t r o l s y s t em i n c l u d e s mic r o c o n t r oll e r h ar d wa r e o f main en g i n e,s o f t wa r e s t r u c t u r e o f mo bil e c a r r i e r a n d CCD c a me r a Ke y wo r ds: r o bo t wi t
6、 h l e gs an d wh e els;g r a v it y s h if t ;c on t r o l s y s t em;mic r o c o n t r oll e r 。 0 引言 目前, 城市排水管道大多埋于地下, 管道经过长期服 役后 , 难免会出现局部损坏 、 堵塞等现象, 一旦发生故障, 通 常采 用人工作业 的方式来 排除 。但 是排 水管道 环境 恶 劣, 存在劳动强度大、 效率低的缺点 , 对此国内外已有单位 展开研究 , 通过设计一种携带多种传感器及操作装置的管 道机器人来完成管道内部的检测和维修。一个完整的管 道机器人系统, 通常由移动载体即行走机构
7、 、 管道 内部环 境识别检测系统、 信号传递和动力传输系统及控制系统组 成 。根据 管道 机器人移动 载体驱 动原 理及驱 动方式 的 不 同 , 有文献将管道机器人 分为介质压差驱动 、 轮式驱动 、 爬行式 驱动 、 腹壁式驱动 、 行走式驱动 、 蠕动式驱动 和螺旋 式 驱动 等七 类 。 本文在总结多种驱动方式各 自优缺点的基础上 , 提出 一 种新的轮腿配合式管道机器人的设计思想, 完成了机器 人的结构设计, 并针对这一结构, 设计开发了其控制系统。 该设计 结合了轮式和腿式步行机 器人 的优点 , 通过 控制系 统控制 , 根据不 同的外 部环 境 , 适 时地 变换 机器人 行
8、进 的 驱动方式 。当管 道内部工况较好时 , 选用有足够驱 动能力 的轮式 驱动方式使机器人快速行进 完成相关作业 ; 当机器 人遇到凸起等障碍物, 轮式驱动由于可能发生托底现象而 不能行进 时 , 机器人将选择腿式 驱动行进 , 跨 越障碍 , 实 现 两种驱 动方 式的优势互补 。 1 机器人结构及其组成 本设计 提出 的轮腿 配合 式 机器 人 结构 如 图 1所示 。 包括轮式驱动行进系统、 腿式驱动行进系统 、 高度可调升 降检测 系统 三大部分。 0 1 一检测 系统 ;2 一腿式驱动系统 ;3 轮式驱动系统 图 1 机器人结构 基金项 目: 北京信息科技大学校基金 ( 1 0
9、2 5 0 0 8 ) 作者简介 : 高宏 ( 1 9 8 O 一) , 男 , 山西繁峙人 , 实验 师 , 硕 士 , 研究方 向机械设计及理论 、 机器人技术 。 Ma c h i n e B u i l d i n g日 Au t o m a t io n , J u n 2 0 1 1 , 4 0 ( 3 ) : 1 4 1 1 4 4 1 4l 电气技术与 自动化 高宏 , 等 新型轮腿配合式排水管道检测机 器人控制 系统设计 轮式驱动行进 系统用 以实 现机器人 在管道 内部 的快 速作业, 可以在管道内进行前进、 停止、 后退、 拐弯等操作。 为此设计的轮式驱 动系统采 用后
10、轮驱 动前 轮随动的方式 , 由两个电动机分别通过减速器 、 锥 齿轮换向后独立控 制两 个后轮的转速 , 当机器人 发生跑偏 时 , 通 过控制 系统调 整 两后 轮驱动 电动机 的转速差 以完成纠偏 , 使 机器 人回到正 确的行进姿态 。 腿式驱动行进 系统 共 由四条腿组成 。四腿 的表现形 式为相同的四组四连杆机构, 其中四腿组成中各 自的连杆 分别作为机器人的四足最终用于与地面接触。四腿分别 固定在四个滑块上。当机器人使用轮式移动时, 四腿被抬 起 , 四足 的高度高 于轮子 , 当需要 机器人腿 部行 走时 , 其 中 三条腿着地另一条 腿抬起 , 三条着地的腿相对于本体 同时
11、向后滑动 , 由于此时腿部着地 , 而机器人本体被支撑起来 , 所以实现结果为机器人本体向前移动 ; 与此同时另一条被 抬起腿的滑块相对本体向前滑动 , 当被抬起的腿到达最前 端时 , 此时恰好 有另一腿 到达最后端 ; 接着将 刚才 抬起 的 腿着地, 将另一条刚到达最后端的腿抬起并以3倍于刚才 的速度向前急回, 如此机器人仍然是三条腿着地一条腿抬 起 , 进入 下一个循 环 , 实现 移动 载体 的连 续前进 。如 图 2 所示 , 机器人 向右行进 , 抬腿顺序为 1 2 43 一 l , 图示 时刻恰好要进行腿 2和腿 4的抬腿切换, 腿 2即将落下, 腿 4即将抬起 。与腿部相连 的
12、滑块要实现上述功能 , 必须 在整个工 作循环过程 中相互有确定 的位置关 系 , 本设计通 过在一根连续旋转的轴上安装四组廓线相同并符合一定 运动规律 的凸轮机 构保证 了这一功 能的实现 J 。各腿 单 独的抬起落下运动则通过具有一定锁止扭矩的舵机通过控 制其往复摆动来实现。在腿式行进过程中, 由于同时只有 三条腿着地 , 为防止机器人 翻倒 , 设 计有重 心偏移系统 , 如 图3所示, 系统由一旋转的质量块构成, 该质量块根据前述 抬腿顺序绕通过机器人本体几何中心的竖直轴顺时针旋 转, 实现工作过程中质量块保持在抬起腿的对侧。重心系 统的动力直接取自前述凸轮轴输入的动力, 在凸轮轴与重
13、 心系统旋转轴之间加一级直齿 圆锥 齿轮传动 , 改变传 动 的 方向, 同时也保证了凸轮轴与旋转轴之间的步调一致 。 图 2 机器人步态 高度可调升降检测系统可以携带多种检测传感器 , 如 C C D摄像头 、 超声 波传 感器 等。本设 计针 对排 水管 道 内 壁检查 , 携带一种 C C D摄像头进行视频检测 , 系统具有 三 个 自由度 , 如图 1 所 示 , 分别为沿 z 轴 的移动 、 绕 : 轴 的旋 转和绕 轴的旋转 , 实现检测云台的自动升降及 C C D摄 像头对管道 内壁 的整 周扫描 。系统运动通 过三个伺 服 电 动机进行驱动 。 1 4 2 3 v U U 腿
14、1 着地 腿2 抬起 腿4 着地 几 n 图 3 重心偏移 系统 2 机器人控制系统设计 据前面提出的机器人结构, 要使机器人能够在管道内 部完成检测作业 , 针对控制系统机器人必须具备以下几方 面性能。机器人可以深入管道进行远距离作业 , 通过控制 可 以实现机 器人 前进 、 后 退 、 左 转 、 右转 、 加速 、 减 速 等运 动 ; 根 据管 道不同工况实现轮式驱动和腿式驱动之间的切 换 ; 能够对 检测 摄像 头进行 调节 和控制 , 并将检 测 图像 回 传到上位机并保存下来; 另外机器人有故障诊断和报警功 能 , 当出现故 障如软件运行 出现问题 、 通讯 电缆断线 、 密封
15、 失效等发生时机器人立即通过控制箱报告故障类别和代 码 , 而从机则立即停止所做的工作, 等待维修和故障排除。 2 1 控 制 系统整体方案设计 机器人选用拖缆的方式 , 整个控制系统设计方案如图 4 所示, 大体可以分为三部分: 控制箱、 移动载体控制和 C C D摄像头控制。 电动机 、 摄像头 、 视频信号 机器人位姿信号 圜 电源3 0 0V , 4 8V 笑 茬 姿 信 号 网 图 4控制 系统整体 设计方案 控制箱的作用是向整个系统发送控制命令, 包括移 动载体的驱动方式切换 ; 移动载体的前进 、 后退、 转向、 停止运动 ; 摄像头的变 对焦 , 摄像头 的转动, 摄像头两 侧
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