新型轮腿配合式排水管道检测机器人控制系统设计.pdf

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， 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 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 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 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 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 、 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 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 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 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 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 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 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 侧灯光 的亮度控 制 ； 以及 与 上位 机 ( 工 控机 或 P C机 ) 软 件进行通讯 ； 控制箱还 可外接显示设备， 用于整个系统 运行 过程 中实时信息 的显 示 ， 这 些信 息包 括爬 行器 位姿 信 号 、 视频 信 号 等。为 了增 强微 处 理 器 的运 算 速 度 ， 控 制箱采用 me g a系列单片机作为微控制器。其内部集成 h t t p ： Z Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c n E- m a i l ： Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 n e t C lfl 机械制造与 自动化 禽 圆 囤 圈 圆 圆 回 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 了4个串IS l ， 能满足与移动载体和上位机通讯的需要， 能 够完成 A D转 换 、 数 据采 集 处理 ， 提 高控 制箱 处 理 速 度 和实时 响应 能力 。 移动载体的微处理器亦采用 me g a系列单片机 ， 能满 足与控 制箱 、 轮式驱 动 的两 个 电动机 、 腿式 驱动 的五个 电 动机和位姿传感器之 间通讯 的需要 ， 能够完成运动 控制算 法 ， A D转换， 数据采集处理。利用压力传感器和漏水检 测 电路 实现安全检测措 施。位姿 传感 器把采 集到 的数 据 实 时返 回给单片机 ， 通 过算 法对数 据进行 处理 ， 实 现位 姿 的控制 。 C C D摄 像 头 与 控 制 箱 通 过 R S 4 8 5 串 口通 讯 ， 通 过 R S 2 3 2控制摄像机 ， 完成变 对焦等操作。通过相位与频 率修正 P WM 方式控制舵机 ， 带动摄像 头转动 ， 实现绕 轴 的旋转 ； 通过相位与频率修 正 P WM方 式控 制直流 电动机 转动 ， 实现绕 轴的旋转 。通 过相位 修正 P WM方 式调节 L E D亮度 ， 用于 C C D摄像头 的照 明， 实现光线强弱可控 制 功能 ， 输出电压的不同调节灯光 的强 弱。 A V R单片机的串行 口R X D， T X D均为 rr r L电平， 在 硬件 电路设计 中选 用 的 电平转 换芯 片 为 M A X I M 公 司工 业级 的 M A X 4 8 5芯片 。排水管 道检测 机器 人 的整个 控制 系统为 主从机设计 ， 控制箱 为主机 ， 移 动载体 和 C C D摄像 头为从机 ， 构成 了一个 主机 两个从 机的通 信总线 布置 ， 其 电路原理如 图 5所示 。 RXD TXD 控制箱 MCU (主机 ) 图 5 4 8 5通 信 总线 原 理 图 2 2机 器人主机控 制 系统设计 机器人主机即控制箱是整个控制系统 的决策者。为 简化电路连接、 提高命令与数据传输的可靠性及满足对两 个 从机的控制要 求 ， 包 括键 盘 的控 制 、 L C D的显 示等 ， 控 制箱内部采用基于 T wI 总线 的通信方式 。 由于 A T m e g a 1 2 8 0具有 T wI 控制器 ， 而且 数码管显示 驱动及 键 盘 扫 描 管 理 芯 片 Z L G 7 2 9 0和 I O接 口器 件 P C F 8 5 7 4是带有 I C串行接 口的芯片 ， 加之 T wI 模块完全 兼容 1 2 C总线 ， 所以它们之间的通信非常方便， 只需将三 者 的 S D A线 、 S C L线分别通过上拉 电阻与 +5 V电源相连 就可以实现信息传输功能。 A T me g a 1 2 8 0与 Z L G 7 2 9 0和 P C F 8 5 7 4的 硬 件连 接 电 路原理 图如图 6所示 。 、DI U0 6 DI GO KC0 K R0 S A 2 3 S A 、DI G l 5 DI Gl KC1 KR1 S B 2 4 SB DI G2 4 DI G2 KC2 S C KR2 1 S C 、DI G3 j DI G3 l ( C3 S D B 2 S D RS T 、 DI G4 2 2 DI G4 KC4 S E KR4 7 S E 0 R 1 、D IG 5 2 l D IG 5K C 5 SFK R 5 SF 、D IU 6 l2 D IG 6K C 6 SG K R 6 9 SG 、D IG 7 13 D IG 7，l(C 7 D PK R 7 1O D P A SK l 1 0 K 1 0 l 9 S C L Z L G 7 2 9 0、 ， r r 1 6 一 Me g a I N T 2 l 2 8 0 S CL S DA i 一 2 0 S DA N C C S 1 0 0 u F I N T l 1 4 15 蓉善 G N D 1 1 -1 - - T j R3 S e _R 1 b 7 f ) XRSA R E S 2 上 v 。 。 ， ，S e z B 1 i l l S B 一 。 c届 1 1 n ： ， _ = 二 ： ， 鸨 D1 I N41 4 8 S A D2 kl s B D 3 klI N 4 1 4 8 ； rl s 6 IV l D 4 1 k ls E ， ， ， ， l 茆 D 5 - - J I rls E 谢 萤 0 0 I叟 0 0 0 凸 0 l 口 口 口 r 。 一 t 一 尸 口 ， r 1 D6 1 klD _。一 _一 F _ 。 u L u q 燃 l 、 、 l 竺 2 5 6 键盘接口 ll VCC ： 1 L 1 6 2 5 S D A P 0 3 4 S CL ， 4 3 I NT2 ， P 2 5 2 P7 6 l P 6 、 、 ， P3 7 n P5 、 _ _ _ _ 8 9 P 4、 L P C F 8 5 7 4 、 图 6 AT me g a 1 2 8 0与 I 2 C器件的硬件连接 电路 原理图 2 3 机 器人移动载体控 制 系统设计 机器人移动载体 用 于搭 载 C C D摄像 头 ， 进 入 排水 管 道实施 管道检测与信 息采集 的任 务。其控 制系 统核心 板 功能模 块示意如 图 7所示 。其 中移动载体 MC U一 方面通 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au to ma t i o n ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 3 ) ： 1 4 1 1 4 4 0CM J L CD 过 R S 4 8 5通信模 块 与控 制箱 通讯 ， 一 方 面将 由控 制箱 接 收到的命令经过解析后转化为移动载体的运动控制和信 号采集 。R S 2 3 2通信模 块 用于 发送命 令控 制驱 动方式 的 切换及不 同驱动 方式下 各执 行 电动机 的执行 状态 。A D 模块 、 位姿数据检测模块 、 气压检测模块用于信号采集 ， 实 1 43 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 时采集机器人的工作状态。 位姿数据 D模块 气压检测模块 检测模块 R S 2 3 2 移动载体 R S 4 g 5 通信模块 AV RMC U 通信模块 电 动 机 驱 动 模 块 I 云 台 控 制 模 块I 稳 压 模 块 图 7 移动载体处理器核心板功能模块示意 图 基于图7所示的移动载体控制系统硬件结构， 设计控 制软件 的总体思路和流程如图 8所示。 图 8 移动载体控制软件设计流程图 开始 系统初始化 ( 包括单片机初始化 ， 摄像头初始化 ) 命 令 错 误 否 收到命令并 回应j 协议解析 制直 流电动 赢 ， 制摄像机本 J 否 ， 、 制L E D? 弋 是 直流 电动机控制 舵机控制 摄像机变劂 焦 控制并 读取变， 对焦位置数据 显示到MP 4 上 气 篁 ： = = = = = 一 是 一 上传气压数据 图9 摄像头控制软件设计流程圈 性 ； 针对移动载体和 C C D摄像头控制系统 ， 首先对其控 制系统核心板 功能模 块进 行 归纳 ， 然后 对其 软 件结 构进 行了设计 ， 设计流程图为后续控制软件编制做好准备。 本文设计的机器人结构及控制系统可作为一种通用移 动平台供其他领域参考。 2 4 C C D摄像 头控 制 系统设计 参考文献 C C D摄像头作为整个管道检测机器人系统的视觉传 感器， 用于实时采集管道图像并对管道进行检测。其控制 系统硬件核心与移动载体控制系统基本相同， 通过 R S 4 8 5 与控制箱通信， 通过 R S 2 3 2发送控制命令。摄像头控制 软件的总体思路和流程如图9所示。 3 总结 本文设计了一种新型轮腿配合式管道机器人 ， 其创 新之处在于突破 目前研究较多的轮腿组合式爬行机器 人 ， 改为 轮式驱动和腿 式 驱动 两个独 立 的驱动 部分根 据 不 同工况相互切换 配合 工作 ， 从 而获 得更 好的 行驶和 越 障性 能 。设计 采用 的 重心 偏移 系 统 实 现 了机 器人 腿 式 移动时的平稳行进 ， 也具有一定的创新意识。基于这一 机器人结构设计了整个机器人的控制系统， 其中主机控 制 系统 的单片机硬件 在 I C总线基 础上采用 T wI 通信 方 法 ， 简化 了线 路 连接 ， 可 以提高 数 据传 输 的 效率 与 可 靠 1 44 1 王殿君 ， 李 润平 ， 黄光 明 管道机器人的研究进展 J 机床 与 液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) 2 S e g o n R o h ， H y o u k R y e o l C h o i D i ff e r e n t i a l - D r i v e I n P i p e R o b o t f o r Mo v i n g I n s i d e Ur b a n Ga s P i pe l i n e s I EE E Tr a n s a c t i o n s o n Re b o t i c s ， 2 0 0 5， 2 1 ( 1 ) ： 1 1 7 3 孙恒 机械原理 M 北 京： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 6 4王立权 ， 等 城市排水 管道机器人 控制系统研 究 J 机床与 液压 ， 2 0 0 8， 3 6 ( 6) 5何立 民 I 2 C总线应用 系统设计 M 北京 ： 北京航空 航天大 学出版社 1 9 9 5 6 郭祥军 A V R单片机 的 T wI 总线 的原理及 应用 J 单 片机 与嵌人式系统应用， 2 0 0 6， ( 8 ) ： 3 7 - 3 9 收稿 日期： 2 0 1 01 I 一1 2 h t t p ： Z Z HD c h i n a j o u rna 1 n e t o n E - ma i l ： Z ZH D c h a i n a j o u ma 1 n e t e n 机械制造与 自动化