柔性结构式管道探测机器人系统的设计

摘要：本设计基于主从式多CPU无线管道探测机器人，及C#人机交互控制系统的实现。机器人机械设计采用多段式柔性结构，使其能够在复杂环境下灵活作业；电控设计采用主从式CPU控制，实现多任务并行操作。机器人自携带摄像头及各种环境检测传感器，对管道内部现场状况进行探测，并将探测数据无线传回地面PC控制系统。系统对传回数据进行分析处理，使工作人员了解管道内部状况并将分析结果保存备案，然后通过PC控制界面向下发送控制协议，使机器人执行下一步动作，展开维修工作等，实现人机交互。

关键词：柔性结构 主从式CPU 无线控制 人机交互

当前诸多行业，如石油、天然气、中央空调通风等，管道作为一种有效物料传输介质，得到广泛应用[1]。本设计开发出一种价格低廉、操作简单，从底层到上层，从硬件到软件，从模块到系统的一体化柔性结构式机器人系统。

1 机器人机械设计

1.1 外形设计

机器人整体机械设计采用多段式柔性结构（如图1-1）[2]，使其能够灵活适应复杂管道环境。驱动部分采用传动带、涡轮蜗杆结构，由步进电机驱动以实现机器人运动。步进电机带动蜗杆旋转，蜗杆涡轮齿合传动，涡轮带动带轮旋转，从而传动带运动带动主动轮运动，实现机器人行走。支撑部分由滚珠丝杠、步进电机、车轮、连杆和推杆等组成。步进电机带动丝杠转动，螺母直线运动带动推杆运动，实现机器人整体结构撑起，以实现适应不同管径（400mm～600mm）。

图1-1 机器人头部结构图

1.2 轴承选择

本设计中轴承主要承受轴向载荷，周向载荷很小可忽略不计，因此选用7219C型角接触球轴承。其当量动载荷为：

—载荷系数，本设计中取为1.1

—轴承承受载荷，本设计中=278.15N，则

验算轴承寿命：

n—轴承转速，本设计中

C—轴承额定动载荷，此处取为135000

P—轴承承受的载荷

—指数，对于球轴承；对于滚子轴承，则，初选轴承满足要求。

1.3 电机选择

电机驱动力矩：

—启动时折算到电机轴加速力矩

—摩擦力矩

本系统中

电机驱动功率：

因此，本设计选用24V、500转、20W maxon RE25 大功率空心杯减速电机。

2 机器人控制系统设计

机器人控制系统分为PC终端层、CPU控制层及执行机构层三层结构（如图2-1）[3]。上层为PC终端层，负责采样数据处理及系统整体调度；控制层由主控系统、摄像头系统并列组成，主控系统负责环境信息采样并将信息上传PC，PC对其分析处理并向下发送控制协议，CCD对环境进行图像采样，将图像数据上传PC并可视化显示，图像处理使工作人员了解管道状况；执行机构层由各类执行电机组成，驱动机器人执行相应动作。

图2-1 机器人控制系统架构图

2.1 系统通信

由于环境信息采集实时性要求高，且图像信息数据量大，因此上下位机对应设计双通道通信。主CPU与PC机占用一通道；CCD图像采集占用二通道；主从CPU SPI通信。两通道并行通信。

数据以包形式通信，一包数据为16位，高八位为校验信号，低八位为数据信号。系统接收一包数据，将数据包解析，首先根据校验信号判断数据有效性，校验正确则继续接收数据，否则返回错误校验信号继续索要有效数据。数据接收采用中断方式，提高系统效率。上位机支持通信设备自动识别，人工修改配置参数等，符合实际需求。

自定义数据包协议如下：

2.2 控制策略

机器人无线通信选用ZGBee2410模块，利用其组建混合网，实现一台PC同时控制多台机器人（如图2-2）。正常状态每台机器人与PC单独通信，若因环境恶劣通信中断，机器人3秒后自动停止动作进入等待状态（图2-2中3号），此时可派出搜救机器人（图2-2中2号）向丢失机器人发送呼叫信号，直至收到其回应，利用搜救机器人做跳板，实现探测机器人与PC通信。

图2-2 控制策略架构图

3 结论

本文设计了一种柔性结构式管道探测机器人，阐述了其工作原理。整套系统遵循模块化设计原则，各模块独立工作亦可自由组合，任何一模块异常不会级联整体；柔性式机械形体，可伸缩自适应管径支撑机构，提高了环境适应力；蜗轮蜗杆传动机构，打破传统三电机模式，一个步进电机即可驱动机器人三轮行进，节省成本同时减轻机器人重量；CPU模块采用主从式控制，低端CPU实现高端CPU功能，节省成本且利于扩展；通信模块控制协议与图像数据双通道通信，控制策略采用ZGBee混合网模式，提高系统可靠性与稳定性。原理样机经设计方案论证，制作了实物样机并进行联机调试，结果表明所设计系统能正常工作。但本设计只是初步完成系统设计架构，面对复杂管道现场环境，未来有待于进一步研究，可向着人工智能、自适应自学习方向发展，将会有较大发展前景。

参考文献：

[1]张永顺.国外微型管内机器人的发展[J].机器人，2000，22（6）：490—520.

[2]周建梁. 微小型管内机器人行走机构研究，上海大学硕士学位论文，1999，2.

[3]Y.Kawaguchi and I.Yoshida，Internal pipe inspection robot，IEEE International Conference on Robotics and Automation 1995： 857-862.