柔性结构式管道探测机器人系统的设计

时间:2022-07-31 03:54:26

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.

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