爬壁式机器人设计.docx

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爬壁式机器人设计

爬壁式机器人设计

摘要

爬壁机器人,是极限作业机器人的一个分支,它的突出特点是可以在垂直墙壁表面或者天花板上移动作业爬壁机器人能吸附于壁面而不下滑,实现的方法主要有两种:

负压吸附与磁吸附介绍一种新型爬壁机器人，它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷。

本文将着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法。

这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走，利用磁带导航，光纤传感器检测，具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点。

本文将介绍的爬壁机器人为超声串列自动扫查机器人是以某炼油厂加氢反应器为具体的应用对象，用来以超声串列法自动扫查和检测筒壁对接环焊缝的危害缺陷而研制的，并按JB4730-94《压力容器无损检测》的要求，用超声串列法检测。

超声串列法要求一发、一收探头中心声束保持在一个与焊缝中心线相垂直的平面内，收发探头相对于串列基准线须保持等距、反相、匀速移动。

由于采用手动检测，操作难度大，重复性差，可比性差而难以实施。

对于这种用在圆形筒壁上在役检测的机器人，丹麦的force公司研制了多用途模块磁轮扫描仪AMS-9、AMS-10等系列磁轮爬壁机器人，日本的OsakaGasCo。

Ltd公司研制了磁轮爬壁检测机器人，但是售价昂贵。

从文献及报道方面看，国内对于这种在役磁轮式爬壁机器人还少有实用化的样例，也缺乏这方面的机械结构及自动控制装置的研究，因此，对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的研究是十分必要的。

关键词：

机器人技术爬壁机器人磁吸附

前言

机器人是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，是计算机科学、控制论、机构学、信息科学和传感技术等多学科综合性高科技产物，它是一种模仿人操作、高速运行、重复操作和精度较高的自动化设备。

机器人技术的出现和发展，不但传统的工业生产和科学研究发生革命性的变化，而且将对人类的社会生活产生深远的影响。

随着机器人技术的不断发展，机器人的小型化、微型化成为机器人技术发展的重要方向之一。

开发一种小型、便携的爬壁机器人在军事和民用方面都具有重要意义。

在军事方面，它可以被投放在敌后，爬行于建筑物的外墙或玻璃壁面上，对室内的情况进行侦察；或者充当可移动的爆破物，近距离杀伤敌方的重要设施和人员。

爬壁机器人作为工业用机器人的一种，指的是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，可以代替人工在高空、毒气毒液、辐射、水下等高危环境下进行特种作业，在热电厂、造船业、核工业、石化天然气业等领域有广泛的应用，随着技术的日趋成熟，应用范围的拓展，越来越受到各国科研部门的重视

第一章

总体结构

本样机由机械部分、控制部分、导航传感检测部分组成。

1.1机械结构　　

本样机的机械部分由导轨滑块运动体、左右磁轮运动体组成。

样机及结构简图如图1。

设o1x1y1为机器人的坐标系，其中原点o1在机器人4个轮子布局的对称中心点上，x1为机器人左右磁轮的对称中心线，y1平行于串列扫查探头的导轨。

图中所示oxy坐标的x轴，相当于是固定在筒壁上的，与串列扫查基准线重合，y轴是与其垂直的坐标，o与o1重合。

在这里所谓的串列基准线是串列扫查时，作为一发一收两探头等间隔移动的所定相对对称基准线，一般设定为在离探伤面距离为0。

5跨距的位置。

本文中左指的是y1方向,反之为右方向。

各部分的工作原理如下：

（1）左右磁轮运动体　　整个扫查机器人靠4个磁轮的吸力吸附在圆筒壁上,由磁轮的运动带动机器人前进、后退，以及调整机器人的位置和方位，在这里我们选用磁轮而没有用履带，这有利于达到串列扫查对运动精度的要求。

机器人左右各有两个磁轮，各由交流伺服电机经谐波减速器减速、同步齿形带传动,带动磁轮沿壁面运动,两个磁轮通过齿形带均可运动,所以都是主动轮，这样左右磁轮的运动形成机器人的两个自由度。

当两个电机同时驱动4个轮同向等速转动时,机器人向前后移动，当左边的2个磁轮的速度大于右边的两个磁轮的速度时，机器人向右偏转;反之，向左偏转。

（2）导轨滑块运动体　　采用交流伺服电机经齿轮减速器和同步齿形带带动两滑块在导轨上运动，形成机器人的第三个自由度。

由于两滑块分别固联在啮入齿形轮的一边和离开齿形轮的另一边的齿形带上，所以两滑块随着齿形带的运动而在导轨上同向或反向直线运动，带动固定在滑块上的探头相对机器人中心线同向或反向运动。

　　调整爬壁机器人的中心线与串列基准线相平行，就可确保收、发探头相对串列基准线等距离运动,符合串列扫查的运动要求。

同时电机与光电码盘连接,通过计数脉冲算出收发探头入射点间距离,通过与壁面压紧的滚轮和与之相联的光电编码器检测机器人方向前进、后退距离。

3个自由度的运动用工控机伺服控制,通过软件编程来实现。

1.2控制系统硬件

　　该微型爬壁机器人采用12个微型电机驱动，4个接触传感器，4个压力传感器，以后还要增加用于壁障的红外传感器和用于采集现场信号的微型摄像头，所以对主控制器的要求较高。

设计中，最终选定Philips公司最新开发的基于32位ARM7TDMI-S内核的低轼耗ARM处理器LPC2104作为控制系统主控制器。

LPC2104具有以下特性：

　　*128KB片内Flash程序存储器，带ISP和IAP功能；

　　*16KB静态RAM；

　　*向量中断控制器；

　　*仿真跟踪模块支持实时跟踪；

　　*标准ARM测试/调试接口，兼容现有工具；

　　*双UART，其中一带有调制解调器接口；

　　*高速I2C串行接口，400kb/s；

　　*SPI串行接口；

　　*2个定时器分别具有4路捕获/比较通道；

　　*多达6路输出的PWM单元；

　　*实时时钟；

　　*看门狗定时器；

　　*通用I/O口；

　　*CPU操作频率可达60MHz；

　　*两个低功耗模式，空闲和掉电；

　　*通过外部中断，将处理器从掉电模式中唤醒；

　　*外设功能可单独使能/禁止实现功耗最优化；

　　*片内晶振的操作频率范围10～25MHz；

　　*处内PLL允许CPU可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。

　　微型爬壁机器人控制系统的原理框图如图2所示，选用LPC2104作为嵌入式控制器。

为提高系统效率和降低功耗，功放驱动电路采用基于双极性H-桥型脉宽调整方式PWM的集成电路L293D。

L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。

这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：

低速平稳性好等。

L293D通过内部逻辑生成使能信号。

H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。

另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。

每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。

选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。

选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转。

为了节省LPC2104的I/O口资源，选用2片74LS138和IN2引脚，控制电机的正反转。

为了节省LPC2104的I/O资源，选用2片74LS138译码器对I/O口进行扩展，每片分别选用3路I/O作为输入信号和1路I/O作为片选信号，这样就可以将8路I/O口扩展或16路I/O口。

如前所述，因为直注电机采用PWM调速，这样每1个电机至少需要1路PWM，12个电机需要12路PWM，而LPC2104只有6路PWM输出，所以选用2片电平锁存器74LS373使12个电机分成2组共用6路PWM信号。

接触传感器由外层管和内部超弹性线构成，内外两层通过硅管隔开。

当内线和外层接触时，开关关闭。

通过这种方法，接触传感器向LPC2104发送信号，借此来控制吸盘的方向。

从压力传感器来模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，LPC2104通过压力传感器来的信号来判断吸盘是否安全的吸附在墙壁上。

LPC2104还可以通过串口RS232和上位机进行通信。

　控制系统软件设计

　　微型爬壁机器人控制系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统μC/OS-II。

它是一个源代码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。

其绝大部分源码是用ANSIC写的，移植方便，且运行稳定可靠。

目前，它已经在几十种从8位到64位的微处理器、微控制器上实现了成功的移植。

下面首先介绍μC/OS-II在LPC2104上的移植过程，然后介绍微型爬壁机器人控制软件的设计。

　μC/OS-II在LPC2104上的移植

　　移植μC/OS-II，主要包括：

设置堆栈的增长方面，声明3个宏（开中断、关中断和任务切换），声明10个与编译器相关的数据类型；用C语言编写6个与操作系统相关的函数（任务堆栈初始化函数和5个钩子函数）；用汇编语言编写4个与处理器相关的函数。

　　用汇编语言编写的4个与处理器相关的函数如下：

　　①OSStartHighRdy（）用于在调度中使最高优先级的任务处于就绪态并开始执行；

　　②OSCtxSw（）完成任务级的上下文切换；

　　③OSIntCtxSw（）完成中断级任务切换，其过程与OSCtxSw（）类似，只是在执行中断服务子程序后可能使更高优先级的任务处于就绪态；

　　④OSTickISR（）是系统节拍中断服务子程序。

　　1OS_CUP.H的移植

　　μC/OS-II不使用C语言中的short、int、long等数据类型的定义，因为它们与处理器类型有关，隐含着不可移值性，所以代之以移值性强的整数数据类型，这样，既直观又可移值。

　　在μC/OS-II中，使用OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）开中断和关中断来保护临界段代码。

ARM处理器核的用户模式和执行Thumb代码时，不能改变处理器的开中断位I。

为了兼容各种模式，使用软中断指令SWI使处理器进入管理模式和ARM指令状态，即使用SWI0x02关中断，使用SWI0x03开中断。

　　ΜC/OS-II使用结构常量OS_STK_GROWTH指定堆栈的增长方式，0表示堆栈从低地址往高地址增长，1表示堆栈从高地址往低地址增长。

虽然ARM处理器核对于两种方式支持，但ADS的C语言编译器仅支持一种方式，即从高地址往低地址增长，并且必须是满递减堆栈，所以OS_STK_GROWTH的值为1。

以上内容在文件OS_CPU.h中做如下定义。

　　TypedefunsignedcharBOOLEAN;/*布尔变量*/

　　TypedefunsignedcharINT8U;/*无符号8位整型变量*/

　　TypedefsignedcharINT8S;/*有符号8位整型变量*/

　　TypedefunsignedshortINT16U;/*无符号16位整型变量*/

　　TypedefsignedshortINT16S;/*有符号16位整型变量*/

　　TypedefunsignedintINT32U;/*无符号32位整型变量*/

　　TypedefsignedintINT32S;/*有符号32位整型变量*/

　　TypedeffloatFP32;/*单精度浮点数（32位长度）*/

　　TypedefdoubleFP64;/*双精度浮点数（64位长度）*/

　　TypedefINT32UOS_STK;/*堆栈是32位宽度*/

　　_swi（0x02）voidOS_ENTER_CRITICAL（void）;/*关中断*/

　　_swi（0x03）voidOS_EXIT_CRITICAL（void）;/*开中断*