代小林，周志鹏，张彬彬，张云鹏，陈龙庭

（电子科技大学 机械电子工程学院，四川 成都 611731）

机器人作为一种新兴的智能机器系统，广泛应用于工业、军事、航天航空等领域。近年来，随着国家对大学生创新能力培养的重视程度不断提高，以机器人为平台的创新教学活动日益增多［1］。随着机器人应用领域的拓展，需研制能适应不同的工作面的机器人。为了探索各种工作面上机器人的行走方式及其实现方法，我校开设了机器人实验教学活动，期望以此提升学生的创新与实践能力。

管道作为一种输送方式，因其便捷性、经济性在我们生活中占据重要地位。而管道的探查与维修常常需要借助于管道机器人来实现［2］。通过对目前国内外的管道机器人结构特点进行研究分析，本文提出了一种新型的轮腿配合移动式机器人结构，进一步提高了机器人的管径适应能力。另外，通过搭载各类传感器，机器人具备多种场合下在管道内探查的功能。该机器人的设计实践对学生综合运用知识以及科研能力的培养有重要意义。

1 总体方案设计

管道机器人应具备管内移动、管内探查、障碍物清除等基本功能，因此本管道机器人的系统组成框图如1所示。

电源和上位机为外置组成部分，而控制系统、行走单元、抓取单元与传感器均为管内机器人主体的组成部分。为了避免因管道的屏蔽作用而影响机器人的正常工作，本设计采用了拖缆方式进行上下位机通信与运动控制［3］。外置电源为控制系统与其他机身搭载单元供电，上位机为整个系统的控制端，通过网线连接外置PC机和管内机器人，实现对各下位机单元的控制。控制系统的主控芯片选择含ARM Cortex－M3内核的STM32F207ZG芯片，以实现对机器人各驱动单元的控制与视频信息的实时采集与传输。

图1 系统组成框图

2 管道机器人机械结构设计

目前已研制的管道机器人按驱动方式的不同可分为介质压差驱动、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7种［4］，其中轮式管道机器人的驱动效率最高［5］。为了提高机器人的攀爬能力，本设计采用了顶壁式结构，但其适应的管径范围较小。为了在保证轮式管道机器人驱动效率与稳定性的前提下，进一步扩大机器人的管径适应范围，本文提出了在机器人轮腿结构中引入一种串联式双平行四边形机构方案。

2.1 机器人机械结构组成及工作原理

轮式顶壁管道机器人的张紧方式主要分为机械自适应性张紧和反馈式电机驱动张紧两种［6］。本设计中采用了机械结构相对简单的机械自适应张紧结构，该结构可以根据行走管道管径的大小自主调节自身径向尺寸，以适应一定范围内的不同管径的管道。本设计中机器人整体采用多节串联式结构，头部单元节的结构简图如图2所示。

图2 机器人单元节结构简图

该机器人主要由驱动单元、行走单元、控制单元和抓取单元组成。行走单元即为机器人的“轮腿”，该结构中引入双平行四边形机构，增大了机器人的管径适应范围。其张紧原理是依靠转动关节处扭簧的张力，使主从动轮压紧管壁，产生相互作用力而实现张紧。

控制单元接受上位机发来的指令，并根据指令的不同产生对应的信号，控制驱动单元与抓取单元执行相应动作。

每个驱动单元电机的驱动力经由一对锥齿轮换向后输出，由控制单元输出的方向信号和PWM波控制主动轮以相应的速度沿管壁前进或后退［7］。

抓取单元的机械手具有2个自由度，可以到达直径为250mm以下管道的任意位置，通过旋转、摆臂和夹取等动作实现管内障碍物清除。

管道机器人实验样机见图3。

图3 实验样机实物图

2.2 行走单元结构设计及工作原理

本管径机器人要求能适应管径范围为150～300 mm，且具备较强的过弯能力与攀爬能力。针对以上要求，本文在传统平行四边形机构的基础上提出了一种串联式的双平行四边形机构方案，通过对变化量的累计来满足变径范围的要求，其结构简图如图4所示。

图4 行走单元结构简图

机器人进入管道前，先根据具体管径的大小调节限位齿的位置，以确定下平行四边形的位置。进入管道后，管壁与主从动轮发生挤压，而关节1处布置有扭簧，挤压力F使上平行四边形发生一定程度的折叠，关节处扭簧产生反作用力以达到平衡，从而实现机器人在管内张紧。

为了确保能将机器人在不同管径管道内的张紧力控制在一定范围内，并避免发生“卡死”或“打滑”现象，行走单元中采用限位齿结构将可变径范围均分为3段。通过只依靠上平行四边发生折叠产生一定范围的作用力，来控制管内机器人张紧力的大小。图5为行走单元的3段变径示意图。

图5 三段变径示意图

机器人行走单元结构采用串联式双平行四边形机构和三段式可控变径方式，通过段间离散、总体连续的方式，既满足了大变径范围的要求，又保证了机器人运动过程中的稳定性。

3 机器人控制系统设计

本机器人的控制系统主要分为2个部分：上位机人机交互界面部分和下位机软硬件部分。两者通过TCP／IP协议进行通信［8］。控制系统结构组成见图6。

图6 控制系统结构组成

上位机部分，本设计结合了MFC和OPENCV库函数在Visual Studio 2010平台上实现了机器人的运动控制与现场视频实时显示功能［9］。下位机部分，STM32F207ZG（图6中记为STM32）主控模块、视频缓冲器、视频采集模块、以太网模块和I／O接口共同组成了硬件平台，另外采用LWIP协议和FreeRTOS，实现了系统更好更快地响应。

3.1 上位机人机交互界面设计

本设计中上位机控制系统是基于Visual Studio 2010开放平台与OpenCV库函数进行设计的。由于开放平台自带的MFC具有大量的API（应用开发接口），能够提高软件编写效率，因此本设计采用了MFC进行用户界面的开发。另外，将OpenCV库加入到系统之中，实现了图像显示功能，并为后续的图像处理提供了开发接口［10］。

本设计中首先通过新建一个包含了 Win Socket的MFC应用程序，建立好开发界面，然后进行底层程序的编写。

完成了软件的基本框架后，为了实现机器人的运动控制与视频显示功能，本设计中采用以下流程进行程序设计，具体流程如图7所示。

图7 上位机软件设计流程图

上述流程中程序设计的关键在于图像显示方面。首先要先新建一个具有8位分辨率与3通道的IplImage的数据类型，然后将从下位机接收到的RGB图像数据依次存储到三通道数据之中，最后借助于OpenCV库中的ShowImage函数来实现采集图像信息的显示。最终控制界面见图8。

3.2 下位机软硬件系统设计

在下位机软件设计方面，首先需要编写摄像头、SRAM和以太网的驱动程序，并对其进行初始化，然后等待上位机的连接；连接成功后，下位机不断地向上位机发送图像信息，同时接收不同的控制指令，并执行不同的动作。

图8 上位机控制界面

下位机运动控制程序中采用PID控制算法，以便对电机进行快速精确地控制［11－12］。另外，加入了FreeRTOS操作系统，使系统更加稳定和高效，也为后续进一步开发预留出更多的接口。

下位机硬件主要包括主控模块和功能模块两大部分。主控模块部分主要包括一个核心控制系统和外部静态存储器SRAM。功能模块主要包含以太网模块、PWM波输出模、图像采集模块以及其他传感模块。

主控模块作为整个机器人控制系统的核心，决定了整个系统的效率和性能。本设计中采用了具有ARM Cortex－M3内核的32位CPU控制芯片STM32F207ZG作为主控芯片，并通过外扩SRAM后与摄像头、以太网接口连接，实现视频信息与控制信息的双向传输，其电路连接见图9。

图9 主控模块电路连接图

功能模块是根据用户的需求进行添加的，机器人搭载的传感器越多功能模块也就越多。本设计中除了用来实现运动控制的PWM波输出模块外，比较关键的就是图像采集模块与以太网模块。

图像采集模块中，本设计采用OV7670芯片作为摄像头传感器，传输速度为30帧／秒，输出最高图像质量为VGA（640像素×480像素）格式的视频。另外，它与STM32F207ZG的接口确定，可大大缩短程序开发周期。其电路原理图见图10。

图10 图像采集模块原理图

以太网模块方面，考虑到STM32F207ZG芯片具有支持 MII／RMII方式的以太网接口，而且DP83848C芯片同时也支持 MII和RMII［13］，因此本设计选择DP83848CW芯片来搭建以太网模块电路。为了节省更多的I／O引脚去输出PWM波，本设计中选择了RMII模式。以太网模块的电路原理图见图11。

图11 以太网模块电路原理图

4 结束语

通过对管道等环形工作面上机器人的行走方式及其结构进行探究，对目前存在的轮腿式机械自适应型管道机器人的行走单元结构进行了改进，设计了一种新型的轮腿式管道机器人，在保证机器人稳定性和张紧力的前提下，进一步增大了管道机器人的管径适应范围。实验样机在实际管道环境下具有良好的攀爬能力且转弯灵活，通过上位机的控制界面可以流畅地观测到管内情况，且能方便地对机器人进行控制，很好地达到了预期效果。

教学效果证明，借助该机器人教学实践平台，可对各工作面上的机器人技术进行研究与探索活动，大大地激发了学生的创造热情，学生的动手能力与创新能力得到进一步提高，这对后续的机器人技术教学活动以及大学生科技创新实践活动或竞赛都大有裨益。

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