气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现

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机械制造 !" 卷 第 !#$ 期
等优点， 本 控 制 系 统 采 用 与 456 - #( 兼 容 的 芯 片 为了减小输入端对输出端的 ,)’/5#( 作为控制芯片。 干扰， 采用光电耦合器； 用交流电通过变压整流提供驱 动用稳定直流电压； 对单片机的微弱信号采用三极管 放大以驱动相应的电磁阀； 通过位置和障碍物检测反 馈实现机器人具有一定的智能性。 图 ’ 和图 / 分别给出 了控制系统框图和系统控制流程图。 车而产生的难度大、 成本高等难题， 而且提高了施工效 率和操作安全性， 降低了工人的劳动强度。 另外还可以 应用于其它拉索、 悬索和高空管道的相关维护与检测， 因而具有良好的实用价值。 目前， 该机器人因结构等条 件限制， 只适用直管爬行； 另外由于采用地面气源供 气， 爬行高度受到供气管长度的限制。 可以通过采用机 构自带储气罐的办法， 实现无缆能源供给。
输入信号放大电路是将单片机输出的微弱控制信 号进行电流放大， 以驱动相应的继电器， 通过继电器的 开合来控制各个电磁阀的动作。 一般情 况下 ， 根据 实际 要求 通常 采用 功放 、 三极 由于继电器主要 管、 !-#./0 或 1230 进行电流放大。 是电压驱动型元件， 所需电流较小， 故本爬管机器人采 用三极管放大。 为保护三极管并增加系统的稳定性和 可靠性， 使用了 4" 灭弧回路吸收电磁阀导通瞬间产 图中二极管 生的火花。 输入信号放大电路如图 $ 所示， 用于吸收继电器断电时产生的瞬间高压以防止三极管 击穿。 为防止机器人运行超过极限位置并检测管外壁上 的障碍物， 机器人采用如图 5 所示的由双向行程开关组 成的位置和障碍物检测电路。 由图 5 可见， 机器人在管道外壁上正常爬行时， 行 程开关闭合， 输入单片机的为低电平； 安装于上下自锁 机构上的障碍物检测装置检测到障碍物时， 单片机将 出， 顶下橡胶球， 解除下端自 锁； 主气缸下端进气， 使得机 器人下端下行； 下行到位后， 下小气缸活塞杆收回， 下端自 锁， 上小气缸活塞杆伸出， 解 除上端自锁； 主气缸上端进 气， 机器人上端随着主气缸回 缩而下行， 回到初始状态， 完 成一个下行循环。
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机器人本体的基本运动
上行时， 主气缸下端进气， 活塞杆伸出， 机器人上
端因受推力而解除自锁， 下端自锁， 使得机器人上端上 移； 上移到位后， 主气缸上端进气， 机器人上、 下端皆受 拉力， 上端自锁起作用， 下端自锁解除， 下端随着主气 缸的回缩而上移， 回到初始状态， 也即完成了一个上行 循环。 如此反复， 机器人就可以一步一步蠕动式上行 了。 运动过程如图 6所示。 下行的过程状态跟上行相似， 不过就是要加上、 下 小气缸的控制动作， 具体说就是： 下端小气缸活塞杆伸
本文介绍和研制的蠕动式管外爬行机器人实验表 明， 系统上行运动稳定， 速度约为 ($ 7 8 79:； 下行时因 要周期性解除上下自锁， 故运行速度约为 % 7 8 79:， 下 行时会有轻微的下滑， 但不会影响机器人的正常下行 该类机器人主要用 运动。 图($ 给出了机器人实物照片。 于斜拉索桥拉索的施工作业， 主要包括对缆索的表面 清洗、 探伤检测、 喷漆等作业。 通过使用爬管机器人， 可 以解决传统的在缆索顶部安装牵引装置来牵引运载小
& % ’ 控制系统 碍物检测反馈 电路等， 以保 证整个机器人 系统自动、 稳 定、 顺序地工
控制部分主要有光电耦合输出信
号电路、 输出信号放大电路、 变压整流电路及位置和障
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研究・开发
作， 主控芯片采用 !"#$% 单片机。 从图 & 可以看出， 机器人的上升、 下降以及自锁机 构的自锁和解锁需要由电磁阀的吸放引起的气动回路 动作完成。 但是， 电磁阀的工作电流较大， 一般单片机 只能通过驱动继电器或功率放大的方法来驱动。 综 合考虑成本及其实现的难易程度， 本文采用经过光耦 隔离驱动继电器， 再由继电器驱动电磁阀的驱动方式。 这种隔离驱动的方法可以避免输出端对输入端产生的 反馈和干扰； 动态电阻小， 形成的低阻抗旁路可以很好 地抑止噪声； 而且光电耦合器耐用、 可靠性高、 响应速 度快。 图 ’给出了光电耦合输出信号电路。 电磁阀的驱动电压为 ("%& )， 因此需将 *"&&+ ) 市电变压、 整流、 稳压。 为保护电磁阀和增加系统的稳 定性， 增加了稳压管、 去噪滤波电容和电压波形平滑电 容。 其原理如图 , 所示。 检测到高电平。 单片机可以通过检测相应管脚上的输 入电平即可确定管壁上是否有障碍物以及是否已至管 道终点。
研究・开发
气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现
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摘
毕道钦
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李蓓智
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张家梁
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毛志敏
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宋立博
要 2 利用机械自锁原理， 设计了一种气动驱动、 蠕动式爬行的管外机器人。 简要介绍其自锁实现原理， 详细介绍
了其机械本体结构和气动原理。 同时， 给出了光电耦合输出信号电路、 变压整流电路、 输入信号放大电路、 位置和障碍物检 测反馈电路以及 3!014-# 单片机控制系统总体框图和控制程序流程图。 关键词： 管外机器人 中图分类号： !5$)$ 蠕动爬行 气动 自锁 文献标识码： 3 文章编号： #666 7 )110 & $66- ’ 6% 7 66%0 7 6% 动、 液压、 气动， 近来出现了一些新的驱动方式， 如压电 晶体的冲击驱动 ( ) * 、 超磁致伸缩 & +,, ’ 驱动 ( - * 等， 不过 这些驱动方式一般都用于微型机器人， 且基本用在管 内机器人中。 考虑机器人的结构、 研制费用等因素， 决 定选用气压驱动。 气动具有气源方便、 气动系统简单、 清洁无污染等优点， 而且气动的速度调节方便易行。 本 机器人驱动装置主要包括 % 个主气缸及其相应的气动 回路装置。 机器人气动执行装置包括两部分， 一是用来夹持 管壁的自锁机构 （ 包括橡胶球、 斜面、 压缩弹簧等 ） ， 二 是下行时用于解除自锁用的小气缸回路 （ 缸 #、 $、 % 为主 缸/、 气缸回路， 缸)、 -、 . 属于上气缸回路， 0、 1 属于下气 缸回路） 。 气动原理图如图$所示。 机械本体采用自锁原理设
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机器人的基本组成
机器人系统主要由机器人机械本体、 气动装置和
控制系统组成。 & # ’ 机器人机械本体 计。 自锁机构主要包括弹簧、 橡胶球、 斜面等基本构件。 通常在重力作用下， 橡胶球紧压在自锁机构斜面和管 壁之间， 其与管壁间的静摩擦力使机器人停留在当前 位置而不下滑。 机器人在运动之前， 首先需要解除自锁。 向上运动 时， 下自锁机构保持自锁状态， 上自锁机构解除自锁， 主气缸充气使上自锁机构向上运动； 然后上自锁机构 自锁而下自锁机构解除自锁， 主气缸排气使下自锁机 构向上运动至气缸极限位置后下自锁机构自锁。 重复 如上过程即可使机器人以蠕动方式运动， 机器人向下 运动时的过程相反。 图#给出 了机器人本体机械结构原理 图。 & $ ’ 气动 装置 蠕动式 管外机器人的气动装置主要 由气动驱动、 气动执行两部 分组成。 驱动装置是用来 驱动机器人主体的装置。 常 用的驱动方式可以分为电
管外爬行机器人是机器人领域的一个主要研究分 支。 国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机 器人， 可沿水平或垂直的直管爬行， 能跨越法兰、 !型 管和 " 型管， 并可跨越平行管
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。 国内比较典型的有上
%# 海交通大学研制的斜拉桥缆索涂装维护机器人"$ 、 ，
可在各种斜度的缆索上爬行， 能完成缆索检测、 清洗等 工作， 并具有一定的智能性。 作者设计了一种基于自锁 原理、 气压驱动的蠕动式管外爬行机器人， 介绍了机械 本体、 气动回路、 控制系统的设计和实现过程。
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控制系统框图及流 程图
因为单片机具有功能强、
体积小、 价格低、 易开发维护
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研究・开发
航空物流中心系统动态心 系统 布置设计 文献标识码： , 文章编号： ($$$ - .//’ 0 1$$# 2 $3 - $$.$ - $3 航空物流中心规划与布置设计是航空物流中心建 设的一个重要组成部分 ? 它是指根据航空物流园区的 中图分类号： "#$%& ’( ； )*(’+
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结
论
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参考文献
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