基于單片機(jī)的擬人爬桿機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　摘 要： 為了更好地應(yīng)對(duì)斜拉橋鋼索檢查和維修工作，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的擬人爬桿機(jī)器人。設(shè)計(jì)了抓手、上下底座機(jī)械結(jié)構(gòu)，針對(duì)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了選型，為保障爬桿手臂系統(tǒng)順利升降，以STC89C52單片機(jī)作為控制核心，以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過對(duì)舵機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)抓手握住爬桿的穩(wěn)定性，并輔以限位模塊提高系統(tǒng)安全性。經(jīng)測(cè)試，擬人爬桿機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可附帶重量為2.5 kg的設(shè)備，爬升速度可達(dá)1.2 m/min。擬人爬桿機(jī)器人攀爬動(dòng)作靈活、迅速、準(zhǔn)確，可以使檢查人員免于受到高空作業(yè)危險(xiǎn)性的影響，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是工業(yè)和信息化部主管、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院主辦的國家級(jí)科技學(xué)術(shù)類期刊。本刊主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的有關(guān)工業(yè)主管部門、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)、技術(shù)創(chuàng)新成果的宣傳轉(zhuǎn)化園地和戰(zhàn)略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動(dòng)工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，服務(wù)創(chuàng)新國家建設(shè)。

　　關(guān)鍵詞： 擬人爬桿機(jī)器人;斜拉橋;步進(jìn)電機(jī);爬桿手臂;單片機(jī)

　　引言

　　我國山多幅員遼闊，隨著城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，斜拉橋受到了普遍關(guān)注。斜拉橋的主要承力結(jié)構(gòu)是斜拉橋鋼索，隨著時(shí)間的推移，受到外力和環(huán)境侵蝕等累積作用，導(dǎo)致保護(hù)套發(fā)生破裂，從而引起內(nèi)部鋼索的腐蝕。有關(guān)調(diào)查顯示，斜拉橋鋼索保護(hù)套破損后，內(nèi)部鋼索大部分會(huì)被腐蝕，嚴(yán)重影響到斜拉橋的使用安全。

　　目測(cè)法是早期檢查斜拉橋鋼索的主要方法。在目測(cè)法中，檢查人員通過望遠(yuǎn)鏡檢查每一根鋼索，檢查速度慢，而且很容易遺漏或者誤判，影響檢查準(zhǔn)確性和效率。此外還有采用吊車掛載吊籃，通過吊籃將檢查人員運(yùn)送上去檢查的方法，該方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且吊車本身會(huì)占用車道，對(duì)交通產(chǎn)生不利影響。因此，亟需一種可以智能化的、能搭載設(shè)備的、可遠(yuǎn)程操作的、用于鋼索維護(hù)和檢測(cè)的爬桿手臂，將檢查人員從大量的、繁瑣的、重復(fù)的、危險(xiǎn)的工作中解放出來，并實(shí)現(xiàn)精確檢查。國內(nèi)外研發(fā)了多種形式的爬桿機(jī)器人。如Woody攀爬機(jī)器人采用了一種抱桿機(jī)構(gòu)，以機(jī)械手的形式抱緊樹木，通過機(jī)械手的抓緊與松開以及自身軀體關(guān)節(jié)的收縮實(shí)現(xiàn)攀爬;Shady3D三自由度雙夾爪攀爬機(jī)器人是一種利用兩個(gè)夾子的張開抓緊運(yùn)動(dòng)沿著桿子攀爬的機(jī)器人;UT-PCR攀爬機(jī)器人是一種依靠輪子在柱子上進(jìn)行攀爬的機(jī)器人。

　　本文結(jié)合斜拉橋等建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際需求，提出一種基于單片機(jī)的擬人爬桿機(jī)器人，在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的同時(shí)，加強(qiáng)控制電路設(shè)計(jì)，以提高機(jī)器人系統(tǒng)整體可靠性和安全性。擬人爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)，將為高空作業(yè)提供方便，使建筑工人們能夠更加專注于施工設(shè)計(jì)，免于受到高空作業(yè)危險(xiǎn)性的影響。

　　1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型

　　爬桿手臂系統(tǒng)是擬人爬桿機(jī)器人的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用的是結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強(qiáng)、移動(dòng)速度快、接觸面積小的夾緊直線絲桿型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精度高、成本低、效率高。機(jī)械部分主要由4只機(jī)械抓手組成，通過模擬動(dòng)物爬樹的過程，借助抓手的抓力，使其能夠牢牢固定在桿狀物上。機(jī)械抓手分為左右兩個(gè)部分，每個(gè)部分分別有兩副抓手，為每副抓手分別搭配兩根直線光軸，使得整體能夠上下滑動(dòng)。每副抓手通過兩根角鋁固定在為其搭配的兩根直線光軸上，由直線軸承驅(qū)動(dòng)其滑動(dòng)。兩片重量較輕、硬度較大的鋁板將左右側(cè)的兩副手臂固定在一起，形成一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)。

　　在攀爬過程當(dāng)中，先松開左側(cè)的手臂進(jìn)行升降，此時(shí)需要克服整個(gè)設(shè)備的自身重力，抓手的抓力以及摩擦力必須足夠大。在松開右側(cè)抓手時(shí)，需要保證左側(cè)手臂有足以支撐起整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的貼附力，而不至于由于抓力的不穩(wěn)定性而打滑。因此，左側(cè)一副抓手通過T型螺桿螺母連接絲桿形成傳動(dòng)力，使得整體結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)升降功能;右側(cè)一副抓手固定在整體結(jié)構(gòu)上，隨著絲桿的傳動(dòng)而升降。

　　整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。抓手的爪子底座與輕質(zhì)角鋁連接成一個(gè)整體的手臂。為了使同側(cè)的一副手臂能夠同時(shí)移動(dòng)，兩只手臂之間增加了輕質(zhì)鋁棒的固定設(shè)計(jì)。兩側(cè)手臂的裝置存在區(qū)別：右側(cè)手臂(即角鋁)的另一端需要打穿兩個(gè)通孔，直線光軸對(duì)應(yīng)穿過兩只手臂上的通孔，使用光軸臥式固定支撐座，將右側(cè)一副手臂固定于兩個(gè)直線光軸上;左側(cè)手臂(角鋁)的另一端同樣需要穿孔，但相對(duì)于右側(cè)手臂，還需要增加一個(gè)固定T型螺桿螺母的通孔，并在另外兩個(gè)通孔上固定直線軸承[1]。以上區(qū)別設(shè)計(jì)的目的在于使左側(cè)手臂能在兩根直線上輕松地滑動(dòng)，這也是擬合爬桿機(jī)器人能夠順利升降的關(guān)鍵。

　　兩副手臂安裝完成之后，上下兩個(gè)底座分別與四根直線光軸固定。為了能使整體機(jī)械結(jié)構(gòu)更加牢固，四根直線光軸的選擇尤為重要。光軸的重量、表面光潔度、硬度這三個(gè)因素都是關(guān)鍵，在此選用的光軸材料為45#優(yōu)質(zhì)鋼，重量約為0.2 kg，表面粗糙度為Ra0.2～0.4，硬度為HRC17-22。四個(gè)直線光軸通過羊角螺母固定，便于對(duì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)整，同時(shí)還能夠控制右側(cè)手臂的移動(dòng)。

　　1.1 抓手設(shè)計(jì)

　　抓手(即機(jī)械手)能夠模仿人手的一些動(dòng)作。根據(jù)功能需求，編寫程序指令，使機(jī)械手能夠自動(dòng)地進(jìn)行搬運(yùn)、抓取等操作。根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)，機(jī)械手主要分為兩大類：夾持式機(jī)械手、吸附式機(jī)械手。通過對(duì)功能需求的分析，選擇了適合抓取桿狀物體的夾持式機(jī)械手，其夾緊在桿狀物體上，由夾緊力產(chǎn)生的摩擦力使機(jī)械手臂夾緊在桿狀物體上。手臂可以根據(jù)桿件的粗細(xì)進(jìn)行調(diào)整，抓力穩(wěn)定可靠。在選擇機(jī)械手時(shí)應(yīng)滿足以下條件：

　　(1)機(jī)械手握力大小適宜，能保證爬桿手臂能抓住目標(biāo)物不下墜;

　　(2)保證機(jī)械手的質(zhì)量較輕且強(qiáng)度較大;

　　(3)保證機(jī)械手能順利抓取和脫離物體，動(dòng)作靈活、迅速、準(zhǔn)確。

　　通過分析，最終選用的材質(zhì)為鋁合金，金屬夾子重量為125 g(不含舵機(jī))，爪子內(nèi)部邊緣采用長波浪設(shè)計(jì)，夾取面更大，摩擦面較大，張開角度較大且可靈活控制。各側(cè)爪子及爪子底板如表1所示。

　　1.2 上下底座設(shè)計(jì)

　　上下底座在整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)中具有極其重要的作用，它是整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)整體的關(guān)鍵零件。在進(jìn)行底座設(shè)計(jì)時(shí)必須關(guān)注如下重要問題：

　　(1)下底座需要具有一定的負(fù)重要求，以承載整個(gè)爬桿手臂重量。所以，下底座需要有合理的尺寸，底座的厚度、選用材料的強(qiáng)度都要足夠大，防止變形。選用了兩片重量較輕、硬度大的鋁板將左右側(cè)的兩副手臂固定在同一豎直線上，形成一個(gè)完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

　　(2)下底座需要與提供爬升動(dòng)力的步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，使擬人爬桿機(jī)器人能夠順利地實(shí)現(xiàn)升降功能。所以，在下底座增加了一個(gè)適用于步進(jìn)電機(jī)的卡口。

　　(3)為了提高爬桿手臂系統(tǒng)在不同粗細(xì)的桿狀物體上的容錯(cuò)率，使得整個(gè)爬桿手臂系統(tǒng)能夠自如地發(fā)揮其功能，在上下底座上打出一個(gè)寬6 mm的圓弧通孔。通過松開固定手臂的羊角螺母，能夠使右側(cè)手臂移動(dòng)，在直徑比較大的桿狀物體上也能方便地進(jìn)行操作。圖2所示為上下底座二維示意圖。

　　1.3 步進(jìn)電機(jī)選型

　　傳動(dòng)裝置也是爬桿手臂系統(tǒng)的核心部分之一，是爬桿手臂系統(tǒng)進(jìn)行升降的主要?jiǎng)恿碓?。步進(jìn)電機(jī)能夠帶動(dòng)絲桿正反轉(zhuǎn)，使得整個(gè)爬桿手臂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)升降功能。

　　根據(jù)制作原理的不同，步進(jìn)電機(jī)分為永磁式步進(jìn)電機(jī)、磁阻式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)[1]。本文采用的是永磁式步進(jìn)電機(jī)，它的特點(diǎn)是步距角大、相數(shù)為二相或四相、控制功率小(一般通過12 V或24 V的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行控制)等。此外，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的電流接近2 A時(shí)，即使斷電也可以保持轉(zhuǎn)矩。

　　步進(jìn)電機(jī)的控制方式是使用勵(lì)磁信號(hào)(也即電脈沖信號(hào))進(jìn)行控制，可以將勵(lì)磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移。步進(jìn)電機(jī)的控制方式能夠瞬間控制啟動(dòng)或停止[2]。

　　改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向可以通過改變脈沖的順序，也就是改變勵(lì)磁信號(hào)的發(fā)送順序來實(shí)現(xiàn)。例如，若假使勵(lì)磁信號(hào)從左向右依次給定為正轉(zhuǎn)，那么若從右到左依次給定勵(lì)磁信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)便開始反轉(zhuǎn)。

　　考慮整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的總重量，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩的大小進(jìn)行規(guī)格選擇。測(cè)量得知擬人爬桿機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)(包含電機(jī)、電池、控制電路板)重量在2.5 kg左右，因此選擇與之相適宜的42BYGH系列步進(jìn)電機(jī)，實(shí)物圖如圖3所示。

　　1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　步進(jìn)電機(jī)需要配合驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊就是所謂的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)纹瑱C(jī)發(fā)送的勵(lì)磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供步進(jìn)電機(jī)接收的信號(hào)，使得步進(jìn)電機(jī)能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用的是北京七特科技有限公司的42型7TPSM4220步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，實(shí)物圖如圖4所示。

　　2 控制電路設(shè)計(jì)

　　2.1 最小系統(tǒng)

　　單片機(jī)最小系統(tǒng)是擬人爬桿機(jī)器人的控制核心[4]，所使用的控制芯片為STC89C52RC。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖5所示。

　　2.2 電源模塊

　　由于控制系統(tǒng)上的舵機(jī)需要用到7.4 V的電壓，而單片機(jī)最小系統(tǒng)使用的是5 V電壓，因此需要對(duì)7.4 V電池降壓到5 V，以為最小系統(tǒng)提供電源驅(qū)動(dòng)。這里使用的是L7805CV三端穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓器最大輸入電壓為35 V，最小輸入電壓為7 V，控制輸出穩(wěn)壓為5 V。電源降壓模塊如圖6所示。

　　2.3 步進(jìn)電機(jī)接口

　　步進(jìn)電機(jī)的接線端口和舵機(jī)的脈沖端口如圖7所示。單片機(jī)上的P3口有 8 個(gè)控制端口，P3.1、P3.2端口為單片機(jī)程序的下載串口。P3.2～P3.4這三個(gè)控制端口用來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上的脈沖信號(hào)、方向信號(hào)、EN端口(該端口可不進(jìn)行控制)。

　　在圖7中可以看到，左側(cè)手臂的兩個(gè)抓手上的舵機(jī)信號(hào)脈沖可由兩個(gè)不同電壓的控制接口來控制，這樣考慮到萬一抓手的抓力不夠，可以對(duì)舵機(jī)進(jìn)行切換。

　　2.4 按鍵模塊

　　圖8所示為按鍵模塊。按鍵SW6控制擬人爬桿機(jī)器人兩側(cè)手臂的四個(gè)抓手上的舵機(jī)，當(dāng)按鍵按下時(shí)，四個(gè)舵機(jī)同時(shí)作用，兩側(cè)手臂松開。按鍵SW7也是控制四個(gè)舵機(jī)的，當(dāng)按鍵按下時(shí)，兩側(cè)手臂抓緊桿狀物體。按鍵SW8控制步進(jìn)電機(jī)和手臂上的舵機(jī)，使擬人爬桿機(jī)器人上升;按鍵SW9控制擬人爬桿機(jī)器人下降。按鍵SW10、SW11是預(yù)留的按鍵，可進(jìn)行功能擴(kuò)展。

　　2.5 限位模塊

　　為了能使爬桿手臂系統(tǒng)能夠順利爬升，同時(shí)防止步進(jìn)電機(jī)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)引起危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了限位模塊，如圖9所示。該模塊總共有4對(duì)插口，每對(duì)插口均有一端接地。4對(duì)插口分成兩對(duì)，分別控制的是上限位開關(guān)和下限位開關(guān)。為上限位開關(guān)和下限位開關(guān)均設(shè)計(jì)兩個(gè)控制端口。

　　3 程序設(shè)計(jì)

　　程序設(shè)計(jì)流程如圖10所示。電路板上電后，系統(tǒng)先完成初始化設(shè)置，隨后進(jìn)行按鍵檢測(cè)：首先判斷松開按鍵是否按下，若檢測(cè)到松開按鍵按下，判斷抓手的角度是否為 0°(是否為松開狀態(tài))，如果四個(gè)機(jī)械手臂處于抓緊狀態(tài)則需要張開，如果不是則保持張開。若檢測(cè)到抓緊按鍵按下，判斷抓手的角度是否為 180°(是否為抓緊狀態(tài))，是則表明桿狀物體已被爬桿手臂系統(tǒng)抓住，等待控制舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)。若檢測(cè)到上升指令，左側(cè)機(jī)械抓手張開，發(fā)送正向脈沖信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)，右側(cè)機(jī)械抓手仍處于抓緊狀態(tài)，爬桿手臂系統(tǒng)上升動(dòng)作開始執(zhí)行。當(dāng)上限位開關(guān)被觸碰時(shí)，左側(cè)機(jī)械抓手抓緊目標(biāo)物，步進(jìn)電機(jī)正向脈沖信號(hào)同步停止，之后右側(cè)機(jī)械抓手松開，發(fā)送反向脈沖信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)，下限位開關(guān)被觸碰時(shí)，爬桿手臂系統(tǒng)上升狀態(tài)結(jié)束。一次上升指令為一次手臂抓緊，一個(gè)上升操作為兩次手臂抓緊。若檢測(cè)到下降指令，指令操作與上升操作相反。上、下限位開關(guān)在輔助實(shí)現(xiàn)上升動(dòng)作和下降動(dòng)作的同時(shí)還具有保護(hù)作用，避免步進(jìn)電機(jī)的失控或者脈沖信號(hào)的持續(xù)發(fā)送造成一定的危險(xiǎn)。為了進(jìn)一步增加安全性，采用了雙限位開關(guān)的雙保險(xiǎn)模式，防止其中一個(gè)開關(guān)突然失靈，造成不必要的危險(xiǎn)。上升、下降指令每執(zhí)行完一次指令操作之后，需要重新檢測(cè)按鍵是否按下，等待下一個(gè)指令的操作。

　　4 調(diào)試

　　針對(duì)擬人爬桿機(jī)器人手臂攀爬的實(shí)際需要，選用一根木質(zhì)的桿柱，直徑為65 mm，高度為950 mm，模擬擬人爬桿機(jī)器人在桿狀物體上的上下攀爬。按下上升按鍵后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，左側(cè)手臂的抓手松開并開始上升，碰到左側(cè)上限位開關(guān)后停止，抓手抓緊，右側(cè)手臂的抓手松開并開始上升，碰到右側(cè)上限位開關(guān)后停止。每次爬升的高度為20 cm，速度達(dá)到1.2 m/min，依次交替。將垂直高度分解為多個(gè)短距離的上下運(yùn)行，降低了實(shí)現(xiàn)難度。按下下降按鍵后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，過程與上升過程相反。

　　4.1 攀爬狀態(tài)

　　機(jī)械手臂處于攀爬狀態(tài)時(shí)的測(cè)試圖如圖11所示。此時(shí)，左側(cè)兩只抓手握緊桿柱，右側(cè)兩只抓手松開，借助右桿向上移動(dòng)。

　　4.2 抱緊狀態(tài)

　　機(jī)械手臂處于抱緊狀態(tài)時(shí)的測(cè)試圖如圖12所示。此時(shí)表示單次上升過程結(jié)束。下一時(shí)刻，左側(cè)抓手松開，借助左桿向上移動(dòng)，依次交替，最終達(dá)到預(yù)期位置。

　　5 結(jié)束語

　　本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種擬人爬桿機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了沿桿垂直爬升和下降的功能，將垂直高度分解為多個(gè)短距離的上下運(yùn)行，降低了實(shí)現(xiàn)難度。

　　在實(shí)用性方面，該機(jī)器人不僅適用于斜拉橋檢查，而且可以視作一個(gè)通用載體，搭載各種各樣的專業(yè)設(shè)備，如鋼纜護(hù)套檢查設(shè)備、鋼纜內(nèi)部金屬無損探傷設(shè)備等，開發(fā)出各種各樣的專用機(jī)器人。

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