气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现
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研究・开发
气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现
%
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
%wenku.baidu.com
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
& % ’ 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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机械制造 !" 卷 第 !#$ 期
研究・开发
作， 主控芯片采用 !"#$% 单片机。 从图 & 可以看出， 机器人的上升、 下降以及自锁机 构的自锁和解锁需要由电磁阀的吸放引起的气动回路 动作完成。 但是， 电磁阀的工作电流较大， 一般单片机 只能通过驱动继电器或功率放大的方法来驱动。 综 合考虑成本及其实现的难易程度， 本文采用经过光耦 隔离驱动继电器， 再由继电器驱动电磁阀的驱动方式。 这种隔离驱动的方法可以避免输出端对输入端产生的 反馈和干扰； 动态电阻小， 形成的低阻抗旁路可以很好 地抑止噪声； 而且光电耦合器耐用、 可靠性高、 响应速 度快。 图 ’给出了光电耦合输出信号电路。 电磁阀的驱动电压为 ("%& )， 因此需将 *"&&+ ) 市电变压、 整流、 稳压。 为保护电磁阀和增加系统的稳 定性， 增加了稳压管、 去噪滤波电容和电压波形平滑电 容。 其原理如图 , 所示。 检测到高电平。 单片机可以通过检测相应管脚上的输 入电平即可确定管壁上是否有障碍物以及是否已至管 道终点。
本文介绍和研制的蠕动式管外爬行机器人实验表 明， 系统上行运动稳定， 速度约为 ($ 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
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。
#
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
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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
机械制造 !" 卷 第 !#$ 期
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研究・开发
航空物流中心系统动态布置设计
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摘 问题。 关键词： 航空物流中心 系统 布置设计 文献标识码： , 文章编号： ($$$ - .//’ 0 1$$# 2 $3 - $$.$ - $3 航空物流中心规划与布置设计是航空物流中心建 设的一个重要组成部分 ? 它是指根据航空物流园区的 中图分类号： "#$%& ’( ； )*(’+
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。
龚志锋
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范守文
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霍丽芙
要 ! 阐述航空物流中心规划与系统布置设计的重要性以及需要实现的目标， 并依据航空物流中心基本功能对其
进行功能分区。 对航空物流中心进行详细的物流分析和系统内各作业单位间的关联性分析， 总结了系统布置时应注意的
(
航空物流中心规划与系统布置设计的目标
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结
论
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参考文献
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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
气动蠕动式管外爬行机器人的设计与实现
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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
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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
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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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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