立式金属罐容积检定爬壁机器人本体设计_张立国.pdf

收稿日期: 2009- 11- 09 作者简介: 张立国 ( 1985), 男, 辽宁朝阳人, 检测技术与自动化 装置专业, 主要从事自动化仪表、 智能仪器等方面的研究。 立式金属罐容积检定爬壁机器人本体设计 张立国, 肖 军, 佟仕忠, 李会举, 付贵增 (辽宁石油化工大学 信息与控制工程学院, 辽宁 抚顺 113001) 摘要: 介绍一种用于对立式金属罐容积检定的爬壁机器人设计方案。该爬壁机器人具有永磁 吸附方式组成的吸附系统和四轮驱动式的轮式移动机构, 其吸附系统镶嵌在轮式移动机构的车体 中, 且和壁面非接触。这种设计改进了传统爬壁机器人机械结构中存在的转向困难和容易对油罐 壁造成损坏的缺陷, 同时对其稳定性及可靠性进行了力学分析, 并对总体控制系统设计进行了说 明。着重阐述了直流电机与减速器的选型以及以 AT89C51微控制器为核心构成的下位机硬件控 制电路和相应的软件设计方法。 关键词: 爬壁机器人; 看门狗; 倾角传感器; 电源模块 中图分类号: TP242 文献标志码: A 文章编号: 1000- 0682( 2010) 02- 0037- 05 Design on a wall- climbing robot for capacitymeasurement of verticalmetal tank ZHANG L iguo , XI AO Jun, TONG Shizhong , LIHuiju , FU Guizeng (School of Control and Infor mation Engineering, Liaoning Shihua University, L iaoning Fushun 113001, China) Abstract : One kind ofwall- cli mbing robots are introduced that it use to measure the verticalmetal tank1 The wall- cli mbing robot is composed of a per manent m agnetic adsorption system and a four- wheel drive mechanism, and the adsorption system ismounted on body of the wheel location mechanism and non- contactw ith the wallcs surface 1 This design i mproved the traditionalwall- cli mbing robotm e - chanical structure defects that are difficult to steered and easy to damaged on the tank wal,l m eanwhile it analysis to its stability and the reliability ,and explain to the overall control system design1There are spe - cial explained the selection of DC motor and reducer ,as well as AT89C51 m icrocontroller as the core consisting of under- m achine hardware system and the corresponding software designmethod1 Key words: wall- cli mbing robo; t watchdog ;tilt sensor ;power sourcemodule 0 引言 立式金属罐是石油石化行业中最常见的存储设 备。目前对立式金属罐容积检定广泛使用径向偏差 测量仪进行测量, 但在实际测量中却遇到很多困难。 因为检测人员需要人工搭建脚手架爬到十几米高的 油罐顶部, 在油罐顶部边缘逐点移动径向偏差测量 仪的标尺, 这就加大了测量的危险性和测量误差。 所以如果能够借助爬壁机器人携带径向偏差测量仪 的标尺, 使其按检测油罐容积需求的运动轨迹移动, 并在相应的检测点停留, 以便检测人员做相应的测 量, 测量的安全性将得到改善, 测量精度也将得到提 高 1。 1 爬壁机器人总体设计 111 机器人本体结构设计 机器人主体主要由底座、 轴承座、 电机座、 电机、 轴承、 车轮轴、 车轮、 联轴器等部件组成, 如图 1所 示。 爬壁机器人主要应具有壁面吸附和移动这两项 基本功能, 在此基础上完成相应的实际测量, 并实现 移动灵活、 操作简单和小型化等要求。从吸附功能 上看, 传统的磁吸附爬壁机器人多采用把磁块镶嵌 在车轮或履带上并与罐壁直接接触的吸附方式, 这 就造成了机器人转向困难且车轮或履带容易对罐壁 造成损坏。针对传统机器人的缺点, 该爬壁机器人 的吸附方式采用把磁块镶嵌在车体中部而且与罐壁 非接触的吸附方式。这种方式能够提供更稳定的吸 附能力, 而且具有便于机器人转向和不会对罐壁造 #37#2010年第 2期 工业仪表与自动化装置 成损坏等优点。在吸附材料的选取上, 通过对车体 各种运动状态的受力情况分析后, 确定吸附单元所 需要提供的最小吸附力, 最终决定采用钕铁硼 N35 稀土永磁体作为吸附材料。它具有内禀矫顽力极 高、 在磁路中可减少漏磁等特点, 适合在开路状态、 压力场合、 反磁场或动态情况下应用 2。而机器人 的移动功能则是由 AT89C51微控器控制直流电机 的正反转和速度来实现的。 11 底座; 21轴承座; 31 电机座; 41电机; 5 1 轴承; 61车轮轴; 71车轮; 81 联轴器; 91注销; 101 支撑板; 111加强筋 图 1 爬壁机器人本体结构图 112 机器人爬壁的稳定性和可靠性分析 图 2 爬壁机器人受力示意图 图 2为爬壁机器 人受力示意图。欲使 机器人吸附于罐壁不 致于脱落, 又能灵活 移动, 应满足以下条 件: ( 1)吸附条件 磁块产生的最大 摩擦力 E i fi能抵消机 器人自身重力即: E i Ni= E i Fi; E i Gi= E i fi( 1) 且 E i fi= E i L Ni= E i L Fi( 2) 式中 Ni为罐壁对轮子的弹力; Fi为轮子所受的吸 力; Gi为单个轮子所受的重力; fi为轮子所受的摩擦 力; L为橡胶与钢铁的摩擦系数。 竖直方向受力平衡应该满足以下不等式: E i fi G 2, 即Ei L Fi G 2, E i L Fi= nL F( 3) 由此可得: F G 2nL ( 4) 式中 n为磁块的个数; F为单元磁块所受的力。 (2)爬壁车本体在壁面上不颠覆的条件为力矩 之和大于零, 即: 2Fi# S- G总# h0( 5) 式中 S为前轮与后轮间的垂直距离; h 为轮轴到壁 面的垂直距离。 由式 ( 5)可得: FiG总# h /2S( 6) 故由式 (4) 可知, 当选取安全系数 n值后, 则可 以计算出最终单元吸附块应该提供的吸附力, 然后 校验磁吸附力和重力两者的力矩能否平衡 3。由 式 ( 6)可知, 在设计爬壁车时, 尽可能使爬壁车的整 个重心靠近壁面, 即要求 h尽可能小, 同时在可能的 情况下, 加长 S的距离, 即尽可能拉开前后车轮之间 的距离, 这样有利于提高机器人的稳定性 4。 2 控制系统总体设计 爬壁机器人的控制系统由上、 下位机组成。上 位机主要完成整个系统的管理, 机器人运动路径的 规划, 工作状态的 CRT 显示, 系统的自保护、 自诊断 以及启动、 停止等。运行时上位机利用某些键作为 操作的功能键, 通过串口通信, 把键盘的操作转换成 ASCII码后传输到控制台的单片机系统。同时上位 机接收来自下位机反馈的机械爬行装置的空间位置 及状态信息, 从而完成对爬壁机器人的实时控制。 下位机采用 AT89C51单片机, 它执行上位机和控制 手柄的指令, 通过直流电机驱动电路控制机械爬行 装置, 实现对机械装置相应的操作。上位机与下位 机的通信采用 RS485标准, 以适应远距离传输和野 外作业的要求。控制系统总体设计框图如图 3所 示。 #38#工业仪表与自动化装置 2010年第 2期 图 3 控制系统总体设计框图 3 下位机硬件设计 下位机硬件核心部件的 CPU采用 ATMEL公司 生产的 AT89C51单片机, 驱动电机选用的是 MAX- ON公司的直流电机。 311 驱动模块设计 ( 1)在设计过程中, 首先对电机和减速箱进行 选型, 然后对电机控制系统进行设计。 齿轮减速箱的选型 由于 MAXON DC电机的理想转速为 6 000 r/ m in , 而减速后的电机转速为 1915 r/m in , 减速比: i比= 6 000B1915= 307169B1( 7) 而 i实际 115 N# m; 最大轮轴转矩 Mm ax 118 N# m。 根据以上参数, 选择 MAXON公司的 A - max 26, 11 W alt直流电机; 减速箱选择减速比为 295B1的 GP 32C行星齿轮箱 4。 ( 2)机器人的驱动系统采用单片机 + 继电器的 控制方案, 通过两个继电器的通断分别控制电机通 断与转向。图 4为一个直流电机驱动电路, 从图中 可以看出 AT89C51单片机从上位机或从 P1外接的 控制手柄获取命令, 当 P315跳变到低电平, P314为 高电平时, 光电耦合器 U2使继电器 K2吸合, 电流 从电机的 B端口经 A端口流经 C点组成闭合回路 使电机正向转动。同理当 P314和 P315同时跳变到 低电平时, 光电耦合器 U1使继电器 K1吸合, 这时 电流从电机 A端口经 B端口到 C点组成闭合回路 使电机反向转动。由此可知 P315控制电机的通断, 而 P314控制电机的正转与反转。D1 D4控制灯 完成机器人运行状态的显示。这种控制系统操作安 全稳定, 控制简便, 功率损耗少。 ( 3)为了使爬壁机器人能够可靠稳定地工作, 就必须附加监视电路。设计采用 X5045实现电路 监视功能, X5045有一个可设定 200 ms 、 600 ms、 114 s或禁止的看门狗定时器。在电路中 X5045被设置 成 114 s的定时器。在单片机程序中, 每隔一定的 时间间隔放置一条 /喂狗0指令 (即在 P111输出一 个下降沿 ), 该时间间隔应小于 114 s , 以保证程序正 常运行时 X5045不会溢出; 当程序出现异常, 该时 间间隔将超过 114 s导致 X5045溢出, 并通过 RST 引脚送出一个复位信号使单片机复位, 重新开始运 行程序 5。 312 倾角检测模块 爬壁机器人要完成对油罐的检定任务, 就必须 按照预先规划的路径做精确运动。该机器人的运动 路径是: 沿油罐母线竖直向上或向下做往复运动。 这就要求爬壁机器人 4个轮子的运动速度相等, 否 则就会出现爬壁机器人偏离母线的情况。但由于电 机的转速和驱动轮尺寸以及爬壁机器人在油罐壁运 动过程中出现 /打滑 0现象等, 均会造成两侧车轮运 动速度不相等, 而使得机器人运动方向偏离母线, 进 而使机器人的爬行路径发生偏斜, 故需要设计机器 人的姿态闭环控制系统, 即实时检测机器人姿态参 数。并利用该参数与规划姿态参数进行比较, 用得 出的偏差值来自动调节两侧电机的转速, 从而实现 不断减小姿态偏差的目的。该设计姿态的闭环控制 系统选用 LAM - TD- 360型倾角传感器 6, 它采用 标准 MAX232接口与 AT89C51通信 7。 LAM - TD - 360的控制电路如图 5所示。 313 电源模块设计 机器人控制系统的电源包括驱动系统和控制系 统两部分。其中驱动系统电源为 24 V, 控制系统电 源为 5 V。整个下位机控制系统采用外部 24 V 蓄 电池来为这两部分提供电源。因此驱动部分的 24 V电源由蓄电池直接输出来驱动直流电机, 而控制 部分的 5 V电源则由 MC34063芯片所搭建的降压 模块来实现 24 V 到 5 V 的电压 转换后提 供。 MC34063芯片为单片式 DC/DC变换器。图 6为采 用 MC34063芯片构成的开关降压电路 8。当芯片 内部开关管导通时, 电流经 MC34063的 1脚、 2脚给 电感 L1 、 L2 、 电容 C3和负载供电, 同时电感 L1、 L2 #39#2010年第 2期 工业仪表与自动化装置 存储能量; 当内部开关管断开时, 由电感继续给电容 C3和负载供电。由于是开关间歇供电, 所以输出 + 5 V的恒定电压。 #40#工业仪表与自动化装置 2010年第 2期 图 6 电源模块 314 电池电量监测设计 在操作中为了使机器人能在电池电量维持其正 常运转的情况下安全返回, 就需要在系统中设置一 个监测电池电量的电路。该电路通过一个单电源比 较器 HT7039实现对电源的监测, 当电池两端电压 低于 20 V时 , 比较器的输出端产生一个低电平, 这 会点亮与之连接的发光二极管, 以提示电池电量不 足。这时机器人就可以安全返回。原理如图 7所 示。 图 7 监测电池电量电路图 4 软件程序设计 下位机控制系统软件主程序流程如图 8所示。 上位机给出控制命令, 通过串行总线传送给下位机, 下位机读取通信缓冲区的命令字, 判断是否有按键 命令, 然后进行功能键判断, 再执行相应的按键命 令; 并且下位机控制系统读取倾角传感器信号通过 运动姿态控制算法, 输出姿态调整信号来调整机器 人的运行姿态, 并将采集到的光电编码信号返馈给 电机驱动模块, 从而实现机器人的闭环控制。同时 下位机把实时数据传送给上位机, 上位机根据下位 机信号做出实时控制决策。 图 8 下位机软件流程图 5 结束语 在爬壁机器人系统设计中, 机器人车体和控制 系统