基于單片機的擬人爬桿機器人設計實現

　　摘 要： 為了更好地應對斜拉橋鋼索檢查和維修工作，設計一種基于單片機的擬人爬桿機器人。設計了抓手、上下底座機械結構，針對步進電機及其驅動模塊進行了選型，為保障爬桿手臂系統順利升降，以STC89C52單片機作為控制核心，以步進電機作為執行機構，通過對舵機的控制實現抓手握住爬桿的穩定性，并輔以限位模塊提高系統安全性。經測試，擬人爬桿機器人整體結構穩定，可附帶重量為2.5 kg的設備，爬升速度可達1.2 m/min。擬人爬桿機器人攀爬動作靈活、迅速、準確，可以使檢查人員免于受到高空作業危險性的影響，具有較強的實用性。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是工業和信息化部主管、中國電子信息產業發展研究院主辦的國家級科技學術類期刊。本刊主要面向工業技術創新領域的有關工業主管部門、工業企業、科研創新的學術交流平臺、技術創新成果的宣傳轉化園地和戰略政策研究的理論探討陣地。辦刊宗旨是：推動工業技術創新，促進工業轉型升級，服務創新國家建設。

　　關鍵詞： 擬人爬桿機器人;斜拉橋;步進電機;爬桿手臂;單片機

　　引言

　　我國山多幅員遼闊，隨著城鎮化快速推進，斜拉橋受到了普遍關注。斜拉橋的主要承力結構是斜拉橋鋼索，隨著時間的推移，受到外力和環境侵蝕等累積作用，導致保護套發生破裂，從而引起內部鋼索的腐蝕。有關調查顯示，斜拉橋鋼索保護套破損后，內部鋼索大部分會被腐蝕，嚴重影響到斜拉橋的使用安全。

　　目測法是早期檢查斜拉橋鋼索的主要方法。在目測法中，檢查人員通過望遠鏡檢查每一根鋼索，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送上去檢查的方法，該方法不僅費時費力，而且吊車本身會占用車道，對交通產生不利影響。因此，亟需一種可以智能化的、能搭載設備的、可遠程操作的、用于鋼索維護和檢測的爬桿手臂，將檢查人員從大量的、繁瑣的、重復的、危險的工作中解放出來，并實現精確檢查。國內外研發了多種形式的爬桿機器人。如Woody攀爬機器人采用了一種抱桿機構，以機械手的形式抱緊樹木，通過機械手的抓緊與松開以及自身軀體關節的收縮實現攀爬;Shady3D三自由度雙夾爪攀爬機器人是一種利用兩個夾子的張開抓緊運動沿著桿子攀爬的機器人;UT-PCR攀爬機器人是一種依靠輪子在柱子上進行攀爬的機器人。

　　本文結合斜拉橋等建設項目實際需求，提出一種基于單片機的擬人爬桿機器人，在進行機械結構設計和設備選型的同時，加強控制電路設計，以提高機器人系統整體可靠性和安全性。擬人爬桿機器人的設計，將為高空作業提供方便，使建筑工人們能夠更加專注于施工設計，免于受到高空作業危險性的影響。

　　1 機械結構設計和設備選型

　　爬桿手臂系統是擬人爬桿機器人的關鍵機械結構，采用的是結構簡單、可操作性強、移動速度快、接觸面積小的夾緊直線絲桿型結構。該結構采用步進電機驅動，精度高、成本低、效率高。機械部分主要由4只機械抓手組成，通過模擬動物爬樹的過程，借助抓手的抓力，使其能夠牢牢固定在桿狀物上。機械抓手分為左右兩個部分，每個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。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，由直線軸承驅動其滑動。兩片重量較輕、硬度較大的鋁板將左右側的兩副手臂固定在一起，形成一個完整的機械系統。

　　在攀爬過程當中，先松開左側的手臂進行升降，此時需要克服整個設備的自身重力，抓手的抓力以及摩擦力必須足夠大。在松開右側抓手時，需要保證左側手臂有足以支撐起整個機械結構的貼附力，而不至于由于抓力的不穩定性而打滑。因此，左側一副抓手通過T型螺桿螺母連接絲桿形成傳動力，使得整體結構能實現升降功能;右側一副抓手固定在整體結構上，隨著絲桿的傳動而升降。

　　整體機械結構設計如圖1所示。抓手的爪子底座與輕質角鋁連接成一個整體的手臂。為了使同側的一副手臂能夠同時移動，兩只手臂之間增加了輕質鋁棒的固定設計。兩側手臂的裝置存在區別：右側手臂(即角鋁)的另一端需要打穿兩個通孔，直線光軸對應穿過兩只手臂上的通孔，使用光軸臥式固定支撐座，將右側一副手臂固定于兩個直線光軸上;左側手臂(角鋁)的另一端同樣需要穿孔，但相對于右側手臂，還需要增加一個固定T型螺桿螺母的通孔，并在另外兩個通孔上固定直線軸承[1]。以上區別設計的目的在于使左側手臂能在兩根直線上輕松地滑動，這也是擬合爬桿機器人能夠順利升降的關鍵。

　　兩副手臂安裝完成之后，上下兩個底座分別與四根直線光軸固定。為了能使整體機械結構更加牢固，四根直線光軸的選擇尤為重要。光軸的重量、表面光潔度、硬度這三個因素都是關鍵，在此選用的光軸材料為45#優質鋼，重量約為0.2 kg，表面粗糙度為Ra0.2～0.4，硬度為HRC17-22。四個直線光軸通過羊角螺母固定，便于對整體機械結構進行微調整，同時還能夠控制右側手臂的移動。

　　1.1 抓手設計

　　抓手(即機械手)能夠模仿人手的一些動作。根據功能需求，編寫程序指令，使機械手能夠自動地進行搬運、抓取等操作。根據用途和結構，機械手主要分為兩大類：夾持式機械手、吸附式機械手。通過對功能需求的分析，選擇了適合抓取桿狀物體的夾持式機械手，其夾緊在桿狀物體上，由夾緊力產生的摩擦力使機械手臂夾緊在桿狀物體上。手臂可以根據桿件的粗細進行調整，抓力穩定可靠。在選擇機械手時應滿足以下條件：

　　(1)機械手握力大小適宜，能保證爬桿手臂能抓住目標物不下墜;

　　(2)保證機械手的質量較輕且強度較大;

　　(3)保證機械手能順利抓取和脫離物體，動作靈活、迅速、準確。

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

　　1.2 上下底座設計

　　上下底座在整個機械結構中具有極其重要的作用，它是整個機械結構結合成一個整體的關鍵零件。在進行底座設計時必須關注如下重要問題：

　　(1)下底座需要具有一定的負重要求，以承載整個爬桿手臂重量。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的兩副手臂固定在同一豎直線上，形成一個完整的機械結構系統。

　　(2)下底座需要與提供爬升動力的步進電機結合，使擬人爬桿機器人能夠順利地實現升降功能。所以，在下底座增加了一個適用于步進電機的卡口。

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

　　1.3 步進電機選型

　　傳動裝置也是爬桿手臂系統的核心部分之一，是爬桿手臂系統進行升降的主要動力來源。步進電機能夠帶動絲桿正反轉，使得整個爬桿手臂系統實現升降功能。

　　根據制作原理的不同，步進電機分為永磁式步進電機、磁阻式步進電機、混合式步進電機[1]。本文采用的是永磁式步進電機，它的特點是步距角大、相數為二相或四相、控制功率小(一般通過12 V或24 V的驅動電壓進行控制)等。此外，當步進電機的電流接近2 A時，即使斷電也可以保持轉矩。

　　步進電機的控制方式是使用勵磁信號(也即電脈沖信號)進行控制，可以將勵磁信號轉換成相應的角位移或線位移。步進電機的控制方式能夠瞬間控制啟動或停止[2]。

　　改變步進電機的轉動方向可以通過改變脈沖的順序，也就是改變勵磁信號的發送順序來實現。例如，若假使勵磁信號從左向右依次給定為正轉，那么若從右到左依次給定勵磁信號，步進電機便開始反轉。

　　考慮整體機械結構的總重量，根據步進電機產生的力或轉矩的大小進行規格選擇。測量得知擬人爬桿機器人的整體結構(包含電機、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系列步進電機，實物圖如圖3所示。

　　1.4 步進電機驅動模塊

　　步進電機需要配合驅動模塊進行工作。步進電機驅動模塊就是所謂的步進電機驅動器，能夠將單片機發送的勵磁信號轉換為可供步進電機接收的信號，使得步進電機能夠順利運轉[3]。

　　步進電機驅動模塊選用的是北京七特科技有限公司的42型7TPSM4220步進電機驅動器，這是一款專業的兩相步進電機驅動器，可實現步進電機的正反轉控制，實物圖如圖4所示。

　　2 控制電路設計

　　2.1 最小系統

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

　　2.2 電源模塊

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

　　2.3 步進電機接口

　　步進電機的接線端口和舵機的脈沖端口如圖7所示。單片機上的P3口有 8 個控制端口，P3.1、P3.2端口為單片機程序的下載串口。P3.2～P3.4這三個控制端口用來控制步進電機驅動模塊上的脈沖信號、方向信號、EN端口(該端口可不進行控制)。

　　在圖7中可以看到，左側手臂的兩個抓手上的舵機信號脈沖可由兩個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，可以對舵機進行切換。

　　2.4 按鍵模塊

　　圖8所示為按鍵模塊。按鍵SW6控制擬人爬桿機器人兩側手臂的四個抓手上的舵機，當按鍵按下時，四個舵機同時作用，兩側手臂松開。按鍵SW7也是控制四個舵機的，當按鍵按下時，兩側手臂抓緊桿狀物體。按鍵SW8控制步進電機和手臂上的舵機，使擬人爬桿機器人上升;按鍵SW9控制擬人爬桿機器人下降。按鍵SW10、SW11是預留的按鍵，可進行功能擴展。

　　2.5 限位模塊

　　為了能使爬桿手臂系統能夠順利爬升，同時防止步進電機不停地轉動引起危險，設計了限位模塊，如圖9所示。該模塊總共有4對插口，每對插口均有一端接地。4對插口分成兩對，分別控制的是上限位開關和下限位開關。為上限位開關和下限位開關均設計兩個控制端口。

　　3 程序設計

　　程序設計流程如圖10所示。電路板上電后，系統先完成初始化設置，隨后進行按鍵檢測：首先判斷松開按鍵是否按下，若檢測到松開按鍵按下，判斷抓手的角度是否為 0°(是否為松開狀態)，如果四個機械手臂處于抓緊狀態則需要張開，如果不是則保持張開。若檢測到抓緊按鍵按下，判斷抓手的角度是否為 180°(是否為抓緊狀態)，是則表明桿狀物體已被爬桿手臂系統抓住，等待控制舵機和步進電機的信號。若檢測到上升指令，左側機械抓手張開，發送正向脈沖信號至步進電機，右側機械抓手仍處于抓緊狀態，爬桿手臂系統上升動作開始執行。當上限位開關被觸碰時，左側機械抓手抓緊目標物，步進電機正向脈沖信號同步停止，之后右側機械抓手松開，發送反向脈沖信號至步進電機，下限位開關被觸碰時，爬桿手臂系統上升狀態結束。一次上升指令為一次手臂抓緊，一個上升操作為兩次手臂抓緊。若檢測到下降指令，指令操作與上升操作相反。上、下限位開關在輔助實現上升動作和下降動作的同時還具有保護作用，避免步進電機的失控或者脈沖信號的持續發送造成一定的危險。為了進一步增加安全性，采用了雙限位開關的雙保險模式，防止其中一個開關突然失靈，造成不必要的危險。上升、下降指令每執行完一次指令操作之后，需要重新檢測按鍵是否按下，等待下一個指令的操作。

　　4 調試

　　針對擬人爬桿機器人手臂攀爬的實際需要，選用一根木質的桿柱，直徑為65 mm，高度為950 mm，模擬擬人爬桿機器人在桿狀物體上的上下攀爬。按下上升按鍵后，電機正轉，左側手臂的抓手松開并開始上升，碰到左側上限位開關后停止，抓手抓緊，右側手臂的抓手松開并開始上升，碰到右側上限位開關后停止。每次爬升的高度為20 cm，速度達到1.2 m/min，依次交替。將垂直高度分解為多個短距離的上下運行，降低了實現難度。按下下降按鍵后，電機反轉，過程與上升過程相反。

　　4.1 攀爬狀態

　　機械手臂處于攀爬狀態時的測試圖如圖11所示。此時，左側兩只抓手握緊桿柱，右側兩只抓手松開，借助右桿向上移動。

　　4.2 抱緊狀態

　　機械手臂處于抱緊狀態時的測試圖如圖12所示。此時表示單次上升過程結束。下一時刻，左側抓手松開，借助左桿向上移動，依次交替，最終達到預期位置。

　　5 結束語

　　本文基于單片機設計了一種擬人爬桿機器人，實現了沿桿垂直爬升和下降的功能，將垂直高度分解為多個短距離的上下運行，降低了實現難度。

　　在實用性方面，該機器人不僅適用于斜拉橋檢查，而且可以視作一個通用載體，搭載各種各樣的專業設備，如鋼纜護套檢查設備、鋼纜內部金屬無損探傷設備等，開發出各種各樣的專用機器人。

　　參考文獻

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