郭昊坤

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，江蘇 江陰 214405）

0　引言

在市政工程中，有大量的安裝、維修等工作需要爬桿作業(yè)，對(duì)于有些直徑較細(xì)、強(qiáng)度較小、人工爬桿難度大的桿件，如果實(shí)的采摘、樹(shù)枝的修剪、路燈燈泡的更換、高壓輸電設(shè)備的檢修和大型桁架結(jié)構(gòu)建筑的維修等，工人在進(jìn)行高空作業(yè)時(shí)有一定危險(xiǎn)性，同時(shí)造成工作效率不高[1-3]。同時(shí)，若用高空水壓的方式清理，在一定程度上還會(huì)造成水資源的浪費(fèi)，而且清洗水的運(yùn)輸，和噴射槍的發(fā)射還需要消耗其它能源。

且隨著科技的進(jìn)步，高空作業(yè)高度越來(lái)越高，人工作業(yè)越發(fā)困難，傳統(tǒng)的人力噴水清理方式的缺點(diǎn)已日益顯著[4]。故若能利用爬桿機(jī)器人[5-9]完成相應(yīng)高空作業(yè)，可以滿足科技發(fā)展的要求，提供高效率、高規(guī)格、低風(fēng)險(xiǎn)、低能耗的高品質(zhì)作業(yè)。本文基于PLC[10-11]設(shè)計(jì)了一種智能型氣動(dòng)式爬桿機(jī)器人，給出了其設(shè)計(jì)方案、硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)聯(lián)機(jī)調(diào)試證明了其正確性。

1　總體方案設(shè)計(jì)

爬桿機(jī)器人由多氣缸組合結(jié)構(gòu)完成爬行動(dòng)作，所有氣缸采用高精度短行程缸，包含多種電磁閥控制組合，設(shè)有過(guò)行程緩沖裝置從硬件上保護(hù)設(shè)備安全，同時(shí)設(shè)有限位行程開(kāi)關(guān)裝置提供電信號(hào)反饋從軟件上保護(hù)設(shè)備安全。主要由前臂爬行結(jié)構(gòu)、前臂夾緊結(jié)構(gòu)、體形爬行結(jié)構(gòu)、后臂爬行結(jié)構(gòu)、后臂夾緊結(jié)構(gòu)、緩沖保護(hù)裝置、限位保護(hù)裝置、多點(diǎn)定位感測(cè)裝置、特制爬桿結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)電磁閥組合和輸入、輸出接口模塊等組成。如圖1所示，前臂爬行結(jié)構(gòu)、前臂夾緊結(jié)構(gòu)完成機(jī)器人的前臂驅(qū)動(dòng)功能，體形爬行結(jié)構(gòu)完成機(jī)器人身體上下運(yùn)動(dòng)功能，后臂爬行結(jié)構(gòu)、后臂夾緊結(jié)構(gòu)完成機(jī)器人后臂驅(qū)動(dòng)功能，模仿人體爬行運(yùn)動(dòng)的原理進(jìn)行控制。

圖1　爬桿機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of climbing robot

可編程控制器(PLC)具有靈活性很好、操作性很強(qiáng)、通用性很廣泛等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[12-15]，本設(shè)計(jì)采用PLC技術(shù)完成對(duì)爬桿機(jī)器人的控制，以壓縮空氣為能源對(duì)氣缸進(jìn)行動(dòng)作，根據(jù)實(shí)際需求運(yùn)行，當(dāng)機(jī)器人不在左右限位的時(shí)候，自動(dòng)退回原點(diǎn)，然后再進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，其運(yùn)行流程如圖2所示。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中最主要的硬件模塊為氣動(dòng)系統(tǒng)，主要由氣源裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件組成等組成。如圖3所示，前臂后臂我選用的是型號(hào)相同的氣缸，皆為超薄氣缸。1B1、1B2、3B1、3B2磁感應(yīng)接近開(kāi)關(guān)，安裝在前臂和后臂氣缸的最上端與最下端。體形氣缸為雙軸氣缸，2B1和2B2為安裝在體形氣缸的兩個(gè)極限位置的磁感應(yīng)接近開(kāi)關(guān)。三個(gè)電磁閥依次控制后臂、體形、前臂氣缸的伸縮。PLC硬件接線圖如圖4所示。

圖2　機(jī)器人動(dòng)作流程圖Fig.2 Robot action flow chart

圖3　氣動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Pneumatic system

3　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

根據(jù)圖2所示機(jī)器人運(yùn)行流程，本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為右爬、左爬及回原點(diǎn)三大程序的編寫(xiě)，其右行啟動(dòng)順序功能圖、左行啟動(dòng)順序功能圖以及回原點(diǎn)順序功能圖分別如圖5、圖6、圖7所示。

將PLC和爬桿機(jī)器人進(jìn)行連接，主機(jī)輸入公共端S/S接開(kāi)關(guān)電源的24 V，輸出端COM1、COM2接開(kāi)關(guān)電源的0 V。用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線接模型的弱電柱時(shí)，紅色弱電柱短接后接24 V，黑色弱電柱短接后接0 V，黃色弱電柱接對(duì)應(yīng)的PLC輸入點(diǎn)。氣動(dòng)閥電磁線圈的黑色導(dǎo)線接PLC輸出，紅色導(dǎo)線短接接24 V。爬桿機(jī)器人的左右磁性限位接24 V電源，中間其他的限位黑色接COM端，黃色接相應(yīng)的限位（黃色的端口是為了取限位的反應(yīng)，是否得電）。如圖8所示，當(dāng)機(jī)器人在左限位時(shí)，X003，X005，X007，X011得電，才能啟動(dòng)運(yùn)行開(kāi)關(guān)。后經(jīng)過(guò)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人可順利實(shí)現(xiàn)各種預(yù)期功能，所設(shè)計(jì)的裝置正確有效。

圖4　PLC接線圖Fig.4 PLC wiring diagram

圖5　右行啟動(dòng)順序功能圖Fig.5 The right line starts the sequence function chart

圖6　左行啟動(dòng)順序功能圖Fig.6 The left line starts the sequence chart

圖7　回原點(diǎn)順序功能圖Fig.7 Homing sequence char

4　結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，高空作業(yè)高度越來(lái)越高，人工作業(yè)越發(fā)困難，各種傳統(tǒng)高空作業(yè)方式的缺點(diǎn)已日益顯著。本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人，給出了機(jī)器人動(dòng)作流程圖、氣動(dòng)系統(tǒng)硬件圖、PLC硬件接線圖、右行啟動(dòng)順序功能圖、左行啟動(dòng)順序功能圖、回原點(diǎn)順序功能圖等，并通過(guò)聯(lián)機(jī)調(diào)試證明了其正確性。

圖8　PLC初始運(yùn)行圖Fig.8 PLC initial operation diagram

[1] 江勵(lì), 管貽生, 周雪峰, 等. 雙爪式爬桿機(jī)器人的夾持性能分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2016, 52(3): 34-40.JIANG Li, GUAN Yi-sheng, ZHOU Xue-feng, et al. Grasping PerformanceAnalysis of a Biped-pole-climbing Robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(3): 34-40.

[2] 唐雪峰, 宋俊德, 宋美娜. 基于改進(jìn)的慢開(kāi)始算法的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人爬取策略的研究[J]. 新型工業(yè)化, 2012, 2(11): 42-49.

TANG Xue-feng, SONG Jun-de, SONG Mei-na. The Research of Network Robot Crawling Strategy Based on Improved Slow Start Algrorithm[J]. The Journal of New Industrialization, 2012, 2(11): 42-49.

[3] 沈孝芹, 張蔚波, 張鳳琴, 等. 氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的研制[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新, 2009, 22(1): 23-24.SHEN Xiao-qin, ZHANG Wei-bo, ZHANG Feng-qin, et al. Design of Pneumatic Pole-climbing Robot[J]. Development & Innovation of Machinery & Electrical Products, 2009, 22(1): 23-24.

[4] 江勵(lì), 管貽生, 王建生, 等. 爬桿機(jī)器人能量最優(yōu)攀爬運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[J]. 機(jī)器人, 2017, 39(1): 16-22.JIANG Li, GUAN Yi-sheng, WANG Jian-sheng, et al. Energy-optimal Motion Planning for a Pole-Climbing Robot[J]. Robot, 2017, 39(1): 16-22.

[5] ALMONACID M, SALTAREN R J, ARACIL R, et al. Motion Planning of a Climbing Parallel Robot[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 2003, 19(3): 485-489.

[6] BAGHANI A, AHMADABADI M, HARATI A. Kinematics Modeling of a Wheel-based Pole Climbing Robot[C]//In Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Kobe, Japan: IEEE, 2005: 2111-2116.

[7] SPENKO M J. Biologically Inspired Climbing with a Hexapedal Robot[J]. Journal of Field Robotics, 2008, 25(4-5): 223-242.

[8] LAM T L, XU Y. Climbing Strategy for a Flexible Tree Climbing Robot-Treebot[J]. IEEE Trasactions on Robotics, 2011, 26(4): 12-23.

[9] TAVAKOLI M, MARQUES L, ALMEIDA T D. 3D Climber: Climbing and Manipulation over 3D Structures[J]. The Journal of chatronics,2010, 21: 48-62.

[10] 林志業(yè), 韓樂(lè)江, 馬曉君, 等. 基于PLC的商品運(yùn)載跟隨機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 新型工業(yè)化, 2017, 7(1): 54-58.LIN Zhi-ye, HAN Le-jiang, MA Xiao-jun, et al. Goods Delivery Follow Robot System Design Based on PLC[J]. The Journal of New Industrialization, 2017, 7(1): 54-58.

[11] 范云龍. PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)傳送帶同步控制[J]. 新型工業(yè)化, 2017, 7(2): 77-80.FAN Yun-long. Using PLC and Frequency Converter to Achieve Synchronization Control of Conveyor Belt[J]. The Journal of New Industrialization, 2017, 7(2): 77-80.

[12] 王田苗, 唐粲, 魏軍, 等. 基于PLC的神經(jīng)外科機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)器人, 2006, 28(9): 495-498.WANG Tian-miao, TANG Jie, WEI Jun, et al. Research of Neurosurgery Robot Control System Based on PLC[J]. Robot, 2006, 28(9): 495-498.

[13] 任俊杰, 李永霞, 李媛, 等. 基于PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)PID控制器的實(shí)現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2009, 31(4): 20-23.REN Jun-jie, LI Yong-xia, LI Yuan, et al. The Realization of PID Controller in Closed-loop Control System Based on PLC[J]. Manufacturing Automation, 2009, 31(4): 20-23.

[14] 陳英俊, 黃崇林. 交流伺服電機(jī)的PLC控制綜合性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2017, 34(2): 147-150.CHEN Ying-jun, HUANG Chong-lin. Development and Design of Synthesized Experiment Based on PLC Control of AC Servo Motor[J].Experimental Technology and Management, 2017, 34(2): 147-150.

[15] 陳會(huì)蓮, 谷明月, 鄭艷博, 等. 基于PLC的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào), 2015, 36(2): 246-248.CHEN Hui-lian, GU Ming-yue, ZHENG Yan-bo, et al. Design of automatic control system of temperature and humidity based on PLC[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(2): 246-248.