歐志廣 林偉澍 陳琦添 黃超禹 盧杰鑫

摘? ?要：針對高低空線桿類清潔的難題，減少人們操作失誤以及降低高空高壓作業(yè)的危險性?；诖耍恼绿岢鲆环N對線桿類障礙物、垃圾處理清潔機器人的概念模型，在理論上能有效減少人工投入量以及提高作業(yè)效率。機器人采用手動與自動的工作模式，可在半徑范圍內(nèi)的管道、線纜以及立桿等物體上通過壓緊結(jié)構(gòu)以及輪子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機器人的上下運動，完成檢測、清理纏繞物以及簡單清潔的作業(yè)。

關(guān)鍵詞：線桿;清潔機器人;STM32

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)以及基建行業(yè)的高速發(fā)展，公共基礎(chǔ)設(shè)施不斷地增多、完善，目前，針對線類、桿類的勘測或清潔主要采用人工的方式進(jìn)行，不但耗時、費力，而且存在很大的危險性。若將現(xiàn)有的技術(shù)應(yīng)用到機器人上對線桿進(jìn)行清潔，將大大提高工作效率，減少人工成本的投入。文章提出一個可行的概念模型，希望在未來得到更為專業(yè)的改造、升級，并應(yīng)用到更多的領(lǐng)域范圍內(nèi)。

1? ? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于STM32MCU構(gòu)成的小型機器人，通過遙控及自動的方式實現(xiàn)沿線沿桿對其表面的清潔處理。利用3D繪圖軟件SolidWorks進(jìn)行三維建模和運動仿真，分析并得出其概念模型。方案設(shè)計框架如圖1所示，主要分為4個部分，第一部分為爬桿機器人，該機器人采用輪子驅(qū)動進(jìn)行攀爬的方式，是攀爬類機器人時代發(fā)展潮流。第二部分為圖像處理部分，先用攝像頭采集圖像，并采用各種濾波算法（如卡爾曼濾波）處理數(shù)據(jù)，然后通過WiFi圖傳模式將數(shù)據(jù)返回，以供操作人員進(jìn)行操作及分析。第三部分為主控制部分，本系統(tǒng)采用以ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F4系列單片機作為主控，該芯片功耗低、處理速度快，非常適合進(jìn)行圖像處理以及驅(qū)動控制。第四部分為清潔部分，采用可拆除的機構(gòu)，使得后續(xù)功能的擴(kuò)展更加便捷。

2? ? 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般的傳動結(jié)構(gòu)有：載輪式、履帶式、蠕動式，在許多相同方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大部分采用了蠕動式方案[1-2]，而本文所提到的機器人是應(yīng)用在線桿類的物體之上，采用夾緊式鎖定機構(gòu)以及輪式的傳動結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

機器人的上下部分分別由3個3D打印件緊緊地包裹住電機構(gòu)成，電機帶動輪子作為動力系統(tǒng)，在上下兩個相對的電機下都有一根相互拉緊的彈力繩索。這個結(jié)構(gòu)使電機有足夠的壓力實施在目標(biāo)桿道上。采用彈簧的可變形能力，幫助機器人更好地適應(yīng)大小不同的柱子。同時選用扭矩極大的驅(qū)動電機，只需要產(chǎn)生足夠的摩檫力，機器人就可以在桿道上爬行。機器人搭載攝像頭來采集線桿上的圖像，攝像頭固定在機器人外圍的鋁結(jié)構(gòu)上，與平行方向有一定內(nèi)傾角，以保證采集更為完整的線桿圖像[3]。

整體上，機器人使用六邊形開口的設(shè)計，使用較為輕質(zhì)且經(jīng)過精準(zhǔn)切割的鋁條進(jìn)行模型搭建，鋁條上有精確的定位螺絲孔，用以固定各種結(jié)構(gòu)。使用3D打印來完成一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零部件設(shè)計，機器人采用雙層鏤空結(jié)構(gòu)，中間留有大片的區(qū)域以供開發(fā)。

3? ? 清潔部分

清理結(jié)構(gòu)由固定在機器人前面兩側(cè)的刀和桿及控制舵機組成，采用刀和桿配合的方式，結(jié)合地面的遙控控制，將異物用刀隔斷之后再用桿將其撥下。機器人向上運動過程中，利用刀將纏繞物切斷，配合桿的控制，將異物清除。使用高速轉(zhuǎn)動鋼絲輪作為清潔工具，該部分連接一個高轉(zhuǎn)速的電機，通過控制舵機，使得鋼絲輪接觸到線桿表面，由于轉(zhuǎn)速很快，不需要過多的壓力就能起到清潔的效果，污漬只要接觸到鋼絲輪，就會被清除。

4? ? 主控設(shè)計

單片機的選型是項目的重中之重。由于要控制的外部設(shè)備較多，加上需要強大的抗干擾能力，在考慮了這幾個因素后，選擇了STM32f407ZGT6作為整個系統(tǒng)的控制核心。

強大的CPU，精準(zhǔn)快速的計算能力在ZGT6這塊芯片（見圖3）上體現(xiàn)得淋漓盡致，同時ARM也是中低端芯片采用最多的芯片架構(gòu)，在這樣的存儲基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)的交換更加迅捷，能夠保證整個系統(tǒng)的實時性。

本機器人的硬件電路構(gòu)成主要分為主控系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。電路板設(shè)計采用EDA軟件Altium Designer[4]。主控系統(tǒng)為由STM32MCU構(gòu)成，主控作為機器人的大腦，布線要求嚴(yán)格，晶振布線采用差分對布線并經(jīng)過嚴(yán)格的阻抗計算;驅(qū)動系統(tǒng)采用大功率的驅(qū)動芯BTN7971B，該芯片適合大電流電壓的電機驅(qū)動，該模塊能實現(xiàn)對機器人上的電機進(jìn)行驅(qū)動，推動機器人的爬桿運動。團(tuán)隊所設(shè)計PCB板，經(jīng)過手工焊接以及示波器的多輪調(diào)試，顯示板子的EMC性能良好。

5? ? 遙控器設(shè)計

采用藍(lán)牙遙控或者NRF無線遙控的方式，確保在某種通信出現(xiàn)問題時，另一種通信方式也能支持機器人的正常工作。藍(lán)牙采用HC-05藍(lán)牙功能模塊，HC-05采用串口通信的模式，在遙控和機器人之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NRF通信采用NRF24L01，相對于藍(lán)牙通信，NRF具有通信距離較遠(yuǎn)、傳輸速度更快等優(yōu)點，兩者的結(jié)合使用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。由于傳輸過程中會存在很多干擾，會嚴(yán)重影響信號的傳輸，干擾機器人的正常工作。所以，軟件采取中值濾波或卡爾曼濾波算法來解決信號傳輸過程中的失真問題，以求信號穩(wěn)定且正確地傳輸。

6? ? PID算法

PID算法通過自我的負(fù)反饋調(diào)節(jié)能極大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在控制領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[5]。主控芯片通過讀取電機編碼器實時傳輸返回值，在單片機內(nèi)部進(jìn)行PID算法運算，通過調(diào)節(jié)電機輸出占空比使得機器人在攀爬過程中保持穩(wěn)定、勻速行走機器人實物示意如圖4。

7? ? 結(jié)語

機器人在框架構(gòu)建上結(jié)合前人的基礎(chǔ)理論，通過實踐驗證該方案模型是可行的，攀爬機器人在表面較為光滑的鐵管、電桿、PVC水管等桿類上實現(xiàn)預(yù)期的工作效果，總體實驗效果良好，能減少一定的人力、物力投入。本機器存在一些不完善的地方，但是能基本滿足最初的設(shè)計要求，在線桿類清潔中也是值得投入的一個發(fā)展方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張連濱，魯守銀，曹正彬，等.負(fù)重爬樹機器人設(shè)計及有限元分析[J].制造業(yè)自動化，2017（7）：69-72.

[2]劉思南，馬凝，杜巧玲.小型自適應(yīng)翻轉(zhuǎn)攀爬機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2019（3）：323-331.

[3]徐斌，蔣克榮.新型清潔機器人的設(shè)計與分析[J].宿州學(xué)院學(xué)報，2019（6）：61-64.

[4]周潤景，李志，張大山.Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[5]白志剛.自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.