地下道勘测机器人的设计与制作_龙佳乐.pdf

基金项目：广东省级教学质量与教学改革工程项目（编号：GDJX2021007、GDJX2020004、GDJX2019015）；五邑大学大学生创新创业训练计划项目（编号：202111349212S、202011349125、202111349197S、202111349221S）；校级本科高质量课程建设与创新创业教育建设改革项目（编号：JX2021037）收稿日期：20220519地下道勘测机器人的设计与制作*龙佳乐1，祝欢亮1，陈健恒1，茹道志1，黄楚鑫1，伍康敏2，李鹏3，张建民1，倪素茵1，吴清秀1（1.五邑大学 智能制造学部，广东江门529020；2.广东彩立方科技有限公司，广东江门529030；3.深圳中科银狐机器人有限公司，广东深圳518126）摘要：设计并制作一款用于城市中地下道的勘测和垃圾清理的机器人。该机器人以STM32单片机为主控芯片，用英伟达工控机进行视频传输。PC端与主控系统组成远程控制系统，PC端与4G模块通过TCP协议广域网连接，4G模块接收信息再通过串口发送到主控系统上。PC端与英伟达工控机组成远程监控系统，PC端通过TCP/IP协议局域网与英伟达工控机连接，英伟达工控机采集视频通过局域网发送给PC端，PC端接收图像并通过窗口实时显示。还基于PyQt开发了一款把远程控制和远程视频监控集成一体的上位机软件，通过上位机软件可以方便用户操作和使用机器人。经过调试，PC端与机器人成功建立通信并可以实时传回视频画面，机械臂成功实现夹取功能。能完成勘测和清理地下道的任务。关键词：远程视频监控；TCP/IP协议；机械臂；QT中图分类号：TP249文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02014504Design and Manufacture of Underpass Survey RobotLong Jiale1，Zhu Huanliang1，Chen Jianheng1，Ru Daozhi1，Huang Chuxin1，Wu Kangmin2，Li Peng3，Zhang Jianmin1，Ni Suyin1，Wu Qingxiu1（1.Smart Manufacturing Department,Wuyi University,Jiangmen,Guangdong 529020,China;2.Guangdong Color Cube Technology Co.,Ltd.,Jiangmen,Guangdong 529030,China;3.Shenzhen ZhongkeYinhu Robot Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518126,China）Abstract:A robot for urban underpass survey and garbage cleaning was designed and produced.The robot used STM32 microcontroller as themain control chip and used Nvidia industrial computer for video transmission.The PC and the master control system formed a remote controlsystem.The PC and 4G module were connected through TCP protocol wan.The 4G module received information and sent it to the mastercontrol system through serial port.The PC and Nvidia industrial computer formed a remote monitoring system.The PC connected with Nvidiaindustrial computer through TCP/IP LAN.The video collected by Nvidia industrial computer was sent to the PC through LAN,and the PCreceivee images and displayed them in real time through a window.Based on PyQt,a host computer software integrating remote control andremote video monitoring were developed,which could facilitate users to operate and use robots.After debugging,the PC and the robotsuccessfully established communication and could send back real-time video pictures,and the robot arm successfully realized the clampingfunction.It can complete the task of surveying and clearing the underpass.Key words:remote video surveillance;TCP/IP protocol;mechanical arm;QT2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.033龙佳乐，祝欢亮，陈健恒，等.地下道勘测机器人的设计与制作 J.机电工程技术，2023，52（02）：145-148.0引言在现代社会中，下水道遍布城市各地，构成了复杂的下水道网络。下水道在城市美化、饮食卫生、防止疾病传播、污水处理等方面起到重要作用。然而随着时间的推移，下水道长期遭受污水的腐蚀以及堆积了各种各样的垃圾、淤泥，会出现堵塞、破裂、产生有毒气体等问题，对环境造成了极大的污染，阻碍了城市的生活排水，给人们的生活出行造成极大的困扰，所以定期对地下的排水通道进行排查、检修、维护愈发重要1。但是由于大多数地下道操作空间狭小，不便于人们在地下道开展人工作业，再加上环境恶劣，存在有毒气体，长期呆在下水道作业会对人体的健康造成难以挽回的影响，研究出能够代替人工开展地下作业的特种机器人成为了一种必然的趋势。在地下管道内使用的机器人具有体积小、灵活多变的行驶方式，能够很好地在狭小的地下管道内通行，并且可以实时勘测管道内部的堵塞情况，完成疏通管道的工作。地下道勘测机器人能够替代人们完成复杂繁琐的管道勘测和疏通清理工作，适用于各种管道，具有广阔的应用市场。从20世纪70年代开始至今，发达国家对管道机器人的研究都有很大的进展。日本的东京大学的HIROSE的团队研究的Thes系列的中小型管道的检修机器人。日本的横滨国立大学2-3通过大量采集数值与分析数值，然后建立机器人行驶数学模型，设计出能够位置定位、清理污水的管道检测机器人。为适应145未来社会的发展，复旦大学设计并成功制作了一台地下道勘测机器人，使用了无线图传技术对摄像头采集的图像进行无线传输，在电脑上接收视频图像4。通过远程控制技术，实现机器人的远程控制操作，驱使机器人移动与机械爪的控制夹取，并且可以通过非接触感应充电的形式，实现小车的无线充电的功能5-6。1总体方案图1所示为该地下道勘测机器人系统总体框架。包括电源管理电路、主控芯片电路、BTN7971B电机驱动电路、74L244逻辑芯片电路、机械臂控制电路、无线充电模块、OLED显示模块、电压采集模块等。地下道勘测机器人的底盘控制采用了以STM32RCT6为主控的单片机芯片和使BTN7971B芯片设计电机驱动电路，电机的转向与转速通过单片机输出的信号到电机驱动电路上实现。本文以74LS244设计一个逻辑电路，作为主控芯片与电机驱动电路之间保护的桥梁。单片机的PWM信号经过74LS244逻辑电路，再转接到驱动电路，起到隔离保护单片机的作用，避免电机启动或堵转时的电流过大，反冲倒灌从而烧毁单片机。机械臂的控制部分采用STM32F103C8T6为主控的单片机芯片，机械臂的单片机通过串口通信与主控芯片连接，接收主控芯片发送的控制指令，再通过输数PWM信号来控制机械臂的运作和摄像头云台的控制。在该系统运行的过程中，使用电压采集模块对电池的电量实时采集，使用一个OLED模块来显示机器人运动的状态信息和电池的电量。2硬件设计2.1机器人底盘主控芯片该机器人底盘的主控芯片采用意法半导体的32位单片机STM32F103RCT6。STM32F103RCT6芯片是大量的微电子原件（二极管和三极管）集成电路，拥有32位的处理器，外部的引脚共有64个，最高运行频率为72 MHz。还有工作性能稳定、功耗低、内部可使用的资源丰富等特点。该芯片程序存储器的最大容量为256 kB，随机存取容量存储器（RAM）为48 kB。该芯片的功能强大，可为本机器人控制提供多个串口的使用，使其连接不同串口通信的模块，多路 PWM 输出可以控制电机的转速。ADC的采集通道，可以采集模拟量输出模块的电压值。2.2机械臂主控芯片机器人使用STM32F103C8T6作为地下道勘测机器人的机械臂部分的主控制芯片，STM32F103C8T6 的最高运行频率为72 MHz，程序存储器的最大容量为64 kB，随机存取存储器（RAM）最大容量为20 kB，可以同时使用多个通用定时器，同时输出多路的PWM信号，满足机械臂控制功能的需求。该芯片拥有3个串口通道，通过串口接收主控芯片的控制指令的数据信息，实现主控芯片对机械臂运动姿态的控制。机器人使用5个自由度的机械臂，由5个舵机共同构成，通过改变舵机旋转的角度，实现机械臂的运动姿态控制。机械臂和摄像头控制云台一共由7个舵机组成。2.3电机驱动图 2 所 示 为 BTN 电 机 驱 动 电 路。机 器 人 使 用BTN7971B 芯片作为地下道勘测机器人的电机驱动电路的控制芯片。BTN设计的驱动电路耐压值可达到45 V，通过的最大电流达到80 A，由其构成的H桥驱动电路，可以驱动较大功率的电机。BTN7971B集成的驱动IC具有自动保护的功能，在检测到过压、过流、过温等致命故障时，可自动关闭或者调整内部的开关管，强行停止或限流运行，起到保护驱动电机的作用。机器人地盘采用12 V大扭矩的减速电机，该电机的启动电压电流比较大，其堵转产生的电流大。BTN7971B所设计 H桥驱动电路，可以输出较大的电压和电流，满足驱动电机的参数要求。所以采用BTN7971B电机驱动芯片作为本系统的驱动芯片。2.4无线充电无线充电模块包括发射端和接收端，发射端与 24 V的充电器的输出接口连接，接收端与电源管理电路的无线充电的输入口连接。无线充电模块可以给电源管理电路供电和给锂电池充电。在管道内设置一个无线充电的接口，机器人就能够在管道内完成充电，便于机器人在管道内长期工作，节省机器人在充电过程中搬运过程的时间和返程的电量消耗。图1系统总体框架图2BTN电机驱动电路2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期1463软件设计3.1视觉获取使用英伟达开发板作为机器人摄像头采集视频传输的硬件部分。在英伟达开发板上安装Ubuntu系统，并在系统上配置了运行代码所需要的Python环境和各种协议所需的安装包，采用 TCP/IP 协议作为传输的载体7。如图3所示。视频传输的过程首先是要确定上位机的 IP地址，在英伟达开发板的运行代码上输入上位机的IP地址和设定的端口号。开始运行英伟达开发板上的程序，尝试连接上位机的图像接收服务器并判断是否连接