一种应用于基础设施的线杆类多功能清洁机器人设计

方案设计

基于STM32MCU构成的小型机器人，通过遥控及自动的方式实现沿线沿杆对其表面的清洁处理。利用3D绘图软件SolidWorks进行三维建模和运动仿真，分析并得出其概念模型。方案设计框架如图1所示，主要分为4个部分，第一部分为爬杆机器人，该机器人采用轮子驱动进行攀爬的方式，是攀爬类机器人时代发展潮流。第二部分为图像处理部分，先用摄像头采集图像，并采用各种滤波算法（如卡尔曼滤波）处理数据，然后通过WiFi图传模式将数据返回，以供操作人员进行操作及分析。第三部分为主控制部分，本系统采用以ARM Cortex M4内核的STM32F4系列单片机作为主控，该芯片功耗低、处理速度快，非常适合进行图像处理以及驱动控制。第四部分为清洁部分，采用可拆除的机构，使得后续功能的扩展更加便捷。

2    机械结构设计

一般的传动结构有：载轮式、履带式、蠕动式，在许多相同方向的结构设计中，大部分采用了蠕动式方案[1-2]，而本文所提到的机器人是应用在线杆类的物体之上，采用夹紧式锁定机构以及轮式的传动结构，主体结构如图2所示。

机器人的上下部分分别由3个3D打印件紧紧地包裹住电机构成，电机带动轮子作为动力系统，在上下两个相对的电机下都有一根相互拉紧的弹力绳索。这个结构使电机有足够的压力实施在目标杆道上。采用弹簧的可变形能力，帮助机器人更好地适应大小不同的柱子。同时选用扭矩极大的驱动电机，只需要产生足够的摩檫力，机器人就可以在杆道上爬行。机器人搭载摄像头来采集线杆上的图像，摄像头固定在机器人外围的铝结构上，与平行方向有一定内倾角，以保证采集更为完整的线杆图像[3]。

整體上，机器人使用六边形开口的设计，使用较为轻质且经过精准切割的铝条进行模型搭建，铝条上有精确的定位螺丝孔，用以固定各种结构。使用3D打印来完成一些结构较为复杂的零部件设计，机器人采用双层镂空结构，中间留有大片的区域以供开发。

3    清洁部分

清理结构由固定在机器人前面两侧的刀和杆及控制舵机组成，采用刀和杆配合的方式，结合地面的遥控控制，将异物用刀隔断之后再用杆将其拨下。机器人向上运动过程中，利用刀将缠绕物切断，配合杆的控制，将异物清除。使用高速转动钢丝轮作为清洁工具，该部分连接一个高转速的电机，通过控制舵机，使得钢丝轮接触到线杆表面，由于转速很快，不需要过多的压力就能起到清洁的效果，污渍只要接触到钢丝轮，就会被清除。

4    主控设计

单片机的选型是项目的重中之重。由于要控制的外部设备较多，加上需要强大的抗干扰能力，在考虑了这几个因素后，选择了STM32f407ZGT6作为整个系统的控制核心。

强大的CPU，精准快速的计算能力在ZGT6这块芯片（见图3）上体现得淋漓尽致，同时ARM也是中低端芯片采用最多的芯片架构，在这样的存储基础上，数据的交换更加迅捷，能够保证整个系统的实时性。

本机器人的硬件电路构成主要分为主控系统和驱动系统。电路板设计采用EDA软件Altium Designer[4]。主控系统为由STM32MCU构成，主控作为机器人的大脑，布线要求严格，晶振布线采用差分对布线并经过严格的阻抗计算;驱动系统采用大功率的驱动芯BTN7971B，该芯片适合大电流电压的电机驱动，该模块能实现对机器人上的电机进行驱动，推动机器人的爬杆运动。团队所设计PCB板，经过手工焊接以及示波器的多轮调试，显示板子的EMC性能良好。

5    遥控器设计

采用蓝牙遥控或者NRF无线遥控的方式，确保在某种通信出现问题时，另一种通信方式也能支持机器人的正常工作。蓝牙采用HC-05蓝牙功能模块，HC-05采用串口通信的模式，在遥控和机器人之间进行数据传输。NRF通信采用NRF24L01，相对于蓝牙通信，NRF具有通信距离较远、传输速度更快等优点，两者的结合使用，使系统更加稳定。由于传输过程中会存在很多干扰，会严重影响信号的传输，干扰机器人的正常工作。所以，软件采取中值滤波或卡尔曼滤波算法来解决信号传输过程中的失真问题，以求信号稳定且正确地传输。

6    PID算法

PID算法通过自我的负反馈调节能极大提高系统的稳定性，在控制领域具有广泛应用[5]。主控芯片通过读取电机编码器实时传输返回值，在单片机内部进行PID算法运算，通过调节电机输出占空比使得机器人在攀爬过程中保持稳定、匀速行走机器人实物示意如图4。

7    结语

机器人在框架构建上结合前人的基础理论，通过实践验证该方案模型是可行的，攀爬机器人在表面较为光滑的铁管、电杆、PVC水管等杆类上实现预期的工作效果，总体实验效果良好，能减少一定的人力、物力投入。本机器存在一些不完善的地方，但是能基本满足最初的设计要求，在线杆类清洁中也是值得投入的一个发展方向。

[参考文献]

[1]张连滨，鲁守银，曹正彬，等.负重爬树机器人设计及有限元分析[J].制造业自动化，2017（7）：69-72.

[2]刘思南，马凝，杜巧玲.小型自适应翻转攀爬机器人的设计与实现[J].吉林大学学报，2019（3）：323-331.

[3]徐斌，蒋克荣.新型清洁机器人的设计与分析[J].宿州学院学报，2019（6）：61-64.

[4]周润景，李志，张大山.Altium Designer原理图与PCB设计[M].3版.北京：电子工业出版社，2015.

[5]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京：化学工业出版社，2012.