基于单片机的拟人爬杆机器人设计实现
摘 要： 为了更好地应对斜拉桥钢索检查和维修工作，设计一种基于单片机的拟人爬杆机器人。设计了抓手、上下底座机械结构，针对步进电机及其驱动模块进行了选型，为保障爬杆手臂系统顺利升降，以STC89C52单片机作为控制核心，以步进电机作为执行机构，通过对舵机的控制实现抓手握住爬杆的稳定性，并辅以限位模块提高系统安全性。经测试，拟人爬杆机器人整体结构稳定，可附带重量为2.5 kg的设备，爬升速度可达1.2 m/min。拟人爬杆机器人攀爬动作灵活、迅速、准确，可以使检查人员免于受到高空作业危险性的影响，具有较强的实用性。
本文源自工业技术创新 2020年5期《工业技术创新》是工业和信息化部主管、中国电子信息产业发展研究院主办的国家级科技学术类期刊。本刊主要面向工业技术创新领域的有关工业主管部门、工业企业、科研创新的学术交流平台、技术创新成果的宣传转化园地和战略政策研究的理论探讨阵地。办刊宗旨是：推动工业技术创新，促进工业转型升级，服务创新国家建设。
关键词： 拟人爬杆机器人;斜拉桥;步进电机;爬杆手臂;单片机
引言
我国山多幅员辽阔，随着城镇化快速推进，斜拉桥受到了普遍关注。斜拉桥的主要承力结构是斜拉桥钢索，随着时间的推移，受到外力和环境侵蚀等累积作用，导致保护套发生破裂，从而引起内部钢索的腐蚀。有关调查显示，斜拉桥钢索保护套破损后，内部钢索大部分会被腐蚀，严重影响到斜拉桥的使用安全。
目测法是早期检查斜拉桥钢索的主要方法。在目测法中，检查人员通过望远镜检查每一根钢索，检查速度慢，而且很容易遗漏或者误判，影响检查准确性和效率。此外还有采用吊车挂载吊篮，通过吊篮将检查人员运送上去检查的方法，该方法不仅费时费力，而且吊车本身会占用车道，对交通产生不利影响。因此，亟需一种可以智能化的、能搭载设备的、可远程操作的、用于钢索维护和检测的爬杆手臂，将检查人员从大量的、繁琐的、重复的、危险的工作中解放出来，并实现精确检查。国内外研发了多种形式的爬杆机器人。如Woody攀爬机器人采用了一种抱杆机构，以机械手的形式抱紧树木，通过机械手的抓紧与松开以及自身躯体关节的收缩实现攀爬;Shady3D三自由度双夹爪攀爬机器人是一种利用两个夹子的张开抓紧运动沿着杆子攀爬的机器人;UT-PCR攀爬机器人是一种依靠轮子在柱子上进行攀爬的机器人。
本文结合斜拉桥等建设项目实际需求，提出一种基于单片机的拟人爬杆机器人，在进行机械结构设计和设备选型的同时，加强控制电路设计，以提高机器人系统整体可靠性和安全性。拟人爬杆机器人的设计，将为高空作业提供方便，使建筑工人们能够更加专注于施工设计，免于受到高空作业危险性的影响。
1 机械结构设计和设备选型
爬杆手臂系统是拟人爬杆机器人的关键机械结构，采用的是结构简单、可操作性强、移动速度快、接觸面积小的夹紧直线丝杆型结构。该结构采用步进电机驱动，精度高、成本低、效率高。机械部分主要由4只机械抓手组成，通过模拟动物爬树的过程，借助抓手的抓力，使其能够牢牢固定在杆状物上。机械抓手分为左右两个部分，每个部分分别有两副抓手，为每副抓手分别搭配两根直线光轴，使得整体能够上下滑动。每副抓手通过两根角铝固定在为其搭配的两根直线光轴上，由直线轴承驱动其滑动。两片重量较轻、硬度较大的铝板将左右侧的两副手臂固定在一起，形成一个完整的机械系统。
在攀爬过程当中，先松开左侧的手臂进行升降，此时需要克服整个设备的自身重力，抓手的抓力以及摩擦力必须足够大。在松开右侧抓手时，需要保证左侧手臂有足以支撑起整个机械结构的贴附力，而不至于由于抓力的不稳定性而打滑。因此，左侧一副抓手通过T型螺杆螺母连接丝杆形成传动力，使得整体结构能实现升降功能;右侧一副抓手固定在整体结构上，随着丝杆的传动而升降。
整体机械结构设计如图1所示。抓手的爪子底座与轻质角铝连接成一个整体的手臂。为了使同侧的一副手臂能够同时移动，两只手臂之间增加了轻质铝棒的固定设计。两侧手臂的装置存在区别：右侧手臂(即角铝)的另一端需要打穿两个通孔，直线光轴对应穿过两只手臂上的通孔，使用光轴卧式固定支撑座，将右侧一副手臂固定于两个直线光轴上;左侧手臂(角铝)的另一端同样需要穿孔，但相对于右侧手臂，还需要增加一个固定T型螺杆螺母的通孔，并在另外两个通孔上固定直线轴承[1]。以上区别设计的目的在于使左侧手臂能在两根直线上轻松地滑动，这也是拟合爬杆机器人能够顺利升降的关键。
两副手臂安装完成之后，上下两个底座分别与四根直线光轴固定。为了能使整体机械结构更加牢固，四根直线光轴的选择尤为重要。光轴的重量、表面光洁度、硬度这三个因素都是关键，在此选用的光轴材料为45#优质钢，重量约为0.2 kg，表面粗糙度为Ra0.2～0.4，硬度为HRC17-22。四个直线光轴通过羊角螺母固定，便于对整体机械结构进行微调整，同时还能够控制右侧手臂的移动。
1.1 抓手设计
抓手(即机械手)能够模仿人手的一些动作。根据功能需求，编写程序指令，使机械手能够自动地进行搬运、抓取等操作。根据用途和结构，机械手主要分为两大类：夹持式机械手、吸附式机械手。通过对功能需求的分析，选择了适合抓取杆状物体的夹持式机械手，其夹紧在杆状物体上，由夹紧力产生的摩擦力使机械手臂夹紧在杆状物体上。手臂可以根据杆件的粗细进行调整，抓力稳定可靠。在选择机械手时应满足以下条件：
(1)机械手握力大小适宜，能保证爬杆手臂能抓住目标物不下坠;
(2)保证机械手的质量较轻且强度较大;
(3)保证机械手能顺利抓取和脱离物体，动作灵活、迅速、准确。
通过分析，最终选用的材质为铝合金，金属夹子重量为125 g(不含舵机)，爪子内部边缘采用长波浪设计，夹取面更大，摩擦面较大，张开角度较大且可灵活控制。各侧爪子及爪子底板如表1所示。
1.2 上下底座设计
上下底座在整个机械结构中具有极其重要的作用，它是整个机械结构结合成一个整体的关键零件。在进行底座设计时必须关注如下重要问题：
(1)下底座需要具有一定的负重要求，以承载整个爬杆手臂重量。所以，下底座需要有合理的尺寸，底座的厚度、选用材料的强度都要足够大，防止变形。选用了两片重量较轻、硬度大的铝板将左右侧的两副手臂固定在同一竖直线上，形成一个完整的机械结构系统。
(2)下底座需要与提供爬升动力的步进电机结合，使拟人爬杆机器人能够顺利地实现升降功能。所以，在下底座增加了一个适用于步进电机的卡口。
(3)为了提高爬杆手臂系统在不同粗细的杆状物体上的容错率，使得整个爬杆手臂系统能够自如地发挥其功能，在上下底座上打出一个宽6 mm的圆弧通孔。通过松开固定手臂的羊角螺母，能够使右侧手臂移动，在直径比较大的杆状物体上也能方便地进行操作。图2所示为上下底座二维示意图。
1.3 步进电机选型
传动装置也是爬杆手臂系统的核心部分之一，是爬杆手臂系统进行升降的主要动力来源。步进电机能够带动丝杆正反转，使得整个爬杆手臂系统实现升降功能。
根據制作原理的不同，步进电机分为永磁式步进电机、磁阻式步进电机、混合式步进电机[1]。本文采用的是永磁式步进电机，它的特点是步距角大、相数为二相或四相、控制功率小(一般通过12 V或24 V的驱动电压进行控制)等。此外，当步进电机的电流接近2 A时，即使断电也可以保持转矩。
步进电机的控制方式是使用励磁信号(也即电脉冲信号)进行控制，可以将励磁信号转换成相应的角位移或线位移。步进电机的控制方式能够瞬间控制启动或停止[2]。
改变步进电机的转动方向可以通过改变脉冲的顺序，也就是改变励磁信号的发送顺序来实现。例如，若假使励磁信号从左向右依次给定为正转，那么若从右到左依次给定励磁信号，步进电机便开始反转。
考虑整体机械结构的总重量，根据步进电机产生的力或转矩的大小进行规格选择。测量得知拟人爬杆机器人的整体结构(包含电机、电池、控制电路板)重量在2.5 kg左右，因此选择与之相适宜的42BYGH系列步进电机，实物图如图3所示。
1.4 步进电机驱动模块
步进电机需要配合驱动模块进行工作。步进电机驱动模块就是所谓的步进电机驱动器，能够将单片机发送的励磁信号转换为可供步进电机接收的信号，使得步进电机能够顺利运转[3]。
步进电机驱动模块选用的是北京七特科技有限公司的42型7TPSM4220步进电机驱动器，这是一款专业的两相步进电机驱动器，可实现步进电机的正反转控制，实物图如图4所示。
2 控制电路设计
2.1 最小系统
单片机最小系统是拟人爬杆机器人的控制核心[4]，所使用的控制芯片为STC89C52RC。单片机最小系统电路如图5所示。
2.2 电源模块
由于控制系统上的舵机需要用到7.4 V的电压，而单片机最小系统使用的是5 V电压，因此需要对7.4 V电池降压到5 V，以为最小系统提供电源驱动。这里使用的是L7805CV三端稳压器。该稳压器最大输入电压为35 V，最小输入电压为7 V，控制输出稳压为5 V。电源降压模块如图6所示。
2.3 步进电机接口
步进电机的接线端口和舵机的脉冲端口如图7所示。单片机上的P3口有 8 个控制端口，P3.1、P3.2端口为单片机程序的下载串口。P3.2～P3.4这三个控制端口用来控制步进电机驱动模块上的脉冲信号、方向信号、EN端口(该端口可不进行控制)。
在图7中可以看到，左侧手臂的两个抓手上的舵机信号脉冲可由两个不同电压的控制接口来控制，这样考虑到万一抓手的抓力不够，可以对舵机进行切换。
2.4 按键模块
图8所示为按键模块。按键SW6控制拟人爬杆机器人两侧手臂的四个抓手上的舵机，当按键按下时，四个舵机同时作用，两侧手臂松开。按键SW7也是控制四个舵机的，当按键按下时，两侧手臂抓紧杆状物体。按键SW8控制步进电机和手臂上的舵机，使拟人爬杆机器人上升;按键SW9控制拟人爬杆机器人下降。按键SW10、SW11是预留的按键，可进行功能扩展。
2.5 限位模块
为了能使爬杆手臂系统能够顺利爬升，同时防止步进电机不停地转动引起危险，设计了限位模块，如图9所示。该模块总共有4对插口，每对插口均有一端接地。4对插口分成两对，分别控制的是上限位开关和下限位开关。为上限位开关和下限位开关均设计两个控制端口。
3 程序设计
程序设计流程如图10所示。电路板上电后，系统先完成初始化设置，随后进行按键检测：首先判断松开按键是否按下，若检测到松开按键按下，判断抓手的角度是否为 0°(是否为松开状态)，如果四个机械手臂处于抓紧状态则需要张开，如果不是则保持张开。若检测到抓紧按键按下，判断抓手的角度是否为 180°(是否为抓紧状态)，是则表明杆状物体已被爬杆手臂系统抓住，等待控制舵机和步进电机的信号。若检测到上升指令，左侧机械抓手张开，发送正向脉冲信号至步进电机，右侧机械抓手仍处于抓紧状态，爬杆手臂系统上升动作开始执行。当上限位开关被触碰时，左侧机械抓手抓紧目标物，步进电机正向脉冲信号同步停止，之后右侧机械抓手松开，发送反向脉冲信号至步进电机，下限位开关被触碰时，爬杆手臂系统上升状态结束。一次上升指令为一次手臂抓紧，一个上升操作为两次手臂抓紧。若检测到下降指令，指令操作与上升操作相反。上、下限位开关在辅助实现上升动作和下降动作的同时还具有保护作用，避免步进电机的失控或者脉冲信号的持续发送造成一定的危险。为了进一步增加安全性，采用了双限位开关的双保险模式，防止其中一个开关突然失灵，造成不必要的危险。上升、下降指令每执行完一次指令操作之后，需要重新检测按键是否按下，等待下一个指令的操作。
4 调试
针对拟人爬杆机器人手臂攀爬的实际需要，选用一根木质的杆柱，直径为65 mm，高度為950 mm，模拟拟人爬杆机器人在杆状物体上的上下攀爬。按下上升按键后，电机正转，左侧手臂的抓手松开并开始上升，碰到左侧上限位开关后停止，抓手抓紧，右侧手臂的抓手松开并开始上升，碰到右侧上限位开关后停止。每次爬升的高度为20 cm，速度达到1.2 m/min，依次交替。将垂直高度分解为多个短距离的上下运行，降低了实现难度。按下下降按键后，电机反转，过程与上升过程相反。
4.1 攀爬状态
机械手臂处于攀爬状态时的测试图如图11所示。此时，左侧两只抓手握紧杆柱，右侧两只抓手松开，借助右杆向上移动。
4.2 抱紧状态
机械手臂处于抱紧状态时的测试图如图12所示。此时表示单次上升过程结束。下一时刻，左侧抓手松开，借助左杆向上移动，依次交替，最终达到预期位置。
5 结束语
本文基于单片机设计了一种拟人爬杆机器人，实现了沿杆垂直爬升和下降的功能，将垂直高度分解为多个短距离的上下运行，降低了实现难度。
在实用性方面，该机器人不仅适用于斜拉桥检查，而且可以视作一个通用载体，搭载各种各样的专业设备，如钢缆护套检查设备、钢缆内部金属无损探伤设备等，开发出各种各样的专用机器人。
参考文献
[1] 张顺星， 张玉洁. 一种PLC控制的步进电机定位系统的实现方法[J]. 南宁职业技术学院学报， 2009， 14(4)： 90-92.
[2] 李贺然， 王黎， 高晓蓉， 等. 基于FPGA的步进电机控制器设计[J]. 信息技术， 2012(2)： 68-70， 75.
[3] 田秋实， 赵鹏. 步进电机控制器设计[J]. 中国科技信息， 2019(14)： 69-71.
[4] 杨永德. 51单片机C语言入门方法[J]. 电子制作， 2019(14)： 48-49.
[5] 李建. 具有爬杆功能的变电站巡检机器人研究与设计[D]. 长沙： 长沙理工大学， 2017.
[6] 曹博源. 面向变电设备状态监测的爬杆机器人研究与设计[D]. 长沙： 长沙理工大学， 2018.
[7] 申耀武， 郭力生， 林震， 等. 基于单片机控制的爬楼梯机器人设计研究[J]. 轻工科技， 2019(7)： 84-86.