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摘 要： 管道作业机器人是为了解决小型管道内作业困难的问题而设计的。本文介绍了该机器人的嵌入式系统设计，包括硬件电路设计和软件设计。经多次试验和实际使用测试证明其具有稳定可靠、操作简单、经济实用等特点。
关键词： 管道作业 嵌入式系统 可靠实用
1.引言
目前楼宇中普遍存在管道内作业困难的情况，如：下水管道易堵塞且难清理、管道内电缆走线困难、管道塌陷后的狭小空间内勘测作业困难等。在此背景下，管道作业机器人从生活中的实际问题出发，设计并实现对管道堵塞等问题合理解决的系统。该机器人通过机械设计、硬件电路设计、控制程序设计和上位机操作平台设计最终实现。该管道作业机器人系统包括多轮式行走结构、清理执行机构、基于STM32F103RBT6单片机的嵌入式控制系统、机器人供电系统和基于windows系统的上位机操作平台，系统融合单片机嵌入式技术、机械设计技术、运动控制技术、通信技术和计算机软件技术等多学科结构。该管道作业机器人最大作业距离为100m，能够出色完成在水平、竖直、U型、十字形等管道内的可靠行走和高效工作，且具备操作简单，经济实用等优点。
2.1系统电源设计
管道作业机器人以电能作为动力。因为机器人在狭小的管道内工作，所以必须保证机器人的重量尽量小，还要保证电能在传输过程的损耗尽量小，输出电压能够使机器人各部分正常工作。因此，将机器人供电电源模块分为两部分：一部分在地上，直接输入220V交流电，经电源模块转换为24V直流电后由电线传送给管道内的机器人，再由机器人内部的电源转换模块降至12V，供电机驱动模块使用；另一部分将转换后得到的12VDC转换为3.3VDC作为单片机工作电源。电源转换原理框图如图1所示。
2.2主控单元设计
电机驱动模块是为了满足机器人在管道内行进而设计的。机器人需要在复杂的管道内行进，会出现竖直管道、十字形管道、U型管道等情况，需要选取体积小且扭矩大的电机。该机器人采用PWM调速方式，但选取的电机需要12V直流电驱动，单片机产生的PWM控制信号的高电平只有3.3V，且不具备驱动能力，所以需要增加电机驱动电路。该机器人采用常用的H桥驱动电路，此处采用TI公司的电机驱动集成芯片DRV8848。DRV8848是一款集成了双路H桥的电机驱动器，最大驱动电流为2A（并联模式下驱动电流为4A），且具有体积小、外围电路简单等优点。该机器人的电机驱动模块总共包含3路相同的DRV8848驱动电路，单片机共需产生12路单独的PWM驱动信号。
2.4传感检测单元设计
基于STM32F103RBT6单片机的控制单元需要实现的主要功能包括与上位机的通信、对电机的控制、对高压水枪的控制，其中对电机的控制最复杂。图3为控制单元的总体程序流程图。
3.2操作平台设计
基于windows的上位机操作平台主要实现操作人员对机器人的远程控制。上位机操作平台主要包括摄像头采集画面的显示、控制命令的发送等，方便操作人员实时掌握管道内的情况并及时控制机器人做出相应的动作。图4为上位机操作平台的程序流程图。
4.总结与展望
以管道清理工作为例，通过多次试验证明该机器人能够适应直径为10至20cm的不同管道且能完成管道清理工作，所需时间较短，在直道内完全清理障碍物需要5分钟，在U型管处的障碍物完全清理需要8分钟。机器人最大工作距离为100m，能满足大多数管道清理工作的需求。
虽然目前制作的机器人已经能够满足实际需求，但因为机器人的供电、摄像图像回传和通信均采用有线方式，再加上高压水枪的水管，这些对机器人的行进有较大的影响。因此，经广泛查阅资料及讨论后决定认为可采用电力载波技术将电缆线合三为一，减小线缆对机器人的影响。
参考文献：
[1]唐德威，梁涛，姜生元，等.机械自适应管道机器人的机构原理与仿真分析[J].机器人，2008.30（1）：29-33.
[2]张永顺，邓宗全，贾振元，等.管内轮式移动机器人弯道内驱动控制方法[J].中国机械工程，2002，13（18）：1534-1537.
[3]徐小云，颜国正，鄢波.一种新型管道检测机器人系统[J].上海交通大学学报，2004，38（8）：1324-1327.
[4]甘小明，徐滨士，董世运，等.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003，（6）：5-10.
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201410058028）。
关键词： 管道作业 嵌入式系统 可靠实用
1.引言
目前楼宇中普遍存在管道内作业困难的情况，如：下水管道易堵塞且难清理、管道内电缆走线困难、管道塌陷后的狭小空间内勘测作业困难等。在此背景下，管道作业机器人从生活中的实际问题出发，设计并实现对管道堵塞等问题合理解决的系统。该机器人通过机械设计、硬件电路设计、控制程序设计和上位机操作平台设计最终实现。该管道作业机器人系统包括多轮式行走结构、清理执行机构、基于STM32F103RBT6单片机的嵌入式控制系统、机器人供电系统和基于windows系统的上位机操作平台，系统融合单片机嵌入式技术、机械设计技术、运动控制技术、通信技术和计算机软件技术等多学科结构。该管道作业机器人最大作业距离为100m，能够出色完成在水平、竖直、U型、十字形等管道内的可靠行走和高效工作，且具备操作简单，经济实用等优点。
2.1系统电源设计
管道作业机器人以电能作为动力。因为机器人在狭小的管道内工作，所以必须保证机器人的重量尽量小，还要保证电能在传输过程的损耗尽量小，输出电压能够使机器人各部分正常工作。因此，将机器人供电电源模块分为两部分：一部分在地上，直接输入220V交流电，经电源模块转换为24V直流电后由电线传送给管道内的机器人，再由机器人内部的电源转换模块降至12V，供电机驱动模块使用；另一部分将转换后得到的12VDC转换为3.3VDC作为单片机工作电源。电源转换原理框图如图1所示。
2.2主控单元设计
电机驱动模块是为了满足机器人在管道内行进而设计的。机器人需要在复杂的管道内行进，会出现竖直管道、十字形管道、U型管道等情况，需要选取体积小且扭矩大的电机。该机器人采用PWM调速方式，但选取的电机需要12V直流电驱动，单片机产生的PWM控制信号的高电平只有3.3V，且不具备驱动能力，所以需要增加电机驱动电路。该机器人采用常用的H桥驱动电路，此处采用TI公司的电机驱动集成芯片DRV8848。DRV8848是一款集成了双路H桥的电机驱动器，最大驱动电流为2A（并联模式下驱动电流为4A），且具有体积小、外围电路简单等优点。该机器人的电机驱动模块总共包含3路相同的DRV8848驱动电路，单片机共需产生12路单独的PWM驱动信号。
2.4传感检测单元设计
基于STM32F103RBT6单片机的控制单元需要实现的主要功能包括与上位机的通信、对电机的控制、对高压水枪的控制，其中对电机的控制最复杂。图3为控制单元的总体程序流程图。
3.2操作平台设计
基于windows的上位机操作平台主要实现操作人员对机器人的远程控制。上位机操作平台主要包括摄像头采集画面的显示、控制命令的发送等，方便操作人员实时掌握管道内的情况并及时控制机器人做出相应的动作。图4为上位机操作平台的程序流程图。
4.总结与展望
以管道清理工作为例，通过多次试验证明该机器人能够适应直径为10至20cm的不同管道且能完成管道清理工作，所需时间较短，在直道内完全清理障碍物需要5分钟，在U型管处的障碍物完全清理需要8分钟。机器人最大工作距离为100m，能满足大多数管道清理工作的需求。
虽然目前制作的机器人已经能够满足实际需求，但因为机器人的供电、摄像图像回传和通信均采用有线方式，再加上高压水枪的水管，这些对机器人的行进有较大的影响。因此，经广泛查阅资料及讨论后决定认为可采用电力载波技术将电缆线合三为一，减小线缆对机器人的影响。
参考文献：
[1]唐德威，梁涛，姜生元，等.机械自适应管道机器人的机构原理与仿真分析[J].机器人，2008.30（1）：29-33.
[2]张永顺，邓宗全，贾振元，等.管内轮式移动机器人弯道内驱动控制方法[J].中国机械工程，2002，13（18）：1534-1537.
[3]徐小云，颜国正，鄢波.一种新型管道检测机器人系统[J].上海交通大学学报，2004，38（8）：1324-1327.
[4]甘小明，徐滨士，董世运，等.管道机器人的发展现状[J].机器人技术与应用，2003，（6）：5-10.
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201410058028）。