自动更换路灯机器人

自动更换路灯机器人

薛金龙，秦富康，杜金浩，黎　锐，王建瑞

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨　150040）

摘　要：针对目前路灯更换过程麻烦，工作危险的问题，研究设计了一种便于更换路灯的机器人，该机器人的主要机构有爬杆机构和机械臂机构两个部分。其中爬杆机构是带通孔的箱体，箱体内包括两个驱动机器人上升的驱动摩擦轮，两个起定位作用的摩擦轮。机械臂结构采用了曲柄连杆机构进行运动，关节处采用舵机传动，机械臂末端通过机械爪抓取灯泡，完成换灯的操作。

关键词：路灯；爬杆机构；机械臂；舵机

0　引言

在现代生活中，无论是机械还是土木以至其他很多行业中，爬杆技术应用非常广泛，并且爬杆机器已经有很多种类，大部分是通过气压传动和液压传动，不论哪种工作方式，工作时必须有气动或液动动力源的提供，否则机器人无法工作，而且工作条件比较冗繁，使工作条件受到极大限制。更有在工人在更换路灯作业时需要到达很高的地方，环境极其危险。为此本文设计了一种使用安全、结构合理、操作方便，仿人型的自动更换路灯机器人，利用机器人来登高爬杆，从而利用机械手臂对路灯进行更换，总体上实现机器人的自动控制，从而把人从危险，恶劣，繁重的劳动环境中解脱出来［1］。

1　机械结构的设计

自动更换路灯机器人的总体结构共包括爬杆机器人，机械手臂和摄像头云台三部分，械手臂以爬杆机器人为底座，通过活动关节固定在爬杆机器人上，其结构犹如人类的臂部和身体的连接。摄像头云台也是以爬杆机器人为底座，云台上的摄像头可以随着云台一起转动，看到周围大范围的实际情况。

爬杆机构的箱体的确定，我们通过网上查阅资料，向专家老师询问，最终确定采用摩擦轮机构，机器人箱体内部有四个摩擦轮均匀分布，其中上面两个摩擦轮作为机器人上升的驱动，下面的两个摩擦轮是为了保持机器人的平衡，防止在机器人上升的过程中发生偏斜，从而受力不均引起机器人的磨损［2］。

出于对于机械部分的方便的考虑，我们在机械臂的底部采用一个大的长方形的底座进行固定，然后机械臂采用曲柄连杆机构，曲柄的驱动由两侧对称的蜗轮蜗杆电机进行驱动，从而使曲柄可在底座的表面上能旋转一定的角度，蜗轮蜗杆电机课承受的力量为30kg，大大的满足了转矩的需求。

从机械臂材料的负载能力上以及关节的驱动问题上，在关节上我们采用舵机驱动，舵机的重量轻而且转矩大，机械臂的材料有铝合金件和碳纤维件加工，在具体的设计中，为了降低制造成本和实现难度，两边的机械臂采用对称的机械结构［3］。在机械臂的末端我们采用3D打印技术制造的机械爪，在强度上和重量上都非常简便，方便，在力度上也恰到好处。机器人的机械结构如图1所示。

图1　机器人机械结构
Fig.1 The robot mechanical structure

2　硬件部分的设计

从最初的硬件电路设计，我们就明确了系统的设计目标：可靠，高效，简洁，在整个系统设计中严格按照规范进行。单片机最小系统我们采用KL26为该项目的主要控制芯片，其他的外围电路由我们自行设计制作。机器人的电源模块采用的是12V的电池，保证电流输出符合要求。电源模块原理如图2所示。

图2　电源模块
Fig.2 Power module

KL26的输出电压为3.3V，无法满足舵机的驱动要求，从保护单片机的角度出发，电机驱动电路采用MOS管进行反向隔离升压，保证舵机工作稳定。电机驱动电路原理图如图3所示。

图3　电机驱动电路
Fig.3 Drive circuit for motor

由于本设计的数据需求量不是很大，数据传输的速度也没有要求，所以这里采用无线模块NRF24L01来获取信息。

机械臂由大的扭力舵机构成，本项目采用RDS3115机器人专用数字双轴舵机。RDS3115的舵机扭力可达到15kg/cm （6V），反应速度约为0.16sec/60@4.8V，是一款为机器人专门设计的数字舵机，运行噪音低、平稳且线性度高，可控角度范围180°，断电可360°旋转，与模拟舵机的最大区别是带位置锁定功能，给一次PWM脉宽，舵机输出角度可锁定，直到下次给不同的角度脉宽或者断电才可以改变角度（模拟舵机则不具有该功能，模拟舵机要锁定位置需要不停的提供PWM信号）。另外控制精度高、线性度好，与控制协议严格一致，输出角度准确且响应速度快是数字舵机品质好的重要原因［4］。通常舵机控制器采用500～2500数值对应舵机控制输出角度的占空比0.5ms～2.5ms的范围，这样该款数字舵机的控制精度理论值可达到0.09度，而实际由于舵机齿轮组间的间隙存在，该款舵机的最小控制精度能达到0.9度以下，相对于上位机软件滑竿控制量的最小调节单元值为10，舵机才有明显的转动反应。特别适合机器人的各关节活动，该项目还有PID对舵机角度进行微调，使用编码器检测出的角度作为实际值，是项目操作更加稳定可靠。并且项目的电机采用的是蜗轮蜗杆电机，蜗轮蜗杆电机具备自锁性，即在马达没有电的情况下，输出轴是转不动的，减速箱输出轴方向与马达轴是在垂直布置，整个马达输出轴方向相对普通马达超短，广泛的适用各种情况，充分的满足了设计的要求。

3　软件部分的设计

为了实现遥控自动更换路灯机器人进行作业，我们还需要构建一控制系统，用来控制自动更换路灯机器人的各个动作。与机械结构的三个部分相对应，控制端有爬杆机器人的控制键盘，机械手臂的控制键盘和摄像头云台的控制键盘，便于控制自动更换路灯机器人各部分独立完成控制任务而不受到彼此干扰［5］。用一片KL26单片机作为控制端总控，用来接收用户的各种控制信号，处理后通过无线信道NRF24L01将控制命令传输给自动更换路灯机器人身上的接收端总控。接收端同样用一片KL26单片机作为主控，接受控制端发出的控制命令，处理后输出一定的PWM信号给相应的电机和舵机。由于一片KL26单片机的PWM输出通道有限，不能同时给自动更换路灯机器人上所有的电机和舵机输出PWM，故接收端作为主控的KL26只给爬杆机器人上的两个电机进行输出，同时将控制信号通UART分别输出给两个机械手臂上的两个KL26。机械手臂上的KL26接收到控制信号，通过PWM输出给机械手臂的电机和舵机，控制各关节做相应的动作。接收端总控单片机连接摄像头，采集实时图像，并通过无线信道NRF24L01传递给控制端KL26［6，7］。

用户在使用自动更换路灯机器人时，只需操控控制器。具体流程为：通过爬杆机器人的控制键盘，控制自动更换路灯机器人爬到路灯的灯管所在位置处，通过摄像头云台的控制键盘，可以控制云台转动，方便看清楚灯管实际情况，然后通过机械手臂的控制键盘控制机械手臂完成换灯管的相应动作。工作流程如图4所示。

图4　自动更换路灯机器人工作流程图
Fig.4 The work flow chart of robot for Replacing Streetlamps Automatically

4　总结

近年来人们相继创新发明了很多种爬杆式的机器人，还有各种各样的机械手臂，也完成了很多高难度动作，但是更多的机器人结构复杂，操作起来十分不便，且成本高昂。本文在这些已有机器人的基础上进行创新设计，使机器人结构更完善，操作更灵活。设计的自动更换路灯机器人采用摩擦轮机构，使制作成本和项目的运行更加合理，通过内嵌式结构和六自由度的机械臂的设计，有利于工业普及推广，通过舵机的调节机械臂，有效的提高了机械臂重复定位精度。它能够有效地将换路灯作业的人员从危险环境中解脱出来，在实际生活中得到切实应用。

今后还需根据复杂的环境变化，深入研究更有效的机械结构，完成六自由度甚至七自由度的机械手臂的设计开发，从而提高机械性能，使性能更优的产品进入到人们的生活中。

参考文献：

［1］蒋新松．未来机器人技术的发展方向［J］．机器人技术与应用，1997，2．

［2］周卫东.基于CAN总线通讯的机械臂控制系统设计［J］.南京工程学院学报（自然科学版），2007，4.

［3］杜金浩，张兴瑞，赵亚凤.基于STM32的无线同步机械臂的设计［J］.机电产品开发与创新，2015，4.

［4］李辉，邓遵义.基于CAN总线分布式机械臂控制系统设计［J］.机电产品开发与创新，2011，2.

［5］蔡自兴．21世纪机器人技术的发展趋势［J］．南京化工大学学报，2000，4.

［6］李鲤，刘善春.基于ARM的机械臂控制系统分析［J］.自动化与仪器仪表，2012，2.

［7］樊国平.智能PID控制系统的设计与研究［D］.浙江：浙江工业大学，2005.

The Robot for Replacing Streetlamps Automatically

XUE Jin-Long，QIN Fu-Kang，DU Jin-Hao，LI Rui，WANG Jian-Rui
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China）

Abstract：Aimed for the trouble and dangerous work of replacing street lamps，the robot for replacing streetlamps was designed.The main mechanism of the robot mainly contained a climbing-pole mechanism and mechanical arm.Climbing-pole mechanism was a box with a perforative hole，in which there were two friction wheels to drive the robot and two locating friction wheels.Mechanical arm adopted the structure of the crank connecting rod in motion，of which the joints were driven by steering gear.The end of mechanical arm grasped lamps through mechanical claw to finish the operation of replacing lamps.

Key words：street lamps；climbing-pole mechanism；mechanical arm；steering gear

中图分类号：TP249

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1002-6673.2016.04.007

文章编号：1002-6673（2016）04-020-03

修稿日期：2016-05-04

项目来源：大学生创新创业训练计划项目（201510225200）

作者简介：薛金龙（1995-），男，黑龙江哈尔滨人，本科学生。主要研究领域：机械电子工程；秦富康（1995-），男，湖北枣阳人，本科学生。主要研究领域：机械电子工程。