蛇形機器人是一種新型的柔性機器人，可用在各種探測任務(wù)中．目前燃氣管道正在日益增加，而燃氣管道往往深埋地下，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的土壤腐蝕或不可抗拒的自然災害必將老化，出現泄漏、爆炸等安全事故，鑒于此，我們開(kāi)發(fā)的這款蛇形機器人可在各類(lèi)燃氣管道中進(jìn)行檢測任務(wù)．燃氣管道的直徑從200mm-500mm不等，有的管道的直徑甚至更?。壳翱梢栽诠艿乐羞M(jìn)行巡查的機器人多為輪式機器人，這種機器人只適合在較粗的管道中進(jìn)行探測，而在較細管道中無(wú)法進(jìn)入，并且在豎直管道中也顯的無(wú)能為力．

為克服上述技術(shù)和環(huán)境適應性的不足，我們提出了一種利用蛇形機器人檢測燃氣管道內部環(huán)境的方法．蛇形機器人因身體細長(cháng)，橫截面小，靈活性強，適應環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，可以靈活地進(jìn)出各種管徑和角度的管道，當管徑較小時(shí)以直線(xiàn)方式探測，在較大的管道中以螺旋方式探測[3,3]．收集實(shí)時(shí)內部圖像和監測數據，因此它可以很好地應用于各種管道檢測領(lǐng)域．該蛇形機器人可以對姿態(tài)、管道內部圖像，溫濕度等信息的獲取和處理，以達到對傳輸管道內部的檢測和維護．

與以往管道外部的蛇形機器人不同，該機器人在管道內部運動(dòng)對本身的關(guān)節不可見(jiàn)，所以行走機構有所不同．首先為了適應燃氣的圓形管道，蛇關(guān)節外部為圓形，其圓形關(guān)節外部?jì)啥搜b有兩組小車(chē)輪，均為從動(dòng)輪，在模塊中添加一個(gè)電機并使用齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)后端車(chē)輪轉動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)機器人前進(jìn)．其從動(dòng)輪主要是為了能平滑行走[4,4]．其關(guān)節刨面圖1所示．

關(guān)節內部主要包括俯仰舵機、旋轉舵機、控制器和一些連接件．圖中俯仰舵機通過(guò)U型連接件固定后準備與下一個(gè)關(guān)節相連，另一側也為一個(gè)U型連接件，該連接件與電機相連，終電機帶動(dòng)主動(dòng)輪向前或向后運動(dòng)，而舵機通過(guò)旋轉角度控制整個(gè)蛇以螺旋方式前進(jìn)．在不影響舵機旋轉的情況下，控制器放置在舵機與電機連接的側面，為了保證蛇關(guān)節較小，經(jīng)測控制器大小(6.24cm×6.24cm)為預留的空隙大?。?jīng)輸出的PWM信號控制俯仰舵機和旋轉舵機，在旋轉舵機下方是固定件，固定舵機在關(guān)節內不晃動(dòng)，我們可以看到在其下方有預留位置，可以放置傳感器和一些連接器件．

在建立ADAMS仿真環(huán)境后，針對不同管徑的豎直管道進(jìn)行了建模分析，由于我們的蛇關(guān)節是可拆卸的，在不同管徑中，使用不同多少的單元模塊即可完成在管道內部的檢測任務(wù)，終使關(guān)節按照一定的角度螺旋前行．

和水平運動(dòng)的管道中比較，在豎直管道中蛇的所有關(guān)節重量都是蛇向上攀爬的阻力，所以比水平管道有更大的豎直向上動(dòng)力才能推動(dòng)蛇向上爬．

如圖2是蛇形機器人在250mm的豎直管道中，從下向上依次將關(guān)節起名為J1-J7，選取特殊的關(guān)節進(jìn)行受力分析，規定蛇向上運動(dòng)方向為Z軸，垂直于顯示面為X軸，同時(shí)垂直于X和Z軸方向為Y軸．首先選取J1進(jìn)行受力分析，如圖3所示，J1共受四個(gè)力的作用，地面對J1的引力G1(方向沿Z軸負方向豎直向下)，管壁對J1的支持力Fz1(方向垂直指向于接觸面凹面)和管壁對J1的摩擦力Ff1(方向沿著(zhù)蛇運動(dòng)趨勢的反方向)，相鄰關(guān)節J2對J1的作用力FJ2-J1．其中每個(gè)關(guān)節共重為380g，所有受力在全局坐標系下進(jìn)行受力分解得到靜力學(xué)平衡方程:

從ADAMS中可輸出各個(gè)力在X軸、Y軸和Z軸上分力的大小，其中Ff1x=5.6N,Fz1x=8.6N,FJ2-J1x=-14.2N.Ff1y=15.8N,Fz1y=-9.7N,FJ2-J1y=-6.1N.Ff1z=-12.1N,G1=0.38*9.8=-3.7N,Fz1z=4.8N,FJ2-J1z=11N，由以上輸出的力大小可以看出蛇形機器人滿(mǎn)足靜力學(xué)平衡方程．

通過(guò)對管道蛇形機器人的建模仿真，設置好關(guān)節的質(zhì)量、關(guān)節之間的扭矩，還可以得到關(guān)節之間力矩、旋轉的相對角速度等，另外也可以得到蛇在管道內部運動(dòng)的位移、速度、加速度、相對角速度、相對加速度等值．在250mm的管道中對蛇形機器人進(jìn)行仿真得到運動(dòng)的速度、加速度、位移、角速度，由仿真結果圖可以看出機器人在管道內重復的以螺旋方式緩慢前行．

探測機器人控制系統的功能是將各個(gè)執行機構如舵機、電機等的控制以及各類(lèi)傳感器采集的數據傳輸控制整合到上位機中，實(shí)現操作人員的遠程控制功能[5,5]．控制系統貫穿整個(gè)探測機器人的控制信號傳輸及數據采集信號傳輸[6,6]．根據探測機器人的特點(diǎn)，文章設計采用CAN總線(xiàn)技術(shù)設計探測機器人的控制系統[7,7].

在操作人員電腦端，設計使用組態(tài)王軟件編譯上位機監控系統，并與機器人主控制系統相聯(lián)，由操作人員在上位機監控系統中，發(fā)送控制指令，控制探測機器人的姿態(tài)及運動(dòng)等，如控制各單元模塊中舵機的轉角，達到控制機器人姿態(tài)的目的;控制電機的轉動(dòng)，達到控制器機器人的前進(jìn)后退旋轉等目的;控制傳感器數據傳輸，達到采集管道內各項信息的目的等．上位機向下連接由微控制器控制的主控器單元，主控器通過(guò)CAN總線(xiàn)連接多個(gè)從控制器，使探測機器人具備良好的可擴展性，每個(gè)模塊均由一個(gè)俯仰舵機和一個(gè)旋轉舵機組成，所以每個(gè)模塊中有兩個(gè)從控制器分別控制俯仰舵機和旋轉舵機，同時(shí)CAN總線(xiàn)也能夠滿(mǎn)足探測機器人的實(shí)時(shí)性要求．探測機器人的從控制器采用嵌入式單片機技術(shù)，并將探測機器人中應用到的執行機構，如伺服舵機，電機，以及傳感器設備搭載在從控制器上，使得每個(gè)嵌入式單片機可以獨立處理單個(gè)單元模塊的運動(dòng)，提高系統的穩定性和實(shí)時(shí)性．形機器人控制系統整體框架如圖4.

根據蛇形機器人的特點(diǎn)，文章構建了以CAN總線(xiàn)為基礎的蛇形機器人控制系統．控制系統的上層設計為上位機監控系統[8,8]，通過(guò)在PC上位機上，構建機器人控制的上位機人機交互界面，作為探測機器人的控制監控平臺;上位機再與機器人的主控制器相聯(lián)，主控制器接收上位機發(fā)送的動(dòng)作指令，并將指令通過(guò)CAN總線(xiàn)系統，發(fā)送給掛載在總線(xiàn)上的從控制器．在探測機器人的從控制器上，帶載著(zhù)可由微控制器發(fā)出PWM(Pulse-Width M odulation，脈寬調制)脈沖信號控制的伺服電機及伺服舵機[9,9]．從控制器接收到控制探測機器人運動(dòng)的指令，即對從控制器各自控制的執行機構發(fā)送控制指令，已使機器人做出變換姿態(tài)，改變運動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)作．

在蛇形機器人的蜿蜒運動(dòng)控制中為例，分析它的控制方法．圖5是蜿蜒運動(dòng)的模型，蛇體相鄰關(guān)節的相對轉角可用公式(1)表示機器人的運動(dòng)狀態(tài):

式中α0表示蜿蜒運動(dòng)的初始角度，n代表機器人的單元模塊數量，l表示單元模塊長(cháng)度，L表示機器人的整體長(cháng)度，Kn表示蜿蜒運動(dòng)時(shí)傳播的波的個(gè)數，K1表示蛇形機器人運動(dòng)曲線(xiàn)的曲率偏差，s表示蛇形機器人后部尾關(guān)節沿運動(dòng)曲線(xiàn)軸線(xiàn)方向的虛位移，i表示蛇形機器人中的任意關(guān)節，VL表示擾動(dòng)速度，Vd表示目標速度．

蛇形機器人運動(dòng)控制的基本方法是通過(guò)改變相鄰單元關(guān)節之間的相對轉角來(lái)控制蛇形機器人的運動(dòng)姿態(tài)，上式表明了蛇形機器人虛位移與各相鄰單元關(guān)節間相對轉角φi的關(guān)系．當虛位移s在蛇的運動(dòng)過(guò)程中，隨時(shí)間變化而改變時(shí)，各個(gè)模塊的關(guān)節轉角也隨之發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現蛇形機器人的連續運動(dòng)．在控制系統中，不斷根據s的變化來(lái)實(shí)時(shí)計算關(guān)節轉角，后通過(guò)驅動(dòng)信號使執行舵機完成角度變換．

分布式控制將各個(gè)關(guān)節的轉角計算等運算問(wèn)題分布在各自的從控制器上．主控制器將運動(dòng)控制函數中的s變量，通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳遞給各個(gè)單元關(guān)節的從控制器，由各自關(guān)節的從控制器自主計算自身關(guān)節的變換角度，并在完成全部運算后向主控制器發(fā)送一個(gè)確認信號，如圖6．根據蛇形機器人運動(dòng)控制函數的特點(diǎn)，可以看出主要的計算變量是s和i在確定了單元關(guān)節中的硬件系統及各項參數之后，每個(gè)單元關(guān)節的i，對本關(guān)節從控制器來(lái)說(shuō)是確定的，它只需要在CAN總線(xiàn)上，獲取主控制器發(fā)送的s變量，即可由自己根據算法來(lái)計算所需改變的角度．主控制器在接收到總線(xiàn)上所有的單元關(guān)節的完成計算確認后，發(fā)送一個(gè)同步信號，各單元關(guān)節根據同步信號，統一開(kāi)始調整自身姿態(tài)，以實(shí)現蛇形機器人的運動(dòng)調整．

采用分布式控制方式，將各關(guān)節的相對轉動(dòng)角度計算交由各自從控制器來(lái)完成，這樣對主控制器的資源占用大大的降低，也可使節約出資源來(lái)處理如其他參數計算，運動(dòng)規劃等任務(wù)[10,11]．分布式控制方式在機器人搭載的單元關(guān)節數越多時(shí)，表現的優(yōu)越性越明顯．依蛇形機器人搭載十六個(gè)單元關(guān)節為研究對象．當采用分布式控制，主控制器只傳遞變量s至各個(gè)單元關(guān)節從控制器，由單元關(guān)節再根據自身的i變量來(lái)計算所需變換的角度，所需時(shí)間約6ms，主控制器傳遞變量的周期可降低到37ms.

管道探測蛇形機器人控制器主要由電源模塊、STM32微控制模塊、攝像模塊、姿態(tài)傳感模塊、可燃氣體傳感器模塊、溫濕度傳感模塊、CAN總線(xiàn)通信模塊組成[12,13,12,13].

控制器以STM32微處理器為核心，姿態(tài)傳感器將蛇形機器人實(shí)時(shí)的姿態(tài)解算并發(fā)送給STM32主控芯片，主控芯片將信息上傳到上位機并實(shí)時(shí)顯示其俯仰角，橫滾角和航向角，使管理者或使用者實(shí)時(shí)掌握蛇形機器人的運動(dòng)情況[14,14]．溫濕度傳感器將管道內部的溫度、濕度信息采集并傳送給主控芯片，經(jīng)主控芯片進(jìn)行處理后上傳至上位機顯示，供管理者判斷是否符合溫濕度要求．攝像頭模塊也是重要的模塊之一，將采集到的高清視頻信息經(jīng)主控芯片處理實(shí)時(shí)回傳并顯示到上位機界面，可以直觀(guān)地了解管道中是否存在缺陷、裂紋等異常情況．控制器還設置有CAN總線(xiàn)通信模塊，方便主控制器與上位機的通信與控制[15,15].

舵機是管道探測蛇形機器人構成中重要的組成部分之一，其驅動(dòng)信號是由主芯片輸出的PWM信號來(lái)控制，高低電平是一種周期一定，占空比可調的方波，可以通過(guò)一個(gè)低通濾波器進(jìn)行解調，通過(guò)控制脈沖寬度即可控制舵機旋轉角度，舵機通過(guò)外部供電，當接收到主控制器發(fā)送的PWM信號時(shí)，蛇形機器人的各個(gè)關(guān)節開(kāi)始運動(dòng)．所選舵機型號為RDS3115M G，小巧且重量只有60g，尺寸大小為40×20×40.5mm，工作電壓4.8-7.2v，堵轉扭矩為15kg/cm.

蛇形機器人共有14路舵機需要同時(shí)控制[16,16]，所以占用定時(shí)器的14路輸出．而所選芯片包含12個(gè)16位的定時(shí)器和2個(gè)32位定時(shí)器，完全可以滿(mǎn)足任務(wù)要求．該蛇形機器人的14路舵機驅動(dòng)信號由TIM1-TIM4產(chǎn)生，具體對應如表1所示．

舵機與外界連接線(xiàn)有三端，分別是電源線(xiàn)、地線(xiàn)和控制線(xiàn)，其中只有控制線(xiàn)與控制器相連，由上位機下傳指令給控制器，控制器產(chǎn)生的PWM信號傳輸給舵機，經(jīng)電路板上的IC處理后計算出轉動(dòng)方向，再驅動(dòng)馬達轉動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測器(電位器)返回位置信號，判斷是否已經(jīng)到設定位置．舵機控制需要一個(gè)高電平時(shí)基脈沖，該脈沖一般為0.5ms～2.5ms的角度控制脈沖．舵機轉過(guò)的角度為輸入脈寬控制，我們的舵機能在安裝固定件和連接件之后以225度的角度旋轉，其對應的控制關(guān)系是這樣的:0.5ms—0度;1.0ms—45度;1.5ms—90度;2.0ms—135度;2.5ms—180度;3ms—225度;舵機控制模塊工作流程圖如圖7所示．

舵機通電啟動(dòng)之后，定時(shí)器開(kāi)始初始化，控制器開(kāi)始檢測舵機旋轉標志位是否等于1．若為1，表示有控制舵機的信號傳入，然后清零標志位，開(kāi)始比較舵機實(shí)際位置與目標位置偏差，將偏差信號上傳至控制器來(lái)調整PWM信號，進(jìn)而更好地控制舵機．

通過(guò)排針的端子與TJA1050收發(fā)芯片相連，之后由接線(xiàn)端子(CAN)與外部的CAN總線(xiàn)相連．由于CAN和USB是共用PA11和PA12端口，所以用CAN傳輸時(shí)，要將開(kāi)發(fā)板P9上的PA11和PA12用跳線(xiàn)帽分別與CAN＿RX和CAN＿TX相接．

將所選舵機供電之后，并與控制器相連，由于我們設計的控制器是同時(shí)輸出多路PWM，即控制多路舵機協(xié)調工作，設置控制舵機角度程序并下載到控制器，經(jīng)測試控制器可精確控制舵機角度，基本實(shí)現蜿蜒運動(dòng)．控制器如圖8所示．

文章為分布式控制，將設計好的小型控制器嵌入到蛇的每一節關(guān)節中，其中蛇頭為主控制器，其余關(guān)節為從控制器，蛇形機器人控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)連接到上位機，并根據需求完成上位機(組態(tài)王)顯示界面設計．經(jīng)調試后，在組態(tài)王按鍵和視頻插件中編寫(xiě)腳本語(yǔ)言來(lái)實(shí)現所需功能，可在組態(tài)王視頻顯示區實(shí)時(shí)查看蛇形機器人拍攝的管內周?chē)h(huán)境，并可以實(shí)現縮放、拍照及保存功能．隨著(zhù)蛇形機器人的運動(dòng)，可以實(shí)時(shí)顯示蛇關(guān)節的俯仰角、橫滾角和航向角．同時(shí)，安裝在蛇身上的溫度傳感器和甲烷濃度傳感器等也將管內參數實(shí)時(shí)上傳至上位機顯示．由于在實(shí)驗室測試并沒(méi)有甲烷，所以甲烷濃度顯示0%，另外可以將蛇身上面的溫度傳感器值上傳到組態(tài)王并實(shí)時(shí)顯示，如圖9所示為蛇形機器人實(shí)物及上位機界面．

利用蛇形機器人的靈活性和可拆卸性，通過(guò)控制調整舵機的轉角，使蛇形機器人不僅可適應大管徑也可適應小管徑進(jìn)行探測，不僅可以在管道內部進(jìn)行水平探測，并通過(guò)螺旋方式可以向上攀爬達到探測豎直管道的效果，即使在管徑較小的管道中，蛇形機器人也可以以直線(xiàn)的方式進(jìn)行穿管并探測．文章對管道探測的蛇形機器人的控制系統進(jìn)行了設計，對控制器進(jìn)行了設計與開(kāi)發(fā)，該控制器小巧、靈活，有效減小了蛇關(guān)節的大小，其上搭載的各類(lèi)傳感器和通信接口均合理分配，可實(shí)時(shí)控制蛇的姿態(tài)以及實(shí)時(shí)檢測管道內的周?chē)h(huán)境、溫度等．

目前在燃氣管道中的探測蛇形機器人是沒(méi)有先例的，在燃氣管道鋪設越來(lái)越多的今天，利用蛇形機器人可以大大提高檢測效率如燃氣泄漏等問(wèn)題．