蜘蛛型风力发电机检测仪的腿部控制方式研究

李跃 卢奭瑄 周锐

摘要：针对蜘蛛型风力发电机叶片检测仪（以下简称检测仪）的行走方式，根据风力发电机叶片的实际状况，以及检测仪的行走需要，基于蜘蛛仿生学，提出了一种蜘蛛肢体演化的方法，采用多自由度的控制方案。检测仪以ARM为控制核心，将六条腿分成两组，每条腿有三个自由度，共18个自由度，分成三种运动方式，并通过实验对该方案进行验证。方案能够有效地完成检测仪的各种行走方式，为检测仪的行走方式提出了一种新方法。

关键词：检测仪；行走；仿生；自由度

风机叶片是风力发电机的重要组成部分。风力发电机一般安装在偏远地区，叶片容易受环境影响而受损，因此需要定期检测和维护。对风机叶片的定期检测可对风机总体运行状况进行合理的判断，对一些问题可以及时进行处理，并对风机的使用寿命进行预测，制定发电计划。

爬壁机器人是特种机器人的一种，可以在一定高度且具有一定光滑度的壁面上进行移动，它的出现改善了操作人员的工作环境。爬壁机器人具有广泛的应用前景，但因其工作環境的特殊，仍有许多的关键性技术需要解决，例如吸附技术、移动技术等。因此它已经成为国内外机器人学者的研究热点之一文献。[13]

1系统模型描述

根据蜘蛛的行走特性，以及检测仪的行走需要，检测仪有六条机械腿，把六条机械腿分成两组，每侧的前后两条腿及另一侧的中腿为一组，并对检测仪的腿部进行简化，每个腿具有三个自由度，检测仪的行进与转弯通过摆腿完成，一组腿抬起，另外一组腿落下。假设检测仪的任意时刻处在支撑相的腿的条数为n，此时检测仪由n个并联机构组成，其自由度计算如下：

其中：——运动副数目，；——第i个运动副所具有的自由度数目，，，——独立封闭环的数目，；第i个独立的封闭环所具有的封闭约束条件数目，；——消极的自由度数目，；——局部的自由度数目，；——重复的自由度数目，。

把上述参数代入式子，可得

由计算可得知，无论检测仪采用何种步态，检测仪均可以需要的姿态达到任意位置。

分析蜘蛛的一条腿可以得出，蜘蛛的运动方式与蜘蛛肢体各个关节的倾斜角度有关。本文对蜘蛛的腿部结构进行了简化以适应检测仪的移动，虽然精简了腿部结构，但一样可以完成移动的任务。每条机械腿具有三个关节，各关节皆由舵机驱动。舵机将电机、减速箱、驱动反馈电路板集成，控制简便，具有较大灵活度。通过对各关节上的步进电机进行控制，完成检测仪爬行和转弯功能。在结构上保证了检测仪可以更有效地模拟蜘蛛的行走方式，完成较为复杂的运动。为了减轻整个机械结构的重量，在满足检测仪腿部结构强度的前提下，对腿的股节和胫节进行了优化处理。足作为检测仪与地面接触的部分，由装在踝关节上的电机控制其运动。在吸盘的作用下能有效在叶片上进行行走。

检测仪以ARM为控制核心，AT89C51为驱动器，跟关节，膝关节，踝关节每次运动时这三个关节相互不产生影响，所以又把18个关节驱动器分为3组，其中膝关节，踝关节的运动方式除加速减速时几乎不变，只要给固定的脉冲就可以，跟关节涉及到检测仪的前进与转弯，所以有两种形态。

对于检测仪来说，行走是最为重要的一部分，我们对蜘蛛的腿部进行了演化，演化成为检测仪的腿部，将检测仪的六条腿分成两组，一组腿抬起，另一组腿落下，完成检测仪的行进与转弯，每条腿共有三个关节，其中跟关节与膝关节负责行进与转弯，踝关节负责控制吸盘的吸附，因为每条腿的运行方式在机器人的行进中几乎相同，所以一条腿的研究也可以适应其他腿部，每条腿分成两种运行方式，即前进与转弯，膝关节负责腿部的抬起与落下，跟关节负责旋转一定的幅度使检测仪行进。

行走系统主要采用AT89C51单片机来控制步进电机完成行走，因为步进电机可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到对检测仪行进的精确控制，还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，进而控制检测仪的速度。混合式步进电机的基本步距角为1.8°/步，必要时可加装半步驱动器，步距角将减少为0.9°。AT89C51单片机能稳定的控制输出脉冲，对步进电机进行良好的控制。

对检测仪的行进方式进行分析可以得出，在直线行进时，只要知道一条腿的前进步数，在转弯时知道两条腿的行走步数，经过公式的计算就可以精确地得出检测仪的行动位置，能对检测仪进行定位。

2软件设计及运动轨迹

使用Proteus进行了仿真实验。Proteus具有良好的仿真性能，能直观的对硬件原理图进行调试，评估硬件设计电路的正确性，且其资源丰富，能有效的完成仿真实验。

检测仪在移动时，通过控制步进电机脉冲的个数以及脉冲频率来控制检测仪的前进，后退，加速，减速。在转弯时，通过左右侧机械腿的脉冲个数不同来控制检测仪的左右转弯。通过仿真实验证明本方法可以有效的控制机器人的行走，完成机器人的各项行走功能。

3总结

本文以蜘蛛腿部为仿真原型，设计并研制了蜘蛛型风机叶片检测仪的机械腿。对检测仪的腿部的运动学和运动力学进行了分析，并通过仿真与实验，对检测仪的运动性能，及运动过程的稳定性进行了验证，证明该机械腿构造合理，能够根据检测任务的要求，合理规划出步态，完成检测仪的行走任务，为检测仪的移动方式给出了一种合理的方案。

参考文献：

[1]李志海，等.四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究李志海[J].机器人，2010，32.601607.

[2]田兴华，等.四足仿生机器人混联腿构型设计及比较[J].机械工程学报，2013，49.8188

[3]吕鑫，等.一种爬壁机器人的吸附机构分析和设计[J].液压与气动，2012，9.4649.

作者简介：李跃（1995），男，汉族，辽宁朝阳人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化。