新型多吸盤式爬壁機(jī)器人

馮華林+劉昊陽(yáng)+劉祖機(jī)+彭茂

摘要：由于城市中的高層建筑越來越多，因此對(duì)戶外玻璃的清洗、對(duì)高層墻體表面的檢測(cè)等工作越來越困難，本文討論了一種雙足爬壁機(jī)器人，通過氣壓差使吸盤附著于墻面，形成垂直于墻面的壓力，利用該壓力和墻面形成反向于地心引力的靜摩擦力，使得吸盤得以固定在墻面上，再通過轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的作用使之能向各個(gè)方向移動(dòng)。通過對(duì)該機(jī)器人實(shí)際調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在壁面靈活的行走和視頻穩(wěn)定的傳輸與顯示。具有安全系數(shù)高，移動(dòng)便捷，制作成本低，小巧且可擴(kuò)展空間大等特點(diǎn)。

關(guān)鍵字：爬壁機(jī)器人；多足式；真空吸盤

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

近年來，我國(guó)城市面貌發(fā)生了翻天覆地的變化，高層建筑拔地而起，不僅節(jié)約了土地資源，也使城市面貌煥然一新，成為城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。但這也帶來了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等難題。爬壁機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)分支，把地面移動(dòng)機(jī)器人和吸附技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，是在惡劣、極限、危險(xiǎn)等情況下進(jìn)行點(diǎn)檢、維護(hù)、救援等特定作業(yè)，并能攜帶工具完成一定的作業(yè)任務(wù)的一種智能機(jī)械裝置。

然而傳統(tǒng)的吸盤式爬壁機(jī)器人大都為單吸盤型，具有相當(dāng)大的局限性。當(dāng)壁面凸凹不平時(shí)，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低?；诖藛栴}設(shè)計(jì)一種新型多吸盤式爬壁機(jī)器人。這種機(jī)器人的機(jī)械足前端都有三個(gè)具有一定獨(dú)立活動(dòng)能力的吸盤，在相對(duì)粗糙的平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有一個(gè)吸盤能吸附于壁面，增強(qiáng)了在凹凸不平壁面的吸附能力。該機(jī)器人是由舵機(jī)和機(jī)械裝置組成，在傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的控制下，沿著一定的角度和方向交替伸縮，并結(jié)合電磁閥和真空泵實(shí)現(xiàn)爬墻功能，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，且有很好的可控性，可以適用于不同的工作環(huán)境。

1多吸盤式爬壁機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組成

本多吸盤式爬壁機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器、氣泵、電磁閥、舵機(jī)、無線攝像頭等部分構(gòu)成。

1.1系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

在爬壁機(jī)器人研究中，對(duì)機(jī)器人靈活性和穩(wěn)定性的研究一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)。本設(shè)計(jì)為了增大機(jī)器人的靈活性和穩(wěn)定性，在控制策略及結(jié)構(gòu)上采用了雙足，一足三個(gè)吸盤的形式。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)由一塊MC9S12XS128主控，一個(gè)無線攝像頭，兩個(gè)微型氣泵，兩個(gè)微型電磁閥，三個(gè)繼電器，若干長(zhǎng)氣管，四個(gè)舵機(jī)，六個(gè)吸盤，一塊12V電池，支撐體及各電路模塊組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1所示。

1.2控制器組成

控制器由飛思卡爾（MC9S12XS128）單片機(jī)芯片為主控，對(duì)吸附裝置、電磁閥、舵機(jī)、攝像頭等進(jìn)行控制。具體過程為：機(jī)器人利用其腳（吸盤）與接觸物之間存在的內(nèi)外壓差使其能吸附在接觸物的表面。當(dāng)腳與接觸物接觸時(shí)，主控控制兩個(gè)微型氣泵同時(shí)吸氣，兩腳吸附。若機(jī)器人向上行動(dòng)，主控控制其中一個(gè)微型氣泵吸氣則一腳吸附，另一只腳（吸盤）與大氣相通，使其懸空，同時(shí)通過舵機(jī)作用使軀體向上翻動(dòng)，至腳（吸盤）吸附穩(wěn)定為止。循環(huán)往復(fù)完成向前行進(jìn)的爬行過程。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2所示。

2多吸盤爬壁機(jī)器人硬件選擇及電路設(shè)計(jì)

2、1飛思卡爾（MC9S12XS128）單片機(jī)

MC9S12XS128是一個(gè)16位器件。該器件包括大量的片上存儲(chǔ)器和外部I/O口。包括1個(gè)SPI模塊，8路16位計(jì)數(shù)器，1個(gè)CAN總線模塊，4個(gè)外部中斷，8路PWM，112管腳。

2、2穩(wěn)壓部分電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路輸入為12V，輸出為8V和5V。以滿足系統(tǒng)中對(duì)氣泵的12V供電，舵機(jī)的8V供電，主控等其他部分的5V供電。

2、3無線wifi視頻傳輸系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)所用無線wifi視頻傳輸系統(tǒng)是利用 WIFI 原理，通過算法把視頻信號(hào)采集后，通過 WIFI 模塊把視頻傳輸?shù)诫娔X上，電腦的軟件，接收信號(hào)，再經(jīng)過JPEG視頻編解碼技術(shù)處理后變成實(shí)時(shí)視頻。

2、4氣流控制系統(tǒng)

氣流控制系統(tǒng)由氣泵和電磁閥組成，其中氣泵為KVP04-1.1-12V微型真空泵，屬于12V直流無刷隔膜氣泵，它是根據(jù)容積式泵的原則設(shè)計(jì)而成。它真空度可達(dá)-40kPa，對(duì)比大氣壓可形成90kPa的相對(duì)真空度。具有壽命長(zhǎng)、低噪聲的特點(diǎn)，重量約為40g。

所用的電磁閥為OKD-0512B型直動(dòng)式電磁閥，超小體積，直徑僅有12.2mm。主要工作原理是利用電磁線圈產(chǎn)生電磁力的作用，推動(dòng)閥芯切換，實(shí)現(xiàn)氣流的通或斷。

2、5吸盤

吸盤是機(jī)器人和墻面的直接接觸機(jī)構(gòu)，不同的吸盤對(duì)機(jī)器人的荷載和穩(wěn)定性有很大的影響。吸盤的選擇要考慮到吸附對(duì)象和受力情況，可估算如下：

理論吸吊力： （1）

吸盤面積： （2）

式中W——吸吊力（N）；P——真空度（kPa）；S——吸盤面積（cm2）；t——安全系數(shù)，水平懸吊：4以上；垂直懸吊：8以上。

吸吊力要略大于整個(gè)機(jī)身的重量，可以用計(jì)算法求吸盤直徑。在本設(shè)計(jì)中，工件質(zhì)量約為1.5kg（比實(shí)際質(zhì)量略大），即吸吊力約為14N，設(shè)計(jì)的吸盤總數(shù)為6 個(gè)，真空度為-40kPa。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，最少吸附的吸盤量是3個(gè)，所以要滿足這時(shí)的吸附需要，則平均每個(gè)吸盤的吸吊力為4.7N，因?yàn)槭谴怪钡?，安全系?shù)需要選擇為8，計(jì)算可得，應(yīng)選直徑34.6_以上吸盤，在此選用直徑40mm的吸盤。

3控制軟件程序設(shè)計(jì)

在機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)上，運(yùn)用了主控芯片上的部分外部I/O口和4路通道的脈沖寬度調(diào)制模塊（PWM）。通過單片機(jī)對(duì)舵機(jī)直接控制以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙足關(guān)節(jié)的控制。在氣動(dòng)裝置中設(shè)置電磁閥裝置，使主控能夠控制氣泵的開與關(guān)。單片機(jī)I/O 口輸出的PWM信號(hào)控制舵機(jī)，普通I/O負(fù)責(zé)輸出信號(hào)控制繼電器的通斷進(jìn)而控制氣泵。單片機(jī)通過定時(shí)器產(chǎn)生多路PWM信號(hào)用于控制舵機(jī)，該舵機(jī)的有效受控PWM信號(hào)周期為20ms，占空比的范圍在1/20？2/20。程序通過計(jì)數(shù)中斷將舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行等分，從而控制整個(gè)機(jī)械足的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械足運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，改變控制電磁閥的信號(hào)匹配機(jī)械足工作。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)在測(cè)試過程中，一切運(yùn)行正常，能夠正常實(shí)現(xiàn)壁面、天花板的翻滾式走動(dòng)，地面的腳步式走動(dòng)和實(shí)現(xiàn)攝像及視頻傳輸功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人可以靈活的實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，相比其他爬壁機(jī)器人，此機(jī)器人具有移動(dòng)便捷，速度快，制作成本低，小巧并且可擴(kuò)展空間大等特點(diǎn)。

5結(jié)論

本文對(duì)多吸盤式爬壁機(jī)器人的硬件制作、電路原理以及軟件控制原理都做出了系統(tǒng)的介紹，系統(tǒng)結(jié)合了硬件模擬電路控制和單片機(jī)程序控制兩種方式，又采用了靈活性較高的雙足控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)，先經(jīng)過模擬電路初步調(diào)節(jié)，再通過單片機(jī)程序軟件逐步精細(xì)優(yōu)化，在測(cè)試過程中，表現(xiàn)出了穩(wěn)定、靈活、高效的特點(diǎn)，若能夠用在諸如噴漆、擦窗、消防等作業(yè)場(chǎng)所，則將大大節(jié)約人力資源，具有廣闊的應(yīng)用前景、研究和市場(chǎng)價(jià)值。

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