基于STM32的爬墻機器人的設(shè)計

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(重慶交通大學, 重慶 400074)

0 引言

爬墻機器人一直是國內(nèi)外研究的一個熱點[1]，可以代替人進行高空作業(yè)，如高樓的清潔作業(yè)、地震救災(zāi)、大型船舶除銹和橋梁檢測等。目前，國內(nèi)外在爬墻機器人的研究上存在著一個關(guān)鍵性的技術(shù)難題，即機器人的吸附方式。在常見的吸附方式中，真空吸附原理是利用氣壓差，缺點是容易漏壓；鋼毛吸附原理是利用分子與分子之間的范德華力[2]，設(shè)計的機器人對重量要求很輕；磁力吸附的爬墻機器人只能應(yīng)用于導磁面[3]，該類機器人局限性大。

在此，采用真空吸附方式，研究了仿生學的相關(guān)理論[4]，參考了許多已有的仿生的機器人的研究，設(shè)計了一款六足機器人。

1 爬墻機器人機械結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的仿生機器人具備和自然界某些動物類似的行走方式，如華南理工大學研究的六足機器人模仿蜘蛛的行走姿態(tài)[5]，南京航空航天大學研究的四足機器人模仿壁虎的行走姿態(tài)及吸附方式[6]。前者是利用傳統(tǒng)的真空吸附方式，由于自由度比較多，用的驅(qū)動電機比較多，導致機器人本身較重，控制難度也增加了。后者采用鋼毛吸附，這是目前研究的一個熱點，但是由于技術(shù)不成熟，仿壁虎機器人的穩(wěn)定性不高，無法進行搭載質(zhì)量較重的設(shè)備進行作業(yè)。本文設(shè)計的機器人盡量減少機器人不必要的自由度，從而減少驅(qū)動電機的數(shù)量，降低控制難度，增強機器人的穩(wěn)定性。去除機器人上不必要的結(jié)構(gòu)，設(shè)計的機器人如圖1所示。

圖1 多足爬墻機器人3D模型

從圖1可以看出，機器人由走行大骨架、走行小骨架、垂向?qū)к?、橫向?qū)к墶?個步進電機、舵機和6個吸盤足組成。其中主要的結(jié)構(gòu)如走行大、小骨架都是用鋁合金，其他螺紋部件和支架用Q235。吸盤下面用大密度的海綿材料與墻面貼合，吸附效果好，漏壓可能性小，可以應(yīng)對多種粗糙的墻面。

機器人的走行的大、小骨架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為等邊三角形，即骨架上的3個腳之間的連線是1個等邊三角形。機器人運行時，首先，6只吸盤同時吸附在墻上，關(guān)閉小骨架上的控制電磁閥，使所有壓強轉(zhuǎn)到大骨架上的3個吸盤；接著，使小骨架遠離墻面，運行大骨架上的步進電機，使小骨架上或下運動；小骨架上或下移動一段距離后，使小骨架靠近墻面，打開電磁閥，使小骨架的3個吸盤吸附在墻面上；然后，移動大骨架使爬墻機器人向下或者向上移動。轉(zhuǎn)彎的時候，利用舵機先使小骨架轉(zhuǎn)一定角度，然后使大骨架轉(zhuǎn)動相同的角度。爬墻機器人的運行流程如圖2所示。

圖2 多足爬墻機器人運行流程

2 爬墻機器人真空吸附系統(tǒng)

采用真空吸附方式的機器人，通常采用2種方式抽真空，一種是機器人本身自帶抽真空裝置，另一種是通過外置抽真空裝置，通過管道排出吸盤里面的空氣。前者的不足之處是會使機器人重量增重，后者不足之處需要外置氣管。本文采用的是外置空壓機將壓縮空氣轉(zhuǎn)化為真空的方法，設(shè)計的吸附系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 真空吸附系統(tǒng)3D圖

空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣通過進氣管進來，通過三通接頭分別給3個真空發(fā)生器供氣，真空發(fā)生器與三通接頭相連。氣管出來與真空電磁閥相連。一共3個真空發(fā)生器，每個真空發(fā)生器負責排出2個吸盤里面的空氣從而產(chǎn)生真空。每個吸盤配備1個真空電磁閥，電磁閥通電狀態(tài)就會停止抽真空。每個吸盤連接處有1個氣體過濾器，防止抽真空的時候把墻面的雜質(zhì)給吸入管道。

真空發(fā)生器的原理是利用伯努利效應(yīng)，當氣體流動的速度加快時，氣體周圍的壓力會變小。真空發(fā)生器的原理如圖4所示。

圖4 真空發(fā)生器的原理

圖4中，壓縮空氣在管道內(nèi)形成高速氣流，使壓縮空氣管道上方管道壓強減小，從而將吸盤里面的氣體排出來，使吸盤吸附在墻面上。壓縮空氣流動的速度越快，真空發(fā)生器產(chǎn)生真空的能力越強。

3 爬墻機器人硬件設(shè)計

爬墻機器人的硬件部分主要分為電源、步進電機驅(qū)動、舵機控制電路、單片機時鐘電路、復位電路、無線模塊和傳感器控制電路。硬件電路的組成如圖5所示。

圖5 硬件電路組成

整個控制供電采用24 V開關(guān)電源供電。爬墻機器人通常采用2種供電方式，一種是自帶電源，另外一種是采用線路輸送。前者會增加機器人的重量，續(xù)航也會受到影響。后者因為要使用電線輸電，機器人的便攜性要大打折扣。無線模板采用的是NRF24L01，傳感器采用了陀螺儀和壓力傳感器，陀螺儀是直接通過單片機讀取數(shù)據(jù)[7]，壓力傳感器是通過比較傳感器的電壓來判斷吸盤的壓力是否工作在正在范圍內(nèi)。舵機和步進電機的控制，在滿足其規(guī)定的PWM頻率范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而控制舵機的角度和步進電機的快慢。STM32F103系列可以產(chǎn)生多達30路的PWM[8]，所以該芯片完全滿足控制要求。

4 爬墻機器人程序設(shè)計

機器人的程序設(shè)計主要分為自動控制模式、手動模式。

機器人的程序流程如圖6所示。自動控制模式只要根據(jù)連接好機器人的外部設(shè)備，并放到墻上，機器人就會根據(jù)設(shè)定的路線一步步的穩(wěn)定前行，需要停止的時候，通過上位機或者手柄發(fā)送停止或者終點指令。手動模式主要用于調(diào)試的時候，手動控制機器人的每一個動作，嚴格按照機器人機械結(jié)構(gòu)運行流程來操作。

圖6 多足爬墻機器人程序流程

自動控制模式涉及到軌跡規(guī)劃和避障。在軌跡規(guī)劃中，主要通過陀螺儀來讀取當前機器人的位置信息，然后生成機器人下一步的步態(tài)，機器人的行進距離是通過控制機器人步進電機的占空比來調(diào)整，旋轉(zhuǎn)的角度也是通過控制舵機PWM的占空比來調(diào)整。在避障模式中，對于吸盤吸合過程，檢測氣壓傳感器是否達到標定的數(shù)值，如果發(fā)現(xiàn)負壓不足，則使骨架移動相應(yīng)的距離，重新測定氣壓傳感器的數(shù)值。在自動控制模式中，通過上位機或者手柄發(fā)送停止模式，機器人在檢測處于穩(wěn)定吸附在墻面的情況下才會停止，停止后可以解除停止指令后繼續(xù)運行。發(fā)送終點指令后，執(zhí)行與停止指令相同的動作，但是不具備可恢復性，只能從程序的開始進行選擇模式。

5 結(jié)束語

設(shè)計了爬墻機器人，通過UG建模后進行樣機實驗，解決了實際爬行過程中的各類問題，如吸盤的材質(zhì)、空壓機功率的選擇等?？刂葡到y(tǒng)基于32位的STM32的F1系列處理器，執(zhí)行速度比傳統(tǒng)的8位和16位單片機更快。

[1] 謝浩.多足爬墻機器人運動控制及步態(tài)研究[D].廣州:華南理工大學,2015.

[2] 李言和，關(guān)陽．仿壁虎機器人地壁過度步態(tài)規(guī)劃與運動仿真 [J]．機電工程，2016，33(12)：1428-1435，1447.

[3] 張小松.輪式懸磁吸附爬壁機器人研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2012.

[4] 王國彪,陳殿生,陳科位，等.仿生機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機械工程學報，2015,51 (13)：27-44.

[5] 王曉豐.多足爬墻機器人運動協(xié)調(diào)控制方法研究[D]. 廣州:華南理工大學,2014.

[6] 楊斌,俞志偉,楊新海,等.仿壁虎機器人足端三維力采集系統(tǒng)研究[J].科學技術(shù)與工程,2016,16(32):75-79.

[7] 段棟棟．高精度MEMS陀螺儀的濾波算法研究[D]．成都:電子科技大學,2014.

[8] 劉軍,張洋,嚴漢宇.例說STM32[M].2版.北京:北京航空航天大學，2014.