林建勇

（山東理工大學(xué)，山東 淄博255000）

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能機(jī)器人已經(jīng)涉及到生活的各個領(lǐng)域。為了滿足垂直平面作業(yè)、橋梁設(shè)計(jì)以及建筑勘測等行業(yè)的高空作業(yè)需求，爬壁機(jī)器人一直是國內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點(diǎn)[1]。目前爬臂機(jī)器人采用氣動以及負(fù)壓吸附方式，利用仿生學(xué)的原理實(shí)現(xiàn)在垂直平面上的運(yùn)動，缺點(diǎn)是機(jī)動性能較差；輪式磁吸爬壁機(jī)器人是利用磁力吸附保證機(jī)器人吸附在垂直平面，靈活性強(qiáng)，缺點(diǎn)是適用范圍較少，具有一定的局限性[2]。本文主要結(jié)合氣體壓力差吸附的工作原理配合輪式傳動的運(yùn)動特性，設(shè)計(jì)出了適應(yīng)范圍廣、可沿固定軌跡運(yùn)動的爬壁機(jī)器人。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動方式設(shè)計(jì)

根據(jù)垂直墻面需求與配置的不同，往往選用不同的運(yùn)動行進(jìn)方式。目前主流的運(yùn)動行進(jìn)方式有輪式運(yùn)動、履帶式運(yùn)動、多足爬壁式運(yùn)動等。輪式爬壁機(jī)器人主要運(yùn)用滾輪摩擦推動進(jìn)行前進(jìn)運(yùn)動，具有移動速度快、可靠性強(qiáng)的行進(jìn)特點(diǎn)；履帶式運(yùn)動主要依靠接地履帶與墻面之間的相互作用力，推動爬壁機(jī)器人的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向，其特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的越障能力與自鎖能力，但是行進(jìn)緩慢。多足爬壁機(jī)器人是利用仿生學(xué)的原理，通過足部吸盤吸附，關(guān)節(jié)處采用電機(jī)通過齒輪運(yùn)動，其特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)各種不同的復(fù)雜墻面[3]。為保證爬壁機(jī)器人具有較強(qiáng)的機(jī)動性能與靈活性，本文采用傳統(tǒng)輪式傳遞運(yùn)動，通過輪胎與墻面之間的摩擦力提供前進(jìn)的動力。

2.2 吸附方式設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人的吸附方式目前有負(fù)壓吸附、電磁吸附等，負(fù)壓吸附方式主要依靠真空發(fā)生器，通過真空泵不斷抽取爬壁機(jī)器人內(nèi)部的空氣，從而保持空腔內(nèi)部的負(fù)壓。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)配以密封裝置以保證爬壁機(jī)器人有足夠的摩擦力去提供爬壁機(jī)器人的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向。永磁鐵吸附是依靠安裝在履帶上的永磁吸附塊吸附來提供前進(jìn)的摩擦力，在前進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動時履帶的第一塊磁鐵脫離壁面的同時，最后一塊磁鐵吸附壁面，這樣周而復(fù)始運(yùn)動傳遞，進(jìn)而完成爬壁機(jī)器人的運(yùn)動[4]。為了使爬壁機(jī)器人適應(yīng)多種垂直平面以及具有較高的機(jī)動性能，本文采用負(fù)壓吸附配合輪式運(yùn)動的總體設(shè)計(jì)。為了使爬壁機(jī)器人底盤更加貼合垂直墻面，故采用體積較小的N20 自鎖減速電機(jī)，底盤與墻面之間采用橡膠貼密封，用以最大限度地制造真空環(huán)境，因橡膠貼具有延展性，故可在壓力差的作用下貼緊墻面以適應(yīng)多種平面。真空發(fā)生器采用QF1611-7000KV無刷電動涵道風(fēng)機(jī)，通過風(fēng)機(jī)不斷地將密封底盤內(nèi)的氣體抽走，使密封底盤內(nèi)的氣體氣壓小于外界大氣壓，風(fēng)機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動，形成壓力差，進(jìn)而形成負(fù)壓吸附的環(huán)境[5]。

2.3 硬件連接

爬壁機(jī)器人的硬件部分主要采用arduino mega2560 R3 開發(fā)板、2200 毫安40C 航模電池、L298N 驅(qū)動模塊，12V 的N20 自鎖減速電機(jī)、無刷電動涵道風(fēng)機(jī)、無刷電調(diào)、數(shù)字量灰度傳感器等。主要連接方式如圖1。

圖1 爬壁機(jī)器人硬件連接圖

爬壁機(jī)器人整車采用12V 航模電池供電。控制部分采用arduino mega2560 控制板，arduino 開發(fā)平臺是目前較為流行的開發(fā)平臺，具有使用簡單、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)，可與多種傳感器進(jìn)行連接組合[6]。數(shù)字量灰度傳感器是本車的光敏循跡模塊，數(shù)字量灰度傳感器相較于模擬量灰度傳感器具有更高的靈敏度與準(zhǔn)確性，灰度傳感器的工作原理是利用不同顏色的平面對光的反射程度的靈敏度不同而進(jìn)行檢測，能夠靈敏地感應(yīng)爬行平面反饋的顏色灰度信息，便于爬壁機(jī)器人自主沿著規(guī)定的軌跡運(yùn)動。爬壁機(jī)器人采用N20減速自鎖電機(jī)構(gòu)成運(yùn)動系統(tǒng)，主要在于其體積小、減速比大。體積小可以有效的減小避免與爬壁機(jī)器人底盤之間的空隙，有利于更好的創(chuàng)造真空環(huán)境，減速比大可以有效的提供運(yùn)動所需要的轉(zhuǎn)矩。N20 減速電機(jī)通過L298N驅(qū)動模塊驅(qū)動，并由arduino mega 主控板控制。根據(jù)爬壁機(jī)器人的灰度傳感器所檢測到的爬行軌跡的位置信息，arduino主控板發(fā)送給電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速信號，進(jìn)而控制爬壁機(jī)器人可以按照特定路線自主前進(jìn)。無刷涵道風(fēng)機(jī)主要通過無刷電子調(diào)速器，由arduino主控板發(fā)送PWM信號控制，通過無刷涵道風(fēng)機(jī)的快速旋轉(zhuǎn)，不斷抽取底盤與壁面之間的空氣，進(jìn)而創(chuàng)造負(fù)壓環(huán)境使得爬壁機(jī)器人能夠吸附在壁面上，風(fēng)機(jī)的速度控制是通過人為調(diào)節(jié)電位器的大小來進(jìn)行選擇，可根據(jù)不同平面給予風(fēng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速以便適應(yīng)多種垂直平面的工作情況。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體程序設(shè)計(jì)。爬壁機(jī)器人可以根據(jù)灰度傳感器智能判斷路線并沿著規(guī)定軌跡運(yùn)動，其軟件程序設(shè)計(jì)主要如圖2 所示。

圖2 爬壁機(jī)器人程序控制流程

將硬件連接好的爬壁機(jī)器人放在垂直平面上，首先通過人為調(diào)節(jié)電位器使無刷電動涵道風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，電位器作為風(fēng)機(jī)的模擬開關(guān)，通過電位器調(diào)節(jié)模擬輸入的值，arduino主控板根據(jù)電位器的模擬輸入值調(diào)節(jié)對風(fēng)機(jī)的模擬輸出PWM值，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度大小。通過風(fēng)機(jī)不斷抽取內(nèi)部空氣，使得爬壁機(jī)器人底盤與壁面之間產(chǎn)生負(fù)壓環(huán)境進(jìn)而吸附在垂直平面。若風(fēng)機(jī)沒有啟動，則爬壁機(jī)器人不會運(yùn)動。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常啟動并可以使得爬壁機(jī)器人可以穩(wěn)定地吸附在壁面上之后，灰度傳感器會自動檢測是否具有前進(jìn)路線的反饋信息，當(dāng)檢測到前進(jìn)路線，爬壁機(jī)器人便會在arduino mega 主控板的控制下，通過L298N驅(qū)動模塊控制爬壁機(jī)器人前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，前進(jìn)的同時灰度傳感器會不斷檢測路線，并采用多路灰度傳感器循跡的算法，根據(jù)前傳感器的返回值，判斷小車的與路線的相對位置關(guān)系，進(jìn)而可以調(diào)用相應(yīng)的位置處理函數(shù)[7]，通過不同位置的灰度反饋與對應(yīng)的位置處理函數(shù)，arduino 主控板會自動調(diào)節(jié)PWM的占空比來控制爬壁機(jī)器人的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向運(yùn)動。

3.2 轉(zhuǎn)向程序設(shè)計(jì)。爬壁機(jī)器人在壁面的運(yùn)動性能是評價(jià)爬壁機(jī)器人性能好壞的一個重要指標(biāo)，在運(yùn)動特性中轉(zhuǎn)向控制是最關(guān)鍵的一部分。本文中的爬壁機(jī)器人采用的是差速控制，差速控制的優(yōu)點(diǎn)在于其轉(zhuǎn)向控制靈活，通過四個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速控制便可以完成不同位置的轉(zhuǎn)動以及原地旋轉(zhuǎn)。差速轉(zhuǎn)向控制因其控制簡單、操作靈活、被廣泛的應(yīng)用于智能車的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)。爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)速控制主要是通過arduino主控開發(fā)板產(chǎn)生不同的PWM占空比進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)按照不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)動。PWM波是通過單片機(jī)編程經(jīng)脈寬調(diào)制專用芯片輸出，PWM調(diào)速對外界干擾有較大的抵抗力，可以通過調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)寬調(diào)頻三種方法改變PWM脈沖占空比，PWM調(diào)速也因其控制方式簡單，對干擾的抵抗力較強(qiáng)，被廣泛的用于電機(jī)的速度調(diào)節(jié)過程中[8]。爬壁機(jī)器人的速度與轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)邏輯如表1。

表1 爬壁機(jī)器人電機(jī)控制信號邏輯表

L298N驅(qū)動模塊具有4 個輸入引腳，2 個使能引腳以及4 個輸出引腳。通過雙H 橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片控制，采用12V電壓供電。其中IN1、IN2、IN3、IN4 分別為L298N驅(qū)動模塊的數(shù)字輸入，表格中PWM1 與PWM2 分別代表ENA1 與ENA2，PWM1 與PWM2 的作為模擬輸入接口。L298N驅(qū)動模塊的這六個引腳與arduino主控板相連，通過使用arduino主控板改變6 個引腳信號的輸入邏輯來控制L298N的輸出，進(jìn)而控制4 個N20 電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)動。通過灰度傳感器的位置反饋信號調(diào)用對應(yīng)的位置處理函數(shù)，對應(yīng)的位置處理函數(shù)對應(yīng)相應(yīng)的輸入邏輯信號。經(jīng)過arduino主控板的程序處理便可以實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向操作。

4 結(jié)論

本文通過對爬壁機(jī)器人進(jìn)行吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整體程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人在多種壁面環(huán)境下的工作運(yùn)動。通過灰度傳感器對路線位置的反饋，可實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人沿著特定軌跡路線進(jìn)行運(yùn)動，控制系統(tǒng)采用成本較低arduino開發(fā)板，整體成本低廉，具有良好的應(yīng)用價(jià)值與市場前景。