立式金屬罐足式爬壁機器人的設計

方杰，佟仕忠，付貴增

（遼寧石油化工大學 遼寧 撫順 113001）

近20年來，隨著國內和國外對爬壁機器人的需求不斷增加，爬壁機器人的研究得到很大的發展。爬壁機器人一般必須具備兩個基本功能：吸附功能和移動功能[1]。針對立式金屬罐爬壁機器人[2]，吸附方式主要采用磁力吸附，移動方式主要采用輪式或者履帶式。當金屬罐的表面有縫隙或者凹陷時，采用輪式或者履帶式爬壁機器人的磁力座的磁力隨壁面和磁鐵之間的間距的增大而呈急劇減小，導致爬壁機器人的傾覆，這樣爬壁機器人的安全性就得不到保障。

為了實現立式金屬罐表面的檢測作業，研究設計了一種足式爬壁機器人。其越障能力能達到20 mm，運動時負重能力能夠達到150 N，靜止時負載能力達到1 000 N。

1 機器人的機械結構設計

1.1 機器人的總體結構

本爬壁機器人使用600 mm*300 mm的鋁板作為承載平臺，以4只仿生足作為支撐和主要運動支架。爬壁機器人的總體結構如圖1所示。仿生足位于立方體側下端，平均分布于鋁板的4個方向，前后兩個仿生足固定在機械平臺上，中間兩個仿生足銜接在滑塊上，通過傳送帶的運動帶動中間兩個仿生足的移動。仿生足分為兩部分：上半部分主要是一個推桿電機，能夠控制仿生足的伸縮；下半部分主要是吸附部分；中間兩個仿生足通過兩個齒輪銜接在滑塊上，通過電機控制齒輪的旋轉，從而控制爬壁機器人的運動方向。銜接部分有180°的自由度，爬壁機器人可以向任意方向運動。

1.2 磁力座

磁力座的結構如圖2所示，其采用的是第三代[3]稀土永磁釹鐵硼。鐵釹硼磁性能極高，能吸起相當于自身重量640倍的重物。釹鐵硼磁鐵的機械性能比釤鈷磁鐵和鋁鎳鈷磁鐵都好，更易于切割和鉆孔及復雜形狀加工。

圖2 磁力座的機械結構簡圖Fig.2 Mechanical structure diagram of magnetic block

本永磁體的磁力是可控的，當嵌入永磁體的旋轉軸的角度為0°（設定嵌入部分旋轉軸豎直方向為0°，水平方向為90°）時，永磁體的吸附力為0，當角度為90°時，永磁體的吸附力處于最大值。在0°和90°方向設置兩個限位開關，通過旋轉軸的轉動控制永磁體的吸附與斷開。

1.3 運動規劃

爬壁機器人的運動示意圖如圖3所示。機器人在爬行過程中至少兩個仿生足吸附在金屬罐壁面上，才能保證機器人吸附在金屬罐壁面上而不顛覆。

圖3 爬壁機器人的運動示意圖Fig.3 Movement diagram of wall-climbing robot

圖3（A）-（F）展示爬壁機器人向上運動全過程。 圖 3（A）表示機器人處于初始狀態推桿電機的推桿達到最大行程。四足全部處于吸附狀態。圖3（B）-（C）表示中間兩個永磁體不吸附，收縮仿生足并通過傳送帶帶動仿生足前進。圖3（D）-（E）中間仿生足伸長并吸附，前后兩仿生足不吸附并收縮。圖3（F）中間支撐點固定，平臺前進，前后仿生足伸長并吸附，爬壁機器人回到初始狀態。

圖3（a）-（f）展示爬壁機器人旋轉運動過程。圖 3（b）-（c）中間仿生足不吸附，收縮中間仿生足，然后旋轉中間仿生足。圖3（d）中級仿生足伸長吸附，前后仿生足不吸附并收縮。圖3（e）-（f）中間支撐點固定，平臺旋轉，然后前后仿生足伸長并吸附。

2 爬壁機器人的控制結構設計

2.1 總體方案設計

爬壁機器人控制系統主要由單片機，紅外遙控模塊，電源模塊，驅動模塊組成。紅外遙控模塊主要負責遙控爬壁機器人的運動；攝像頭模塊負責金屬罐壁面信息的采集；各模塊之間的關系如4所示。

圖4 系統總體結構Fig.4 System architecture

2.2 遙控模塊

紅外遙控模塊主要完成對爬壁機器人的運動進行實時控制，由發送和接收兩個組成部分。發送端采用單片機將待發送的二進制信號編碼調制為一系列的脈沖序列[4]，通過紅外發射管發射紅外信號。紅外接收完成對紅外信號的接收、放大、檢波、整形，并解調出遙控編碼脈沖。紅外接收頭接收紅外信號[5]，它同時對信號進行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經單片機解碼并執行去控制相關對象。如圖5所示。

圖5 紅外通信原理圖Fig.5 Schematic of the infrared communication

紅外發射二極管采用IR204C-A，紅外接收二極管采用PT204-6B。SAA3010是飛利浦公司設計的通用紅外遙控系統的紅外發射器電路[6]。SAA3010使用單級開關鍵盤，可產生2048條不同指令。SAA3010紅外遙控發射集成電路具有低電源電壓工作、雙相傳送技術、串聯諧振和誤碼率低等特點。BC7210是一款低成本通用紅外遙控解碼芯片，可以完成目前應用最廣泛的多種紅外遙控編碼的解碼，其可選擇并行或者串行解碼輸出，兼容SPI及UART的串行輸出，采用數字濾波技術，高抗干擾，無誤碼。

2.3 攝像頭模塊

攝像頭模塊主要通過現場攝像頭來實現。現場的攝像頭進行視頻采集后的信息，經過傳輸和處理后在監視器上進行顯示，從而達到實時監控的目的。

3 系統軟件設計

整個控制系統通過紅外遙控器接收來自控制系統的指令，根據該指令控制爬壁機器人各種電機的協調運轉，從而保證爬壁機器人能夠按照預期的設想在金屬罐壁面上實現前進、后退和轉向。系統中，首先初始化保證爬壁機器人4只仿生足都能吸附在金屬罐壁面上，然后根據發送的控制指令，來執行前進、后退、旋轉、停止等動作。當爬壁機器人到達預定的區域時，啟動攝像頭工作，開始拍照，采集金屬罐壁面圖像。當接收到停止指令時，爬壁機器人暫停運轉，等待接收下一個指令。當任務完成時，機器人結束任務。系統控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統控制流程圖Fig.6 System control flowchart

4 結 論

文中介紹了一種足式爬壁機器人的機械結構和運動過程。通過一體化的設計，不僅降低了機器人的體積和重量，還提高了其驅動效率。實踐表明：立式金屬罐足式爬壁機器人具有結構簡單、可靠性高、功耗低、越障能力強、負載能力強等優點。

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