負壓式機器人設計

山東淄博實驗中學2015級26班 許云倩

山東理工大學機械工程學院 王營博

負壓式機器人設計

山東淄博實驗中學2015級26班 許云倩

山東理工大學機械工程學院 王營博

本文根據負壓吸附原理設計了可自行爬壁的機器人，其樣機能從地面直接爬上垂直墻壁，并可以通過無線遙控控制其在墻面上自由移動。

負壓吸附；驅動控制電路；無線遙控系統

0 綜述

爬壁機器人屬于特種作業機器人的一種[1]。按照負壓原理，設計了一種小型化、功能簡單的爬壁機器人，其樣機采用負壓風扇吸附，直流步進電機驅動，齒輪嚙合方式傳動，無線遙控控制方式，并通過TX-2B/RX-2B無線遙控接收芯片，LM7805集成穩壓電源等器件的應用初步探討了無線遙控發射機、接收機的工作原理和新型H橋電路對直流電機正反轉的控制。所研制的樣機在功能上可實現自動爬壁、并完成直角轉彎和前進等運動的無線控制，在功率驅動能力上達到了機器人自由運動的要求。

1 工作原理及參數設計

結合國內外小型負壓爬壁機器人的發展概況及其特點，可以看出爬壁機器人設計時的幾個關鍵指標為：重量、傾覆力矩、密封性能、單位能耗、噪聲[2]。

爬壁機器人可以利用地面式機器人的工作原理，但要能在垂直壁面上移動并且穩定工作，必須克服自身的重力，需要產生足夠的吸附力來完成吸附功能，同時也應盡量采用輕質材料，減輕本體重量[6]，使其重心下降來增強機器人的穩定性。

圖1 爬壁機器人受力圖

圖2 輪式分布圖

爬壁機器人靠負壓裝置產生的吸附力F負吸附在墻上的。機器人爬壁的動力是由車輪和壁面之間的摩擦力提供的，而摩擦力的大小與摩擦系數和正壓力有關。圖1為爬壁機器人的受力圖。爬壁機器人靜止在壁面上時，力平衡方程為：

爬壁機器人本體在壁面上不傾覆的條件是：∑M≥0，即：

其中L1為機器人的重心與壁面間的距離，H2、H1分別為車輪到機器人重心的垂直距離。

機器人在壁面上能可靠吸附，必須滿足即：

在設計爬壁機器人時，應盡可能使機器人的重心接近壁面，并盡量錯開車輪之間的距離，吸盤的形狀應盡量成扁平狀，這樣有利吸附。

2 機械部分設計

2.1 移動方式設計

該機器人采用輪式移動的方式，因為運動速度快，控制簡單。通過選用摩擦系數大的輪子可以克服打滑的缺點。普通的輪式移動機構一般有三個輪、四個輪。三輪移動機構原理簡單，但在較長距離移動時，兩車輪的直徑差會影響到前進的方向。根據以上分析，本文采用四個輪，如圖2所示為輪式分布圖，左右兩后輪采用獨立驅動，兩側的輪都為同步傳動，車體靠兩側的速度差來控制機器人的方向。采用這種方式還可以使機器人在小范圍內實現轉向。機器人轉向通過輪速差來實現，使四個輪子都是主動輪，所受的壓力均等而且越障性能好，增加了機器人的驅動能力（見圖2）。

2.2 吸附裝置設計

為保證機器人吸附在墻面上的重要部件，由吸盤外殼、負壓發生裝置、密封圈組成。當電機轉動帶動風扇葉輪旋轉時，機器人體內葉片周圍形成了一定的負壓，達到吸附的目的。

3 爬壁機器人控制系統設計

3.1 電源的選取

為了減輕機器人的重量，將吸附裝置和移動裝置的電源統一，采用同一個電池供電，可充分發揮電池的能量，并減輕了機器人的重量。而在本系統中涉及到兩個電壓供電的問題，系統在信號處理部分需要有5V電壓，而風扇電機、輪式電機都需7V電壓。因此在系統中采用7805集成電源模塊來得到5V電壓。LM7805可以使高于5V的電壓轉化為恒定的5V電壓，保證邏輯電路部分電源的穩定性。具體的電路設計情況參照系統的總體電路圖。

3.2 無線遙控的選擇

由于無線電遙控具有迂回性和曲折性，只要在有效的距離范圍內，可以不受方向和障礙物的限制，所以本文采用無線電遙控方式控制。選擇TX-2B/RX-2B芯片作為方案一，PT2262/PT2272芯片作為方案二，因為相應的TX-2B/RX-2B和PT2262/PT2272無線遙控芯片采用了低發射功率、靈敏度高，該模塊使得遙控電路十分簡潔。

3.3 爬壁機器人電路的設計

TX-2B是一款帶地址、數據編碼功能的無線遙控發射芯片，其外觀引腳如圖3所示，發射芯片TX-2B集成發射單元，使發射電路十分簡潔。RX-2B與TX-2B配對使用，RX-2B為接收芯片。

3.4 電機驅動與控制設計

無線遙控爬壁機器人的移動是由兩個直流電機來驅動的。當發射機發出信號，接收機接收后輸出指令，但該指令信號太弱并不能直接來驅動電機。這就需有一個重要的電機驅動環節。H橋電機控制電路如圖4所示，該機器人的移動只是對電機的開關控制和正反轉控制。圖中電機和四個三極管構成一個H字母，所以這種控制叫做H橋控制。圖中Vcc為電機電源電壓 ，輸出端并聯電容C2，用于降低感性元件電機產生的尖峰電壓。

The design of negative pressure Wall-climbing robot is designed

Xu yunqian1Wang yingbo2
（1.shandong zibo experimental high school，Zibo 255000；2.School of Mechanical Engineering Shandong University Of Technology，Zibo 255049）

Wall-climbing robot is designed according to negative pressure suction principle of，The prototype can directly move to vertical wall from the ground and can be controlled by wireless remote control .

Negative pressure suction system；Driven control circuit；Non-wires Remote Contorl