新型多吸盤式爬壁機器人

馮華林+劉昊陽+劉祖機+彭茂

摘要：由于城市中的高層建筑越來越多，因此對戶外玻璃的清洗、對高層墻體表面的檢測等工作越來越困難，本文討論了一種雙足爬壁機器人，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，再通過轉動裝置的作用使之能向各個方向移動。通過對該機器人實際調試，實現了機器人在壁面靈活的行走和視頻穩定的傳輸與顯示。具有安全系數高，移動便捷，制作成本低，小巧且可擴展空間大等特點。

關鍵字：爬壁機器人；多足式；真空吸盤

中圖分類號： TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

近年來，我國城市面貌發生了翻天覆地的變化，高層建筑拔地而起，不僅節約了土地資源，也使城市面貌煥然一新，成為城市現代化水平的重要標志之一。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。爬壁機器人作為機器人的一個分支，把地面移動機器人和吸附技術有機結合起來，是在惡劣、極限、危險等情況下進行點檢、維護、救援等特定作業，并能攜帶工具完成一定的作業任務的一種智能機械裝置。

然而傳統的吸盤式爬壁機器人大都為單吸盤型，具有相當大的局限性。當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力下降，承載能力降低?；诖藛栴}設計一種新型多吸盤式爬壁機器人。這種機器人的機械足前端都有三個具有一定獨立活動能力的吸盤，在相對粗糙的平面運動時，總有一個吸盤能吸附于壁面，增強了在凹凸不平壁面的吸附能力。該機器人是由舵機和機械裝置組成，在傳動與控制系統的控制下，沿著一定的角度和方向交替伸縮，并結合電磁閥和真空泵實現爬墻功能，它的結構簡單，質量輕，且有很好的可控性，可以適用于不同的工作環境。

1多吸盤式爬壁機器人系統設計和組成

本多吸盤式爬壁機器人系統是由機械結構、控制器、氣泵、電磁閥、舵機、無線攝像頭等部分構成。

1.1系統機械結構

在爬壁機器人研究中，對機器人靈活性和穩定性的研究一直是重點和難點。本設計為了增大機器人的靈活性和穩定性，在控制策略及結構上采用了雙足，一足三個吸盤的形式。整個機械結構由一塊MC9S12XS128主控，一個無線攝像頭，兩個微型氣泵，兩個微型電磁閥，三個繼電器，若干長氣管，四個舵機，六個吸盤，一塊12V電池，支撐體及各電路模塊組成。機械結構示意圖如圖1-1所示。

1.2控制器組成

控制器由飛思卡爾（MC9S12XS128）單片機芯片為主控，對吸附裝置、電磁閥、舵機、攝像頭等進行控制。具體過程為：機器人利用其腳（吸盤）與接觸物之間存在的內外壓差使其能吸附在接觸物的表面。當腳與接觸物接觸時，主控控制兩個微型氣泵同時吸氣，兩腳吸附。若機器人向上行動，主控控制其中一個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，同時通過舵機作用使軀體向上翻動，至腳（吸盤）吸附穩定為止。循環往復完成向前行進的爬行過程。系統控制結構框圖如圖1-2所示。

2多吸盤爬壁機器人硬件選擇及電路設計

2、1飛思卡爾（MC9S12XS128）單片機

MC9S12XS128是一個16位器件。該器件包括大量的片上存儲器和外部I/O口。包括1個SPI模塊，8路16位計數器，1個CAN總線模塊，4個外部中斷，8路PWM，112管腳。

2、2穩壓部分電路設計

本系統所設計穩壓電路輸入為12V，輸出為8V和5V。以滿足系統中對氣泵的12V供電，舵機的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

本設計所用無線wifi視頻傳輸系統是利用 WIFI 原理，通過算法把視頻信號采集后，通過 WIFI 模塊把視頻傳輸到電腦上，電腦的軟件，接收信號，再經過JPEG視頻編解碼技術處理后變成實時視頻。

2、4氣流控制系統

氣流控制系統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，它是根據容積式泵的原則設計而成。它真空度可達-40kPa，對比大氣壓可形成90kPa的相對真空度。具有壽命長、低噪聲的特點，重量約為40g。

所用的電磁閥為OKD-0512B型直動式電磁閥，超小體積，直徑僅有12.2mm。主要工作原理是利用電磁線圈產生電磁力的作用，推動閥芯切換，實現氣流的通或斷。

2、5吸盤

吸盤是機器人和墻面的直接接觸機構，不同的吸盤對機器人的荷載和穩定性有很大的影響。吸盤的選擇要考慮到吸附對象和受力情況，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，水平懸吊：4以上；垂直懸吊：8以上。

吸吊力要略大于整個機身的重量，可以用計算法求吸盤直徑。在本設計中，工件質量約為1.5kg（比實際質量略大），即吸吊力約為14N，設計的吸盤總數為6 個，真空度為-40kPa。機器人運動過程中，最少吸附的吸盤量是3個，所以要滿足這時的吸附需要，則平均每個吸盤的吸吊力為4.7N，因為是垂直吊，安全系數需要選擇為8，計算可得，應選直徑34.6_以上吸盤，在此選用直徑40mm的吸盤。

3控制軟件程序設計

在機器人的程序設計上，運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制模塊（PWM）。通過單片機對舵機直接控制以實現機器人雙足關節的控制。在氣動裝置中設置電磁閥裝置，使主控能夠控制氣泵的開與關。單片機I/O 口輸出的PWM信號控制舵機，普通I/O負責輸出信號控制繼電器的通斷進而控制氣泵。單片機通過定時器產生多路PWM信號用于控制舵機，該舵機的有效受控PWM信號周期為20ms，占空比的范圍在1/20？2/20。程序通過計數中斷將舵機轉動角度進行等分，從而控制整個機械足的運動，機械足運動的同時，改變控制電磁閥的信號匹配機械足工作。

4實驗結果

本系統在測試過程中，一切運行正常，能夠正常實現壁面、天花板的翻滾式走動，地面的腳步式走動和實現攝像及視頻傳輸功能。實驗結果表明，該機器人可以靈活的實現移動功能，相比其他爬壁機器人，此機器人具有移動便捷，速度快，制作成本低，小巧并且可擴展空間大等特點。

5結論

本文對多吸盤式爬壁機器人的硬件制作、電路原理以及軟件控制原理都做出了系統的介紹，系統結合了硬件模擬電路控制和單片機程序控制兩種方式，又采用了靈活性較高的雙足控制的機械結構，先經過模擬電路初步調節，再通過單片機程序軟件逐步精細優化，在測試過程中，表現出了穩定、靈活、高效的特點，若能夠用在諸如噴漆、擦窗、消防等作業場所，則將大大節約人力資源，具有廣闊的應用前景、研究和市場價值。

參考文獻

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