一款履帶式多功能攀爬機器人的設計

方彥奎　劉立宇　陳俊同　葉佐鎮　李慶鴻　吳澤濱

摘要 履帶式多功能攀爬機器人的設計，主要是為了解決使用油漆對健康的危害及高樓光滑墻面清洗難的問題，從而代替人工作業。本設計采用履帶式的結構，采用真空泵給吸盤提供負壓并與履帶吸盤機械結構相結合，并利用WiFi232模塊對機器人進行無線遙控，控制吸盤交替吸附使機器人能夠吸附在光滑墻體上。將機器人的工作模塊與送料模塊分離設計，減輕機器人負載，送料模塊通過軟管將地面的油漆或清洗液送至吸附在光滑墻面上的工作模塊，從而實現機器人對于光滑墻面的粉刷或清洗功能。

關鍵詞 系統基本組成；工作原理；功能模塊的設計

中圖分類號 TP24 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）04—0002—02

1系統的基本組成及原理

履帶式多功能攀爬機器人由履帶式多功能攀爬機器人主體與地面液體供給裝置組成。其中壁面攀爬的機器人主體由吸盤及真空泵裝置、WiFi模塊、噴洗工作模塊、傳感器模塊及攝像頭裝置等組成。

工作原理：攀爬式粉刷清洗機器人通過電機驅動履帶向前運動，攀爬式粉刷清洗機器人吸盤貼合在光滑墻面上，由真空泵產生負壓，通過導管連接到吸盤吸嘴，吸盤與光滑墻面間的空氣被真空泵產生的負壓吸出，進而吸盤緊密貼合貼合墻面，完成車體吸附在墻面的工作流程。機器人主體搭載驅動電機、機器人粉刷工作模塊、探測與監控的傳感器，由核心STM32控制系統協調各模塊之間的工作。位于地面的供給裝置，將所需的清洗液、油料通過壓力泵輸送到車體工作模塊中，這樣減輕履帶式多功能攀爬機器人整體的重量，增加安全性與工作的穩定性。系統工作原理如圖1所示。

2功能模塊工作原理

2.1吸附裝置

吸附能力是壁面機器人的一個基本功能，也是區別于其他種類移動機器人的一個基本特征。吸附能力是爬壁機器人壁面適應能力的一個重要體現，研究吸盤負壓吸附特性是壁面適應性的重要組成部分。真空泵產生真空，使吸盤在與被吸物體接觸后形成一個臨時性的密封空間，通過抽走或者擠盡稀薄密封空間里面的空氣，從而產生吸盤的內外壓力差，在受到大氣壓的作用下使吸盤緊緊地壓在光滑墻面上，從而機器人具有承載力。吸盤通入空氣，由于內外氣壓要平衡，大氣對吸盤的壓力就會快速減小，最后吸盤失去吸附能力脫離墻面。這個原理與我們所使用的掛鉤吸盤吸附在墻上相似，只要用少量的力往光滑墻面上一按就可以把吸盤內的氣體出，吸盤產生變形，使得吸盤貼在光滑墻面上，吸盤內部處于真空狀態。而本設計采用真空泵抽氣的設計方案，利用產生負壓再通過軟管與吸盤連接，使吸盤與墻體接觸處變形從而吸盤緊貼墻體。

本設計吸盤工作的2種狀態，吸盤吸附墻體和吸盤脫離墻體。當固定在履帶的吸盤與墻體接觸時，形成臨時的密閉空間后，此時STM32系統控制電磁閥T1處于連通狀態、電磁閥T2處于封閉狀態，通氣口通氣，吸盤內部的空氣被抽走，吸盤內部的空氣壓力低于吸盤外部的大氣壓力，在外部壓力的作用下攀爬式機器人吸住墻體。電磁閥T2處于連通狀態、電磁閥T1處于封閉狀態，固定在履帶的吸盤與墻體分離，此時吸盤與墻體形成的臨時密閉空間的氣壓與外界連通，即吸盤內部的空氣壓力等于吸盤外部的大氣壓力，故吸盤與墻體分離。如圖2吸附流程圖所示。

2.2地面油液供給裝置

地面油液供給裝置主要由油料增壓裝置、油料暫存器、清洗液存儲器，車體等組成。該裝置的設計，使機器人工作模塊與油液供給模塊分開，最大程度減輕攀爬機器人的重量，提高了攀爬機器人的靈活性與工作穩定性。當地面油液供給裝置工作時，油料通過增壓裝置以一定壓力流向工作模塊的噴頭，壓力可根據油液的粘度進行調節，使得噴霧的質量進一步提高。此外，地面油液供給裝置除了提高油料外還設計了攀爬機器人與地面小車同步運轉的功能，此設計可避免油料供給導管過長而增加墻面機器人負載，進一步提高機器人的工作靈活性。圖3為履帶式多功能攀爬機器人三維建模圖。

2.3刷洗工作模塊

粉刷工作模塊主要由控制油液流通的電磁閥、工作支架、噴頭、滾筒等組成?？刂乒ぷ饕毫魍ǖ碾姶砰y由STM32控制系統控制電源通斷，當電磁閥開啟，達到一定壓力工作液經噴頭分散為霧狀水射流，均勻噴灑在壁面上。與此同時，噴灑在壁面的工作液在滾筒的進一步涂抹下，使其在壁面進一步均勻分布，相較于較人工用滾筒沾工作液再進行涂抹的方式，工作效率得到大幅提高。圖4為工作模塊三維模型圖。

2.4基于STM32 WIFI控制模塊

系統控制原理：系統采用stm32處理芯片。利用wifi232模塊對機器人進行無線遙控，采用L298電機驅動模塊驅動電機，實現機器人的運動。機器人上裝有攝像頭，監測機器人噴涂的質量及清洗情況，將錄像通過無線傳回地面，地面操作人員，根據錄像對機器人進行實時控制，提高噴涂、清洗質量。

3結論

這款履帶式多功能機器人的設計為了實現高樓光滑墻面清洗，高樓光滑外墻粉刷的功能，工作主體機器人裝有攝像頭，能將實際工作畫面通過無線發射回地面，地面操作人員可根據攝像頭采集的信息，使用無線遙控控制機器人的行走軌跡，使得噴涂質量和清洗質量得到提高。這款機器人處于研發階段，履帶上所裝配的吸盤的交互轉換控制這關系到履帶式攀爬機器人是否能在墻面正常行走，及機器人行走步態還需進一步實驗驗證，吸盤選擇及控制系統在改進優化中。