磁吸式爬壁機器人設計研究

鐘帥 居士奇 謝宇 陳道碩 李元龍

【摘 要】本文設計了一種磁吸式爬壁機器人為復雜環境下的檢測提供一種解決方法，主要對爬壁機器人的輪子及原動件、電源部分、磁力吸附系統進行設計與校核。在此基礎上，對爬壁機器人的控制結構的具體組成部分進行了設計，實現了爬壁機器人的無纜化運行。

【關鍵詞】爬壁機器人;結構;控制;磁吸式

Abstract：In this paper，a magnetic wall-climbing robot is designed to provide a solution for detection in complex environments. It mainly designs and checks the wheels and original moving parts of the wall-climbing robot，the power supply part，and the magnetic adsorption system. On this basis，the specific components of the control structure of the wall-climbing robot are designed，and the cable-free operation of the wall-climbing robot is realized.

Key words：wall-climbing robot;structure;control;magnetic suction

前言

爬壁機器人（Wall-Climbing Robot）是一種可以在近乎垂直或完全垂直的墻壁、管道、玻璃、甚至是腳手架、防護網等面上完成相關作業的自動化或半自動化機器人，在國外稱為極限作業機器人（Extreme Operating Robot）。

本文根據多數罐體，管道以及鋼鐵高墻等場景的實際，通過對磁吸式爬壁機器人的機械結構，控制結構，等方面研制出一款實用的小型四輪驅動爬壁機器人，用來解決客戶對龐大的罐體，管道等檢測的需求。

1 機器人的機械結構

1.1 輪子及原動件

要求最大載荷為20千克，一般的小型電機的額定扭矩都很?。ㄒ话?0g重的電機額定扭矩為200g·cm）如果選用較大扭矩的電機，其占用空間會很大，甚至要比預計的爬壁機器人大小還要大，不符合占用體積小的要求?？紤]到以上要求，采用小型直流無刷減速電機，此類電機的壽命較長，扭矩一般較大。考慮設計要求，一般的工業設計能選型則選型，無法選到則自行設計，最大載荷為20kg時，越障高度需要超過5mm，試選用車輪直徑80mm，則所需輸出扭矩為：

要想達到如此大的扭矩，還要限制電機的大小，一般的小型直流電機額定轉矩為100g·cm～220g·cm，減速比超過100，由于停駐后要求自鎖，因此用蝸輪蝸桿減速電機，其機械效率為40%～60%，則所需減速比為606～2000。

選用TTMOTOR廠家生產的電機（可定制），自帶編碼器，額定電壓12V（編碼器電壓5V），工作額定電流1400mA，單電機型號TEC3650-1265，堵轉力矩1083g·cm，電流5A，額定轉速為5400r/min，額定功率為10.9W。單電機的參數如下圖所示（廠家提供）：

出于安全考慮，需要留出20%的余量，根據電機扭矩和功率設計一款減速器，減速比應為：

試選蝸輪齒數25，蝸桿頭數為1，試選材料為HT200，根據齒面接觸疲勞強度公式試算模數：

查表，取K=1.1，并將查得的強度、扭矩等數值代入，并查國標規范確認合適的值，得m=0.55，取m=6。

1.3 磁力吸附系統

作為爬行于金屬壁面的爬壁機器人，磁力吸附系統是必不可少的，本機沒有具體的前后設定，所以可將兩組磁鐵布置在機器人的前后兩側，永磁磁鐵材料有很多，從傳統的氧化鐵到人造磁性物質銣磁鐵（NdFeB），人造銣磁鐵的磁性很強，并且銣鐵硼（NdFeB）的最大磁能積、剩磁和內稟矯頑力參數的值越大，磁性就越好，選擇銣磁鐵N48其性能參數如下：

磁鐵的布置如圖所示：

則可負重約27kg，滿足設計要求。

2 機器人的控制結構

爬壁機器人的控制系統并不復雜，要求爬壁機器人不僅能夠傳遞各傳感器的信號到控制器，還能驅動行走機構來移動機器人，考慮到成本以及開發時間，故選擇Arduino開發環境進行控制系統的制作。

2.1 驅動系統供電設計

鋰電池的輸出電壓為12v，Arduino開發板和制成的控制板工作電壓有3.3V、5V、12V三種，因此需要分壓降壓電路來完成電壓分配，一方面要驅動Arduino板正常工作，另一方面要驅動電機正常工作。選用L298N作為電機的驅動模塊作為解決方案。其左右兩端為A、B兩組電機的輸出腳，中間的輸入腳（+12V）可以接入+6～+12V的直流電，GND為地線，+5V為輸出，輸出電流只有大約300mA，只能給單片機供電。邏輯引腳從左到右IN1，IN2，IN3，IN4。IN1、IN2是A組的邏輯輸入，其余為B組的邏輯輸入，邏輯輸入的真值表如下：

EnB組的真值表與EnA組相同。本設計中，電源與Ardunio、L298N、電機的連接示意圖如下：

2.2 爬壁機器人的行走機構運動程序設計

部分驅動線路連接示意圖如圖2-3所示：

考慮到轉彎動作以及正常行駛，停車等操作都是一側方向的電機動作相同，故上圖的兩個電機為前輪或者后輪。因此控制板的信號只要輸出一組PWM信號就能完成對兩組驅動板的控制。驅動電路的電路圖如圖2-4所示：

機器人向前移動時，四個電機都是逆時針轉動，根據上面提到的真值表，AB兩組電機使能狀態下，IN1，IN3低電平，IN2，IN4高電平會使電機進行轉動然而開環控制的精度比較低，需要用到PID控制器來形成閉環控制，能實現閉環控制的關鍵元件就是電機自帶的編碼器。

電機自帶編碼器的作用是，測量電機的速度并依據速度輸出頻率變化的方波（占空比0～255，有符號，負號表示反轉（逆時針））。

下表為電機旋轉編碼器引腳的功能（1、2號為電機電源引腳）：

轉彎系統：

由于該機器人并沒有車輛一樣的轉向系統，因此該機器人轉向時，可以采用履帶式機械轉向方法來轉向，即左右兩對輪轉向相反。

2.3 無線藍牙模塊的使用

藍牙模塊上面裸露的銅板是天線，模塊引出4個引腳：VCC，GND，TXD，RXD。VCC和GND是藍牙模塊電源輸入的引腳以及接地腳，直接接到Arduino開發板上的5V輸出和地線腳即可，TXD和RXD分別為發送端和接受端，應分別連接至Arduino的接收端RXD和發送端TXD上。如想控制藍牙模塊的使能，則可以將VCC腳接到Arduino某個數字腳，并且編寫相應的開關程序即可。

3 總結

在本設計中，為了保持體積小巧的結構，我們采用了微型直流無刷電機做行走機構的動力部件，并且還使用了藍牙控制器，PC藍牙控制等方法，實現了該爬壁機器人的無纜化，并且還試驗性地設計了一款自制的用于爬壁機器人行走的自動腳本，利用該腳本，能夠完成一些重復性質高的任務。并且爬壁機器人自動化方面的創新仍然不會停止，因爬壁機器人便利的特性，其在消防、核電、救援、監視、檢測、反恐等等方面的地位會越來越明顯，高樓大廈，高墻罐體管道等等處處有他們的身影，在目標為工業4.0的今天，研究智能化自動化執行任務的爬壁機器人顯得尤為重要，它將是在工業4.0中所扮演的一位重要的角色。

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作者簡介：

鐘帥（2000.03.24--），男，漢族，江蘇省揚州市高郵市人，本科學歷，研究方向：機械電子;

居士奇（2000.07.12--），男，漢族，江蘇省揚州市人，本科學歷，研究方向：機械電子。

（作者單位：中國礦業大學機電工程學院）