負壓吸附式爬壁裝置系統設計

沈陽工業大學 謝毛毛 邢燕好 李 杰 高玉恒 李 旺

針對橋梁等大型非鐵磁性結構體的安全檢測中傳統人工檢測危險性高、效率低、成本高的問題，本文設計出一種負壓吸附式爬壁裝置，基于負壓吸附的原理實現對工作壁面的穩定吸附，通過攜帶檢測裝置實現對大型結構體表面安全的自動檢測。文中主要介紹了負壓吸附式爬壁裝置的系統組成、機械結構以及電路硬件設計，并試驗爬壁裝置在工作壁面的穩定吸附性能，為大型結構體表面的自動檢測提供了一種可實施方案。

大橋，風力發電機等大型結構體健康檢測對其安全使用意義重大。傳統人工檢測具有安全性差、成本高、效率低的局限性，因此研制一種可行走于大型結構體的裝置，通過攜帶檢測裝置使其具有拍攝、檢測等創新功能，具有廣泛應用前景。

1 系統總體方案設計

方案以STM32單片機為核心控制器，通過負壓吸附裝置吸附在大型結構體表面；輪式行進裝置實現在工作壁面上的運動；攜帶檢測裝置進行檢測記錄；藍牙遙控模塊實現地面控制終端對于裝置的遙控，負壓吸附式爬壁裝置系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

負壓吸附式爬壁裝置總體結構設計采用負壓吸附，四輪獨立驅動的方式，攜帶檢測裝置實現對大型結構體表面的自動檢測，其總體結構圖如圖2所示。

圖2 負壓吸附式爬壁裝置結構圖

2 機械結構設計

2.1 負壓吸附裝置

負壓吸附裝置采用涵道風機抽氣，在負壓腔內產生內外壓強差從而產生吸附力的設計思路，負壓吸附的工作原理如圖3所示。在涵道風機的作用下，空氣從未完全密封的鬃毛環等密封裝置的間隙吸入，從柱筒形涵道頂部排出，當抽出的空氣量與排出的空氣量達到平衡狀態，負壓腔內負壓差實現動態平衡。在負壓差的作用下，產生由負壓腔指向吸附面的壓力。

圖3 負壓吸附原理示意圖

負壓吸附式爬壁裝置由涵道風機、3D連接件及負壓腔構成。涵道風機電機連接12片扇葉；涵道口直徑90mm，高113.8mm；24V/70A下產生3.45Kg推力。負壓腔為鋁材質，腔殼呈凸臺式，符合空氣動力學原理，可最大限度地發揮氣體流動性能，極大地增強負壓吸附能力。

2.2 密封裝置

密封裝置由鬃毛密封環和軟硅膠片組成。密封裝置材料剛度在吸附壓力作用下能填充粗糙壁面的凹凸間隙，有效平衡爬壁裝置的密封性和移動性。

2.3 輪式行進裝置

輪式行進裝置包括滾輪、聯軸器、安裝支架及驅動電機，通過調節滾輪的驅動力大小及方向實現爬壁裝置的前進、后退以及轉向運動。

3 控制系統硬件電路設計

3.1 主控制器模塊

主控制器采用STM32F103ZET6芯片，電源電路為主芯片提供5.0V電源；時鐘電路由晶振8MHz和32.768kHz分別構成外部高頻和低頻電路，如圖4所示。

圖4 主控芯片外圍電路

3.2 電源模塊

本文中爬壁裝置使用24V、6000mah可充電鋰離子電池組進行供電。不同電路模塊供電電壓不同，需要電源模塊將24V電源電壓進行多路電壓轉換，各模塊電壓分配如圖5所示。

圖5 電源模塊框圖

3.3 藍牙遙控模塊

對于爬壁裝置的遙控功能，使用高性能主從一體HC05藍牙串口模塊。將HC05接口與單片機引腳連接，控制小車前后左右及停止運動，連接方式如圖6所示。

圖6 HCO5與單片機連接示意圖

3.4 電機驅動模塊

四個直流伺服減速電機進行驅動，STM32F103ZET6單片機產生不同占空比的PWM信號對轉速控制，L298N驅動芯片實現電機驅動。

使用的L298N模塊帶有光耦隔離設計，可有效避免因電機變速產生的反沖電流損壞MCU。IN1~4是連接單片機接口，通過產生高低電平來控制電機方向，利用定時器Timer5通道產生PWM速度控制信號連接ENA和ENB從而控制電機的轉動速度，如圖7所示。

圖7 L298N電機驅動模塊

4 試驗研究

通過一系列的設計、加工以及裝配，最終制作的負壓吸附式爬壁裝置尺寸為31.9cm×41.0cm×18.9cm，質量3.3Kg，負壓腔面積為24.0cm×32.0cm，試驗行進速度均值3.39cm/s，藍牙遙控距離為25cm。圖8為爬壁裝置豎直壁面攀爬實驗情況，圖9為爬壁裝置在水平壁面及傾斜壁面實驗。

圖8 豎直壁面攀爬實驗

圖9 水平及傾斜壁面攀爬實驗

結語：本文的設計可以解決人工檢測具有危險性以及成本高昂的問題，為大型結構體表面的自動檢測提供了一種可實施方案，具有廣泛的應用前景及研究意義。