負(fù)壓吸附式爬壁裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈陽工業(yè)大學(xué) 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(jié)構(gòu)體的安全檢測中傳統(tǒng)人工檢測危險(xiǎn)性高、效率低、成本高的問題，本文設(shè)計(jì)出一種負(fù)壓吸附式爬壁裝置，基于負(fù)壓吸附的原理實(shí)現(xiàn)對工作壁面的穩(wěn)定吸附，通過攜帶檢測裝置實(shí)現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)體表面安全的自動(dòng)檢測。文中主要介紹了負(fù)壓吸附式爬壁裝置的系統(tǒng)組成、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電路硬件設(shè)計(jì)，并試驗(yàn)爬壁裝置在工作壁面的穩(wěn)定吸附性能，為大型結(jié)構(gòu)體表面的自動(dòng)檢測提供了一種可實(shí)施方案。

大橋，風(fēng)力發(fā)電機(jī)等大型結(jié)構(gòu)體健康檢測對其安全使用意義重大。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)體的裝置，通過攜帶檢測裝置使其具有拍攝、檢測等創(chuàng)新功能，具有廣泛應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

方案以STM32單片機(jī)為核心控制器，通過負(fù)壓吸附裝置吸附在大型結(jié)構(gòu)體表面；輪式行進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)在工作壁面上的運(yùn)動(dòng)；攜帶檢測裝置進(jìn)行檢測記錄；藍(lán)牙遙控模塊實(shí)現(xiàn)地面控制終端對于裝置的遙控，負(fù)壓吸附式爬壁裝置系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

負(fù)壓吸附式爬壁裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用負(fù)壓吸附，四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式，攜帶檢測裝置實(shí)現(xiàn)對大型結(jié)構(gòu)體表面的自動(dòng)檢測，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 負(fù)壓吸附式爬壁裝置結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)壓吸附裝置

負(fù)壓吸附裝置采用涵道風(fēng)機(jī)抽氣，在負(fù)壓腔內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)外壓強(qiáng)差從而產(chǎn)生吸附力的設(shè)計(jì)思路，負(fù)壓吸附的工作原理如圖3所示。在涵道風(fēng)機(jī)的作用下，空氣從未完全密封的鬃毛環(huán)等密封裝置的間隙吸入，從柱筒形涵道頂部排出，當(dāng)抽出的空氣量與排出的空氣量達(dá)到平衡狀態(tài)，負(fù)壓腔內(nèi)負(fù)壓差實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。在負(fù)壓差的作用下，產(chǎn)生由負(fù)壓腔指向吸附面的壓力。

圖3 負(fù)壓吸附原理示意圖

負(fù)壓吸附式爬壁裝置由涵道風(fēng)機(jī)、3D連接件及負(fù)壓腔構(gòu)成。涵道風(fēng)機(jī)電機(jī)連接12片扇葉；涵道口直徑90mm，高113.8mm；24V/70A下產(chǎn)生3.45Kg推力。負(fù)壓腔為鋁材質(zhì)，腔殼呈凸臺式，符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，可最大限度地發(fā)揮氣體流動(dòng)性能，極大地增強(qiáng)負(fù)壓吸附能力。

2.2 密封裝置

密封裝置由鬃毛密封環(huán)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(dòng)性。

2.3 輪式行進(jìn)裝置

輪式行進(jìn)裝置包括滾輪、聯(lián)軸器、安裝支架及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過調(diào)節(jié)滾輪的驅(qū)動(dòng)力大小及方向?qū)崿F(xiàn)爬壁裝置的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(shí)鐘電路由晶振8MHz和32.768kHz分別構(gòu)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(jìn)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(jìn)行多路電壓轉(zhuǎn)換，各模塊電壓分配如圖5所示。

圖5 電源模塊框圖

3.3 藍(lán)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(lán)牙串口模塊。將HC05接口與單片機(jī)引腳連接，控制小車前后左右及停止運(yùn)動(dòng)，連接方式如圖6所示。

圖6 HCO5與單片機(jī)連接示意圖

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

四個(gè)直流伺服減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，STM32F103ZET6單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的PWM信號對轉(zhuǎn)速控制，L298N驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

使用的L298N模塊帶有光耦隔離設(shè)計(jì)，可有效避免因電機(jī)變速產(chǎn)生的反沖電流損壞MCU。IN1~4是連接單片機(jī)接口，通過產(chǎn)生高低電平來控制電機(jī)方向，利用定時(shí)器Timer5通道產(chǎn)生PWM速度控制信號連接ENA和ENB從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，如圖7所示。

圖7 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

4 試驗(yàn)研究

通過一系列的設(shè)計(jì)、加工以及裝配，最終制作的負(fù)壓吸附式爬壁裝置尺寸為31.9cm×41.0cm×18.9cm，質(zhì)量3.3Kg，負(fù)壓腔面積為24.0cm×32.0cm，試驗(yàn)行進(jìn)速度均值3.39cm/s，藍(lán)牙遙控距離為25cm。圖8為爬壁裝置豎直壁面攀爬實(shí)驗(yàn)情況，圖9為爬壁裝置在水平壁面及傾斜壁面實(shí)驗(yàn)。

圖8 豎直壁面攀爬實(shí)驗(yàn)

圖9 水平及傾斜壁面攀爬實(shí)驗(yàn)

結(jié)語：本文的設(shè)計(jì)可以解決人工檢測具有危險(xiǎn)性以及成本高昂的問題，為大型結(jié)構(gòu)體表面的自動(dòng)檢測提供了一種可實(shí)施方案，具有廣泛的應(yīng)用前景及研究意義。