基于樹莓派的微型磁吸附爬壁檢測機器人

姜佳俊，權家朋，童晨越，劉 俊

（上海電機學院機械學院，上海 201306）

復雜機械設備如果出現故障或損壞會帶來巨大的經濟損失以及安全風險，因此要定期進行檢修，但是由于無法確定故障源，所以往往要對一系列復雜機械設備零件進行逐個拆解檢修，耗費巨大人力物力。其他爬壁機器人還有日本東京工業大學LEE等[1]研究人員設計的永磁模塊的爬壁機器人Gunryu III以及國內哈爾濱工業大學研究的一款坦克式爬壁機器人[2]都屬于將永磁體與履帶相結合的吸附工藝，缺少爬躍功能，無法在復雜機械表面靈活運轉。由此設計了一款基于樹莓派的微型磁吸附爬壁檢測機器人。

1 機械設計

1.1 結構設計

本發明小車尺寸為極其微型的42 mm×25 mm×30 mm，SolidWorks3D建模如圖1所示。本小車機械結構由1個主機盒、1個機械手臂、7個無刷電機、6個永磁體車輪、1個攝像機云臺、1個攝像頭、1個樹莓派、2個電機模塊以及1個電池組成組成。擺桿為L形結構且整體較長，在增加爬越距離的同時，也提高了爬越功能的合理性和可靠性，增加了小車在不同結構表面運行的適應性。

圖1 3D建模

1.2 爬躍功能實現

為保證前輪或后輪抬起時保持吸附以及可以有原動件，采用四驅方式，同側2個電機為一組同時控制，通過兩側電機差速運轉進行轉向，利用編碼器采集電機轉速及轉角保證移動精度。

小車在設備表面行進時，前臂上輪體吸附在設備表面，增加小車吸附穩定性；在爬越時，控制擺桿，使其前端輪體吸附于被爬越表面后，擺桿兩側的電機順時針轉動，以后輪為支點抬起前輪，車體向前運動使前輪吸附于設備表面，完成障礙表面的爬越。

1.3 吸附功能實現

采用6個釹磁鐵車輪完成金屬墻面吸附功能，永磁體性能參數如表1所示。

表1 永磁體性能參數表

進行靜態磁場的理論計算，爬壁機器人的磁吸附模塊磁場為靜態磁場，所以在磁場閉環的情況下，需要滿足2個靜態磁路的基本方程[3]：

式（1）（2）中：Am、Lm分別為永磁體工作面積和長度；Kf為漏磁系數；Ag、Lg分別為氣隙面積和長度；Kr為磁阻系數。

由以上兩式可得：

式（3）中：Vm為永磁體體積；Vg為氣隙體積；μ0為真空磁導率，取值為1。

由虛功原理可得，總磁場力為：

由式（4）可知，磁力受多個因素影響，但是真空磁導率μ0是不變的，又因為磁鐵是特定的材料，所以Bm、Hm、Kf、Kr都是恒定值，因此吸附力主要與Vm、Lg有關。因此改變永磁體的結構參數與工作氣隙的間隙，可以改變磁吸附力的大小。

機器人磁吸附測試如圖2所示，通過實測機器人可以吸附于金屬表面完成作業。

圖2 機器人磁吸附測試

2 機器人吸附力學分析

機器人在豎直壁面上爬行時，可能出現沿墻壁向下滑動和圍繞爬壁機器人與墻面的下接觸點傾覆的情況出現，在此情況下可能使機器人出現失穩的狀態，從而造成機器人脫落和損傷的風險，因此需要對機器人進行力學分析，如圖3所示。

圖3 豎直爬行受力分析

2.1 沿墻壁向下滑

爬壁機器人在豎直爬行的過程中因重力可能發生豎直滑動。機器人穩定需要以下條件：與豎直平面的各接觸點的支撐力大于零，機器人的靜摩擦力小于最大靜摩檫力。

如圖3所示，磁性輪子的吸附力的計算公式為[4]：

式（5）中：N1為主動輪1的支撐力；N2為主動輪2的支撐力；G為爬壁機器人的自重；μ為機器人與豎直面的摩擦因數，取0.5。

2.2 縱向傾覆

爬壁機器人在爬行過程中因車體質量，可能發生以后輪接觸線為軸，機器人前輪脫落，造成車體縱向傾覆的情況。此時為保持機器人穩定，公式表示為[4]：

根據計算可得[4]：

式（6）中：h為重心O點與爬行壁面之間的距離；l為兩輪的中心距離。

要使爬壁機器人不會沿墻壁向下滑動和縱向傾覆，并考慮到安全系數，則爬壁機器人所需最小吸附力為[4]：

式（7）中：K為安全系數。

根據本項目設計的爬壁機器人具體數據可得G=3 N，l=43 mm，h=10 mm，μ=0.5，K=1.7，將參數代入可得F0=5.1 N。

總結：爬壁機器人要在汽輪機葉片上安全穩定地爬行，則設計的吸附力必須大于5.1 N。

3 控制系統總體設計

小車的運行與檢測是一種高度自動化的控制，操作人員通過上位機控制機器人小車，使機器人在所需檢測的設備表面或內部移動。

爬壁機器人控制系統主要由樹莓派、電機模塊、升縮桿、攝像頭和電機組成。樹莓派是控制系統的核心，負責協調控制小車的功能實現和運行。選用樹莓派zero w作為小車的控制芯片，它是一款基于ARM的微型電腦主板，使用基于Linux的操作系統，以Python作為主要程序語言，擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，尺寸較小且成本低。

其中上位機與小車使用無線網絡通過一個局域網連接，經過SSH安全協議遠程，由上位機遠程控制登錄樹莓派操作系統，由上位機的可視化編程窗口對機器人小車下達指令進行控制。

3.1 電機驅動模塊

TB6612fng是一種性能強大的電機驅動模塊，其具有的電流MOSFET-H橋式結構，相較于傳統的晶體管H橋驅動器具有更高的效率，可以承擔更大的負載。智能小車通過6個直流減速電機和TB6612fng電機搭建驅動模塊來實行運動控制。TB6612fng電機驅動器可以在1.2 A恒定電流下控制直流電機。2個輸入信號可用于以4種功能模式控制電機，4種功能模式為：-CW、CCW、短制動和停止。2個電機輸出可以單獨控制，每個電機的速度通過PWM輸入信號控制，頻率高達100 kHz。TB6612fng電機驅動模塊通過雙通道路輸出同時驅動6個電機，可實現電機的正轉、反轉、制動、停止等一系列動作，可以實現小車在汽輪機葉片上的行進和爬越。

3.2 工作原理

使用Raspberry Pi控制直流電機需要通過電機驅動模塊來實現特定信號的接收和輸出。電機驅動模塊是一種特殊電路或IC，可對電機進行信號和電源的輸出和控制，來實現平穩安全的運行。它們從Raspberry Pi獲取控制信號，并通過電源為電機提供必要的驅動電流。電機驅動模塊TB6612fng有2個通過GPIO引腳接收來自Raspberry Pi的信號。根據Python程序，電機驅動模塊將控制電機實現正轉和反轉。

3.3 攝像頭

使用Raspberry Pi Camera Module V2，具有8百萬像素；定焦鏡頭可達3 280×24×64像素的靜態圖片；也支持1080P30、720P60以及640×480P 60/90攝像功能。此款攝像頭擴展板可通過主板上的小插槽連接樹莓派，并使用專門的CSI接口，這是特別為攝像頭設計的接口。

3.4 連接控制

連接控制模塊如圖4所示，將TB6612fng的引腳連接到外部12 V電源，TB6612fng上有4個接地引腳。將引腳4連接到電源的GND。另外，將TB6612fng的接地引腳連接到Raspberry Pi的GND引腳。為了能控制輸入輸出引腳，將控制輸入引腳分別連接到GPIO1（物理引腳18）和GPIO2（物理引腳17），將制輸出引腳和分別連接到GPIO2（物理引腳27）和GPIO3（物理引腳22）。

圖4 連接控制模塊圖

3.5 項目工作和代碼說明

使用Python訪問GPIO引腳。將模塊RPi.GPIO導入至程序中。同樣，模塊時間允許使用其功能睡眠暫停程序一段預定義的時間。為電機模塊分配引腳，將引腳模式設置為GPIO編號格式，以此實現信號的輸出與反饋。

所有引腳都被聲明為輸出。正向旋轉時，使引腳變為高電頻，控制輸入1A變為高電頻，另一個控制輸入1B變為低電頻。延遲3 s后，控制輸入1A變為低電頻，控制輸入1B變為高電頻，同時保持使能引腳為高電頻，這將使電機反向旋轉。

通過信號輸出控制不同電機的正轉反轉以及制動實現對機器人的前進后退轉向及爬越功能。