磁吸式爬壁機(jī)器人設(shè)計研究

鐘帥 居士奇 謝宇 陳道碩 李元龍

【摘 要】本文設(shè)計了一種磁吸式爬壁機(jī)器人為復(fù)雜環(huán)境下的檢測提供一種解決方法，主要對爬壁機(jī)器人的輪子及原動件、電源部分、磁力吸附系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與校核。在此基礎(chǔ)上，對爬壁機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)的具體組成部分進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了爬壁機(jī)器人的無纜化運行。

【關(guān)鍵詞】爬壁機(jī)器人;結(jié)構(gòu);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(jī)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(hù)網(wǎng)等面上完成相關(guān)作業(yè)的自動化或半自動化機(jī)器人，在國外稱為極限作業(yè)機(jī)器人（Extreme Operating Robot）。

本文根據(jù)多數(shù)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)，等方面研制出一款實用的小型四輪驅(qū)動爬壁機(jī)器人，用來解決客戶對龐大的罐體，管道等檢測的需求。

1 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

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(jī)的額定扭矩都很?。ㄒ话?0g重的電機(jī)額定扭矩為200g·cm）如果選用較大扭矩的電機(jī)，其占用空間會很大，甚至要比預(yù)計的爬壁機(jī)器人大小還要大，不符合占用體積小的要求。考慮到以上要求，采用小型直流無刷減速電機(jī)，此類電機(jī)的壽命較長，扭矩一般較大。考慮設(shè)計要求，一般的工業(yè)設(shè)計能選型則選型，無法選到則自行設(shè)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(dá)到如此大的扭矩，還要限制電機(jī)的大小，一般的小型直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)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(jī)，其機(jī)械效率為40%～60%，則所需減速比為606～2000。

選用TTMOTOR廠家生產(chǎn)的電機(jī)（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(jī)型號TEC3650-1265，堵轉(zhuǎn)力矩1083g·cm，電流5A，額定轉(zhuǎn)速為5400r/min，額定功率為10.9W。單電機(jī)的參數(shù)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(jù)電機(jī)扭矩和功率設(shè)計一款減速器，減速比應(yīng)為：

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

查表，取K=1.1，并將查得的強度、扭矩等數(shù)值代入，并查國標(biāo)規(guī)范確認(rèn)合適的值，得m=0.55，取m=6。

1.3 磁力吸附系統(tǒng)

作為爬行于金屬壁面的爬壁機(jī)器人，磁力吸附系統(tǒng)是必不可少的，本機(jī)沒有具體的前后設(shè)定，所以可將兩組磁鐵布置在機(jī)器人的前后兩側(cè)，永磁磁鐵材料有很多，從傳統(tǒng)的氧化鐵到人造磁性物質(zhì)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(nèi)稟矯頑力參數(shù)的值越大，磁性就越好，選擇銣磁鐵N48其性能參數(shù)如下：

磁鐵的布置如圖所示：

則可負(fù)重約27kg，滿足設(shè)計要求。

2 機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)

爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，要求爬壁機(jī)器人不僅能夠傳遞各傳感器的信號到控制器，還能驅(qū)動行走機(jī)構(gòu)來移動機(jī)器人，考慮到成本以及開發(fā)時間，故選擇Arduino開發(fā)環(huán)境進(jìn)行控制系統(tǒng)的制作。

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)供電設(shè)計

鋰電池的輸出電壓為12v，Arduino開發(fā)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(qū)動Arduino板正常工作，另一方面要驅(qū)動電機(jī)正常工作。選用L298N作為電機(jī)的驅(qū)動模塊作為解決方案。其左右兩端為A、B兩組電機(jī)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(jī)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(shè)計中，電源與Ardunio、L298N、電機(jī)的連接示意圖如下：

2.2 爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)運動程序設(shè)計

部分驅(qū)動線路連接示意圖如圖2-3所示：

考慮到轉(zhuǎn)彎動作以及正常行駛，停車等操作都是一側(cè)方向的電機(jī)動作相同，故上圖的兩個電機(jī)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(qū)動板的控制。驅(qū)動電路的電路圖如圖2-4所示：

機(jī)器人向前移動時，四個電機(jī)都是逆時針轉(zhuǎn)動，根據(jù)上面提到的真值表，AB兩組電機(jī)使能狀態(tài)下，IN1，IN3低電平，IN2，IN4高電平會使電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動然而開環(huán)控制的精度比較低，需要用到PID控制器來形成閉環(huán)控制，能實現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵元件就是電機(jī)自帶的編碼器。

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

下表為電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器引腳的功能（1、2號為電機(jī)電源引腳）：

轉(zhuǎn)彎系統(tǒng)：

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

2.3 無線藍(lán)牙模塊的使用

藍(lán)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(lán)牙模塊電源輸入的引腳以及接地腳，直接接到Arduino開發(fā)板上的5V輸出和地線腳即可，TXD和RXD分別為發(fā)送端和接受端，應(yīng)分別連接至Arduino的接收端RXD和發(fā)送端TXD上。如想控制藍(lán)牙模塊的使能，則可以將VCC腳接到Arduino某個數(shù)字腳，并且編寫相應(yīng)的開關(guān)程序即可。

3 總結(jié)

在本設(shè)計中，為了保持體積小巧的結(jié)構(gòu)，我們采用了微型直流無刷電機(jī)做行走機(jī)構(gòu)的動力部件，并且還使用了藍(lán)牙控制器，PC藍(lán)牙控制等方法，實現(xiàn)了該爬壁機(jī)器人的無纜化，并且還試驗性地設(shè)計了一款自制的用于爬壁機(jī)器人行走的自動腳本，利用該腳本，能夠完成一些重復(fù)性質(zhì)高的任務(wù)。并且爬壁機(jī)器人自動化方面的創(chuàng)新仍然不會停止，因爬壁機(jī)器人便利的特性，其在消防、核電、救援、監(jiān)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(biāo)為工業(yè)4.0的今天，研究智能化自動化執(zhí)行任務(wù)的爬壁機(jī)器人顯得尤為重要，它將是在工業(yè)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(xué)歷，研究方向：機(jī)械電子;

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

（作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）