新型多吸盘式爬壁机器人

冯华林+刘昊阳+刘祖机+彭茂

摘要：由于城市中的高层建筑越来越多，因此对户外玻璃的清洗、对高层墙体表面的检测等工作越来越困难，本文讨论了一种双足爬壁机器人，通过气压差使吸盘附着于墙面，形成垂直于墙面的压力，利用该压力和墙面形成反向于地心引力的静摩擦力，使得吸盘得以固定在墙面上，再通过转动装置的作用使之能向各个方向移动。通过对该机器人实际调试，实现了机器人在壁面灵活的行走和视频稳定的传输与显示。具有安全系数高，移动便捷，制作成本低，小巧且可扩展空间大等特点。

关键字：爬壁机器人；多足式；真空吸盘

中图分类号： TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0000-00

近年来，我国城市面貌发生了翻天覆地的变化，高层建筑拔地而起，不仅节约了土地资源，也使城市面貌焕然一新，成为城市现代化水平的重要标志之一。但这也带来了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等难题。爬壁机器人作为机器人的一个分支，把地面移动机器人和吸附技术有机结合起来，是在恶劣、极限、危险等情况下进行点检、维护、救援等特定作业，并能携带工具完成一定的作业任务的一种智能机械装置。

然而传统的吸盘式爬壁机器人大都为单吸盘型，具有相当大的局限性。当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低。基于此问题设计一种新型多吸盘式爬壁机器人。这种机器人的机械足前端都有三个具有一定独立活动能力的吸盘，在相对粗糙的平面运动时，总有一个吸盘能吸附于壁面，增强了在凹凸不平壁面的吸附能力。该机器人是由舵机和机械装置组成，在传动与控制系统的控制下，沿着一定的角度和方向交替伸缩，并结合电磁阀和真空泵实现爬墙功能，它的结构简单，质量轻，且有很好的可控性，可以适用于不同的工作环境。

1多吸盘式爬壁机器人系统设计和组成

本多吸盘式爬壁机器人系统是由机械结构、控制器、气泵、电磁阀、舵机、无线摄像头等部分构成。

1.1系统机械结构

在爬壁机器人研究中，对机器人灵活性和稳定性的研究一直是重点和难点。本设计为了增大机器人的灵活性和稳定性，在控制策略及结构上采用了双足，一足三个吸盘的形式。整个机械结构由一块MC9S12XS128主控，一个无线摄像头，两个微型气泵，两个微型电磁阀，三个继电器，若干长气管，四个舵机，六个吸盘，一块12V电池，支撑体及各电路模块组成。机械结构示意图如图1-1所示。

1.2控制器组成

控制器由飞思卡尔（MC9S12XS128）单片机芯片为主控，对吸附装置、电磁阀、舵机、摄像头等进行控制。具体过程为：机器人利用其脚（吸盘）与接触物之间存在的内外压差使其能吸附在接触物的表面。当脚与接触物接触时，主控控制两个微型气泵同时吸气，两脚吸附。若机器人向上行动，主控控制其中一个微型气泵吸气则一脚吸附，另一只脚（吸盘）与大气相通，使其悬空，同时通过舵机作用使躯体向上翻动，至脚（吸盘）吸附稳定为止。循环往复完成向前行进的爬行过程。系统控制结构框图如图1-2所示。

2多吸盘爬壁机器人硬件选择及电路设计

2、1飞思卡尔（MC9S12XS128）单片机

MC9S12XS128是一个16位器件。该器件包括大量的片上存储器和外部I/O口。包括1个SPI模块，8路16位计数器，1个CAN总线模块，4个外部中断，8路PWM，112管脚。

2、2稳压部分电路设计

本系统所设计稳压电路输入为12V，输出为8V和5V。以满足系统中对气泵的12V供电，舵机的8V供电，主控等其他部分的5V供电。

2、3无线wifi视频传输系统

本设计所用无线wifi视频传输系统是利用 WIFI 原理，通过算法把视频信号采集后，通过 WIFI 模块把视频传输到电脑上，电脑的软件，接收信号，再经过JPEG视频编解码技术处理后变成实时视频。

2、4气流控制系统

气流控制系统由气泵和电磁阀组成，其中气泵为KVP04-1.1-12V微型真空泵，属于12V直流无刷隔膜气泵，它是根据容积式泵的原则设计而成。它真空度可达-40kPa，对比大气压可形成90kPa的相对真空度。具有寿命长、低噪声的特点，重量约为40g。

所用的电磁阀为OKD-0512B型直动式电磁阀，超小体积，直径仅有12.2mm。主要工作原理是利用电磁线圈产生电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的通或断。

2、5吸盘

吸盘是机器人和墙面的直接接触机构，不同的吸盘对机器人的荷载和稳定性有很大的影响。吸盘的选择要考虑到吸附对象和受力情况，可估算如下：

理论吸吊力： （1）

吸盘面积： （2）

式中W——吸吊力（N）；P——真空度（kPa）；S——吸盘面积（cm2）；t——安全系数，水平悬吊：4以上；垂直悬吊：8以上。

吸吊力要略大于整个机身的重量，可以用计算法求吸盘直径。在本设计中，工件质量约为1.5kg（比实际质量略大），即吸吊力约为14N，设计的吸盘总数为6 个，真空度为-40kPa。机器人运动过程中，最少吸附的吸盘量是3个，所以要满足这时的吸附需要，则平均每个吸盘的吸吊力为4.7N，因为是垂直吊，安全系数需要选择为8，计算可得，应选直径34.6_以上吸盘，在此选用直径40mm的吸盘。

3控制软件程序设计

在机器人的程序设计上，运用了主控芯片上的部分外部I/O口和4路通道的脉冲宽度调制模块（PWM）。通过单片机对舵机直接控制以实现机器人双足关节的控制。在气动装置中设置电磁阀装置，使主控能够控制气泵的开与关。单片机I/O 口输出的PWM信号控制舵机，普通I/O负责输出信号控制继电器的通断进而控制气泵。单片机通过定时器产生多路PWM信号用于控制舵机，该舵机的有效受控PWM信号周期为20ms，占空比的范围在1/20？2/20。程序通过计数中断将舵机转动角度进行等分，从而控制整个机械足的运动，机械足运动的同时，改变控制电磁阀的信号匹配机械足工作。

4实验结果

本系统在测试过程中，一切运行正常，能够正常实现壁面、天花板的翻滚式走动，地面的脚步式走动和实现摄像及视频传输功能。实验结果表明，该机器人可以灵活的实现移动功能，相比其他爬壁机器人，此机器人具有移动便捷，速度快，制作成本低，小巧并且可扩展空间大等特点。

5结论

本文对多吸盘式爬壁机器人的硬件制作、电路原理以及软件控制原理都做出了系统的介绍，系统结合了硬件模拟电路控制和单片机程序控制两种方式，又采用了灵活性较高的双足控制的机械结构，先经过模拟电路初步调节，再通过单片机程序软件逐步精细优化，在测试过程中，表现出了稳定、灵活、高效的特点，若能够用在诸如喷漆、擦窗、消防等作业场所，则将大大节约人力资源，具有广阔的应用前景、研究和市场价值。

参考文献

[1]张扬，吴晔，滕勤等.MC9S12XS128单片机原理及嵌入式系统开发 [M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]滕红华.真空吸盘吸持物体的动力学分析[J].包装工程，2014，25（2）：68-68.

[3] 张博洋，赵紫薇，欧阳钧等. 基于真空吸附的双足爬墙机器人研究[J]. 液压气动与密封，2015，35（6），68-71.