负压吸附式爬壁装置系统设计

沈阳工业大学 谢毛毛 邢燕好 李 杰 高玉恒 李 旺

针对桥梁等大型非铁磁性结构体的安全检测中传统人工检测危险性高、效率低、成本高的问题，本文设计出一种负压吸附式爬壁装置，基于负压吸附的原理实现对工作壁面的稳定吸附，通过携带检测装置实现对大型结构体表面安全的自动检测。文中主要介绍了负压吸附式爬壁装置的系统组成、机械结构以及电路硬件设计，并试验爬壁装置在工作壁面的稳定吸附性能，为大型结构体表面的自动检测提供了一种可实施方案。

大桥，风力发电机等大型结构体健康检测对其安全使用意义重大。传统人工检测具有安全性差、成本高、效率低的局限性，因此研制一种可行走于大型结构体的装置，通过携带检测装置使其具有拍摄、检测等创新功能，具有广泛应用前景。

1 系统总体方案设计

方案以STM32单片机为核心控制器，通过负压吸附装置吸附在大型结构体表面；轮式行进装置实现在工作壁面上的运动；携带检测装置进行检测记录；蓝牙遥控模块实现地面控制终端对于装置的遥控，负压吸附式爬壁装置系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图

负压吸附式爬壁装置总体结构设计采用负压吸附，四轮独立驱动的方式，携带检测装置实现对大型结构体表面的自动检测，其总体结构图如图2所示。

图2 负压吸附式爬壁装置结构图

2 机械结构设计

2.1 负压吸附装置

负压吸附装置采用涵道风机抽气，在负压腔内产生内外压强差从而产生吸附力的设计思路，负压吸附的工作原理如图3所示。在涵道风机的作用下，空气从未完全密封的鬃毛环等密封装置的间隙吸入，从柱筒形涵道顶部排出，当抽出的空气量与排出的空气量达到平衡状态，负压腔内负压差实现动态平衡。在负压差的作用下，产生由负压腔指向吸附面的压力。

图3 负压吸附原理示意图

负压吸附式爬壁装置由涵道风机、3D连接件及负压腔构成。涵道风机电机连接12片扇叶；涵道口直径90mm，高113.8mm；24V/70A下产生3.45Kg推力。负压腔为铝材质，腔壳呈凸台式，符合空气动力学原理，可最大限度地发挥气体流动性能，极大地增强负压吸附能力。

2.2 密封装置

密封装置由鬃毛密封环和软硅胶片组成。密封装置材料刚度在吸附压力作用下能填充粗糙壁面的凹凸间隙，有效平衡爬壁装置的密封性和移动性。

2.3 轮式行进装置

轮式行进装置包括滚轮、联轴器、安装支架及驱动电机，通过调节滚轮的驱动力大小及方向实现爬壁装置的前进、后退以及转向运动。

3 控制系统硬件电路设计

3.1 主控制器模块

主控制器采用STM32F103ZET6芯片，电源电路为主芯片提供5.0V电源；时钟电路由晶振8MHz和32.768kHz分别构成外部高频和低频电路，如图4所示。

图4 主控芯片外围电路

3.2 电源模块

本文中爬壁装置使用24V、6000mah可充电锂离子电池组进行供电。不同电路模块供电电压不同，需要电源模块将24V电源电压进行多路电压转换，各模块电压分配如图5所示。

图5 电源模块框图

3.3 蓝牙遥控模块

对于爬壁装置的遥控功能，使用高性能主从一体HC05蓝牙串口模块。将HC05接口与单片机引脚连接，控制小车前后左右及停止运动，连接方式如图6所示。

图6 HCO5与单片机连接示意图

3.4 电机驱动模块

四个直流伺服减速电机进行驱动，STM32F103ZET6单片机产生不同占空比的PWM信号对转速控制，L298N驱动芯片实现电机驱动。

使用的L298N模块带有光耦隔离设计，可有效避免因电机变速产生的反冲电流损坏MCU。IN1~4是连接单片机接口，通过产生高低电平来控制电机方向，利用定时器Timer5通道产生PWM速度控制信号连接ENA和ENB从而控制电机的转动速度，如图7所示。

图7 L298N电机驱动模块

4 试验研究

通过一系列的设计、加工以及装配，最终制作的负压吸附式爬壁装置尺寸为31.9cm×41.0cm×18.9cm，质量3.3Kg，负压腔面积为24.0cm×32.0cm，试验行进速度均值3.39cm/s，蓝牙遥控距离为25cm。图8为爬壁装置竖直壁面攀爬实验情况，图9为爬壁装置在水平壁面及倾斜壁面实验。

图8 竖直壁面攀爬实验

图9 水平及倾斜壁面攀爬实验

结语：本文的设计可以解决人工检测具有危险性以及成本高昂的问题，为大型结构体表面的自动检测提供了一种可实施方案，具有广泛的应用前景及研究意义。