复合吸附方式爬壁机器人的研制

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　　摘要
　　针对单一吸附方式爬壁机器人难以适应复杂壁面的缺点，采用了磁吸附和负压吸附相结合的复合吸附方式进行设计并制作，解决了爬壁机器人面对不同环境时的适用性问题。
　　关键词
　　机器人;复合吸附;爬壁;自主
　　中图分类号： G633.6                  文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.75
　　0 引言
　　爬壁机器人可以在斜度较大甚至垂直壁面和天花板上爬行作业，在许多领域有较多应用，现在所研究的多为单一吸附方式，无法适应复杂壁面作业，采用磁吸附和负压吸附相结合方式可以很好解决此问题，本文从复合吸附方式爬壁机器人的工作原理、吸附方式的确定和实现、总体结构设计与优化、电控系统设计与实现、机器人作业的内容与吸附模式切换等方面加以阐述。
　　1 研究内容
　　1）复合吸附方式选择。采用磁吸附和负压吸附方式相结合，可以自主切换以适应多种质地壁面的吸附和行走。
　　2）机器人总体结构设计与优化。（1）控制结构形式选择分布式控制。将系统分成不同的模块，不同的任务由不同的模块来执行，可以满足在不同情况下采用不同吸附方式，而且还可以保证在不同工况下的灵敏度、准确度及适应性。（2）控制框架选择混合式。因工作环境比较复杂，要规划好整体的控制策略来实现实时控制。（3）安装多种传感器。能够自主识别壁面材质进行吸附方式的自动切换、自主识别行走路径，实现作业的多样化。（4）采用履带式行走机构，设置自主行走作业与人工控制两种工作模式。
　　2 基本原理与技术路线
　　复合吸附方式爬壁机器人由底盘及履带式行走机构、电磁铁、负压吸盘、多种传感器、stm32单片机及检测和驱动电路构成，能适应各种复杂壁面，实现行走或悬停作业。
　　1）吸附力特性分析
　　（1）吸附力分析。如图1所示，在由铁面过渡到一般壁面的过程中会发生履带与墙面分离的情况，此时电磁吸附力会减小，当吸附力小于一定值时，就不能保证机器人安全地吸附在墙面上，此时可能会发生滑落或者倾覆，若保证机器人不滑落，在垂直方向对图1进行分析可以得到：
　　式1中FM′为机器人全部履带所提供的实际吸附力，在发生壁面过渡的极限情况下，FM′全部由铁面与电磁铁面吸附提供。
　　（2）吸附方式实现。在底盘下方适当位置安装电磁铁和涵道风扇，在履带上加装永磁铁作为辅助吸附。
　　（3）吸附模式切换。将霍尔传感器安装在底盘的最前端，用霍尔传感器判断壁面是否为铁磁材料，若是，则采用电磁吸附模式，若不是，则切换到涵道吸附模式，复杂壁面由人工控制根据实际情况切换吸附方式。
　　（4）安全性能分析。满足单侧履带接触壁面即能可靠吸附，则双侧履带接触在墙面上行走会更安全。
　　2）电控系统设计与实现
　　（1）12V供電电路设计
　　为了保证机器人能长时间工作，采用24V锂电池供电。由于空心杯电机的工作电压为12V，专门设计了如图2所示的12v供电电路。
　　（2）主控电路
　　工作原理如图3所示。选用stm32单片机作为核心控制器件，对检测电路的采集信号运算后发出控制信号，从而可以控制整个机器人的吸附、行走、作业等动作。
　　（3）电机驱动电路
　　电机驱动电路是行走机构的重要组成部分，如图4所示。它的主要作用就是执行控制器的电机控制信号，通过把光电耦隔离电路输出的控制信号经推挽放大器功率放大后，输入到场效应管IR4905的栅极，来控制H桥的导通，实现了对电机的转速和转向控制。
　　3）机器人吸附、行走、作业控制程序。机器人吸附、行走、作业控制程序按图5流程编写，并加以调试。
　　3 结束语
　　本爬壁机器人研制的创新点在于：1）采用复合吸附方式，可以适应多种质地的壁面吸附和行走;2）能够自主识别壁面材质，进行吸附方式的自主切换;3）安装多种传感器，可以自主行走、自主作业，实现复杂作业环境的适用性。
　　参考文献
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