負(fù)壓式機(jī)器人設(shè)計(jì)

山東淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué)2015級(jí)26班 許云倩

山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 王營(yíng)博

負(fù)壓式機(jī)器人設(shè)計(jì)

山東淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué)2015級(jí)26班 許云倩

山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 王營(yíng)博

本文根據(jù)負(fù)壓吸附原理設(shè)計(jì)了可自行爬壁的機(jī)器人，其樣機(jī)能從地面直接爬上垂直墻壁，并可以通過無線遙控控制其在墻面上自由移動(dòng)。

負(fù)壓吸附；驅(qū)動(dòng)控制電路；無線遙控系統(tǒng)

0 綜述

爬壁機(jī)器人屬于特種作業(yè)機(jī)器人的一種[1]。按照負(fù)壓原理，設(shè)計(jì)了一種小型化、功能簡(jiǎn)單的爬壁機(jī)器人，其樣機(jī)采用負(fù)壓風(fēng)扇吸附，直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪嚙合方式傳動(dòng)，無線遙控控制方式，并通過TX-2B/RX-2B無線遙控接收芯片，LM7805集成穩(wěn)壓電源等器件的應(yīng)用初步探討了無線遙控發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的工作原理和新型H橋電路對(duì)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。所研制的樣機(jī)在功能上可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)爬壁、并完成直角轉(zhuǎn)彎和前進(jìn)等運(yùn)動(dòng)的無線控制，在功率驅(qū)動(dòng)能力上達(dá)到了機(jī)器人自由運(yùn)動(dòng)的要求。

1 工作原理及參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外小型負(fù)壓爬壁機(jī)器人的發(fā)展概況及其特點(diǎn)，可以看出爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)為：重量、傾覆力矩、密封性能、單位能耗、噪聲[2]。

爬壁機(jī)器人可以利用地面式機(jī)器人的工作原理，但要能在垂直壁面上移動(dòng)并且穩(wěn)定工作，必須克服自身的重力，需要產(chǎn)生足夠的吸附力來完成吸附功能，同時(shí)也應(yīng)盡量采用輕質(zhì)材料，減輕本體重量[6]，使其重心下降來增強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性。

圖1 爬壁機(jī)器人受力圖

圖2 輪式分布圖

爬壁機(jī)器人靠負(fù)壓裝置產(chǎn)生的吸附力F負(fù)吸附在墻上的。機(jī)器人爬壁的動(dòng)力是由車輪和壁面之間的摩擦力提供的，而摩擦力的大小與摩擦系數(shù)和正壓力有關(guān)。圖1為爬壁機(jī)器人的受力圖。爬壁機(jī)器人靜止在壁面上時(shí)，力平衡方程為：

爬壁機(jī)器人本體在壁面上不傾覆的條件是：∑M≥0，即：

其中L1為機(jī)器人的重心與壁面間的距離，H2、H1分別為車輪到機(jī)器人重心的垂直距離。

機(jī)器人在壁面上能可靠吸附，必須滿足即：

在設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人時(shí)，應(yīng)盡可能使機(jī)器人的重心接近壁面，并盡量錯(cuò)開車輪之間的距離，吸盤的形狀應(yīng)盡量成扁平狀，這樣有利吸附。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)方式設(shè)計(jì)

該機(jī)器人采用輪式移動(dòng)的方式，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)速度快，控制簡(jiǎn)單。通過選用摩擦系數(shù)大的輪子可以克服打滑的缺點(diǎn)。普通的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般有三個(gè)輪、四個(gè)輪。三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，但在較長(zhǎng)距離移動(dòng)時(shí)，兩車輪的直徑差會(huì)影響到前進(jìn)的方向。根據(jù)以上分析，本文采用四個(gè)輪，如圖2所示為輪式分布圖，左右兩后輪采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，兩側(cè)的輪都為同步傳動(dòng)，車體靠?jī)蓚?cè)的速度差來控制機(jī)器人的方向。采用這種方式還可以使機(jī)器人在小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。機(jī)器人轉(zhuǎn)向通過輪速差來實(shí)現(xiàn)，使四個(gè)輪子都是主動(dòng)輪，所受的壓力均等而且越障性能好，增加了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力（見圖2）。

2.2 吸附裝置設(shè)計(jì)

為保證機(jī)器人吸附在墻面上的重要部件，由吸盤外殼、負(fù)壓發(fā)生裝置、密封圈組成。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人體內(nèi)葉片周圍形成了一定的負(fù)壓，達(dá)到吸附的目的。

3 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電源的選取

為了減輕機(jī)器人的重量，將吸附裝置和移動(dòng)裝置的電源統(tǒng)一，采用同一個(gè)電池供電，可充分發(fā)揮電池的能量，并減輕了機(jī)器人的重量。而在本系統(tǒng)中涉及到兩個(gè)電壓供電的問題，系統(tǒng)在信號(hào)處理部分需要有5V電壓，而風(fēng)扇電機(jī)、輪式電機(jī)都需7V電壓。因此在系統(tǒng)中采用7805集成電源模塊來得到5V電壓。LM7805可以使高于5V的電壓轉(zhuǎn)化為恒定的5V電壓，保證邏輯電路部分電源的穩(wěn)定性。具體的電路設(shè)計(jì)情況參照系統(tǒng)的總體電路圖。

3.2 無線遙控的選擇

由于無線電遙控具有迂回性和曲折性，只要在有效的距離范圍內(nèi)，可以不受方向和障礙物的限制，所以本文采用無線電遙控方式控制。選擇TX-2B/RX-2B芯片作為方案一，PT2262/PT2272芯片作為方案二，因?yàn)橄鄳?yīng)的TX-2B/RX-2B和PT2262/PT2272無線遙控芯片采用了低發(fā)射功率、靈敏度高，該模塊使得遙控電路十分簡(jiǎn)潔。

3.3 爬壁機(jī)器人電路的設(shè)計(jì)

TX-2B是一款帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無線遙控發(fā)射芯片，其外觀引腳如圖3所示，發(fā)射芯片TX-2B集成發(fā)射單元，使發(fā)射電路十分簡(jiǎn)潔。RX-2B與TX-2B配對(duì)使用，RX-2B為接收芯片。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制設(shè)計(jì)

無線遙控爬壁機(jī)器人的移動(dòng)是由兩個(gè)直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(hào)，接收機(jī)接收后輸出指令，但該指令信號(hào)太弱并不能直接來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這就需有一個(gè)重要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。H橋電機(jī)控制電路如圖4所示，該機(jī)器人的移動(dòng)只是對(duì)電機(jī)的開關(guān)控制和正反轉(zhuǎn)控制。圖中電機(jī)和四個(gè)三極管構(gòu)成一個(gè)H字母，所以這種控制叫做H橋控制。圖中Vcc為電機(jī)電源電壓 ，輸出端并聯(lián)電容C2，用于降低感性元件電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓。

The design of negative pressure Wall-climbing robot is designed

Xu yunqian1Wang yingbo2
（1.shandong zibo experimental high school，Zibo 255000；2.School of Mechanical Engineering Shandong University Of Technology，Zibo 255049）

Wall-climbing robot is designed according to negative pressure suction principle of，The prototype can directly move to vertical wall from the ground and can be controlled by wireless remote control .

Negative pressure suction system；Driven control circuit；Non-wires Remote Contorl