方彥奎　劉立宇　陳俊同　葉佐鎮(zhèn)　李慶鴻　吳澤濱

摘要 履帶式多功能攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)，主要是為了解決使用油漆對(duì)健康的危害及高樓光滑墻面清洗難的問(wèn)題，從而代替人工作業(yè)。本設(shè)計(jì)采用履帶式的結(jié)構(gòu)，采用真空泵給吸盤提供負(fù)壓并與履帶吸盤機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并利用WiFi232模塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線遙控，控制吸盤交替吸附使機(jī)器人能夠吸附在光滑墻體上。將機(jī)器人的工作模塊與送料模塊分離設(shè)計(jì)，減輕機(jī)器人負(fù)載，送料模塊通過(guò)軟管將地面的油漆或清洗液送至吸附在光滑墻面上的工作模塊，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)于光滑墻面的粉刷或清洗功能。

關(guān)鍵詞 系統(tǒng)基本組成；工作原理；功能模塊的設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）04—0002—02

1系統(tǒng)的基本組成及原理

履帶式多功能攀爬機(jī)器人由履帶式多功能攀爬機(jī)器人主體與地面液體供給裝置組成。其中壁面攀爬的機(jī)器人主體由吸盤及真空泵裝置、WiFi模塊、噴洗工作模塊、傳感器模塊及攝像頭裝置等組成。

工作原理：攀爬式粉刷清洗機(jī)器人通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶向前運(yùn)動(dòng)，攀爬式粉刷清洗機(jī)器人吸盤貼合在光滑墻面上，由真空泵產(chǎn)生負(fù)壓，通過(guò)導(dǎo)管連接到吸盤吸嘴，吸盤與光滑墻面間的空氣被真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓吸出，進(jìn)而吸盤緊密貼合貼合墻面，完成車體吸附在墻面的工作流程。機(jī)器人主體搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)器人粉刷工作模塊、探測(cè)與監(jiān)控的傳感器，由核心STM32控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各模塊之間的工作。位于地面的供給裝置，將所需的清洗液、油料通過(guò)壓力泵輸送到車體工作模塊中，這樣減輕履帶式多功能攀爬機(jī)器人整體的重量，增加安全性與工作的穩(wěn)定性。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2功能模塊工作原理

2.1吸附裝置

吸附能力是壁面機(jī)器人的一個(gè)基本功能，也是區(qū)別于其他種類移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)基本特征。吸附能力是爬壁機(jī)器人壁面適應(yīng)能力的一個(gè)重要體現(xiàn)，研究吸盤負(fù)壓吸附特性是壁面適應(yīng)性的重要組成部分。真空泵產(chǎn)生真空，使吸盤在與被吸物體接觸后形成一個(gè)臨時(shí)性的密封空間，通過(guò)抽走或者擠盡稀薄密封空間里面的空氣，從而產(chǎn)生吸盤的內(nèi)外壓力差，在受到大氣壓的作用下使吸盤緊緊地壓在光滑墻面上，從而機(jī)器人具有承載力。吸盤通入空氣，由于內(nèi)外氣壓要平衡，大氣對(duì)吸盤的壓力就會(huì)快速減小，最后吸盤失去吸附能力脫離墻面。這個(gè)原理與我們所使用的掛鉤吸盤吸附在墻上相似，只要用少量的力往光滑墻面上一按就可以把吸盤內(nèi)的氣體出，吸盤產(chǎn)生變形，使得吸盤貼在光滑墻面上，吸盤內(nèi)部處于真空狀態(tài)。而本設(shè)計(jì)采用真空泵抽氣的設(shè)計(jì)方案，利用產(chǎn)生負(fù)壓再通過(guò)軟管與吸盤連接，使吸盤與墻體接觸處變形從而吸盤緊貼墻體。

本設(shè)計(jì)吸盤工作的2種狀態(tài)，吸盤吸附墻體和吸盤脫離墻體。當(dāng)固定在履帶的吸盤與墻體接觸時(shí)，形成臨時(shí)的密閉空間后，此時(shí)STM32系統(tǒng)控制電磁閥T1處于連通狀態(tài)、電磁閥T2處于封閉狀態(tài)，通氣口通氣，吸盤內(nèi)部的空氣被抽走，吸盤內(nèi)部的空氣壓力低于吸盤外部的大氣壓力，在外部壓力的作用下攀爬式機(jī)器人吸住墻體。電磁閥T2處于連通狀態(tài)、電磁閥T1處于封閉狀態(tài)，固定在履帶的吸盤與墻體分離，此時(shí)吸盤與墻體形成的臨時(shí)密閉空間的氣壓與外界連通，即吸盤內(nèi)部的空氣壓力等于吸盤外部的大氣壓力，故吸盤與墻體分離。如圖2吸附流程圖所示。

2.2地面油液供給裝置

地面油液供給裝置主要由油料增壓裝置、油料暫存器、清洗液存儲(chǔ)器，車體等組成。該裝置的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人工作模塊與油液供給模塊分開，最大程度減輕攀爬機(jī)器人的重量，提高了攀爬機(jī)器人的靈活性與工作穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)孛嬗鸵汗┙o裝置工作時(shí)，油料通過(guò)增壓裝置以一定壓力流向工作模塊的噴頭，壓力可根據(jù)油液的粘度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得噴霧的質(zhì)量進(jìn)一步提高。此外，地面油液供給裝置除了提高油料外還設(shè)計(jì)了攀爬機(jī)器人與地面小車同步運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，此設(shè)計(jì)可避免油料供給導(dǎo)管過(guò)長(zhǎng)而增加墻面機(jī)器人負(fù)載，進(jìn)一步提高機(jī)器人的工作靈活性。圖3為履帶式多功能攀爬機(jī)器人三維建模圖。

2.3刷洗工作模塊

粉刷工作模塊主要由控制油液流通的電磁閥、工作支架、噴頭、滾筒等組成?？刂乒ぷ饕毫魍ǖ碾姶砰y由STM32控制系統(tǒng)控制電源通斷，當(dāng)電磁閥開啟，達(dá)到一定壓力工作液經(jīng)噴頭分散為霧狀水射流，均勻噴灑在壁面上。與此同時(shí)，噴灑在壁面的工作液在滾筒的進(jìn)一步涂抹下，使其在壁面進(jìn)一步均勻分布，相較于較人工用滾筒沾工作液再進(jìn)行涂抹的方式，工作效率得到大幅提高。圖4為工作模塊三維模型圖。

2.4基于STM32 WIFI控制模塊

系統(tǒng)控制原理：系統(tǒng)采用stm32處理芯片。利用wifi232模塊對(duì)機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線遙控，采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人上裝有攝像頭，監(jiān)測(cè)機(jī)器人噴涂的質(zhì)量及清洗情況，將錄像通過(guò)無(wú)線傳回地面，地面操作人員，根據(jù)錄像對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，提高噴涂、清洗質(zhì)量。

3結(jié)論

這款履帶式多功能機(jī)器人的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)高樓光滑墻面清洗，高樓光滑外墻粉刷的功能，工作主體機(jī)器人裝有攝像頭，能將實(shí)際工作畫面通過(guò)無(wú)線發(fā)射回地面，地面操作人員可根據(jù)攝像頭采集的信息，使用無(wú)線遙控控制機(jī)器人的行走軌跡，使得噴涂質(zhì)量和清洗質(zhì)量得到提高。這款機(jī)器人處于研發(fā)階段，履帶上所裝配的吸盤的交互轉(zhuǎn)換控制這關(guān)系到履帶式攀爬機(jī)器人是否能在墻面正常行走，及機(jī)器人行走步態(tài)還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，吸盤選擇及控制系統(tǒng)在改進(jìn)優(yōu)化中。