李 娜，李曉飛，趙曉芳（天津理工大學(xué)，天津 300384）

垂直攀爬清潔機器人

李 娜，李曉飛，趙曉芳
（天津理工大學(xué)，天津 300384）

垂直攀爬清潔機器人是行走在光滑墻壁或者玻璃上的一種機器人。本設(shè)計是基于普通機器人的基礎(chǔ)上研究出的一種在豎直平面上行走并且作業(yè)的機器人。本設(shè)計由單片機控制行走及作業(yè)，將編好的程序提前輸入單片機中，這樣可以實現(xiàn)無人操作。本設(shè)計由吸盤作為機器人的四肢行走，吸盤主軸連接步進電機，主體連接氣泵，氣泵抽氣放氣完成吸盤的吸附或行走。它可以應(yīng)用家庭中做家務(wù)或者企業(yè)大廈的物業(yè)打掃中?，F(xiàn)在市場上已有這類產(chǎn)品胡生產(chǎn)，但并不完善。垂直攀爬機器人的研究涉及到控制、傳感、避障等。此外，還涉及將機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化到最節(jié)省空間的諸多知識。

垂直攀爬；步進電機；氣泵；吸盤

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.250

1　整體設(shè)計

垂直攀爬清潔機器人項目編號為201410060040的設(shè)計要點在于它的爬行結(jié)構(gòu)，它的爬行路線是由使用者自己決定的。因為這種機器人是在豎直平面上爬行，所以它的重量一定要盡可能的輕，否則吸力小于重力使機器人墜落。當(dāng)設(shè)計垂直攀爬清潔機器人時既要達到要求又要使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，盡量精簡所需的元器件，讓整個機器人顯得靈巧。這樣也能保證操作方便。采用亞克板作為底盤裝載其他元器件，并且其他部分需要固定在亞克板上，這樣 當(dāng)垂直攀爬機器人在豎直平面上行走時才不會散落。垂直攀爬清潔機器人的行走結(jié)構(gòu)由吸盤充當(dāng)。吸附方式采用吸盤真空吸附，在光滑的平面上這種方式最為安全可靠。整個亞克板底盤為邊長35厘米的正方形，在正方形中間有一個 直徑為10厘米的圓形孔，整個底盤上還有四個長為15厘米的長方形孔條，這是整個機器人可行動的軌道，這個長方形軌道的寬比吸盤上面的主軸直徑大0.5厘米。之所以有四個軌道是因為這樣可以使機器人上下左右自由爬行。

2　吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們用真空泵來抽吸盤內(nèi)腔中的空氣。在氣泵抽氣口處因為有外界大氣壓的作用，將氣體擠入或放出氣泵內(nèi)。真空泵操作安裝時簡單方便，使用壽命長，體積小。選用美國HTC公司的D87-23-01的真空泵，它集無刷電機和驅(qū)動器于一體，整個氣泵小巧，重量也是在可以接受的范圍內(nèi)。

真空吸盤座穿過底盤，吸盤留在底盤下面撐起底盤，真空吸盤座上的進出氣口通過PU管和電磁閥與氣泵相連接構(gòu)成吸附件。吸盤的位置在底盤上的軌道內(nèi)移動，吸盤座上的主軸卡在軌道內(nèi)，再由螺母扣緊，螺母在底盤上部，這樣就達到了真空吸盤與底盤的結(jié)合。真空泵將吸盤中的空氣抽干，吸盤內(nèi)腔呈真空狀態(tài)，這樣使垂直攀爬機器人緊緊地吸附在墻壁上。電磁閥相當(dāng)于一個開關(guān)的作用可以將兩個連接在氣泵同一個抽氣孔分開。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)，垂直攀爬機器人能否安全地貼在墻壁上與吸盤的布局有一定的關(guān)系。如果是四個吸盤的話，他們的位置要是對稱的才好。當(dāng)垂直攀爬機器人準(zhǔn)備移動時，四個吸盤都吸附在墻壁上，舵機轉(zhuǎn)動角度為0度。向上移動時四個舵機轉(zhuǎn)動45度，撐起底盤，左右兩個吸盤松開墻壁并進行移動。移動完成后再次吸附住墻壁，四個吸盤全部吸附好后，驅(qū)動步進電機左右連個移動結(jié)構(gòu)再次啟動，因為吸盤都吸附住不能動，這次就是機器人整體移動。當(dāng)垂直攀爬機器人向左或向右移動時，原理相同，只是不同的吸盤移動。機器人就是這樣自由移動的。

3　硬件設(shè)計

本設(shè)計的移動結(jié)構(gòu)最重要的一個元件就是電機。在垂直攀爬機器人的設(shè)計中，我們選用步進電機。步進電機可以把脈沖變量轉(zhuǎn)換成角變量的電氣機械。因此一定要用脈沖控制步進電機。步進電機的主要優(yōu)點有電源一定要帶脈沖才能啟動步進電機；還有就是步進電機和驅(qū)動控制器組成的開環(huán)控制系統(tǒng)，方便容易，調(diào)速與性能良好，動態(tài)響應(yīng)快，自啟動能力強。

檢測垂直攀爬機器人是否到達指定地點的方法就是用超聲波傳感器測距。原理就是首先超聲波傳感器發(fā)射一縷高頻聲波，一碰到墻壁時高頻音波會被反彈回來并被接收到，再通過把聲波去回所用的總時間乘以超聲波傳播的速度就可以獲得墻壁相對于物體的距離。超聲波對固體和液體的穿透力很大，可以穿過很深深度。這種傳感器本身測量準(zhǔn)確、無接觸、放水、防腐蝕、成本少等特點。

在機器人的運動中，要要監(jiān)控它的速度變化。加速度傳感器有兩種一個是線加速度傳感器另一種是角加速度傳感器，機器人的運動是直線的，所以我們計算線加速度。直線運動也可以通過公式轉(zhuǎn)換程旋轉(zhuǎn)速度間接測量。旋轉(zhuǎn)式加速度傳感器與機器人直接接觸，當(dāng)機器人運動時會產(chǎn)生摩擦力，就會帶動傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動，在滾輪上的脈沖裝置，發(fā)出一簇的脈沖每個脈沖代表著一定的間隔，這樣就能測出加速度。 加速度傳感器還可以讓我們了解機器人它是在加速度向上還是勻速向下或者是否停下來。

按鍵和顯示屏是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)人機對話的一種基本形式，兩種接口設(shè)計會影響到人機接口。在垂直攀爬機器人的設(shè)計中，人機接口是重要的一環(huán)。顯示頻可以顯示機器人現(xiàn)在的電量、速度和路程；按鍵可以控制機器人開始運動以及其他功能開始工作。在對一個系統(tǒng)進行各種操作時，人與機器的對話是非常重要的，人機接口界面可以實現(xiàn)人與機器之間的交流。通過按鍵將所需要信號與信息輸入給系統(tǒng)，想的結(jié)果在顯示屏上顯示出來，這樣就完成了人與機器的交流的目的。

［1］張越.國內(nèi)外壁面移動式機器人的發(fā)展概況［J］.唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報，1994（01）.

［2］劉淑霞.壁面清洗機器人控制技術(shù)的研究［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

［3］王炎.爬壁機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景［M］.科技研究，2007.