王苗苗等

摘要：爬壁機(jī)器人在新世紀(jì)特種機(jī)器人領(lǐng)域中備受關(guān)注，它把地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸附技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，并能攜帶一定的工具代替人類在極限的環(huán)境下工作。該文基于可編程邏輯控制器（PLC）控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，硬件上提出了一種新型的機(jī)構(gòu)，并介紹了其特點(diǎn)，規(guī)劃了交叉面跨越、直線行走和平面旋轉(zhuǎn)這三種運(yùn)動(dòng)模式。

關(guān)鍵詞：爬壁機(jī)器人；PLC ；硬件；軟件；測試

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）04-0191-03

Abstract： Climbing robot has attracted much attention in the field of special robot in the new century， it makes the ground mobile robot technology and adsorption technology organically， and can carry a certain tool to replace human work under extreme environment. This article is based on programmable logic controller （PLC） control system for the design of hardware and software。 Hardware puts forward a new kind of organization， and introduces its characteristics and plans the cross， walking straight line and plane rotation pattern.

Key word： Climbing robot； PLC； Hardware； software； test

1 概述

爬壁機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它的壁面吸附功能和移動(dòng)功能大大擴(kuò)展了該機(jī)器人的應(yīng)用范圍：如建筑領(lǐng)域，用于對高樓外壁面的清洗或噴涂；石化領(lǐng)域，用于對儲料罐內(nèi)外壁面的檢查、測量和保養(yǎng)；公共安全領(lǐng)域，用于偵查、搶險(xiǎn)、排爆、救災(zāi)等。故爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案必須根據(jù)具體要求來制定。近年來，隨著科技的進(jìn)步，極大地推動(dòng)著爬壁機(jī)器人向著吸附可靠、行走性能好、體積小等方向發(fā)展。

自1966年，第一個(gè)以利用電風(fēng)扇進(jìn)氣側(cè)的低壓作用作為吸附力的爬壁機(jī)器人在日本大阪府立大學(xué)面世以來，爬壁機(jī)器人成為機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)研究的熱點(diǎn)，但一些國家也對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)封鎖[1]。在國內(nèi)，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，爬壁機(jī)器人的研究也取得了豐碩的成果，取得了一定的社會效益。典型代表有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所在國家“863”計(jì)劃的支持下先后研制的采用磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5種型號的爬壁機(jī)器人[2]。上海大學(xué)先后研制的垂直壁面爬壁機(jī)器人和球形壁面爬壁機(jī)器人。

目前，爬壁機(jī)器人的壁面吸附功能主要采用真空吸附或磁吸附，移動(dòng)功能則是輪式，履帶式或足式[3]。該文針對吸附可靠、行走迅速、體積小、噪音小等功能，基于PLC系統(tǒng)控制而設(shè)計(jì)的真空吸附式兩足微小型爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人移動(dòng)靈活，具有較強(qiáng)的直線行走和平面旋轉(zhuǎn)能力。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)組成

如圖1所示，該文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)具有4個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)上由左右兩足、兩腿，腰部和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，其中J1、J2、J4在空間上平行放置，可實(shí)現(xiàn)抬腳跨步動(dòng)作，完成直線行走功能。另一個(gè)關(guān)節(jié)J3在左腿上沿垂直方向設(shè)置，完成平面內(nèi)轉(zhuǎn)向功能。該機(jī)構(gòu)由3個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，腰部上的舵機(jī)可實(shí)現(xiàn)跨步動(dòng)作，左右兩腿各有一個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)抬腳動(dòng)作，而左腿上的兩個(gè)微型電磁鐵是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，即直線行走和平面旋轉(zhuǎn)之間的轉(zhuǎn)換[4，5]。

2.3 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人每條腿各有一個(gè)舵機(jī)，每個(gè)舵機(jī)都獨(dú)立控制著各自的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)抬腳動(dòng)作。如圖3，該機(jī)器人左腿的舵機(jī)通過錐齒輪傳動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)腿關(guān)節(jié)J2或者J3旋轉(zhuǎn)，完成抬左腳和平面旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，而其中的運(yùn)動(dòng)切換是通過左腳的兩個(gè)微型電磁鐵來實(shí)現(xiàn)。如通過微型電磁鐵控制摩擦片的離合，實(shí)現(xiàn)下部微型電磁鐵2摩擦片與軸的緊密貼合，控制錐齒輪的停止實(shí)現(xiàn)左腳抬起；而左腳平面旋轉(zhuǎn)動(dòng)作則是通過側(cè)部微型電磁鐵1摩擦片與軸的緊密貼合來控制支架的鎖定，下部微型電磁鐵2摩擦片與軸的松開控制錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。腿關(guān)節(jié)J4的旋轉(zhuǎn)，即抬右腳動(dòng)作則是通過右腿上的舵機(jī)和錐齒輪的傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人的左右腿部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理相似。

該爬壁機(jī)器人的兩足分別由吸盤、氣路和微型真空泵組成。微型真空泵為吸盤提供吸力，而其電路的通斷控制氣路的通斷，即微型真空泵通斷電控制氣路的通斷氣，實(shí)現(xiàn)吸盤的吸附與釋放。

4 測試

對于本次設(shè)計(jì)，進(jìn)行了相關(guān)方面的測試，主要包括交叉面跨越測試、直線行走測試、平面旋轉(zhuǎn)測試和綜合爬行測試。選用的控制器是三菱FX2n系列的PLC——MELSEC FX2n-32MR，選用的編程軟件是GX Developer 8.86，選用通過USB接口提供串行連接及RS422信號轉(zhuǎn)換的編程電纜USB-SC09實(shí)現(xiàn)電腦與PLC的連接，傳輸設(shè)置正確且當(dāng)測試連接成功后，將編寫好的PLC程序通過在線寫入到PLC，經(jīng)PLC內(nèi)部處理后，控制執(zhí)行元件的通斷使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過測試，上位機(jī)、PLC和爬壁機(jī)器人硬件可以進(jìn)行正常的連接并能參與一定的運(yùn)動(dòng)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，編程電纜USB-SC09可以正常的傳輸和轉(zhuǎn)換程序，實(shí)現(xiàn)爬壁功能，而且在定位準(zhǔn)確性、移動(dòng)靈活性都可以達(dá)到滿意的結(jié)果。

5 結(jié)論

本文針對新世紀(jì)特種機(jī)器人發(fā)展的趨勢展開了對爬壁機(jī)器人的研究開發(fā)，主要的工作是依據(jù)交叉面跨越、直線行走和平面旋轉(zhuǎn)這三大功能進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)、制造、裝配以及軟件的編程。鑒于該設(shè)計(jì)尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、移動(dòng)靈活等特點(diǎn)，將有更多的企業(yè)應(yīng)用。但本文設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人也存在一定的不足，如沒有在吸盤上安裝壓力傳感器和接觸傳感器，不能確保機(jī)器人左右足的準(zhǔn)確定位，這需要進(jìn)一步的研究與開發(fā)，相信在未來的時(shí)間里會有一種更完美的爬壁機(jī)器人出現(xiàn)，為人類提供更多的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 趙言正，門廣亮.爬壁機(jī)器人全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究[J].機(jī)器人，1995，17（2）：102-107.

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