摘要撐運(yùn)動(dòng)的爬壁機(jī)器人，通過(guò)離心風(fēng)扇產(chǎn)生足夠的吸附力，吸附在垂直或者傾斜壁面上，同時(shí)其可以適應(yīng)一定曲率范圍的曲面。PAGEPAGE39目錄TOC\o"1-3"\h\u22211摘要 123962第1章緒論 2293881.1選題背景及其意義 2223401.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展 26695 211084 4108471.3論文主要研究?jī)?nèi)容 65584第2章爬壁機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 8227682.1爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)及要求 82272.2爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 928677 931967 14230352.3本章小結(jié) 1816472第3章爬壁機(jī)器人的曲面適應(yīng)性和力學(xué)分析 19148793.1對(duì)曲面的適應(yīng)性分析 1952183.2機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析 201092 2030795 2221028 25245753.3機(jī)器人吸附性能的仿真 26278173.4本章小結(jié) 2819116第5章爬壁機(jī)器人電氣控制的設(shè)計(jì) 29288115.1電子控制系統(tǒng)總體構(gòu)架 2970115.2電子硬件設(shè)計(jì)與選型 3028913STM32 3011196 3120460 334312433M 331036 3533805.3負(fù)壓吸附閉環(huán)控制 3531586PID 3515898 3639965.4機(jī)器人差速運(yùn)動(dòng)控制 37188835.5本章小結(jié) 3923603第6章總結(jié) 40152066.1總結(jié) 40第1章緒論選題背景及其意義爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域中一個(gè)重要分支，它結(jié)合了吸附技術(shù)與移動(dòng)[5-7]。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展1966年日本大阪府立大學(xué)的西亮教授制作出了第一臺(tái)爬壁機(jī)器人的原理樣機(jī)，其通過(guò)利用風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓作為吸附力，這也被認(rèn)為是爬壁機(jī)器人研究的開(kāi)端。隨后美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、意大利等多國(guó)家也不斷地開(kāi)展了對(duì)爬壁機(jī)器人的研究[8]。負(fù)壓吸附式機(jī)器人：Alicia[13-16]1-5AliciaⅡ由中4kg，行走速15kg1cm高的障礙。AliciaAliciaⅡ的結(jié)構(gòu)相約城市大學(xué)肖繼中研究的爬墻機(jī)器人[17-19]1-6所示，主要用于城市環(huán)境下的偵750Kg10Kg，用于大型混凝土建筑的檢查任務(wù)。 圖1-5ALICIA機(jī)器人 圖1-6美國(guó)Cityclimber機(jī)器人磁吸附式機(jī)器人：NDT爬壁機(jī)器人[21]1-719871-8所示[22]OmniClimbers的設(shè)計(jì)，控圖1-7 NDT焊縫檢查爬壁機(jī)器人 圖1-8磁吸附式爬壁機(jī)器人仿生吸附式機(jī)器人：10N/cm22006年開(kāi)發(fā)出仿生RISE9,10所示，Stickybot[24-25]SpinyBot[26-27]Stickybot4SpinyBot的腳上有極細(xì)小的倒鉤刺，通過(guò)在粗糙壁面上“扣”住凸緣實(shí)現(xiàn)行走，適合在粗糙面[28]圖1-9斯坦福大學(xué)Stickybot機(jī)器人 圖1-10Spinybot機(jī)器人國(guó)內(nèi)對(duì)爬壁機(jī)器人的研究也屬于起步較早。我國(guó)在國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目的大2090長(zhǎng)春理工大學(xué)設(shè)計(jì)了能攀爬風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的小型磁力爬壁車(chē)（2013年）[29]。量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的王斌銳老師帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)了一款仿尺蠖雙足機(jī)器人來(lái)對(duì)風(fēng)年，用于對(duì)船體表面進(jìn)行除銹和清洗[31]CCDNDE設(shè)備進(jìn)行裂紋和損傷檢測(cè)。圖1-11 橋梁斜鎖檢測(cè)用爬壁機(jī)器人我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所從20世紀(jì)90年代以來(lái)已經(jīng)成功研制出負(fù)壓1994CLR系列的兩種機(jī)器人[32]1-12所示。吸附是利用風(fēng)扇工作時(shí)，空40KPa，最小2KPa左右即可滿足工作要求。圖1-12 CLR機(jī)器人哈爾濱工業(yè)大學(xué)還與中國(guó)武警裝備的有關(guān)部門(mén)合作共同研制了應(yīng)用于反恐偵1-1310分貝左右。此機(jī)器人采用離心風(fēng)機(jī)作為6kg300*300mm，移動(dòng)靈活，10kg類型壁面，如水泥面墻，磚瓦墻和瓷磚墻面等；機(jī)器人的噪聲低，能達(dá)到反恐偵查的要求，在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。圖1-13 反恐偵查機(jī)器人 圖1-14 FFROBOT機(jī)器人FFROBOT[33]1-14論文主要研究?jī)?nèi)容1.查閱大量的相關(guān)參考文獻(xiàn)，介紹國(guó)內(nèi)外不同類型爬壁機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，提出了本文的主要研究目標(biāo)和內(nèi)容。2.提出一種可對(duì)一定曲面半徑具有適應(yīng)性的爬壁機(jī)器人輕量化的設(shè)計(jì)方案，利Pro/e建立機(jī)器人總體的三維模型并裝配。確定了采用單吸盤(pán)負(fù)壓吸附3.分析了機(jī)器人對(duì)曲表面的適應(yīng)性能，通過(guò)理論計(jì)算得出機(jī)器人所需吸附力的軟件對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行了仿真，得出在不同位置角度時(shí)所需的最小吸附力區(qū)域。4.GIMBITfluent5.STM32單片機(jī)作為主PID6.制作機(jī)器人的樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要包括對(duì)不同的壁面環(huán)境的適應(yīng)性，及吸附力和負(fù)載能力的實(shí)驗(yàn)。7.對(duì)論文研究的主要內(nèi)容、結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)的研究方向提出了展望。第2章爬壁機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中重要的一個(gè)分支，結(jié)合了吸附，行走和檢測(cè)等技術(shù)，其中吸附系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中的核心部分。其一般主要完成有危險(xiǎn)性的特殊任務(wù)，代替人工進(jìn)行作業(yè)[7]。對(duì)爬壁機(jī)器人的研究首先要分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性，針對(duì)不同的應(yīng)用范圍，要能適應(yīng)不同的復(fù)雜壁面情形。爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)及要求2.2所示。表2.2機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)標(biāo) 參數(shù)整體尺寸(mm)速度(m/min)重量(kg)工作時(shí)間(min)工作表面曲率半徑(m)通訊傳輸距離（m）工作介質(zhì)負(fù)載

300*320*150<10340>0.5>100表面允許有微小裂紋、凸起≥2kg2-1所示。2-1風(fēng)電葉片形狀示意圖爬壁機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)Pro/e對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立各零部件的精細(xì)模型，然后進(jìn)行虛擬裝配，建立虛擬模型與實(shí)際機(jī)器人比例為1:1。虛擬裝配使機(jī)械結(jié)構(gòu)圖2-2機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-2由于爬壁機(jī)器人在工作壁面要克服自身重力，其工作過(guò)程中始終需要提供一個(gè)2.3是爬壁機(jī)器人常見(jiàn)的吸附類型的性能比較，其中采用“+”、“О”、“-”分別代表性能的“良好”、“中”、“較差”。表2.3爬壁機(jī)器人的吸附類型對(duì)比吸附類型真空吸附推力貼附仿生吸附負(fù)壓吸附磁吸附吸附材料О+О+-移動(dòng)速度-+-++負(fù)載+--О+可控性ОО-ОО能量消耗О-+-О2.32-3所示。2-3吸附系統(tǒng)分解圖2-4所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表2.4所示。圖2-4 離心葉輪的實(shí)物圖表2.4 離心葉輪的參數(shù)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)軸孔直徑8mm葉片數(shù)8葉輪外徑120mm端面跳動(dòng)<0.2高度9mm徑向跳動(dòng)<0.1進(jìn)風(fēng)口直徑最高轉(zhuǎn)速(r/min)48mm20000-23000動(dòng)平衡測(cè)試是RH，則負(fù)壓吸附力公式為：R2?PS ?F1 裙 （2-1）p n式中Fp——作用于本體上的吸附力；P1——密封吸盤(pán)內(nèi)的等效負(fù)壓差；ΔP——密封裙的等效負(fù)壓差；S裙——密封裙的面積；n——安全系數(shù)。2-1n2。P0dp/dy為[36]2-5FS P

HPPldxPlH/2

（2-2） 裙 2

0 0 x式中Fδ——作用在密封機(jī)構(gòu)上的正壓力；H——密封裙的周長(zhǎng)；P0——大氣標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；Px——密封裙間隙的壓強(qiáng)。2-5密封間隙的壓力圖因此，可知爬壁機(jī)器人產(chǎn)生的吸附壓力為：R2PPlH/2F1 p n

（2-3）Fp吸附系統(tǒng)所需的電機(jī)采用國(guó)產(chǎn)的朗宇公司的高速直流無(wú)刷電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為X-28202-6所示。圖2-6SunnyskyX2820直流無(wú)刷電機(jī)電機(jī)的性能參數(shù)如表2.5所示。表2.5朗宇SunnyskyX2820無(wú)刷電機(jī)參數(shù)類型參數(shù)類型參數(shù)定子外徑28mm轉(zhuǎn)子直徑35mm定子槽數(shù)12出軸直徑5mm定子級(jí)數(shù)14出軸長(zhǎng)度19mmKV值800電機(jī)總長(zhǎng)度61mm空載電流0.9A電壓11.1V電機(jī)電阻41mΩ建議電調(diào)60A最大連續(xù)電流46A/30S最大鋰電池節(jié)數(shù)3s-5s重量（含線長(zhǎng)）138g輸入線3線密封機(jī)構(gòu)要求具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.良好的耐磨性。壁面可能存在凸起的附著物，爬壁機(jī)器人在壁面上移動(dòng)，密封機(jī)構(gòu)會(huì)不可避免的產(chǎn)生磨損。2.3.良好的耐受性。由于吸盤(pán)的工作環(huán)境復(fù)雜，具有良好的耐腐蝕性、耐高溫性、抗老化性能，避免頻繁的更換，提高使用壽命。4.圖2-7 組合密封裙圖該機(jī)器人選用降落傘布包裹低密度彈性海綿作為組合密封裙，密封裙的寬度為2-7(1)降落傘布非常柔軟，具有低彈性模量、高泊松比、耐磨性好、摩擦系數(shù)小的特點(diǎn)，同(2)2.6所示。表2.6不同移動(dòng)方式的比較式力式力性足腿式慢強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)復(fù)雜輪式快中弱強(qiáng)較強(qiáng)一般履帶式一般弱較弱較強(qiáng)一般一般框架式慢強(qiáng)中弱強(qiáng)簡(jiǎn)單

速度 轉(zhuǎn)向能

越障力 壁面應(yīng)

穩(wěn)定性 控制度對(duì)爬壁機(jī)器人采用的不同移動(dòng)方式的對(duì)比和分析，本課題選用輪式移動(dòng)作為爬壁機(jī)器人的移動(dòng)方案，運(yùn)動(dòng)輪線框圖如圖2-8所示。圖2-8 運(yùn)動(dòng)輪線框圖此爬壁機(jī)器人選用“2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪+1個(gè)腳輪”,驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用馮哈勃2342L012CR直流減速電機(jī)，如圖2-9所示，此電機(jī)具有質(zhì)量較輕、力矩大結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。電機(jī)自帶有行星減速齒輪以及光電編碼器部分。圖2-9 Faulhaber2342L012CR空心杯減速電機(jī)電機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2.7所示：表2.7 Faulhaber2342L012CR電機(jī)參數(shù)項(xiàng)目參數(shù) 項(xiàng)目參數(shù)額定工作電壓：12V 17W空載轉(zhuǎn)速：8100RPM（轉(zhuǎn)分） 連續(xù)矩：1.72Nm減速后速：120RPM（每鐘） 堵轉(zhuǎn)矩：5Nm直徑：30mm 75mA電機(jī)總長(zhǎng)：85mm 1.4~2A輸出軸直徑：6mm 重量：235g出軸長(zhǎng)度：35mm AB雙路輸出減速比：1:64 光電式減速箱類型：全金精行星 每圈沖：12CPR減速箱2-104mm。（a）線框圖 （b）實(shí)物圖圖2-10 減速器三維線框圖和實(shí)物圖18m1=0.52072mm。圖2-11機(jī)器人裝配實(shí)物圖驅(qū)動(dòng)相關(guān)計(jì)算η2=0.96，則每個(gè)電機(jī)傳遞到輸出軸的功率為：P2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的半徑為r=35mm，減速比為i=3:1，則機(jī)器人的速度為：vrn0.147m/s1 單個(gè)電機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力為：1F=1v1本章小結(jié)本章首先初步確定出爬壁機(jī)器人的技術(shù)要求，提出機(jī)器人設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和難點(diǎn)。第3章爬壁機(jī)器人的曲面適應(yīng)性和力學(xué)分析對(duì)曲面的適應(yīng)性分析為簡(jiǎn)化復(fù)雜的受力和運(yùn)動(dòng)分析，現(xiàn)作如下理想的假設(shè)：（1）爬壁機(jī)器人與壁面的接觸皆不考慮彈性變形、滑動(dòng)等情況，受力分析時(shí)簡(jiǎn)化為一點(diǎn)。（2）爬壁機(jī)器人的重心與幾何中心重合。（3）離心風(fēng)扇產(chǎn)生的吸附力垂直于壁面。（4）假設(shè)機(jī)體運(yùn)行曲面為理想球面。機(jī)器人對(duì)壁面的曲率有一定適應(yīng)能力，影響適應(yīng)能力的主要因素有車(chē)輪與底板的垂直距離和車(chē)輪之間的距離。曲面吸附的示意圖如圖3-1所示[38]：圖3-1曲面吸附示意圖圖3-2曲率半徑示意圖3-2hRsr為輪子接觸點(diǎn)到軸線的距離。由幾何知識(shí)可知：cos2LRsh

（3-1）tanrrh為已知，爬壁機(jī)器人的底板的高度需滿足的條件為：hRsL3-1，3-2，則可得爬壁機(jī)器人工作曲面的曲率半徑的條件為：

（3-2）Rs

h2sin2

（3-3）假設(shè)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人底板的高度h為35mm，輪子到機(jī)器人的中心線的距離r為173.2mm，則：(Rs)min=449.17mm所以設(shè)計(jì)的機(jī)器人工作最小曲面半徑為449.17mm。機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析防滑落約束分析θ3-3所示。首先建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系{},建立固定于本體上的移動(dòng)坐標(biāo)系{y的正2L。圖3-3機(jī)器人任意姿態(tài)下受力分析在靜止時(shí)受力和力矩平衡方程為：[39]FpFl1Fr1FcFqNq0fy1fy2G03FLGhsinF 3L0l1 p 3

(3-4)3FLGhcos 3FL0C 3 p式中 fy1——爬壁機(jī)人運(yùn)動(dòng)輪靜摩擦力；fy2——爬壁機(jī)器人密封裙靜摩擦力；Fc——前輪所受壁面支撐力；h——機(jī)器人重心到壁面的距離；Fl1——后左輪所受壁面支撐力；Fr1——后右輪所受壁面支撐力；Fq——作用在機(jī)器人密封裙上的正壓力和壁面對(duì)密封裙的反作用力相互抵消，則吸附力與壁面對(duì)輪子的支撐力相等，即：

（3-5）Fl1Fc

Fpsin 3 3L Fpcos 3 3L

(3-6)FFpsincosr1 3 3L fy1=(Fl1+Fr1)?μ1,fy2=Fq?μ2生的正壓力為機(jī)體等效吸附力的1/6，則避免爬壁機(jī)器人發(fā)生滑落的失效，機(jī)器人所需最小吸附力為：Fp

4

L

(3-7) cos)防傾覆約束分析爬壁機(jī)器人要能實(shí)現(xiàn)可靠吸附不發(fā)生傾覆失效的現(xiàn)象，則機(jī)器人靜止時(shí)三個(gè)輪子都要與壁面接觸，即必須滿足：minFl1,Fr1,Fc0，則可得靜止?fàn)顟B(tài)下不發(fā)生傾覆失效的吸附力為：Fsin,cos,6Gh(sincos))p L L L

(3-8)機(jī)器人在任意姿態(tài)下都要同時(shí)滿足不發(fā)生滑落失效和傾覆失效的條件，故靜止時(shí)的負(fù)壓吸附力要求為：Fcos),sin,cos,6Gh(sincos))

(3-9)p 4L L L L1 2單個(gè)運(yùn)動(dòng)輪防打滑約束分析3-4所示。3-4單個(gè)驅(qū)動(dòng)輪受力設(shè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪半徑為r，寬度為H；FN為本體作用在驅(qū)動(dòng)輪軸上的正壓力，F(xiàn)f為墻壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力，Mc為墻壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的阻力矩，T為輪子受到的驅(qū)動(dòng)力矩。則可得驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力學(xué)方程為：[40]vrmvF

mg1 f 1 JcTMc

（3-10）Jc1 2式中 v——輪子中心的線速度；ω——驅(qū)動(dòng)輪的角速度；m1——驅(qū)動(dòng)輪的質(zhì)量；Jc——驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ρ——輪子的慣性半徑。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪子與壁面的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)fFcμ1有關(guān)。欲使輪子做純滾動(dòng)而不滑動(dòng)，必須有輪子受到的摩擦力小于他們之間的最大靜摩擦力，即：FfFc?1

（3-11）于是輪子只滾不滑的條件為：TrFMm2

（3-12）1 c c 1垂直運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受力分析當(dāng)爬壁機(jī)器人豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩后輪提供驅(qū)動(dòng)力；前輪為轉(zhuǎn)向輪，不受摩擦力作用，可進(jìn)行360o方向旋轉(zhuǎn)，假設(shè)忽略密封裙產(chǎn)生的摩擦力的影響。機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)受力情況如圖3-5所示：圖3-5 機(jī)器人豎直運(yùn)動(dòng)時(shí)受力圖根據(jù)達(dá)朗貝爾虛功原理可得：[41]FpFl1Fr1Fc0fs1

fs2

fy2Gm0a0

（3-13）3FLGh 3FL0c 3 p式中 m0——機(jī)器人的質(zhì)量；a——機(jī)器人的加速度；fs1、fs2——分別為左右驅(qū)動(dòng)輪的靜摩檫力；機(jī)器人在豎直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，設(shè)兩驅(qū)動(dòng)輪所受的摩擦力相同，即fs1=fs2=Ff,同時(shí)有Fl1=Fr1。運(yùn)動(dòng)中輪子受到的摩擦力需小于最大靜摩擦力，F(xiàn)f≤Fl?μ1，聯(lián)立式3-13得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)防滑落所需的最小吸附力可表示為：gm0a,

（3-14）p 21 L,即等于輪子受到的靜摩擦力，F(xiàn)s1=Fs2。建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程：2GaaTMsJ機(jī)器人所需最小的驅(qū)動(dòng)力矩為：

（3-15）TMs

Jar

（3-16）式中，Ms為滾動(dòng)摩阻力偶，且滾動(dòng)摩阻力偶矩可看作：Ms2

（3-17）μ1=0.5μ2=0.2r=35mmT(0.260通過(guò)計(jì)算可以得知，在前一章節(jié)中選取的驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)符合要求，采用的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)總力矩為3.4N?m，滿足使用要求。要對(duì)機(jī)器人在壁面任意位置時(shí)進(jìn)行受力分析，需建立固定的基礎(chǔ)坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0，在幾何中心建立坐標(biāo)系O-XYZ。機(jī)器人相對(duì)于大的表面的尺寸來(lái)說(shuō)很小，將機(jī)器人所在壁面的區(qū)域簡(jiǎn)化為直面[42]，如圖3-6所示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，再引入壁面坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1，O1-X1Y1Z1可看作是坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0Xφ°O-XYZ01-X1Y1Z1Yθ°3-7所示，則將爬壁機(jī)器人的重力沿各軸進(jìn)行分解。圖3-6曲表面等效平面 圖3-7 等效平面的坐標(biāo)系的建立在O1-X1Y1Z1坐標(biāo)系：YGsinY1ZG GcosZ1

（3-18）在o-xyz坐標(biāo)系下：xGGsinGcossinxGyG

G Gsin1GcosGcoscos

（3-19） z 則機(jī)器人在壁面上的受力和力矩平衡方程為：FpFl1Fr1FcGsin0ffy1

fy2

Gcoscos03GhsincosFp33

L0333

（3-20）3cLhss3pL03-20可得到每個(gè)機(jī)器人吸附性能的仿真機(jī)器人的機(jī)構(gòu)參數(shù)為：m=3kg，L=15cm，h=10cm，μ1=0.5，μ2=0.2。機(jī)器人做Matlab對(duì)其進(jìn)行3-8為機(jī)器人在不同姿態(tài)角下所需的最小吸附力曲線。圖3-8 所需最小吸附力曲線圖圖中f1為機(jī)器人仿滑落約束的最小受力，f2，f3，f4為仿傾覆約束的最小受力；為了保證機(jī)器人可靠穩(wěn)定的工作，吸附力要同時(shí)滿足四個(gè)受力條件，即位于四條曲線相交區(qū)域的上方。由圖3-8可知，在機(jī)器人的姿態(tài)角小于2弧度時(shí)，先發(fā)生傾覆失效，此時(shí)所需的吸附力是整個(gè)周期中最大區(qū)間，最大值達(dá)到70N；在姿態(tài)角大于2弧度時(shí)，爬壁機(jī)器人先發(fā)生滑落失效，所需的最小吸附力為60N左右，最小吸附力為本體重力的2.1-2.3倍。本章小結(jié)本章主要對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,首先通過(guò)對(duì)機(jī)器人的安全受力分析，利用仿滑落和防傾覆約束條件得到機(jī)器人安全吸附條件，然后運(yùn)用相關(guān)的力學(xué)理論，建立了依靠壁面與吸盤(pán)間隙區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓吸附力的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，得到驅(qū)動(dòng)的最小力矩。也為機(jī)器人可靠地吸附于壁面運(yùn)動(dòng)提供理論基礎(chǔ)。第5章爬壁機(jī)器人電氣控制的設(shè)計(jì)PID433M大功率無(wú)線傳輸模塊的無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制模塊。電子控制系統(tǒng)總體構(gòu)架遠(yuǎn)程操作監(jiān)控端無(wú)線圖像顯示屏指示燈操作搖桿無(wú)線圖傳接收模塊液晶顯遠(yuǎn)程操作監(jiān)控端無(wú)線圖像顯示屏指示燈操作搖桿無(wú)線圖傳接收模塊液晶顯示屏單片機(jī)433M無(wú)線模塊爬壁機(jī)器人本體電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)壓傳感器電池電壓監(jiān)測(cè)模塊433M無(wú)線模塊無(wú)線圖傳發(fā)射模塊無(wú)刷電機(jī)電調(diào)攝像頭左右直流減速電機(jī)單片機(jī)圖5-1電子控制系統(tǒng)總體構(gòu)架433M433M無(wú)線模塊用于獲取機(jī)器人的運(yùn)行參數(shù)。圖傳顯示屏用于顯示機(jī)器人本體上攝像頭信息。電子硬件設(shè)計(jì)與選型爬壁機(jī)器人的電子硬件設(shè)計(jì)與選型原則如下：（1）可靠性。爬壁機(jī)器人在高空作業(yè)，靠無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生吸附力附著在壁面上（2）重量輕。爬壁機(jī)器人機(jī)械本體本已較重，若電子硬件重量較大，影響其吸附性能。（3）模塊化程度要高。為方便機(jī)器人的維修、組裝以及簡(jiǎn)化編程開(kāi)發(fā)工作，硬件選型要采用模塊化程度高的電子硬件模塊。（4）低功耗。爬壁機(jī)器人采用電池供電，電子硬件選型要盡可能地低功耗，以延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。STM32爬壁機(jī)器人本體的主控芯片和遠(yuǎn)程操作監(jiān)控端的主控芯片均采用意法半導(dǎo)體32ARMCortex_M3內(nèi)32位微控制器，該芯片擁有的資源豐富，可滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目需求。3.3V3.3V電源給芯0.1uF72MHZ，8MHZJLINKSW5-2為設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系64腳封裝圖。圖5-2 STM32F103RCT6最小系統(tǒng)原理圖MPX2010DP壓力傳感器克服傳統(tǒng)的硅XX型電阻采用激光微調(diào)技術(shù)，零點(diǎn)漂移很小，一般小于；采用基于熱敏電阻的溫-40℃~125MPX2010DP壓力傳感器作為負(fù)壓腔壓5-3。5-3壓力傳感器實(shí)物圖3124為差5-40kPa10kPa5-4差分電壓和氣壓的線性關(guān)系由圖5-4可以看出，傳感器受壓力到達(dá)滿量程10kPa時(shí)，其輸出差分電壓值為40mV。本文研制的爬壁機(jī)器人其負(fù)壓腔的壓力不可能為真空，且不可能大于標(biāo)準(zhǔn)STM3212AD5-15U1A、U1C兩個(gè)同相運(yùn)放電路構(gòu)成輸入U(xiǎn)1B串聯(lián)組成三運(yùn)放差分放大電路。其放大倍數(shù)為：vA uo 2R4)vui1

2 差分放大電路的放大倍數(shù)為75倍，則此時(shí)其最高電壓為3V，STM32單片機(jī)AD采集的參考電壓選為3.3V，其12位AD的分辨精度為0.8mV圖5-5壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路原理圖爬壁機(jī)器人電量匱乏時(shí)，將直接導(dǎo)致其墜落，因此在其進(jìn)行作業(yè)時(shí)必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其電源情況。本文設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單可行的電池電壓監(jiān)測(cè)方案，其原理圖如圖5-6。圖5-6電池電壓監(jiān)測(cè)原理圖211.1V，電22.5V的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)可直接接入到單ADIO口。433M433M315M2.4G、Zigbee自組網(wǎng)等方式；433M無(wú)線模塊頻率低，衍射性能好，在空氣中傳433M433MSX12785-7所示。圖5-7無(wú)線模塊sx1278實(shí)物圖LORASX1278。采用循環(huán)交81W，具有無(wú)線喚醒功能，LORA擴(kuò)頻能夠帶來(lái)更遠(yuǎn)的通訊距離。5.1所示。表5.1無(wú)線通訊模塊參數(shù)表序號(hào)參數(shù)名稱參數(shù)值1工作頻段410~441MHz2工作電壓DC2.5~5.5V2工作溫度-40~85℃3發(fā)射功率+30dBm(1W)4波特率1200~115200bps5空中速率3000~19200bps75.2M0M1的高低電平組合決定該模M0M1都為低電平。表5.2 無(wú)線通訊模塊引腳功能STM32為全雙工異步通訊，9600bps的波特率。AUX在模塊上電時(shí)可選擇模塊的數(shù)據(jù)模式，有透?jìng)髂Ｊ胶兔钅Ｊ?。無(wú)100msAUX引腳的電平，確定其工作模式。模塊上電復(fù)位時(shí)，AUX引腳為輸入狀態(tài)檢測(cè)外部輸入，外部輸入為高電平，則進(jìn)入命令模式；外部輸入為低電平，則進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ健?33MHz433MHzCRC16CRC16217WHHIP4082和MOS管搭建了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，80A5-8所示。

5-8電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖40APWMPWM方波信號(hào)的占空比即可調(diào)節(jié)無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。負(fù)壓吸附閉環(huán)控制PID執(zhí)行機(jī)構(gòu)微分執(zhí)行機(jī)構(gòu)微分積分比例

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