緒論1.1選題的目的和意義近些年來，快速發(fā)展的機器人技術(shù)使得人們從復(fù)雜、繁瑣和高危的工作中逐漸解放出來。爬壁機器人對于移動機器人領(lǐng)域來說是一個重要的分支，把陸地機器人與吸附式技術(shù)有機結(jié)合起來，從而對機器人進行擴展。使得機器人不僅擁有在平面移動的能力，同時擁有能夠在傾斜角度十分大的坡面或豎直面進行移動，在特殊場景下，替換人來進行危險的工作。目前大部分機器人的工作場景為地面，對于在較大傾斜度的坡面以及豎直面工作的移動機器人相對較少，隨著高空作業(yè)的增加，人員工作的危險性也大幅上升，但人員防護裝備更新迭代的速度相對較慢，在一些惡劣的環(huán)境中，人員的工作難度較大，安全性也得不到保障。例如，高層建筑的壁面清潔、攀爬困難的建筑檢查、危險環(huán)境的情況調(diào)查以及災(zāi)害現(xiàn)場的地形勘察等。對于工作難度較大的場景，爬壁機器人的出現(xiàn)就是解決上述問題的方法之一。1.2相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀爬壁機器人的吸附方式主要分為以下幾類：磁吸附式、仿生吸附式、負壓吸附以及靜電吸附式。1.2.1磁吸附式爬壁機器人磁吸附式爬壁機器人，一般采用永磁鐵或電磁鐵進行吸附，需要在具有鐵磁性的壁面，才可進行工作。該類機器人具有吸附能力強，負載大的優(yōu)點，缺點為功耗大，重量大，防水性要求較高。1.2.2仿生吸附式爬壁機器人仿生吸附式爬壁機器人，在人們仿照昆蟲和動物爬墻的方式后，通過在機器人足上安裝仿生纖毛，在與墻面接觸時，通過產(chǎn)生范德華力來實現(xiàn)對墻面的吸附。該類機器人對仿生纖毛的清潔度要求較高，制造難度較大，價格比較昂貴，以小型機器人為主，優(yōu)點為低功耗，低噪音，但負載較小。1.2.3負壓吸附式爬壁機器人負壓式爬壁機器人，依靠真空泵等動力設(shè)備將與墻面接觸的吸盤內(nèi)部的氣體抽出，是內(nèi)外產(chǎn)生壓差，在大氣壓的作用下，使機器人可以在墻壁移動，該類機器人功耗較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動效率不高，優(yōu)點為吸附能力強，負載能力好，對環(huán)境具有一定適應(yīng)能力。1.2.4靜電吸附式爬壁機器人靜電吸附式爬壁機器人,原理上與磁吸式較為相似，適用范圍比磁吸式大，利用靜電感應(yīng)效應(yīng)，通過電荷之間的庫侖力產(chǎn)生對接觸面的吸附，工作時，功耗低，噪聲小，但吸附力較小，負載小。1.3主要設(shè)計研究方面基于當下負壓吸附式爬壁機器人的基礎(chǔ)上，對爬壁機器人的靈活性，適應(yīng)性以及機器人重量進行調(diào)整。在移動方式上，取消固定式的移動機構(gòu)，采用麥克納姆輪提升機器人的靈活性，借助麥克納姆輪的移動特點，通過UNO板對電機的控制，以此控制機器人的運動。機器人結(jié)構(gòu)采取亞力克板搭建，以此降低整體重量，吸附方式采用螺旋槳，通過螺旋槳的轉(zhuǎn)動使得機器人與墻面之間的部分和外部形成壓差，從而使機器人能夠在墻面上不落下，達到在墻面移動的效果。使用NX軟件進行建模，使用UG設(shè)計機器人的底板以及其他各個模塊結(jié)構(gòu)，再通過3D打印技術(shù)，定制加工等方法進行制作。通過使用UNO機來控制對機器人的移動，采用可充電式電池組件對機器人進行供電，采用無刷電機對螺旋槳進行控制。2負壓式爬壁機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1爬壁機器人的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計在許多發(fā)展建設(shè)中，有許多各種各樣的爬壁機器人已經(jīng)進入或者即將進入各類危險的工程作業(yè)中，負壓吸附式爬壁機器人最主要的一個特征，就是機器人可以克服機體本身重力的作用，使機器人本體可以工作在水平、豎直或傾斜度較大的一些壁面，通過控制機器人的移動，以達成人們的工作目的，負壓吸附式機器人的體重相對于各類爬壁機器人來說，相對于處在一個比較低的位置，其原因是由于機器人的吸附方式是通過大氣壓強的作用使其能夠在壁面移動和工作，不同于各類具有強抓能力的爬壁機器人，此類機器人并不具備強抓屬性，其本身是通過螺旋槳轉(zhuǎn)動形成的近工作壁面與遠工作壁面壓力差使得的空氣壓強能夠作用在機器人遠工作壁面上，以此完成吸附，由此其體重是首要考慮的問題。本文設(shè)計的爬壁機器人主體結(jié)構(gòu)采用更加輕盈、價格優(yōu)美的亞克力材料作為機體的主要結(jié)構(gòu)組成，機體的構(gòu)建以及底板的承重。由于本文采用的吸附方式為負壓吸附式爬壁機器人，該機體本身體積較小，整體結(jié)構(gòu)較為簡易，其組成零部件皆為小型器械和輕質(zhì)材料，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求也會按照原先計劃好的，整體采用便宜輕質(zhì)的材料制作，為的是使得整個爬壁機器人的重量盡可能的降低，以符合螺旋槳產(chǎn)生的動力，防止由于吸附力不足，導(dǎo)致機器人無法穩(wěn)定的在壁面上進行運動，出現(xiàn)脫落的危險，因此，該機體的主體結(jié)構(gòu)部分主要選用輕質(zhì)材料制作。2.1.1爬壁機器人的底板結(jié)構(gòu)設(shè)計爬壁機器人的底板結(jié)構(gòu)作為機器人其他結(jié)構(gòu)的支撐及連結(jié)，同時滿足輕質(zhì)的要求，在現(xiàn)有的DIY定制板中，有以下幾種輕質(zhì)材料可供選用，PP板，也可以叫做聚丙烯板，密度在0.89~0.91克/立方厘米，通過PP板加工出來的成品，厚度均勻、表面光滑平整、耐熱性好、機械強度高，材料制成的成品韌性較好，被廣泛運用于各個領(lǐng)域。亞克力板，又叫有機玻璃，密度在1.19~1.20克/立方厘米，制作材料為聚甲基丙烯酸甲酯，是一種發(fā)展較早的重要可塑性高分子材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、透明性、易加工、耐磨性較好，硬度上優(yōu)于PP板所制成的成品。碳纖維板，指的是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維，其密度在1.5~1.8克/立方厘米，有著較高的強度和韌性，具有耐高溫、抗摩擦及耐腐蝕等特性。本文的機器人底板結(jié)構(gòu)采用亞克力板材定制加工，底板如圖2-1所示圖2-1負壓吸附式爬壁機器人底板圖-長寬高分別為280mm*280mm*3mm，同時需要能夠支撐的起電機帶動螺旋槳所產(chǎn)生的推力，PP板相對于亞克力板來說，在密度上小于亞克力板的密度，重量也更輕，但在厚度比較小的情況下，PP板由于其韌性較強，同時也更柔軟，板塊會產(chǎn)生較大的形變彎曲，無法能夠很好的支撐起機器人的各個結(jié)構(gòu)，有可能使得機器人的各個部件發(fā)生位移，對機器人的運動產(chǎn)生不好的影響。在碳纖維板和亞克力板的定制選擇上，由于本文的機器人體型不大，在兩種材料的強度皆可滿足機器人底板要求的情況下，將采取定制加工亞克力板的方案，為機器人設(shè)計一塊負責(zé)支撐和連結(jié)各個模塊和裝置結(jié)構(gòu)的底板。2.1.2爬壁機器人的吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計吸附式的爬壁機器人的吸附原理主要通過利用空氣流速不同所產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差，使得壓力小的一面被壓力大的一面通過空氣產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差牢牢的壓在壁面，使得機器人受到一個垂直于壁面的壓力。本文所設(shè)計的爬壁機器人采用負壓吸附式的方式，通過微型高速無刷電機帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動使得機器人內(nèi)外層產(chǎn)生壓力差，爬壁機器人在空氣壓力的作用下，克服重力的影響吸附在壁面。本文的吸附裝置如圖2-2所示圖2-2吸附裝置整體結(jié)構(gòu)圖由一個朗宇X2820，1100KV高速無刷電機、一個乾豐馬刀槳APC槳、一個XT60和香蕉頭80A電調(diào)以及一塊電調(diào)控制器測試儀組成，各個零件之間相互連結(jié)通過專門的電源給予供能，使電機帶動螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，此時吸附裝置會給機器人一個垂直于壁面的推力，同時靠近壁面一側(cè)的機器人底下空間內(nèi)的空氣會受到吸附裝置的影響向外流出，使得機器人靠近壁面一側(cè)的氣壓小于遠離壁面一側(cè)的氣壓，在內(nèi)外壓力差的影響下，爬壁機器人會受到垂直于壁面的壓力，從而吸附于壁面上，實現(xiàn)爬壁作用，機器人受到的壓力大小取決于電機帶動螺旋槳的轉(zhuǎn)速有多大，螺旋槳轉(zhuǎn)動的越快，機器人內(nèi)外層的壓力差就越大，吸附的效果也就越好。2.2爬壁機器人的移動結(jié)構(gòu)設(shè)計目前在爬壁機器人系統(tǒng)中，絕大部分爬壁機器人的移動方式會跟隨機器人結(jié)構(gòu)做出特化處理，更加貼合機器人本身的行為方式和結(jié)構(gòu)類型，從而進行移動方式的設(shè)計以配合機體本身的結(jié)構(gòu)，但是其運動的靈活性會隨著機體結(jié)構(gòu)而下降，如磁吸附式的由磁性材料制作成的移動機構(gòu)本身重量會變得更大，使得靈活性大大下降。仿生吸附式的移動機構(gòu)在壁面爬行時無法迅速的進行移動，同時價格昂貴。靜電吸附式其本身的重量較大，同時對于工作環(huán)境的要求較高，無法實現(xiàn)靈活度較高的動作。因此在本次設(shè)計中機器人的移動結(jié)構(gòu)采用輪式結(jié)構(gòu)，由于其制作材料重量較輕，結(jié)構(gòu)較為簡單，在當今科技發(fā)展水平下，使得輪式制作成本較低。使用輪式結(jié)構(gòu)作為機器人的移動方式，在其本身具有良好的結(jié)構(gòu)下，為了能夠讓機器人獲得更高的靈活度，采用麥克納姆輪作為爬壁機器人的移動結(jié)構(gòu)，使得機器人擁有更好的靈活性，具有原地轉(zhuǎn)向，可在行進過程中任意改變方向，反應(yīng)更為快速等優(yōu)點。2.2.1采用麥克納姆輪作為機器人的移動結(jié)構(gòu)爬壁機器人在能夠在壁面進行爬行的工作得益于前人優(yōu)秀的想法誕生的吸附方式，在完成了能夠依存壁面的狀態(tài)后，需要考慮如何讓該技術(shù)應(yīng)用于更多的場合，而移動方式的選用成為機器人工作方式拓展的基礎(chǔ)，在不同的移動方式下機器人發(fā)揮的功能也各不相同，本文將采用如圖2-3所示圖2-3爬壁機器人的麥克納姆輪移動結(jié)構(gòu)圖輪式結(jié)構(gòu)的60mm麥克納姆輪作為爬壁機器人的移動結(jié)構(gòu)，麥克納姆輪結(jié)構(gòu)不同于往常的輪式結(jié)構(gòu)，麥克納姆輪是一種可全方位移動的全向輪，簡稱麥輪，麥輪輥子軸線和輪轂軸線夾角成45°，麥輪的輪轂的輪緣上斜向分布著許多小輪子，所以輪子可以橫向滑移，小輪子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小輪子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪可以向前滾動，通過四個麥輪的組合，可以使機構(gòu)實現(xiàn)全方位的移動，使得爬壁機器人靈活度大大增加，在狹窄的空間也可做出方向的改變，適應(yīng)不同的工作場景。2.3爬壁機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計爬壁機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)主要由機器人移動結(jié)構(gòu)與吸附結(jié)構(gòu)組成，驅(qū)動方式的選用將會直觀的體現(xiàn)在爬壁機器人在攀爬時能否以正確的姿態(tài)、穩(wěn)定的吸附、高效的移動進行工作。科學(xué)技術(shù)發(fā)展的今天，常見的機器人的驅(qū)動方式主要由氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動組成，各類型的驅(qū)動方式皆有其各自的優(yōu)缺點。氣動驅(qū)動其應(yīng)用范圍較廣，整體結(jié)構(gòu)重量較輕，結(jié)構(gòu)及原理較為簡單，其工作內(nèi)容物為空氣，對環(huán)境較為友好，但在工作過程中由于空氣具有壓縮性，在運作過程中會出現(xiàn)壓力的損失，使得精度下降，同時該驅(qū)動結(jié)構(gòu)需要外接空氣源，使得其整體體積較大。液壓驅(qū)動是工業(yè)上常見的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)本身具有較大的驅(qū)動力，技術(shù)成熟，可靠性高，適用于大型設(shè)備的驅(qū)動裝置，但由于結(jié)構(gòu)本身的工作元器件需要較高的要求，重量較大，需要液壓泵進行充能，并不適合安裝在小型的機器人上。電機驅(qū)動種類較多，以直流電機為例進行介紹，包括了普通電機，步進電機，減速電機和伺服電機。普通電機經(jīng)常出現(xiàn)在我們生活中，常見于各類電動玩具，通過正負極接電轉(zhuǎn)動，該電機轉(zhuǎn)速過快，扭力過小的特點，無法很好的進行調(diào)控，一般不應(yīng)用于機器人上。步進電機通過接收步進驅(qū)動器的脈沖信號進行固定角度的轉(zhuǎn)動，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速，停轉(zhuǎn)的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，伺服電機驅(qū)動方式其信號響應(yīng)速度快，力矩大，精度高等優(yōu)點，但需要與減速傳動結(jié)構(gòu)系統(tǒng)搭配使用，設(shè)計上較為復(fù)雜。減速電機是傳動方式新的技術(shù)結(jié)晶，新型的減速電機占用空間小，堅固牢靠，足夠耐用，能夠承受一定的過載能力，相對于往時的普通電機增加了齒輪減速箱，使其電機能夠輸出較低轉(zhuǎn)速同時增加較大的力矩，同時能耗低，性能優(yōu)越，在小型機器人的領(lǐng)域被廣泛使用。2.3.1麥克納姆輪的驅(qū)動電機選型本文將采用TT直流減速電機作為機器人移動方式的驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖2-4所示圖2-4TT直流減速電機圖由于機器人所采用的為尺寸為60mm的麥輪，其輪式結(jié)構(gòu)較小，所以機器人的麥輪驅(qū)動電機不需要太過強勁的動力，小型的直流減速電機即可實現(xiàn)基本的驅(qū)動功能，滿足大部分小型DIY機械電子設(shè)備的運動需求，能夠很好的充當機械構(gòu)件的運動裝置。本文的直流減速電機選用的是塑料軸TT馬達，其參數(shù)為，減速比1：48，輸入：3-8V，輸出：120-240RPM，重量約30克，選用TT塑料聯(lián)軸器作為驅(qū)動電機和麥輪的連結(jié)桿，TT直流減速電機，簡稱TT馬達，作為減速電機的一種，TT馬達以其簡單的組裝方式，擴展性強，價格低廉，小巧輕便等諸多特點被廣泛應(yīng)用于電子DIY，機器人制作等動力裝置的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過對TT聯(lián)軸器的應(yīng)用為TT馬達和麥輪之間提供連結(jié)通道，再通過普通型號的TT馬達支架，使用對應(yīng)的M3螺釘螺母使TT馬達固定在支架上，由剩下的馬達支架螺孔負責(zé)支架與底板之間的連接固定，使得麥輪能夠在設(shè)計好的底板對應(yīng)位置進行工作，作為機器人的運動裝置進行控制移動。2.3.2螺旋槳的驅(qū)動電機選型隨著科學(xué)技術(shù)沿著信息化、智能化的道路不斷前進，機電一體化的水平也在不斷的進步，在大致了解了目前科技發(fā)展水平下的各類爬壁機器人后，結(jié)合本人所學(xué)的知識，吸附方案的選取會在便于完成的吸附方式上選擇一種進行設(shè)計，本文采用負壓吸附式方案進行設(shè)計制作，負壓吸附式機器人本篇會采取較為輕量化的材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過螺旋槳的壓力對機器人機體實現(xiàn)壁面吸附，其機體本身重量較輕，吸附方式較為簡單，符合本人技術(shù)難度要求，故選取負壓吸附式較為好控制的方式作為本次論文設(shè)計方案。早期的小型電機驅(qū)動，多數(shù)采用有刷電機作為動力來源，其原理可以簡單概括為，在電機工作時，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，碳刷和磁鋼不轉(zhuǎn)動，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉(zhuǎn)動的換相器和電刷來完成的。隨著科技發(fā)展，生產(chǎn)制造的需求，無刷電機也由此出現(xiàn)了，其采用半導(dǎo)體開關(guān)器件來實現(xiàn)換向，代替掉了傳統(tǒng)的接觸式換向器和電刷，大大增加了可靠性，轉(zhuǎn)動過程中無換向火花，噪音小。相比于有刷電機碳刷的損耗，無刷電機的壽命和運轉(zhuǎn)得到了充分的提升。本文設(shè)計的的吸附方式，十分依賴電機的性能，其性能的優(yōu)劣將會直接影響機器人能否利用空氣壓強的特性穩(wěn)定的吸附于壁面，從而穩(wěn)定的進行壁面工作，又有該機器人的體型不算大，整體結(jié)構(gòu)由于吸附的方式，質(zhì)量不能過于超額，以免降低吸附系統(tǒng)的性能，無刷電機在微型電機方面相對于有刷電機而言，在同樣的體積大小下，其性能和特性更加適合小型機器人，無刷電機的壽命相對于有刷電機而言，工作時長有更好的保障，使用壽命將大大提升，以便于更好的進行調(diào)試，電機高速的運轉(zhuǎn)能夠帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，隨著電機高速的運轉(zhuǎn)，螺旋槳能夠獲得更大吸附力，使得機器人能夠更好的吸附于壁面，由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)切割空氣會產(chǎn)生較大的噪音，包括其他的電機運轉(zhuǎn)也同樣如此，隨著時間的影響有刷電機的磨損會產(chǎn)生較大的噪音，而無刷電機的噪音相對于有刷電機低于不少，由此降低部分電機帶來的噪音污染。本文吸附裝置驅(qū)動電機選用SUNNYSKY公司生產(chǎn)的X2820，KV1100朗宇高速無刷電機如圖2-5所示圖2-5無刷電機螺旋槳結(jié)構(gòu)圖該公司成立于2006年，為全球飛行器制造企業(yè)及愛好者提供高性能的無刷電機、電機控制器等產(chǎn)品，擁有全球最全的飛行器動力產(chǎn)品，其電機性能相較于其他品牌，有著出色的表現(xiàn)，該款無刷電機的定子外徑為28mm，轉(zhuǎn)子直徑為35mm，出軸直徑為5mm，不含軸電機長度為42mm，電機KV值為1100，空載電流1.3A/10V，最大連續(xù)電流為60A/15s，最大連續(xù)功率為880W，重量138g，支持3-5S鋰電節(jié)數(shù)。在小型電機性價比較高的價格上，有著不錯的性能，采用4S鋰電池，APC槳11*5.5，80A電調(diào)的搭配，電機拉力可達3060gf，輸入電壓為14.8V，利用高速無刷電機帶動螺旋槳產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差以達成吸附效果，電機的重量為138g，能夠有效降低機器人整體的重量。2.4爬壁機器人的電源選型爬壁機器人的電源模塊，對于機器人而言相當于人類的心臟，它所儲存的能源作為機器人的動力源，為機器人搭載的各個裝置各個模塊提供動力能量，其本身的能量效益，決定著機器人各個結(jié)構(gòu)能否充分的發(fā)揮各自的作用，以便能在良好的工作狀態(tài)下，進行穩(wěn)定的運作，使控制運動能夠順利進行，完成我們想要機器人達成的目標。目前市面上主流的電池分為兩大類，一類是由碳性干電池、堿性干電池、紐扣電池和方形電池等組成的一次性電池，該類電池通常應(yīng)用于生活中的各類小型電器用品，其本身儲電量不高，在小型電池使用方面，比較適合應(yīng)用于不經(jīng)常使用的電器或者用電量較小的電器之中，但其壽命短，可循環(huán)能力差，需要經(jīng)常更換。另一大類是由鎳鉻、鎳氫電池、鉛酸電池、鋰電池等組成的可充電電池，該類電池可以進行充放電行為，在配有對應(yīng)的充電器的情況下，能夠進行較長時間的循環(huán)使用，相應(yīng)的價格要比一次性電池高，比較適合應(yīng)用于經(jīng)常使用的電器設(shè)備，從長遠來講，這類電器使用可充電電池會比一次性電池成本低。本文所設(shè)計的爬壁機器人的電源部分，由于主體為小型機器人，相對于其他吸附類型的爬壁機器人，體積上、重量上要小的多，所以不采用需要拖長線的電源設(shè)計，由于本身機器人的耗能部分并不會很大，由此采取電池作為供能方式是較為合適的方法，機器人需要的電能供給的部分主要為麥輪的驅(qū)動電機和螺旋槳無刷電機。在電池選型方面，目前市面上較為廣泛使用的小型可充電電池，主要為鎳鎘、鎳氫電池和鋰電池，其中現(xiàn)階段的鋰電池相較于其他類型來說，在小型常用電器使用更為廣泛，鋰電池的工作溫度介于-20C°~60C°之間，能夠適應(yīng)的工作溫度較大，循環(huán)壽命長，能量密度通常為150~200Wh/kg，自然放電量小，儲存容量大，對于同體量的電池而言重量較輕，適合本文設(shè)計的機器人所需要的特性。在吸附裝置的無刷電機的電源方面，由于電機需要工作在14.8V的電壓下，同時帶動11*5.5APC槳旋轉(zhuǎn)，因此采用4S鋰電池，對無刷電機進行供電，電池參數(shù)為格氏ACE-2700mAh-30C14.8V-4S1P-XT60，尺寸為H35.5mm*W36mm*L108mm，重量約為265g，定制XT60插頭以配對電池如圖2-6所示圖2-6無刷電機電源圖通過4S電池的XT60插頭連接80A電調(diào)，電調(diào)一端連接無刷電機的三相輸入，一端連接調(diào)速器的輸入，安裝好螺旋槳，完成吸附裝置的結(jié)構(gòu)組裝。在移動結(jié)構(gòu)的TT直流減速電機的電源方面，電機通過數(shù)據(jù)線與信號接收板的端口相連，再通過另一端的端口數(shù)據(jù)線與UNO板相連，UNO板的最大電壓為9V，由此在不超出最大電壓的情況下，選擇雙節(jié)鋰電池作為控制板的電源如圖2-7所示。圖2-7TT直流減速電機電源圖3負壓式爬壁機器人的控制設(shè)計3.1負壓吸附式爬壁機器人的控制設(shè)計本文所設(shè)計的爬壁機器人為在壁面爬行進行工作。通過無刷動力電機帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)使得機器人本體產(chǎn)生對壁面的吸附力，從而實現(xiàn)壁面爬行功能，進行爬壁作業(yè)。在控制設(shè)計方面，主要分為麥輪TT馬達的UNO控制系統(tǒng)和無刷電機的調(diào)速器控制系統(tǒng)。3.1.1負壓吸附式爬壁機器人吸附裝置控制設(shè)計本文的吸附裝置控制部分，通過朗宇X2820無刷電機、好盈80A無刷電調(diào)、電機測試儀以及電源連結(jié)組成機器人的吸附裝置。在控制方面，主要通過好盈80A無刷電調(diào)以及電機電調(diào)PWM信號測試儀對吸附裝置的無刷電機進行控制，以達成爬壁作業(yè)。參數(shù)方面，電調(diào)的品牌選擇為好盈天行者80A電調(diào)如圖3-1所示圖3-1好盈80A電調(diào)圖輸出能力為持續(xù)電流80A，短時電流100A，電源輸入2-6節(jié)鋰電池組，BEC輸出5V@5A，尺寸86mm*38mm*12mm，重量82g。測試儀方面如圖3-2所示圖3-2測試儀圖輸出≤15mA，輸入DC4.5-6.0V，輸出信號1.5ms±0.5ms，42.5mm*24mm*23.5mm，重量8g。3.1.2負壓吸附式爬壁機器人驅(qū)動裝置控制設(shè)計本文的驅(qū)動裝置控制板部分如圖3-3所示圖3-3UNO控制板圖爬壁機器人的麥輪機構(gòu)控制板為ZL-KPZAR開源開拓者Arduino控制器，外部接口主要為傳感器接口、總線接口、手柄接口、藍牙接口、蜂鳴器接口、同步接口、PWM舵機接口以及電源接口，控制板所需電壓為6~12V，本文采用7.4V鋰電池作為控制板電源，其中麥輪控制線接在控制板總線接口，KPZAR的總線接口，串口是RX、TX通過電路合成單總線DAT，六個總線接口完全一樣，Arduino核心板系統(tǒng)圖如圖3-4所示圖3-4Arduino核心板系統(tǒng)圖通過UNO板、雙路驅(qū)動、手柄接收器、手柄以及電源連結(jié)組成機器人的驅(qū)動裝置。在控制方面，麥輪的控制部分，通過兩塊雙路驅(qū)動對四個麥輪進行控制，每個麥輪通過數(shù)據(jù)線與雙路驅(qū)動控制板進行連接，兩塊雙路驅(qū)動控制板通過數(shù)據(jù)線與UNO控制板進行連接，通過開源網(wǎng)站的麥輪控制程序，使用控制手柄對UNO板進行控制，以驅(qū)動麥輪運行。其中部分程序如圖3-4和圖3-5所示，總線馬達數(shù)值大于1500為正轉(zhuǎn)，小于1500為反轉(zhuǎn)。圖3-4麥克納姆輪部分控制程序圖圖3.5麥克納姆輪部分控制程序圖24實驗論證通過定制加工、模塊搭配調(diào)試，完成本文所設(shè)計的負壓吸附式爬壁機器人整體裝配如圖4-1所示，整機的重量約為1.3kg（含550g電池）。圖4-1負壓吸附式爬壁機器人實物裝配圖在最初的理論設(shè)計中，預(yù)計機器人本體的整機重量約為1.5kg，對比樣機的重量，小于初始理論重量。吸附裝置的電機數(shù)據(jù)報表如圖4-2所示圖4-2無刷電機測試報表無刷電機在空載滿速運行的狀態(tài)下，最大使用APC11*5.5螺旋槳搭配80A無刷電調(diào)可實現(xiàn)最大拉力3060gf，由于電機需要在足夠的電壓下運作，所以4S鋰電池需要保持在不低于14.8V的電源電壓下工作，電池充滿電的情況下電壓如圖4-3所示圖4-34S鋰電池電壓測試圖由于鋰電池在過充過放的情況下，都會使得鋰電池報廢，所以需要留意電池電壓情況，麥克納姆輪移動機構(gòu)通過UNO板的控制以及麥輪本身的性質(zhì)，能夠按預(yù)期的設(shè)計完成全方位的靈活移動。經(jīng)測試，爬壁機器人的理論設(shè)計符合預(yù)期，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化的要求，在麥克納姆輪機構(gòu)的幫助下使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的移動，從而提升機器人的靈活性。5總結(jié)與展望5.1總結(jié)隨著各行各業(yè)的科技快速發(fā)展，高層建筑也隨之快速出現(xiàn)，在高層建筑的發(fā)展建設(shè)中，避免不了需要工作人員進行高空作業(yè)，例如檢測作業(yè)、故障排查、數(shù)據(jù)采集、定時檢查等高空作業(yè)，這類的高空作業(yè)進行的時間較長，次數(shù)較為頻繁，對工作人員的操作要求較高，安全保障體系要求較高，人為進行操作的話，勞動強度較大，工作效率較低，無法能夠全面、穩(wěn)定、高效的完成高空作業(yè)。由此本文從能夠進行高空作業(yè)的角度出發(fā)，設(shè)計一種重量較輕、靈活度較高的爬壁機器人，以此減少人工高空作業(yè)的勞動強度、提高工作效率。本文通過查閱相關(guān)類型的爬壁機器人資料之后，進行機器人整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過定制加工的方式對亞克力板進行加工作為機器人的底板結(jié)構(gòu)，通過開源程序UNO板對麥輪進行控制，手柄進行操控的方式作為機器人的移動結(jié)構(gòu)，通過測試儀和電調(diào)對無刷電機控制作為機器人的吸附結(jié)構(gòu)，以多節(jié)鋰電池作為機器人各個模塊的動力源，使用亞克力板定制加工底板結(jié)構(gòu)以減輕金屬材料對爬壁機器人的重量的增加，使用麥克納姆輪移動方式增加機器人的靈活性，從結(jié)構(gòu)、硬件方面對本文的負壓式爬壁機器人進行設(shè)計，組裝，以實現(xiàn)機器人的作業(yè)功能。5.2展望本文所采用的為負壓吸附式爬壁機器人，希望通過使用機器人的方式使得人們從危險的作業(yè)環(huán)境中解放出來，使用機器人來造福人類，雖然目前本文設(shè)計出來的機器人還有不少的漏洞，但在主體設(shè)計上有著不錯方向，有許多可以升級改造的地方。許多環(huán)節(jié)在基于理論計算的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)不錯的功能，但在考慮到實際工作環(huán)境的影響，本文的機器人還存在著一定缺陷。在之后的研究設(shè)計中，希望能夠?qū)C器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行一定的優(yōu)化，在減輕機器人重量的同時不去大幅縮減結(jié)構(gòu)的強度，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠，增加電池的容量，使機器人的運行時間延長，提高機器人的工作時間，以此提高機器人的工作效率。參考文獻[1]王思佳,吳珊紅,李雷.爬壁機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].科技風(fēng),2019,(02):2.[2]付宜利,李志海.爬壁機器人的研究進展[J].機械設(shè)計,2008,(04):1-5.[3]王思佳,吳珊紅,李雷.爬壁機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].科技風(fēng),2019,(02):2.[4]閆久江,趙西振,左干,李紅軍.爬壁機器人研究現(xiàn)狀與技術(shù)應(yīng)用分析[J].機械研究與應(yīng)用,2015,28(03):52-54+58.[5]崔旭明,孫英飛,何富君.壁面爬行機器人研究與發(fā)展[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(11):2672-2677.[6]朱海東,高健.負壓吸附式爬壁機器人的體重設(shè)計[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報,2018