1、 引 言

近年來，機器人在國家安全、工業檢測和反恐任務中越來越得到人們的重視，國際上許多成功的機器人平臺已經建立，如Carnegie Mellon大學的Millibot機器人，Min-nesota大學的Scout機器人，iRobot公司的Urban機器人等。然而，這些機器人都不具有爬壁、在天花板行走和穿越管道的能力。目前，有許多專家對具有爬壁能力的機器人做了研究，Ali Sadegh運用旋渦回轉裝置設計的爬壁機器人，Kevin Rogers運用吸附技術設計的連續運動清掃爬壁機器人，Carlos Grieco運用磁性吸附技術設計的六足爬壁機器人，Shigeo HIROSE運用磁性吸附技術設計的爬壁機器人，重慶大學潘英俊教授運用磁性吸附技術設計的步行式爬壁機器人，美國學者運用螺旋推進器做力源設計的爬壁機器人。但由于這些機器人都具有體積大、價格昂貴、重量大、轉彎特性差、控制系統復雜等缺點，極大地限制了這些機器人的應用。

本文介紹的磁驅動微小爬壁機器人，采用電磁吸附技術，尺蠖運動原理，具有結構簡單、重量輕、加工制作容易、控制靈活、控制電路簡單、轉彎速度快等特點。

2 、爬壁機器人的結構和運動原理

2.1 爬壁機器人的結構

圖1是微小爬壁機器人的外形結構示意圖，該微小機器人采用電磁驅動技術，由前后擋板（1，3）、軟磁（2）、驅動線圈（4）、前后腳（5，8）、永磁鐵（6）、導軌（7）、微小電機（9）、小支架（10）、扭簧（111）、大支架（12）、轉軸（13）等部分組成。其中，大支架與微小電機固定連接，小支架與扭簧固定連接，扭簧和大支架通過支架上的導向孔實現滑動連接，大支架與小支架之間通過轉軸連接，微小電機的軸固定在小支架上，小支架固定在前擋板上，前腳固定在微小電機上，后腳和永磁固定在后擋板上，軟磁固定在前擋板上，前后擋板之間通過兩對滑動導軌連接。

利用通電軟磁和永磁鐵之間的相對運動來實現機器人的動作，即借助于由拉推式磁路組成的直線運動式磁力驅動器和門型坡莫合金軟磁繞制的機器人腳線圈的相互配合，運用軟磁和永磁之間“同極排斥、異極吸引”的原理，通過給線圈加一系列時序脈沖控制信號改變軟磁的極性或動作，達到模仿尺蠖的運動方式實現機器人爬壁的目的。

2.2 爬壁機器人的運動原理

圖2是機器人直線行進原理圖，設線圈未通電時為原始狀態1，此時分別對機器人前腳（線圈1）、后腳（線圈2）和驅動器（線圈3）通以圖3所示的控制時序信號。在t1～t2時間段，線圈1不通電，線圈2、3通正電平，機器人的前腳在軟磁和永磁的相互作用下向前邁出一步，如圖2狀態2所示；在t2～t3時間段，線圈1通正電平，線圈2不通電，線圈3通負電平，機器人的后腳軟磁和永磁的相互作用下向前跟上一步，完成機器人一個步態，如圖2狀態3、4所示。反復執行狀態1～4，就可以實現機器人的連續直線運動。

圖4是機器人轉彎行進原理圖，設線圈未通電時為原始狀態1，此時分別對機器人前腳（線圈1）、后腳（線圈2）、驅動器（線圈3）和微小電機（線圈4）通以圖5所示的控制時序信號。在t1～t2時間段，線圈1、3不通電，線圈2、4通正電平，機器人的前腳在微小電機的作用轉過一個角度，如圖4狀態2所示。在t2～t3時間段，線圈1通正電平，線圈2、3、4不通電，在扭簧的作用下機器人本體轉過與前腳轉過的相同的一個角度，此時完成了機器人的轉彎過程，到達預定的位置，如圖4狀態3所示。在t3時刻以后的時間段，機器人開始直線行進。

由于機械系統都存在響應滯后的缺點，在實際操作中線圈1、2和線圈3、4之間在時序上可以設計一段時間差，以使機器人的運動更加穩定。

3、 驅動信號的產生

從機器人的運動原理可知，只要在線圈中連續通入圖3、圖5所示的控制信號，就能夠實現機器人的各種運動狀態，圖6是產生這些驅動控制信號的系統框圖。采用C或匯編語言在AT89C52中編成產生整個爬壁機器人需要的6路脈沖控制信號（其中微小電機和驅動器各2路），其中4路信號與2片正反轉驅動芯片LG9110相連，控制微小電機和驅動器，另外2路與2片SN75451／SN75452相連，控制機器人的前后腳。

4 、實驗測試

由于磁場分布復雜，不可能對整個驅動器的驅動力進行理論分析計算，為此設計了圖7所示的測力計裝置，實際測試爬壁機器人驅動器的垂直力為F1，驅動力為F2，主要由夾具3和5、三維微位移工作臺1、2臺高精度微力測量儀6和7等組成，測量時將軟磁4和永磁2安裝在測力計裝置上，通過調節三維微位移工作臺進行測量。如圖8所示，設永磁和軟磁的垂直距離為σ mm，水平位移為x mm。

圖9是利用文獻［5］中的測力裝置和圖7所示的測力裝置對步行式機器人和本（爬行式）機器人靜態垂直力F1與σ相互關系的測試曲線，圖10是動態垂直力F1與σ相互關系的測試曲線，圖11是動態驅動力F2與x相互關系的測試曲線，其中曲線1代表本爬壁機器人，曲線2代表步行式爬壁機器人。可以看出：該爬壁機器人動靜態垂直力F1均趨近于0，其驅動力F2是步行式爬壁機器人的3倍以上。

圖12是該爬壁機器人行進速度和驅動信號頻率的關系測試曲線，其中曲線1代表本爬壁機器人的速度，曲線2代表步行式爬壁機器人的速度，曲線3表示本爬壁機器人的理論速度。圖13是實驗測試用的兩臺機器人，其中圖13（a）是步行式爬壁機器人，圖13（b）是爬行式爬壁機器人。以上所有測試結果均在如下條件下完成：

（1） 線圈匝數700匝；

（2） 控制信號電壓5 V；

（3） σ=1 mm。

5 、結語

實驗證明：

（1） 該爬壁機器人相對文獻［5-8］中采用控制信號頻率達到機器人轉彎的目的而言，其轉彎動作更加準確快速，控制簡單，如果把微小電機換為微小步進電機，可以實現對轉彎角度的精確控制；

（2） 機器人驅動線圈的匝數范圍為700匝左右，并最好能夠形成閉合磁路；

（3） 永磁鐵和電磁鐵之間的距離越近越好；

（4） 通過優化設計控制時序信號，可以提高機器人的運行穩定性；

（5） 該機器人重約30克，體積為30 mm×15 mm×20 mm，運動速度可以達到1.1 cm／s，可以在0～90°的導磁面上爬行；

（6） 為了防止該機器人在行進過程中出現“脫軌”現象，需要給機器人附加限位機構。

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