1、 引 言

近年來，機器人在國家安全、工業(yè)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(jīng)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(zhuǎn)裝置設(shè)計的爬壁機器人，Kevin Rogers運用吸附技術(shù)設(shè)計的連續(xù)運動清掃爬壁機器人，Carlos Grieco運用磁性吸附技術(shù)設(shè)計的六足爬壁機器人，Shigeo HIROSE運用磁性吸附技術(shù)設(shè)計的爬壁機器人，重慶大學潘英俊教授運用磁性吸附技術(shù)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)彎特性差、控制系統(tǒng)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(qū)動微小爬壁機器人，采用電磁吸附技術(shù)，尺蠖運動原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、加工制作容易、控制靈活、控制電路簡單、轉(zhuǎn)彎速度快等特點。

2 、爬壁機器人的結(jié)構(gòu)和運動原理

2.1 爬壁機器人的結(jié)構(gòu)

圖1是微小爬壁機器人的外形結(jié)構(gòu)示意圖，該微小機器人采用電磁驅(qū)動技術(shù)，由前后擋板（1，3）、軟磁（2）、驅(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)滑動連接，大支架與小支架之間通過轉(zhuǎn)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(shè)線圈未通電時為原始狀態(tài)1，此時分別對機器人前腳（線圈1）、后腳（線圈2）和驅(qū)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(tài)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(tài)，如圖2狀態(tài)3、4所示。反復執(zhí)行狀態(tài)1～4，就可以實現(xiàn)機器人的連續(xù)直線運動。

圖4是機器人轉(zhuǎn)彎行進原理圖，設(shè)線圈未通電時為原始狀態(tài)1，此時分別對機器人前腳（線圈1）、后腳（線圈2）、驅(qū)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(zhuǎn)過一個角度，如圖4狀態(tài)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(zhuǎn)過與前腳轉(zhuǎn)過的相同的一個角度，此時完成了機器人的轉(zhuǎn)彎過程，到達預定的位置，如圖4狀態(tài)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(tǒng)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(shè)計一段時間差，以使機器人的運動更加穩(wěn)定。

3、 驅(qū)動信號的產(chǎn)生

從機器人的運動原理可知，只要在線圈中連續(xù)通入圖3、圖5所示的控制信號，就能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的各種運動狀態(tài)，圖6是產(chǎn)生這些驅(qū)動控制信號的系統(tǒng)框圖。采用C或匯編語言在AT89C52中編成產(chǎn)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(qū)動器各2路），其中4路信號與2片正反轉(zhuǎn)驅(qū)動芯片LG9110相連，控制微小電機和驅(qū)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(qū)動器的驅(qū)動力進行理論分析計算，為此設(shè)計了圖7所示的測力計裝置，實際測試爬壁機器人驅(qū)動器的垂直力為F1，驅(qū)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(diào)節(jié)三維微位移工作臺進行測量。如圖8所示，設(shè)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(tài)垂直力F1與σ相互關(guān)系的測試曲線，圖10是動態(tài)垂直力F1與σ相互關(guān)系的測試曲線，圖11是動態(tài)驅(qū)動力F2與x相互關(guān)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(tài)垂直力F1均趨近于0，其驅(qū)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(qū)動信號頻率的關(guān)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(jié)果均在如下條件下完成：

（1） 線圈匝數(shù)700匝；

（2） 控制信號電壓5 V；

（3） σ=1 mm。

5 、結(jié)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(zhuǎn)彎的目的而言，其轉(zhuǎn)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(xiàn)對轉(zhuǎn)彎角度的精確控制；

（2） 機器人驅(qū)動線圈的匝數(shù)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(yōu)化設(shè)計控制時序信號，可以提高機器人的運行穩(wěn)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(xiàn)“脫軌”現(xiàn)象，需要給機器人附加限位機構(gòu)。

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