山东淄博实验中学2015级26班 许云倩

山东理工大学机械工程学院 王营博

负压式机器人设计

山东淄博实验中学2015级26班 许云倩

山东理工大学机械工程学院 王营博

本文根据负压吸附原理设计了可自行爬壁的机器人，其样机能从地面直接爬上垂直墙壁，并可以通过无线遥控控制其在墙面上自由移动。

负压吸附；驱动控制电路；无线遥控系统

0 综述

爬壁机器人属于特种作业机器人的一种[1]。按照负压原理，设计了一种小型化、功能简单的爬壁机器人，其样机采用负压风扇吸附，直流步进电机驱动，齿轮啮合方式传动，无线遥控控制方式，并通过TX-2B/RX-2B无线遥控接收芯片，LM7805集成稳压电源等器件的应用初步探讨了无线遥控发射机、接收机的工作原理和新型H桥电路对直流电机正反转的控制。所研制的样机在功能上可实现自动爬壁、并完成直角转弯和前进等运动的无线控制，在功率驱动能力上达到了机器人自由运动的要求。

1 工作原理及参数设计

结合国内外小型负压爬壁机器人的发展概况及其特点，可以看出爬壁机器人设计时的几个关键指标为：重量、倾覆力矩、密封性能、单位能耗、噪声[2]。

爬壁机器人可以利用地面式机器人的工作原理，但要能在垂直壁面上移动并且稳定工作，必须克服自身的重力，需要产生足够的吸附力来完成吸附功能，同时也应尽量采用轻质材料，减轻本体重量[6]，使其重心下降来增强机器人的稳定性。

图1 爬壁机器人受力图

图2 轮式分布图

爬壁机器人靠负压装置产生的吸附力F负吸附在墙上的。机器人爬壁的动力是由车轮和壁面之间的摩擦力提供的，而摩擦力的大小与摩擦系数和正压力有关。图1为爬壁机器人的受力图。爬壁机器人静止在壁面上时，力平衡方程为：

爬壁机器人本体在壁面上不倾覆的条件是：∑M≥0，即：

其中L1为机器人的重心与壁面间的距离，H2、H1分别为车轮到机器人重心的垂直距离。

机器人在壁面上能可靠吸附，必须满足即：

在设计爬壁机器人时，应尽可能使机器人的重心接近壁面，并尽量错开车轮之间的距离，吸盘的形状应尽量成扁平状，这样有利吸附。

2 机械部分设计

2.1 移动方式设计

该机器人采用轮式移动的方式，因为运动速度快，控制简单。通过选用摩擦系数大的轮子可以克服打滑的缺点。普通的轮式移动机构一般有三个轮、四个轮。三轮移动机构原理简单，但在较长距离移动时，两车轮的直径差会影响到前进的方向。根据以上分析，本文采用四个轮，如图2所示为轮式分布图，左右两后轮采用独立驱动，两侧的轮都为同步传动，车体靠两侧的速度差来控制机器人的方向。采用这种方式还可以使机器人在小范围内实现转向。机器人转向通过轮速差来实现，使四个轮子都是主动轮，所受的压力均等而且越障性能好，增加了机器人的驱动能力（见图2）。

2.2 吸附装置设计

为保证机器人吸附在墙面上的重要部件，由吸盘外壳、负压发生装置、密封圈组成。当电机转动带动风扇叶轮旋转时，机器人体内叶片周围形成了一定的负压，达到吸附的目的。

3 爬壁机器人控制系统设计

3.1 电源的选取

为了减轻机器人的重量，将吸附装置和移动装置的电源统一，采用同一个电池供电，可充分发挥电池的能量，并减轻了机器人的重量。而在本系统中涉及到两个电压供电的问题，系统在信号处理部分需要有5V电压，而风扇电机、轮式电机都需7V电压。因此在系统中采用7805集成电源模块来得到5V电压。LM7805可以使高于5V的电压转化为恒定的5V电压，保证逻辑电路部分电源的稳定性。具体的电路设计情况参照系统的总体电路图。

3.2 无线遥控的选择

由于无线电遥控具有迂回性和曲折性，只要在有效的距离范围内，可以不受方向和障碍物的限制，所以本文采用无线电遥控方式控制。选择TX-2B/RX-2B芯片作为方案一，PT2262/PT2272芯片作为方案二，因为相应的TX-2B/RX-2B和PT2262/PT2272无线遥控芯片采用了低发射功率、灵敏度高，该模块使得遥控电路十分简洁。

3.3 爬壁机器人电路的设计

TX-2B是一款带地址、数据编码功能的无线遥控发射芯片，其外观引脚如图3所示，发射芯片TX-2B集成发射单元，使发射电路十分简洁。RX-2B与TX-2B配对使用，RX-2B为接收芯片。

3.4 电机驱动与控制设计

无线遥控爬壁机器人的移动是由两个直流电机来驱动的。当发射机发出信号，接收机接收后输出指令，但该指令信号太弱并不能直接来驱动电机。这就需有一个重要的电机驱动环节。H桥电机控制电路如图4所示，该机器人的移动只是对电机的开关控制和正反转控制。图中电机和四个三极管构成一个H字母，所以这种控制叫做H桥控制。图中Vcc为电机电源电压 ，输出端并联电容C2，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。

The design of negative pressure Wall-climbing robot is designed

Xu yunqian1Wang yingbo2
（1.shandong zibo experimental high school，Zibo 255000；2.School of Mechanical Engineering Shandong University Of Technology，Zibo 255049）

Wall-climbing robot is designed according to negative pressure suction principle of，The prototype can directly move to vertical wall from the ground and can be controlled by wireless remote control .

Negative pressure suction system；Driven control circuit；Non-wires Remote Contorl