李 娜，李晓飞，赵晓芳（天津理工大学，天津 300384）

垂直攀爬清洁机器人

李 娜，李晓飞，赵晓芳
（天津理工大学，天津 300384）

垂直攀爬清洁机器人是行走在光滑墙壁或者玻璃上的一种机器人。本设计是基于普通机器人的基础上研究出的一种在竖直平面上行走并且作业的机器人。本设计由单片机控制行走及作业，将编好的程序提前输入单片机中，这样可以实现无人操作。本设计由吸盘作为机器人的四肢行走，吸盘主轴连接步进电机，主体连接气泵，气泵抽气放气完成吸盘的吸附或行走。它可以应用家庭中做家务或者企业大厦的物业打扫中。现在市场上已有这类产品胡生产，但并不完善。垂直攀爬机器人的研究涉及到控制、传感、避障等。此外，还涉及将机械结构优化到最节省空间的诸多知识。

垂直攀爬；步进电机；气泵；吸盘

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.250

1　整体设计

垂直攀爬清洁机器人项目编号为201410060040的设计要点在于它的爬行结构，它的爬行路线是由使用者自己决定的。因为这种机器人是在竖直平面上爬行，所以它的重量一定要尽可能的轻，否则吸力小于重力使机器人坠落。当设计垂直攀爬清洁机器人时既要达到要求又要使系统结构简单，尽量精简所需的元器件，让整个机器人显得灵巧。这样也能保证操作方便。采用亚克板作为底盘装载其他元器件，并且其他部分需要固定在亚克板上，这样 当垂直攀爬机器人在竖直平面上行走时才不会散落。垂直攀爬清洁机器人的行走结构由吸盘充当。吸附方式采用吸盘真空吸附，在光滑的平面上这种方式最为安全可靠。整个亚克板底盘为边长35厘米的正方形，在正方形中间有一个 直径为10厘米的圆形孔，整个底盘上还有四个长为15厘米的长方形孔条，这是整个机器人可行动的轨道，这个长方形轨道的宽比吸盘上面的主轴直径大0.5厘米。之所以有四个轨道是因为这样可以使机器人上下左右自由爬行。

2　吸附结构设计

我们用真空泵来抽吸盘内腔中的空气。在气泵抽气口处因为有外界大气压的作用，将气体挤入或放出气泵内。真空泵操作安装时简单方便，使用寿命长，体积小。选用美国HTC公司的D87-23-01的真空泵，它集无刷电机和驱动器于一体，整个气泵小巧，重量也是在可以接受的范围内。

真空吸盘座穿过底盘，吸盘留在底盘下面撑起底盘，真空吸盘座上的进出气口通过PU管和电磁阀与气泵相连接构成吸附件。吸盘的位置在底盘上的轨道内移动，吸盘座上的主轴卡在轨道内，再由螺母扣紧，螺母在底盘上部，这样就达到了真空吸盘与底盘的结合。真空泵将吸盘中的空气抽干，吸盘内腔呈真空状态，这样使垂直攀爬机器人紧紧地吸附在墙壁上。电磁阀相当于一个开关的作用可以将两个连接在气泵同一个抽气孔分开。经过多次试验发现，垂直攀爬机器人能否安全地贴在墙壁上与吸盘的布局有一定的关系。如果是四个吸盘的话，他们的位置要是对称的才好。当垂直攀爬机器人准备移动时，四个吸盘都吸附在墙壁上，舵机转动角度为0度。向上移动时四个舵机转动45度，撑起底盘，左右两个吸盘松开墙壁并进行移动。移动完成后再次吸附住墙壁，四个吸盘全部吸附好后，驱动步进电机左右连个移动结构再次启动，因为吸盘都吸附住不能动，这次就是机器人整体移动。当垂直攀爬机器人向左或向右移动时，原理相同，只是不同的吸盘移动。机器人就是这样自由移动的。

3　硬件设计

本设计的移动结构最重要的一个元件就是电机。在垂直攀爬机器人的设计中，我们选用步进电机。步进电机可以把脉冲变量转换成角变量的电气机械。因此一定要用脉冲控制步进电机。步进电机的主要优点有电源一定要带脉冲才能启动步进电机；还有就是步进电机和驱动控制器组成的开环控制系统，方便容易，调速与性能良好，动态响应快，自启动能力强。

检测垂直攀爬机器人是否到达指定地点的方法就是用超声波传感器测距。原理就是首先超声波传感器发射一缕高频声波，一碰到墙壁时高频音波会被反弹回来并被接收到，再通过把声波去回所用的总时间乘以超声波传播的速度就可以获得墙壁相对于物体的距离。超声波对固体和液体的穿透力很大，可以穿过很深深度。这种传感器本身测量准确、无接触、放水、防腐蚀、成本少等特点。

在机器人的运动中，要要监控它的速度变化。加速度传感器有两种一个是线加速度传感器另一种是角加速度传感器，机器人的运动是直线的，所以我们计算线加速度。直线运动也可以通过公式转换程旋转速度间接测量。旋转式加速度传感器与机器人直接接触，当机器人运动时会产生摩擦力，就会带动传感器的滚轮转动，在滚轮上的脉冲装置，发出一簇的脉冲每个脉冲代表着一定的间隔，这样就能测出加速度。 加速度传感器还可以让我们了解机器人它是在加速度向上还是匀速向下或者是否停下来。

按键和显示屏是单片机应用系统中实现人机对话的一种基本形式，两种接口设计会影响到人机接口。在垂直攀爬机器人的设计中，人机接口是重要的一环。显示频可以显示机器人现在的电量、速度和路程；按键可以控制机器人开始运动以及其他功能开始工作。在对一个系统进行各种操作时，人与机器的对话是非常重要的，人机接口界面可以实现人与机器之间的交流。通过按键将所需要信号与信息输入给系统，想的结果在显示屏上显示出来，这样就完成了人与机器的交流的目的。

［1］张越.国内外壁面移动式机器人的发展概况［J］.唐山工程技术学院学报，1994（01）.

［2］刘淑霞.壁面清洗机器人控制技术的研究［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.

［3］王炎.爬壁机器人的发展现状和应用前景［M］.科技研究，2007.