姜佳俊，权家朋，童晨越，刘 俊

（上海电机学院机械学院，上海 201306）

复杂机械设备如果出现故障或损坏会带来巨大的经济损失以及安全风险，因此要定期进行检修，但是由于无法确定故障源，所以往往要对一系列复杂机械设备零件进行逐个拆解检修，耗费巨大人力物力。其他爬壁机器人还有日本东京工业大学LEE等[1]研究人员设计的永磁模块的爬壁机器人Gunryu III以及国内哈尔滨工业大学研究的一款坦克式爬壁机器人[2]都属于将永磁体与履带相结合的吸附工艺，缺少爬跃功能，无法在复杂机械表面灵活运转。由此设计了一款基于树莓派的微型磁吸附爬壁检测机器人。

1 机械设计

1.1 结构设计

本发明小车尺寸为极其微型的42 mm×25 mm×30 mm，SolidWorks3D建模如图1所示。本小车机械结构由1个主机盒、1个机械手臂、7个无刷电机、6个永磁体车轮、1个摄像机云台、1个摄像头、1个树莓派、2个电机模块以及1个电池组成组成。摆杆为L形结构且整体较长，在增加爬越距离的同时，也提高了爬越功能的合理性和可靠性，增加了小车在不同结构表面运行的适应性。

图1 3D建模

1.2 爬跃功能实现

为保证前轮或后轮抬起时保持吸附以及可以有原动件，采用四驱方式，同侧2个电机为一组同时控制，通过两侧电机差速运转进行转向，利用编码器采集电机转速及转角保证移动精度。

小车在设备表面行进时，前臂上轮体吸附在设备表面，增加小车吸附稳定性；在爬越时，控制摆杆，使其前端轮体吸附于被爬越表面后，摆杆两侧的电机顺时针转动，以后轮为支点抬起前轮，车体向前运动使前轮吸附于设备表面，完成障碍表面的爬越。

1.3 吸附功能实现

采用6个钕磁铁车轮完成金属墙面吸附功能，永磁体性能参数如表1所示。

表1 永磁体性能参数表

进行静态磁场的理论计算，爬壁机器人的磁吸附模块磁场为静态磁场，所以在磁场闭环的情况下，需要满足2个静态磁路的基本方程[3]：

式（1）（2）中：Am、Lm分别为永磁体工作面积和长度；Kf为漏磁系数；Ag、Lg分别为气隙面积和长度；Kr为磁阻系数。

由以上两式可得：

式（3）中：Vm为永磁体体积；Vg为气隙体积；μ0为真空磁导率，取值为1。

由虚功原理可得，总磁场力为：

由式（4）可知，磁力受多个因素影响，但是真空磁导率μ0是不变的，又因为磁铁是特定的材料，所以Bm、Hm、Kf、Kr都是恒定值，因此吸附力主要与Vm、Lg有关。因此改变永磁体的结构参数与工作气隙的间隙，可以改变磁吸附力的大小。

机器人磁吸附测试如图2所示，通过实测机器人可以吸附于金属表面完成作业。

图2 机器人磁吸附测试

2 机器人吸附力学分析

机器人在竖直壁面上爬行时，可能出现沿墙壁向下滑动和围绕爬壁机器人与墙面的下接触点倾覆的情况出现，在此情况下可能使机器人出现失稳的状态，从而造成机器人脱落和损伤的风险，因此需要对机器人进行力学分析，如图3所示。

图3 竖直爬行受力分析

2.1 沿墙壁向下滑

爬壁机器人在竖直爬行的过程中因重力可能发生竖直滑动。机器人稳定需要以下条件：与竖直平面的各接触点的支撑力大于零，机器人的静摩擦力小于最大静摩檫力。

如图3所示，磁性轮子的吸附力的计算公式为[4]：

式（5）中：N1为主动轮1的支撑力；N2为主动轮2的支撑力；G为爬壁机器人的自重；μ为机器人与竖直面的摩擦因数，取0.5。

2.2 纵向倾覆

爬壁机器人在爬行过程中因车体质量，可能发生以后轮接触线为轴，机器人前轮脱落，造成车体纵向倾覆的情况。此时为保持机器人稳定，公式表示为[4]：

根据计算可得[4]：

式（6）中：h为重心O点与爬行壁面之间的距离；l为两轮的中心距离。

要使爬壁机器人不会沿墙壁向下滑动和纵向倾覆，并考虑到安全系数，则爬壁机器人所需最小吸附力为[4]：

式（7）中：K为安全系数。

根据本项目设计的爬壁机器人具体数据可得G=3 N，l=43 mm，h=10 mm，μ=0.5，K=1.7，将参数代入可得F0=5.1 N。

总结：爬壁机器人要在汽轮机叶片上安全稳定地爬行，则设计的吸附力必须大于5.1 N。

3 控制系统总体设计

小车的运行与检测是一种高度自动化的控制，操作人员通过上位机控制机器人小车，使机器人在所需检测的设备表面或内部移动。

爬壁机器人控制系统主要由树莓派、电机模块、升缩杆、摄像头和电机组成。树莓派是控制系统的核心，负责协调控制小车的功能实现和运行。选用树莓派zero w作为小车的控制芯片，它是一款基于ARM的微型电脑主板，使用基于Linux的操作系统，以Python作为主要程序语言，拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，尺寸较小且成本低。

其中上位机与小车使用无线网络通过一个局域网连接，经过SSH安全协议远程，由上位机远程控制登录树莓派操作系统，由上位机的可视化编程窗口对机器人小车下达指令进行控制。

3.1 电机驱动模块

TB6612fng是一种性能强大的电机驱动模块，其具有的电流MOSFET-H桥式结构，相较于传统的晶体管H桥驱动器具有更高的效率，可以承担更大的负载。智能小车通过6个直流减速电机和TB6612fng电机搭建驱动模块来实行运动控制。TB6612fng电机驱动器可以在1.2 A恒定电流下控制直流电机。2个输入信号可用于以4种功能模式控制电机，4种功能模式为：-CW、CCW、短制动和停止。2个电机输出可以单独控制，每个电机的速度通过PWM输入信号控制，频率高达100 kHz。TB6612fng电机驱动模块通过双通道路输出同时驱动6个电机，可实现电机的正转、反转、制动、停止等一系列动作，可以实现小车在汽轮机叶片上的行进和爬越。

3.2 工作原理

使用Raspberry Pi控制直流电机需要通过电机驱动模块来实现特定信号的接收和输出。电机驱动模块是一种特殊电路或IC，可对电机进行信号和电源的输出和控制，来实现平稳安全的运行。它们从Raspberry Pi获取控制信号，并通过电源为电机提供必要的驱动电流。电机驱动模块TB6612fng有2个通过GPIO引脚接收来自Raspberry Pi的信号。根据Python程序，电机驱动模块将控制电机实现正转和反转。

3.3 摄像头

使用Raspberry Pi Camera Module V2，具有8百万像素；定焦镜头可达3 280×24×64像素的静态图片；也支持1080P30、720P60以及640×480P 60/90摄像功能。此款摄像头扩展板可通过主板上的小插槽连接树莓派，并使用专门的CSI接口，这是特别为摄像头设计的接口。

3.4 连接控制

连接控制模块如图4所示，将TB6612fng的引脚连接到外部12 V电源，TB6612fng上有4个接地引脚。将引脚4连接到电源的GND。另外，将TB6612fng的接地引脚连接到Raspberry Pi的GND引脚。为了能控制输入输出引脚，将控制输入引脚分别连接到GPIO1（物理引脚18）和GPIO2（物理引脚17），将制输出引脚和分别连接到GPIO2（物理引脚27）和GPIO3（物理引脚22）。

图4 连接控制模块图

3.5 项目工作和代码说明

使用Python访问GPIO引脚。将模块RPi.GPIO导入至程序中。同样，模块时间允许使用其功能睡眠暂停程序一段预定义的时间。为电机模块分配引脚，将引脚模式设置为GPIO编号格式，以此实现信号的输出与反馈。

所有引脚都被声明为输出。正向旋转时，使引脚变为高电频，控制输入1A变为高电频，另一个控制输入1B变为低电频。延迟3 s后，控制输入1A变为低电频，控制输入1B变为高电频，同时保持使能引脚为高电频，这将使电机反向旋转。

通过信号输出控制不同电机的正转反转以及制动实现对机器人的前进后退转向及爬越功能。