1、 引 言

近年來，機(jī)器人在國(guó)家安全、工業(yè)檢測(cè)和反恐任務(wù)中越來越得到人們的重視，國(guó)際上許多成功的機(jī)器人平臺(tái)已經(jīng)建立，如Carnegie Mellon大學(xué)的Millibot機(jī)器人，Min-nesota大學(xué)的Scout機(jī)器人，iRobot公司的Urban機(jī)器人等。然而，這些機(jī)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(duì)具有爬壁能力的機(jī)器人做了研究，Ali Sadegh運(yùn)用旋渦回轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人，Kevin Rogers運(yùn)用吸附技術(shù)設(shè)計(jì)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)清掃爬壁機(jī)器人，Carlos Grieco運(yùn)用磁性吸附技術(shù)設(shè)計(jì)的六足爬壁機(jī)器人，Shigeo HIROSE運(yùn)用磁性吸附技術(shù)設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人，重慶大學(xué)潘英俊教授運(yùn)用磁性吸附技術(shù)設(shè)計(jì)的步行式爬壁機(jī)器人，美國(guó)學(xué)者運(yùn)用螺旋推進(jìn)器做力源設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人。但由于這些機(jī)器人都具有體積大、價(jià)格昂貴、重量大、轉(zhuǎn)彎特性差、控制系統(tǒng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，極大地限制了這些機(jī)器人的應(yīng)用。

本文介紹的磁驅(qū)動(dòng)微小爬壁機(jī)器人，采用電磁吸附技術(shù)，尺蠖運(yùn)動(dòng)原理，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、加工制作容易、控制靈活、控制電路簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)彎速度快等特點(diǎn)。

2 、爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)原理

2.1 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

圖1是微小爬壁機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)示意圖，該微小機(jī)器人采用電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)，由前后擋板（1，3）、軟磁（2）、驅(qū)動(dòng)線圈（4）、前后腳（5，8）、永磁鐵（6）、導(dǎo)軌（7）、微小電機(jī)（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(jī)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(dǎo)向孔實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)連接，大支架與小支架之間通過轉(zhuǎn)軸連接，微小電機(jī)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(jī)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(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌連接。

利用通電軟磁和永磁鐵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作，即借助于由拉推式磁路組成的直線運(yùn)動(dòng)式磁力驅(qū)動(dòng)器和門型坡莫合金軟磁繞制的機(jī)器人腳線圈的相互配合，運(yùn)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(shí)序脈沖控制信號(hào)改變軟磁的極性或動(dòng)作，達(dá)到模仿尺蠖的運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬壁的目的。

2.2 爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理

圖2是機(jī)器人直線行進(jìn)原理圖，設(shè)線圈未通電時(shí)為原始狀態(tài)1，此時(shí)分別對(duì)機(jī)器人前腳（線圈1）、后腳（線圈2）和驅(qū)動(dòng)器（線圈3）通以圖3所示的控制時(shí)序信號(hào)。在t1～t2時(shí)間段，線圈1不通電，線圈2、3通正電平，機(jī)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(shí)間段，線圈1通正電平，線圈2不通電，線圈3通負(fù)電平，機(jī)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(jī)器人一個(gè)步態(tài)，如圖2狀態(tài)3、4所示。反復(fù)執(zhí)行狀態(tài)1～4，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖4是機(jī)器人轉(zhuǎn)彎行進(jìn)原理圖，設(shè)線圈未通電時(shí)為原始狀態(tài)1，此時(shí)分別對(duì)機(jī)器人前腳（線圈1）、后腳（線圈2）、驅(qū)動(dòng)器（線圈3）和微小電機(jī)（線圈4）通以圖5所示的控制時(shí)序信號(hào)。在t1～t2時(shí)間段，線圈1、3不通電，線圈2、4通正電平，機(jī)器人的前腳在微小電機(jī)的作用轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，如圖4狀態(tài)2所示。在t2～t3時(shí)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(jī)器人本體轉(zhuǎn)過與前腳轉(zhuǎn)過的相同的一個(gè)角度，此時(shí)完成了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎過程，到達(dá)預(yù)定的位置，如圖4狀態(tài)3所示。在t3時(shí)刻以后的時(shí)間段，機(jī)器人開始直線行進(jìn)。

由于機(jī)械系統(tǒng)都存在響應(yīng)滯后的缺點(diǎn)，在實(shí)際操作中線圈1、2和線圈3、4之間在時(shí)序上可以設(shè)計(jì)一段時(shí)間差，以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。

3、 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生

從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(hào)，就能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖6是產(chǎn)生這些驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的系統(tǒng)框圖。采用C或匯編語言在AT89C52中編成產(chǎn)生整個(gè)爬壁機(jī)器人需要的6路脈沖控制信號(hào)（其中微小電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器各2路），其中4路信號(hào)與2片正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)芯片LG9110相連，控制微小電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，另外2路與2片SN75451／SN75452相連，控制機(jī)器人的前后腳。

4 、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由于磁場(chǎng)分布復(fù)雜，不可能對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行理論分析計(jì)算，為此設(shè)計(jì)了圖7所示的測(cè)力計(jì)裝置，實(shí)際測(cè)試爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的垂直力為F1，驅(qū)動(dòng)力為F2，主要由夾具3和5、三維微位移工作臺(tái)1、2臺(tái)高精度微力測(cè)量?jī)x6和7等組成，測(cè)量時(shí)將軟磁4和永磁2安裝在測(cè)力計(jì)裝置上，通過調(diào)節(jié)三維微位移工作臺(tái)進(jìn)行測(cè)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(xiàn)［5］中的測(cè)力裝置和圖7所示的測(cè)力裝置對(duì)步行式機(jī)器人和本（爬行式）機(jī)器人靜態(tài)垂直力F1與σ相互關(guān)系的測(cè)試曲線，圖10是動(dòng)態(tài)垂直力F1與σ相互關(guān)系的測(cè)試曲線，圖11是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力F2與x相互關(guān)系的測(cè)試曲線，其中曲線1代表本爬壁機(jī)器人，曲線2代表步行式爬壁機(jī)器人。可以看出：該爬壁機(jī)器人動(dòng)靜態(tài)垂直力F1均趨近于0，其驅(qū)動(dòng)力F2是步行式爬壁機(jī)器人的3倍以上。

圖12是該爬壁機(jī)器人行進(jìn)速度和驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的關(guān)系測(cè)試曲線，其中曲線1代表本爬壁機(jī)器人的速度，曲線2代表步行式爬壁機(jī)器人的速度，曲線3表示本爬壁機(jī)器人的理論速度。圖13是實(shí)驗(yàn)測(cè)試用的兩臺(tái)機(jī)器人，其中圖13（a）是步行式爬壁機(jī)器人，圖13（b）是爬行式爬壁機(jī)器人。以上所有測(cè)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(hào)電壓5 V；

（3） σ=1 mm。

5 、結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明：

（1） 該爬壁機(jī)器人相對(duì)文獻(xiàn)［5-8］中采用控制信號(hào)頻率達(dá)到機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的目的而言，其轉(zhuǎn)彎動(dòng)作更加準(zhǔn)確快速，控制簡(jiǎn)單，如果把微小電機(jī)換為微小步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)彎角度的精確控制；

（2） 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(jì)控制時(shí)序信號(hào)，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行穩(wěn)定性；

（5） 該機(jī)器人重約30克，體積為30 mm×15 mm×20 mm，運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到1.1 cm／s，可以在0～90°的導(dǎo)磁面上爬行；

（6） 為了防止該機(jī)器人在行進(jìn)過程中出現(xiàn)“脫軌”現(xiàn)象，需要給機(jī)器人附加限位機(jī)構(gòu)。

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