四足爬墻機器人設計與實現(xiàn)

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1、四足爬牆機器人設計與實現(xiàn)發(fā)佈日期2009.03.05類　　別技術資料出處國立高雄第一科技大學杜國洋、楊翔斌、黃韋翔摘要行走機器人克服地球的地心引力是一種極大挑戰(zhàn)。其應用可使機器人代替人類到達危險區(qū)域工作，例如摩天大樓玻璃窗的清洗工作。本研究專題設計實現(xiàn)一四足攀爬機器人，使能於光滑的垂直平面行走。設計過程從用以抵抗重力加速度的吸附力量測、伺服馬達控制量測、建立四足攀爬機器人機構與整個控制電路。為了方便機器人到達危險而人類不易到達之處，機器人亦安裝遠端無線遙控模組。一、原理爬牆吸附原理使機器人產(chǎn)生吸附力攀附在牆面上的方法有很多種方式，如負壓式真空幫浦、抽真空活塞、吸塵器原

2、理、黏毛等等，因考量到製作成本及機器人作動限制（重量、機動性）以及機構設計實現(xiàn)的方便性，最後採用以抽真空活塞機構。我們利用注射筒、塑膠吸盤、軟管與伺服機加上連桿製作出簡單的抽真空活塞機構。當吸盤貼緊在牆面，伺服機作動將注射筒往後拉，把空氣吸進筒內(nèi)，使得吸盤內(nèi)的空間形成真空狀態(tài)（負壓產(chǎn)生），讓機器人得以吸附在牆上，如圖一所示。圖一負壓產(chǎn)生原理當機器人要移動時，再利用伺服機運動將注射筒往前推，使筒內(nèi)的空氣向外排出放氣（正壓產(chǎn)生），讓機器人得以脫離牆面以便機器人的腳能自由移動，如圖二所示。圖二正壓產(chǎn)生原理吸附力量測實驗為了量測活塞機構的吸附力，將寶特瓶裝水當砝碼，掛在機器人

3、單足吸盤上，如圖三與四所示，測試單足活塞作動時吸附力所能負載之重量，且停留10秒以上不掉落，則判定單足可負載重量。裝水寶特瓶每支600g;每次增重600g，每種重量皆測試五次，增加數(shù)據(jù)可靠度。測試結果如表一。表一單足吸附所能負重測試結果重量次6001200180024003000360042004800540060001○○○○○○○○○○2○○○○○○○○●●3○○○○○○○○○●4○○○○○○○●○●5○○○○○○○○○●○為通過測試　　●為掉落失敗由測試結果推斷，單足吸附力所能負載重量以5400g為上限。機器人爬行時，每次皆由兩隻腳雙雙互換吸附在牆面，因此機器人

4、爬行時載重可達10公斤以上?！D三進行負重1500g（左）與2000g（右）的測試照片?　圖四進行6000g測試成功的照片伺服機的控制原理圖五伺服機擺動（90?）與訊號關係現(xiàn)今的伺服機被廣泛的用在微型機器人、遙控模型等場合下，其控制原理為脈寬調(diào)變信號PWMsignal（PlusWidthModulation），藉由連續(xù)的PulseOn的時間寬度來決定伺服機的擺動角度。為了測試伺服機的實際擺動角度與PWM關係，我們使用遙控模型用的伺服機控制器來驅動伺服機，並且將信號接上示波器顯示完整的信號圖示。我們將伺服機擺臂塗上紅色顏料來判斷其擺動角度，當旋扭右轉到底時，擺臂位置在右

5、方45度的地方停住，PWM訊號顯示PulseOn的時間為2.000ms，如圖五所示。當旋扭轉至中間位置，其伺服機擺臂達到中立點，PWM訊號顯示PulseOn的時間為1.520ms如圖六所示。圖六伺服機擺動至（45?）與訊號關係再將旋扭轉至最左方，則伺服機擺臂移動到左邊45度左右的位置。其示波器上PWM訊號顯示PulseOn的時間為1.000ms，如圖七所示。圖七伺服機擺動至（45?）與訊號關係由實驗可證實：當PWM訊號為1.0ms則擺臂角度為0度。當PWM訊號為1.5ms則擺臂角度為45度。當PWM訊號為2.0ms則擺臂角度為90度。因此得知此伺服機只能接受1ms~2

6、ms的PWM訊號並擺動至理想的角度。使用Pic晶片產(chǎn)生PWM訊號本次爬牆機器人所使用的伺服機數(shù)量為12顆，我們必須使Pic產(chǎn)生12個channel的PWM訊號來控制各個伺服機擺動角度。經(jīng)過測試後伺服機的minimumangleandMaxinumangle大約是發(fā)生在PWM訊號為0.7ms~2.5ms左右，此數(shù)值也可能因各個伺服機廠牌不同而有所變化。得知伺服機的最大PWM訊號PulseOn時間後，我們便開始設計Pic的PWM訊號產(chǎn)生程式。無線電模組介紹圖八無線發(fā)射模組總成圖九無線接收模組無線電模組由發(fā)射機與接收機所組成的模組，搭配編碼IC與解碼IC可以隨日後應用而更改

7、密碼設定，也比較不易受外界雜訊干擾。如圖八與九，此無線發(fā)射模組使用3~12V的電壓，頻率為315MHz，搭配HT-12E編碼IC一次可輸出4bit的訊號，藉由8通道的指撥開關可以設定出多達82的密碼與接收模組相對應。為方便使用者遠端操作發(fā)射模組，我們把鐵盒改裝成發(fā)射模組控制盒，如圖十與十一。將INPUT線拉至各個開關，再把各個開關與LCD模組安置於面板上，把發(fā)射模組切成適當尺寸並放入鐵盒，最後將鐵盒蓋上即是無線電控制盒。?圖十鐵盒內(nèi)部圖十一發(fā)射控制盒DEMO版二、設計與實現(xiàn)使用CATIA輔助設計我們藉由繪圖軟體CATIA輔助我們設計出機器人的零件與實