基于PLC的爬壁机器人的系统研究

王苗苗等

摘要：爬壁机器人在新世纪特种机器人领域中备受关注，它把地面移动机器人技术和吸附技术有机地结合起来，并能携带一定的工具代替人类在极限的环境下工作。该文基于可编程逻辑控制器（PLC）控制系统进行硬件和软件的设计，硬件上提出了一种新型的机构，并介绍了其特点，规划了交叉面跨越、直线行走和平面旋转这三种运动模式。

关键词：爬壁机器人；PLC ；硬件；软件；测试

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）04-0191-03

Abstract： Climbing robot has attracted much attention in the field of special robot in the new century， it makes the ground mobile robot technology and adsorption technology organically， and can carry a certain tool to replace human work under extreme environment. This article is based on programmable logic controller （PLC） control system for the design of hardware and software。 Hardware puts forward a new kind of organization， and introduces its characteristics and plans the cross， walking straight line and plane rotation pattern.

Key word： Climbing robot； PLC； Hardware； software； test

1 概述

爬壁机器人是机器人领域的一个重要分支，它的壁面吸附功能和移动功能大大扩展了该机器人的应用范围：如建筑领域，用于对高楼外壁面的清洗或喷涂；石化领域，用于对储料罐内外壁面的检查、测量和保养；公共安全领域，用于侦查、抢险、排爆、救灾等。故爬壁机器人的设计方案必须根据具体要求来制定。近年来，随着科技的进步，极大地推动着爬壁机器人向着吸附可靠、行走性能好、体积小等方向发展。

自1966年，第一个以利用电风扇进气侧的低压作用作为吸附力的爬壁机器人在日本大阪府立大学面世以来，爬壁机器人成为机器人领域中一个研究的热点，但一些国家也对相关关键技术进行技术封锁[1]。在国内，经过将近30年的发展，爬壁机器人的研究也取得了丰硕的成果，取得了一定的社会效益。典型代表有：哈尔滨工业大学机器人研究所在国家“863”计划的支持下先后研制的采用磁吸附和真空吸附两个系列的5种型号的爬壁机器人[2]。上海大学先后研制的垂直壁面爬壁机器人和球形壁面爬壁机器人。

目前，爬壁机器人的壁面吸附功能主要采用真空吸附或磁吸附，移动功能则是轮式，履带式或足式[3]。该文针对吸附可靠、行走迅速、体积小、噪音小等功能，基于PLC系统控制而设计的真空吸附式两足微小型爬壁机器人。该机器人移动灵活，具有较强的直线行走和平面旋转能力。

2 硬件设计

2.1 机构组成

如图1所示，该文设计的机构具有4个自由度，结构上由左右两足、两腿，腰部和4个转动关节组成，其中J1、J2、J4在空间上平行放置，可实现抬脚跨步动作，完成直线行走功能。另一个关节J3在左腿上沿垂直方向设置，完成平面内转向功能。该机构由3个舵机驱动，腰部上的舵机可实现跨步动作，左右两腿各有一个舵机，实现抬脚动作，而左腿上的两个微型电磁铁是实现关节运动的转换，即直线行走和平面旋转之间的转换[4，5]。

2.3 腿部结构设计

该机器人每条腿各有一个舵机，每个舵机都独立控制着各自的旋转关节来实现抬脚动作。如图3，该机器人左腿的舵机通过锥齿轮传动分别实现腿关节J2或者J3旋转，完成抬左脚和平面旋转动作，而其中的运动切换是通过左脚的两个微型电磁铁来实现。如通过微型电磁铁控制摩擦片的离合，实现下部微型电磁铁2摩擦片与轴的紧密贴合，控制锥齿轮的停止实现左脚抬起；而左脚平面旋转动作则是通过侧部微型电磁铁1摩擦片与轴的紧密贴合来控制支架的锁定，下部微型电磁铁2摩擦片与轴的松开控制锥齿轮的转动来实现。腿关节J4的旋转，即抬右脚动作则是通过右腿上的舵机和锥齿轮的传动来实现。该机器人的左右腿部结构运动原理相似。

该爬壁机器人的两足分别由吸盘、气路和微型真空泵组成。微型真空泵为吸盘提供吸力，而其电路的通断控制气路的通断，即微型真空泵通断电控制气路的通断气，实现吸盘的吸附与释放。

4 测试

对于本次设计，进行了相关方面的测试，主要包括交叉面跨越测试、直线行走测试、平面旋转测试和综合爬行测试。选用的控制器是三菱FX2n系列的PLC——MELSEC FX2n-32MR，选用的编程软件是GX Developer 8.86，选用通过USB接口提供串行连接及RS422信号转换的编程电缆USB-SC09实现电脑与PLC的连接，传输设置正确且当测试连接成功后，将编写好的PLC程序通过在线写入到PLC，经PLC内部处理后，控制执行元件的通断使机器人运动。

经过测试，上位机、PLC和爬壁机器人硬件可以进行正常的连接并能参与一定的运动以达到设计要求，编程电缆USB-SC09可以正常的传输和转换程序，实现爬壁功能，而且在定位准确性、移动灵活性都可以达到满意的结果。

5 结论

本文针对新世纪特种机器人发展的趋势展开了对爬壁机器人的研究开发，主要的工作是依据交叉面跨越、直线行走和平面旋转这三大功能进行硬件的设计、制造、装配以及软件的编程。鉴于该设计尺寸小、重量轻、结构紧凑、移动灵活等特点，将有更多的企业应用。但本文设计的爬壁机器人也存在一定的不足，如没有在吸盘上安装压力传感器和接触传感器，不能确保机器人左右足的准确定位，这需要进一步的研究与开发，相信在未来的时间里会有一种更完美的爬壁机器人出现，为人类提供更多的帮助。

参考文献：

[1] 杨小彪.高层建筑清洗行业的现状与市场浅析[J].洗净技术，2003（3）：46-48.

[2]王炎，赵言正，徐殿国.壁面清洗爬壁机器人的研究与产业化工作[J].机器人技术与应用，2000（5）

[3] 赵言正，门广亮.爬壁机器人全方位移动机构的研究[J].机器人，1995，17（2）：102-107.

[4] 赵登峰，陈永强，邓茂云.机械原理[M].成都：西南交通大学出版社，2012.

[5] 卢耀祖，郑惠强.机械结构设计[M].上海：同济大学出版社，2004.

[6] 龚仲华.三菱FX系列PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2010.