四足爬墙机器人设计与实现.docx
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四足爬墙机器人设计与实现
四足爬牆機器人設計與實現
發佈日期
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
http:
//www.robotworld.org.tw/index.htm?
pid=10&News_ID=2745
摘要
行走機器人克服地球的地心引力是一種極大挑戰。
其應用可使機器人代替人類到達危險區域工作，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，使得吸盤內的空間形成真空狀態（負壓產生），讓機器人得以吸附在牆上，如圖一所示。
圖一負壓產生原理
當機器人要移動時，再利用伺服機運動將注射筒往前推，使筒內的空氣向外排出放氣（正壓產生），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，增加數據可靠度。
測試結果如表一。
表一單足吸附所能負重測試結果
重量
次
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
5400
6000
1
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5
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○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，因此機器人爬行時載重可達10公斤以上。
圖三進行負重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變信號PWMsignal（PlusWidthModulation），藉由連續的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~2ms的PWM訊號並擺動至理想的角度。
使用Pic晶片產生PWM訊號
本次爬牆機器人所使用的伺服機數量為12顆，我們必須使Pic產生12個channel的PWM訊號來控制各個伺服機擺動角度。
經過測試後伺服機的minimumangleandMaxinumangle大約是發生在PWM訊號為0.7ms~2.5ms左右，此數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訊號產生程式。
無線電模組介紹
圖八無線發射模組總成
圖九無線接收模組
無線電模組由發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射模組，我們把鐵盒改裝成發射模組控制盒，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。
圖十鐵盒內部
圖十一發射控制盒DEMO版
二、設計與實現
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體。
圖十三為活塞機構的組裝，圖十四設計完成的機器人，設計完成的都可以模擬其組裝過程，用以確認設計的適當性。
圖十二模擬組裝完成後的機器人
圖十三活塞機構的組裝
機體材料選擇
我們的專題作品是爬牆機器人。
顧名思義，機器人要能攀附在牆上並抵抗萬有引力。
因此機器人的機體與零件必須盡可能的輕量化，使得機器人在爬牆時可減少所需要的攀附力。
正由於機體需要輕量化設計與許多大小孔安裝其他零件，機體材料必須在擁有一定的結構強度之餘，也能夠利於我們加工之作業與材料取得之便利性。
經過上述原因考量之下，最後我們選擇利用鋁片來自行加工，製作出理想中的機體。
圖十四機器人製作過程
設計完成之機器人
整個機器人全部都是在學校實驗室手工打造，完全沒有委外代工，過程如圖十四所示。
圖十五為機器人的實體相片，圖十六為整個系統架構圖，機器人的規格如表二所示。
圖十五機器人的實體相片
圖十六系統架構圖
表二機器人規格資料
尺寸
44x40x6cm
吸附力
20kg
晶片
PIC18f8680
重量
1315g（含電池）
額定消費電流
2~3.5A
伺服機扭力Max
7.2kg/cmat6V
吸盤尺寸
42x17mm
（直徑x高，無負荷下）
爬行速度
60cm/min
電池
PIC用
7.4VLi-polymer720mAh
伺服機用
4.8V~6VAAAx42300mAh
爬行平面材質測試
我們在各種材質的平滑面測試爬牆機器人的爬行功能實用性，其中有玻璃、電梯門（不鏽鋼）、大理石、木質、壓克力、白板等材質平面，如圖十七所示。
每種材質爬行測試5次，每次爬行達1分鐘不掉落為成功。
測試結果如表三。
表三爬行各材質平面測試
材質
次數
玻璃
不鏽鋼
大理石
木質
壓克力
白板
1
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5
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○為通過測試 ●為掉落失敗
由測試結果推斷，只要是在光滑平面，不論材質為何，活塞機構所產生的吸附力，足夠使爬牆機器人在光滑平面上爬行。
測試大理石過程中，掉落次數相對較多，探討其原因為電池沒電，導致伺服機作動不正常，在換上新電池後，成功率大大提升。
圖十七照Ｚ字型依序為玻璃、電梯門、大理石、木質、壓克力、白板材質的光滑平面上爬行測試照片
功能
1.獨立式爬牆機器人。
2.可攀附並爬行於不同性質之光滑平面。
3.LCD顯示模組即時顯示出機器人狀態。
4.自背式電源，無需倚靠外接電源。
5.遠端無線遙控模組。
三、結論與未來發展
我們成功設計並實現一架四足爬牆機器人，可利用遠端無線遙控模組控制爬牆機器人在多種材質光滑平面上爬行、停止及後退三種步態，並在爬牆機器人身上及遠端遙控器上裝有LCD顯示模組即時顯示出機器人狀態與訊息情報。
目前受限於機構設計只可在光滑平面上作直線行走。
未來可修改機構設計，使爬牆機器人能夠左右移動甚至在牆面上作旋轉動作，使其不侷限於固定範圍，並改善在其他環境的適應能力。
若能按設想完成並改善在其他環境的適應能力，則可結合機械手臂可增加執行作業的複雜度；結合太陽能板儲能增加機器人續航力；結合感測器與攝影機可偵測在人類不易達到之平面作偵查。
加入加速度計或陀螺儀可以平衡機體行走的直線性。
加入人工智能可以判斷牆面是否有間隙，然後吸盤自動對準於平面來爬行。
參考文獻
1.林容益，PIC單晶片進階控制應用（上、下），全華出版。
2.曾百由，處理器原理與應用-C語言與PIC18微控制器，五南出版。
3.CROCHIPPIC18FXXXXDatasheetMicrocontrollers
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