基于負(fù)壓吸附的輪式玻窗清潔機(jī)器人

　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人自由移動(dòng)的主要部件，決定了機(jī)器人在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)性能。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。

　　爬壁機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)，對(duì)電機(jī)的扭矩要求很高，但一般步進(jìn)電機(jī)的扭矩都較小。為使扭矩達(dá)到要求，電機(jī)的體積和質(zhì)量都會(huì)非常大，不能滿(mǎn)足本文扭矩大，而體積小、重量輕的要求。

　　直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛。主要有如下優(yōu)點(diǎn)［4］：

　?。?）寬廣的調(diào)速范圍。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

　?。?）線(xiàn)性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機(jī)在控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線(xiàn)性調(diào)節(jié)。線(xiàn)性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。

　?。?）快速響應(yīng)。電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)要小，相應(yīng)地要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。電機(jī)的轉(zhuǎn)速能隨著控制電壓的改變而迅速改變。

　　因此，本文采用直流電機(jī)中的直流減速電機(jī)，即齒輪減速電機(jī)。該電機(jī)是在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，加上配套齒輪減速箱。齒輪減速箱的作用是提供較低的轉(zhuǎn)速，較大的力矩。同時(shí)，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。相對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，直流減速電機(jī)可以提供更大的扭矩，同時(shí)質(zhì)量也大大減輕。由于爬壁機(jī)器人對(duì)電機(jī)扭矩要求很高、而轉(zhuǎn)速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得較大的扭矩。

　　3.2 電機(jī)的參數(shù)優(yōu)化

　　機(jī)器人在豎直玻璃壁面上朝各個(gè)方向的移動(dòng)中，豎直向上移動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求最高，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力不但要完全克服重力，還要克服吸盤(pán)與壁面的滑動(dòng)摩擦力。設(shè)機(jī)器人的重力為20 N，吸盤(pán)與玻璃壁面的摩擦力也為20 N（以最大值計(jì)算，實(shí)際上達(dá)不到），則：

　　其中，f1為輪胎與玻璃壁面的靜摩擦力即機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，f2為吸盤(pán)與玻璃壁面的滑動(dòng)摩擦力，Lk為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，l為輪胎的半徑?，F(xiàn)在市面上應(yīng)用較普遍的輪胎的直徑為65 mm，由此可計(jì)算出Lk至少為1.3 Nmiddot;m。

　　本文的直流減速電機(jī)能達(dá)到的最大扭矩為2 N·m，負(fù)載轉(zhuǎn)速為17 r/min，計(jì)算可得機(jī)器人的移動(dòng)速度約為7 cm/s，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　由于微型真空泵是由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，本質(zhì)上同直流減速電機(jī)的控制原理相同，因此可以采用相同的控制驅(qū)動(dòng)電路。

　　考慮到驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓為12 V、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是工作電壓高，輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載［5］，滿(mǎn)足直流減速電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓和電流的具體要求。

　　L298的4個(gè)輸出管腳OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別與左右輪驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的兩端相連。由Atmega16L單片機(jī)輸出PWM波來(lái)控制L298的輸出?？刂齐姍C(jī)的輸出情況如表1所示，其中，ENA為芯片的使能信號(hào)，A、B分別為直流電機(jī)的兩個(gè)接線(xiàn)端，H、L分別為控制信號(hào)的高低電平。使能端高電平有效，通過(guò)對(duì)A、B端高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的控制。微型真空泵的控制原理與直流減速電機(jī)控制原理相同。

　　圖3為直流減速電機(jī)及微型真空泵控制驅(qū)動(dòng)模塊電路，主要包括L298驅(qū)動(dòng)芯片及其相關(guān)電路。