陳 巧

(深圳技術(shù)大學(xué) 大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)學(xué)院, 廣東 深圳 518118)

0 引言

爬壁機(jī)器人是一種能夠在垂直、傾斜，甚至是倒立的壁面上工作的極限機(jī)器人，并且可以承載相應(yīng)的工作工具，完成特殊的工作，是一種將機(jī)械、控制、傳感器等技術(shù)結(jié)合起來(lái)的特殊作業(yè)機(jī)器人[1]。按照爬壁機(jī)器人的吸附形式，可將其分類為磁吸、負(fù)壓以及靜電吸附等類型。為保證爬壁機(jī)器人的工作性能，必須具有壁面吸附和壁面移動(dòng)兩大基本功能。壁面吸附能力要求無(wú)論在任何情況下，機(jī)器人都可以在工作壁上附著，而壁面運(yùn)動(dòng)能力要求機(jī)器人在對(duì)工作壁面進(jìn)行吸附的同時(shí)，還要具備一定的運(yùn)動(dòng)性能。良好的吸附力需要盡量大的吸附力，而良好的壁面運(yùn)動(dòng)需要盡量少的吸附力，因而在某種程度上，壁面的吸附力和運(yùn)動(dòng)性能是矛盾的，互相制約的。

在保證爬壁機(jī)器人在作業(yè)平面上穩(wěn)定移動(dòng)的同時(shí)，為了降低爬壁機(jī)器人的摩擦力，需要盡量減小機(jī)器人的吸附程度。而在爬壁機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中，壁面的粗糙度可能發(fā)生變化，進(jìn)而影響爬壁機(jī)器人的摩擦力。因此，需要控制爬壁機(jī)器人的吸附情況。目前相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對(duì)爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于ANSYS的爬壁機(jī)器人永磁輪吸附裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，利用了ANSYS技術(shù)，對(duì)永磁吸附裝置進(jìn)行研究，并對(duì)磁路進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)磁極同名陣列排布的新型永磁輪設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了基于旋翼負(fù)壓混合吸附的爬壁清洗機(jī)器人系統(tǒng)，介紹了一種基于旋翼負(fù)壓混合吸附作業(yè)的多角度履帶清掃機(jī)器人，并對(duì)其爬行穩(wěn)定性和越障特性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。然而上述吸附控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在明顯的控制效果不佳的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在吸附力過(guò)大導(dǎo)致機(jī)器人移動(dòng)困難、吸附力過(guò)小導(dǎo)致機(jī)器人掉落等方面。

為此，設(shè)計(jì)了基于DSP技術(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)。DSP技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，它是對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)和處理的一種原理和技術(shù)?；跀?shù)字信號(hào)處理技術(shù)，為實(shí)時(shí)爬壁機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)提供技術(shù)支持，確保爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)的吸附控制效果。

1 爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于DSP技術(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用硬件與軟件相結(jié)合的方式，在爬壁機(jī)器人的吸附和移動(dòng)原理的支持下，對(duì)爬壁機(jī)器人吸附狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)DSP技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定當(dāng)前機(jī)器人的吸附狀態(tài)。利用傳感器裝置采集爬壁機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境的基本數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行所需的吸附力。將當(dāng)前機(jī)器人實(shí)際吸附力與所需吸附力進(jìn)行比較，得出吸附控制量的求解結(jié)果。在爬壁機(jī)器人吸附控制器的基礎(chǔ)上，加設(shè)DSP技術(shù)的運(yùn)行模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)，并以此作為系統(tǒng)吸附控制的執(zhí)行部件。

1.1 爬壁機(jī)器人傳感器裝置

爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)中安裝的傳感器包括壓力傳感器、位姿傳感器等，采集的壓力數(shù)據(jù)內(nèi)容包括真空吸附壓力和負(fù)壓吸附壓力，選擇型號(hào)為MPX4100型號(hào)的氣體壓力，將壓力傳感器安裝在爬壁機(jī)器人輪臂表面，在爬行時(shí)，輪臂受到正向壓力的作用，產(chǎn)生了變形，應(yīng)變片輸出電壓信號(hào)，由壓力傳感器A/D轉(zhuǎn)換得到電壓值，并判定其正向壓強(qiáng)，從而判定吸附力的強(qiáng)弱，然后再向吸附力下達(dá)指令進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)[4]。針對(duì)爬壁機(jī)器人的實(shí)時(shí)位姿問(wèn)題，選取位姿傳感器芯片MPU6050來(lái)實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人定位，該傳感器整合了加速度傳感器、MEMS陀螺儀等運(yùn)動(dòng)感測(cè)組件。MPU6050的三軸加速度傳感器可以獲得與正向、垂直于墻的加速度，并對(duì)其進(jìn)行二次積分，得出了爬壁機(jī)器人的位置。MPU6050采用卡爾曼濾波技術(shù)，把加速度與陀螺儀所測(cè)得的角速度相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的判斷。

1.2 DSP數(shù)字信號(hào)處理器

DSP是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其運(yùn)算速度和對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力將對(duì)爬壁機(jī)器人的性能產(chǎn)生很大的影響。此次設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)選用TMS320F28335型號(hào)的DSP處理芯片，該芯片支持150 MHz主頻，256K的片內(nèi)Flash，增加了事件管理和嵌入式控制，可同時(shí)輸出18個(gè) PWM波段，16個(gè)12位 AD變換通道只需要80 ns[5]。結(jié)合DSP技術(shù)的工作原理，DSP數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DSP數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)

DSP數(shù)字信號(hào)處理器在運(yùn)行過(guò)程中，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)頻域?yàn)V波和采樣，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字流。DSP芯片采用A/D轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)，由 DSP芯片對(duì)其進(jìn)行一定的處理，進(jìn)而獲得連續(xù)的模擬波形。

1.3 爬壁機(jī)器人吸附控制器

爬壁機(jī)器人吸附控制器采用氣壓環(huán)和負(fù)壓環(huán)以實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的雙閉環(huán)控制，其外環(huán)為負(fù)壓環(huán)，內(nèi)環(huán)采用氣壓環(huán)，氣壓與負(fù)壓反饋均利用傳感器來(lái)計(jì)算，根據(jù)吸附力的安全值與反饋量形成偏差，形成相應(yīng)的PWM占空比，最后生成控制信號(hào)作用在爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行參數(shù)的控制。爬壁機(jī)器人吸附控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爬壁機(jī)器人吸附控制器結(jié)構(gòu)

為降低電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的積分修正對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性的影響，必須在啟動(dòng)和停止?fàn)顟B(tài)下或較大的加速時(shí)，使用積分分離PID控制，也就是只加比例和微分運(yùn)算，而不需要進(jìn)行積分修正[6]。而在實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速之間的誤差小于某一特定值時(shí)，又會(huì)進(jìn)行積分修正[7]。在吸附控制器的實(shí)際安裝過(guò)程中，其輸入端與DSP處理器設(shè)備相連，輸出端與爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及吸附單元相連，保證傳感數(shù)據(jù)以及控制信號(hào)傳輸效率的最大化。

2 爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建爬壁機(jī)器人數(shù)學(xué)模型

此次研究中選擇負(fù)壓機(jī)器人作為研究對(duì)象，分別從組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面，構(gòu)建爬壁機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，為吸附控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的安裝提供參考。一個(gè)完整的爬壁機(jī)器人由行走機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、電源模塊、驅(qū)動(dòng)裝置、通信模塊以及攜帶的作業(yè)工具等部分組成，吸氣機(jī)構(gòu)的作用是制造一種向上的力來(lái)平衡機(jī)器人的重力，從而把它固定在墻上[8]。爬壁機(jī)器人的吸附情況會(huì)受吸附力大小、壁面情況、自身重量等因素的影響，吸附機(jī)構(gòu)主要就是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)吸附終端的密封情況進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)吸附力的調(diào)節(jié)，因此在爬壁機(jī)器人吸附控制過(guò)程中，爬壁機(jī)器人吸附驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 爬壁機(jī)器人吸附驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

由于電子開(kāi)關(guān)線的接通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角是同步的，所以它可以控制機(jī)械整流器進(jìn)行換向。爬壁機(jī)器人采用了無(wú)刷電機(jī)與離心風(fēng)扇通過(guò)抱軸機(jī)構(gòu)直接相連的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣流在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)機(jī)葉片間也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)離心力將其從風(fēng)機(jī)中拋出，進(jìn)入大氣層，在風(fēng)機(jī)入口處形成一個(gè)負(fù)壓，再由空氣中的空氣通過(guò)空氣的壓力補(bǔ)充進(jìn)來(lái)[9]。在風(fēng)機(jī)的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下，風(fēng)機(jī)出口的氣流會(huì)持續(xù)地向外排放，當(dāng)風(fēng)機(jī)的速度達(dá)到一定的速度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)壓。爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括向上移動(dòng)、向下移動(dòng)、水平移動(dòng)、轉(zhuǎn)向移動(dòng)等，當(dāng)爬壁機(jī)器人向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以表示為：

(1)

式中，F(xiàn)support、Fdrive、FTension和Fh分別為法向支持力、驅(qū)動(dòng)力、壁面接觸帶來(lái)的張緊力以及電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的橫向力，變量Grobot為爬壁機(jī)器人的重力值，rContact為爬壁機(jī)器人與壁面接觸面的半徑，Mdrive為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，Mdrive的具體計(jì)算公式如下：

(2)

式中，L和l分別為爬壁機(jī)器人在水平和豎直方向上的距離，d為爬壁機(jī)器人中質(zhì)心與接觸面之間的法向距離[10]。按照上述方式能夠得出爬壁機(jī)器人在不同運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)方程，將爬壁機(jī)器人的工作、運(yùn)動(dòng)機(jī)理與組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行融合，得出爬壁機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果。

2.2 利用DSP技術(shù)計(jì)算爬壁機(jī)器人吸附力

將爬壁機(jī)器人傳感器裝置實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入到DSP數(shù)字信號(hào)處理器中，在DSP數(shù)字信號(hào)處理器的支持下，運(yùn)行DSP技術(shù)對(duì)爬壁機(jī)器人傳感器裝置的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理。以爬壁機(jī)器人實(shí)時(shí)歐拉角為例，該參數(shù)的實(shí)時(shí)采集結(jié)果可以表示為：

(3)

式中，φ、φ和ψ對(duì)應(yīng)的是爬壁機(jī)器人的俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角的更新結(jié)果，δ為MPU6050傳感器的輸出數(shù)據(jù)，φq、φq和ψq為爬壁機(jī)器人上一時(shí)刻轉(zhuǎn)向角分量的測(cè)量結(jié)果[11]。在獲得了新的歐拉角后，利用DMP計(jì)算出了目前的加速度和角速度，得出了該機(jī)器人的當(dāng)前位置和航向角數(shù)據(jù)的采集結(jié)果。

在DSP數(shù)字信號(hào)處理器的支持下，運(yùn)行DSP技術(shù)對(duì)爬壁機(jī)器人傳感器設(shè)備的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理，DSP技術(shù)的運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 DSP技術(shù)運(yùn)行流程圖

DSP技術(shù)的具體處理步驟包括數(shù)據(jù)歸一化轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)融合三個(gè)步驟，其中數(shù)據(jù)歸一化轉(zhuǎn)換處理過(guò)程可以量化表示為：

y=lg10(x)

(4)

式中，x為傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，y為初始數(shù)據(jù)的歸一化處理結(jié)果。采用低通濾波的方式，得到有效濾波值。低通數(shù)據(jù)濾波的處理過(guò)程可以表示為：

y′(n)=κfilteringy(n)+(1-κfiltering)y(n-1)

(5)

式中，κfiltering為低通濾波系數(shù)，y(n)和y(n-1)分別為當(dāng)前濾波輸出值和歷史濾波輸出值[12]。最終將傳感器所有采集數(shù)據(jù)的濾波處理結(jié)果代入到式(6)中，度量任意兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的相似度。

(6)

(7)

(8)

式中，μf為摩擦系數(shù)，N對(duì)應(yīng)的是爬壁機(jī)器人的負(fù)荷值[14]。按照上述方式得出爬壁機(jī)器人在任意時(shí)刻、任意作業(yè)位置上的吸附力計(jì)算結(jié)果。

2.3 確定爬壁機(jī)器人安全吸附條件

爬壁機(jī)器人作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)兩種危險(xiǎn)情況，分別為機(jī)器人在壁面上的滑落和傾覆，并進(jìn)行可靠性吸附條件的計(jì)算[15]。利用式(9)描述爬壁機(jī)器人以任意位姿在工作空間不發(fā)生滑移的受力平衡條件。

(9)

式中，F(xiàn)adsorbent,i和Fsupport,i分別為爬壁機(jī)器人中第i個(gè)吸附單元的吸附力和支持力[16]。在爬壁機(jī)器人所有吸附單元吸附力相等的情況下，得出爬壁機(jī)器人不滑落的安全條件為：

(10)

式中，β為機(jī)器人吸附單元與接觸面之間的夾角[17]。為了防止機(jī)器人傾覆，它必須保持爬壁機(jī)器人與墻壁不分離，所以支撐力必須大于0，由此得出爬壁機(jī)器人不傾覆的安全吸附條件為：

(11)

式中，?為爬壁機(jī)器人的移動(dòng)角度，H和D分別對(duì)應(yīng)的是爬壁機(jī)器人的移動(dòng)高度和前后輪的垂直距離。按照上述流程，可以得出爬壁機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的極限吸附力，記為Flimit。

2.4 實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人吸附控制

以爬壁機(jī)器人吸附控制器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用式(12)計(jì)算爬壁機(jī)器人吸附控制量：

ΔF=Flimit-Fadsorbent

(12)

將爬壁機(jī)器人的極限吸附力與實(shí)時(shí)吸附力的計(jì)算結(jié)果代入到式(12)中，即可得出吸附控制量的計(jì)算結(jié)果，若式(12)的計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，則表示吸附控制方向向外，否則控制方向垂直作業(yè)面向內(nèi)。將爬壁機(jī)器人的吸附控制量轉(zhuǎn)換為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)量，生成相應(yīng)的控制指令，直接作用在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上[18]。采用氣流循環(huán)理論，將風(fēng)機(jī)排氣經(jīng)過(guò)一導(dǎo)向裝置，送至吸盤與進(jìn)口之間的狹縫，在此過(guò)程中，排氣與進(jìn)口氣流形成對(duì)流，以減少進(jìn)口氣流的流速，減少進(jìn)口氣流的泄漏。由于爬壁機(jī)器人吸附單元和壁面之間的間隙只有一個(gè)很小的間隙，所以只有很少的氣流進(jìn)入到吸盤的內(nèi)部，并在那里形成了一層薄薄的氣膜[19-20]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)氣流進(jìn)口至離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行了氣膜壓強(qiáng)的控制和調(diào)整。在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)吸附控制過(guò)程中，根據(jù)傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)控制指令中的吸附壓力值進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人的自動(dòng)吸附控制。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試的目的是檢驗(yàn)此次設(shè)計(jì)的基于DSP技術(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)是否存在不符合系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則的情況，分析系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中存在的錯(cuò)誤，并驗(yàn)證系統(tǒng)能否完成吸附控制。此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比測(cè)試的方式，設(shè)置文獻(xiàn)[2]基于ANSYS技術(shù)的吸附控制系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]基于旋翼負(fù)壓混合吸附技術(shù)的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對(duì)比爬壁機(jī)器人的吸附控制效果，從而驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)在吸附控制方面的優(yōu)勢(shì)。

3.1 配置爬壁機(jī)器人樣機(jī)

選擇負(fù)壓式爬壁機(jī)器人作為系統(tǒng)測(cè)試的控制對(duì)象，根據(jù)吸附控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，對(duì)爬壁機(jī)器人的樣機(jī)進(jìn)行配置。負(fù)壓爬壁機(jī)器人樣機(jī)的配置材料選用的是強(qiáng)度高、韌性好的尼龍材料，為了輕量化設(shè)計(jì)，負(fù)壓爬壁機(jī)器人采用單風(fēng)機(jī)和腔體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。樣機(jī)自重為90 g，整體尺寸為240 mm×240 mm×126 mm，爬壁機(jī)器人樣機(jī)內(nèi)置的電機(jī)型號(hào)為N20，供電電壓為12 V，主要用來(lái)支持驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。爬壁機(jī)器人樣機(jī)中設(shè)置4個(gè)吸附單元，每個(gè)吸附單元的有效作用面積為200 mm×100 mm。對(duì)各機(jī)械模塊進(jìn)行裝配，打開(kāi)電源，將爬壁機(jī)器人放置在水平作業(yè)面上，觀察其基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、云臺(tái)舵機(jī)等運(yùn)行情況，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，直到其各項(xiàng)性能均能滿足要求。

3.2 準(zhǔn)備爬壁機(jī)器人移動(dòng)環(huán)境與控制任務(wù)

由于爬壁機(jī)器人在不同的移動(dòng)環(huán)境下需要的吸附力不同，因此此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)選擇瓷磚、木材和玻璃三個(gè)壁面作為移動(dòng)環(huán)境。上位機(jī)及控制終端使用藍(lán)牙通訊方式，其通信速率達(dá)到120 K波特率，同時(shí)可以向使用者提供串口數(shù)據(jù)，具有很好的抗干擾性，最遠(yuǎn)可達(dá)到250 m。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置多個(gè)控制任務(wù)，部分控制任務(wù)的設(shè)置情況如表1所示。

表1 爬壁機(jī)器人控制任務(wù)設(shè)置表

實(shí)驗(yàn)設(shè)置爬壁機(jī)器人30個(gè)控制任務(wù)，并將其轉(zhuǎn)換為控制器能夠直接讀取的程序輸入到爬壁機(jī)器人中。

3.3 設(shè)置系統(tǒng)吸附控制測(cè)試指標(biāo)

設(shè)置爬壁機(jī)器人吸附力控制誤差和傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)作為系統(tǒng)的量化測(cè)試指標(biāo)，其中，吸附力控制誤差的數(shù)值結(jié)果如下：

εF=|Fcontrol-Fexpect|

(13)

其中:Fcontrol為系統(tǒng)控制下的實(shí)際吸附力，F(xiàn)expect為設(shè)置的預(yù)期吸附力。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，爬壁機(jī)器人的吸附力由于其結(jié)構(gòu)和儀器的限制而不能直接進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。因此，此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，利用等值測(cè)量法來(lái)測(cè)量爬壁機(jī)器人的吸附力，就是將爬壁機(jī)器人附著在天花板上，將重物掛在爬壁機(jī)器人身上，然后用來(lái)測(cè)量爬壁機(jī)器人落地時(shí)的負(fù)重，進(jìn)一步換算計(jì)算出爬壁機(jī)器人的最大吸附力，重物重力減去機(jī)器人自重得出爬壁機(jī)器人的吸附力，從而確定Fcontrol的具體取值，而Fexpect的取值可通過(guò)設(shè)置的控制任務(wù)直接得出。吸附控制系統(tǒng)作用下，爬壁機(jī)器人傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的測(cè)試結(jié)果可以表示為：

(14)

將實(shí)際控制吸附力、摩擦力以及爬壁機(jī)器人樣機(jī)的重力數(shù)據(jù)代入到式(14)中，即可得出爬壁機(jī)器人在執(zhí)行移動(dòng)任務(wù)過(guò)程中的傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。最終計(jì)算得出吸附力控制誤差越小，爬壁機(jī)器人傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)越小，證明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的吸附控制效果越好。

3.4 系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程與結(jié)果分析

將爬壁機(jī)器人樣機(jī)分別放置在準(zhǔn)備的移動(dòng)環(huán)境中，導(dǎo)入并運(yùn)行輸入的控制任務(wù)，同時(shí)啟動(dòng)此次設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)，得出系統(tǒng)的吸附控制結(jié)果。

3.4.1 瓷磚壁面運(yùn)動(dòng)吸附控制測(cè)試

在瓷磚壁面環(huán)境下，得出的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 瓷磚壁面環(huán)境中爬壁機(jī)器人吸附控制結(jié)果

按照上述流程，運(yùn)行基于ANSYS技術(shù)的吸附控制系統(tǒng)和基于旋翼負(fù)壓混合吸附技術(shù)的控制系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)程序，得出相應(yīng)的吸附控制結(jié)果。讀取爬壁機(jī)器人的實(shí)時(shí)受力數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)式(13)和式(14)的計(jì)算，得出系統(tǒng)吸附控制的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 瓷磚壁面環(huán)境中爬壁機(jī)器人吸附控制測(cè)試結(jié)果

從圖6中可以看出，此次設(shè)計(jì)吸附控制系統(tǒng)的吸附力控制誤差明顯低于兩個(gè)對(duì)比吸附控制系統(tǒng)，且傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)能夠控制在0.4以下。

3.4.2 木板壁面運(yùn)動(dòng)吸附控制測(cè)試

重復(fù)上述吸附控制操作，得出木板壁面環(huán)境下，爬壁機(jī)器人的吸附控制結(jié)果以及控制測(cè)試結(jié)果，分別如圖7和圖8所示。

圖7 木板壁面環(huán)境中爬壁機(jī)器人吸附控制結(jié)果

圖8 木材壁面環(huán)境中爬壁機(jī)器人吸附控制測(cè)試結(jié)果

對(duì)圖8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，得出基于ANSYS技術(shù)的吸附控制系統(tǒng)的吸附力控制誤差和傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的平均值分別為2.44 N和0.61，基于旋翼負(fù)壓混合吸附技術(shù)的控制系統(tǒng)的平均吸附力控制誤差和平均傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為3.07 N和0.56。而此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)下，平均吸附力控制誤差和平均傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)對(duì)應(yīng)的是1.28 N和0.23。由此可知，此次設(shè)計(jì)吸附控制系統(tǒng)在木材壁面環(huán)境中的吸附控制效果較好。

3.4.3 玻璃壁面運(yùn)動(dòng)吸附控制測(cè)試

在玻璃壁面環(huán)境下，爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)吸附控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 玻璃壁面中爬壁機(jī)器人吸附控制測(cè)試數(shù)據(jù)表

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，得出基于ANSYS技術(shù)的吸附控制系統(tǒng)和基于旋翼負(fù)壓混合吸附技術(shù)的控制系統(tǒng)的吸附力控制誤差的平均值為3.42 N和3.55 N，而此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的平均吸附力控制誤差為0.58 N。三種控制系統(tǒng)下傾覆風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的平均值分別為0.53、0.53和0.16。由此證明，此次設(shè)計(jì)的基于DSP技術(shù)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)的吸附控制效果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于爬壁機(jī)器人的主要工作面為垂直壁面，能夠突破人類操作在高度方面的局限性，因此在建筑清潔、噴涂以及造船等行業(yè)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。此次設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人吸附控制系統(tǒng)，通過(guò)DSP技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)爬壁機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)的精準(zhǔn)分析，從而得出吸附控制量與控制方向的準(zhǔn)確判斷。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此次設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)能夠支持爬壁機(jī)器人在多種壁面上穩(wěn)定吸附的能力，具有較好的吸附控制效果，提高了爬壁機(jī)器人工作的安全性能。