基于負壓吸附的輪式玻窗清潔機器人

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

　　爬壁機器人要實(shí)現在豎直玻璃壁面上的移動(dòng)，對電機的扭矩要求很高，但一般步進(jìn)電機的扭矩都較小。為使扭矩達到要求，電機的體積和質(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。

　　直流電機能夠將輸入的電壓信號變成轉軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機轉速和轉向，用途很廣泛。主要有如下優(yōu)點(diǎn)［4］：

　?。?）寬廣的調速范圍。直流電機的轉速能夠隨著(zhù)控制電壓的改變在寬廣的范圍內連續調節。

　?。?）線(xiàn)性的機械特性和調節特性。直流電機在控制電壓一定時(shí)，轉速隨著(zhù)轉矩的變化而變化。轉矩一定時(shí)，轉速則隨電壓的變化而線(xiàn)性調節。線(xiàn)性的機械特性和調節特性有利于提高自控系統的動(dòng)態(tài)精度。

　?。?）快速響應。電機的機電時(shí)間常數要小，相應地要有較大的堵轉轉矩和較小的轉動(dòng)慣量。電機的轉速能隨著(zhù)控制電壓的改變而迅速改變。

　　因此，本文采用直流電機中的直流減速電機，即齒輪減速電機。該電機是在直流電機的基礎上，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速和力矩。相對于步進(jìn)電機，直流減速電機可以提供更大的扭矩，同時(shí)質(zhì)量也大大減輕。由于爬壁機器人對電機扭矩要求很高、而轉速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機的轉速來(lái)獲得較大的扭矩。

　　3.2 電機的參數優(yōu)化

　　機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)對驅動(dòng)力的要求最高，此時(shí)驅動(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。設機器人的重力為20 N，吸盤(pán)與玻璃壁面的摩擦力也為20 N（以最大值計算，實(shí)際上達不到），則：

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

　　本文的直流減速電機能達到的最大扭矩為2 N·m，負載轉速為17 r/min，計算可得機器人的移動(dòng)速度約為7 cm/s，滿(mǎn)足了設計要求。

3.3 驅動(dòng)電路設計

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

　　考慮到驅動(dòng)電路的驅動(dòng)電壓為12 V、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構成驅動(dòng)電路。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動(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3 A，持續工作電流為2 A；內含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅動(dòng)器，可以用來(lái)驅動(dòng)直流電動(dòng)機等感性負載［5］，滿(mǎn)足直流減速電機對驅動(dòng)電壓和電流的具體要求。

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

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