四足爬墙机器人设计与实现.doc

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 .tw/index.htm?pid=10News_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 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 2 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ● ● 3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ● 4 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ● ○ ● 5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ● ○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PWM signal（Plus Width Modulation），藉由連續的Pulse On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Pulse On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Pulse On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Pulse On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minimum angle and Maxinum angle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Pulse On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8