基于負壓吸附的輪式玻窗清潔機器人

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

　　爬壁機器人要實現(xiàn)在豎直玻璃壁面上的移動，對電機的扭矩要求很高，但一般步進電機的扭矩都較小。為使扭矩達到要求，電機的體積和質(zhì)量都會非常大，不能滿足本文扭矩大，而體積小、重量輕的要求。

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

　　（1）寬廣的調(diào)速范圍。直流電機的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。

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

　　（3）快速響應。電機的機電時間常數(shù)要小，相應地要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。電機的轉(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(zhuǎn)速，較大的力矩。同時，齒輪箱不同的減速比可以提供不同的轉(zhuǎn)速和力矩。相對于步進電機，直流減速電機可以提供更大的扭矩，同時質(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(zhuǎn)速要求不高，因此可以采用大的減速比，靠犧牲電機的轉(zhuǎn)速來獲得較大的扭矩。

　　3.2 電機的參數(shù)優(yōu)化

　　機器人在豎直玻璃壁面上朝各個方向的移動中，豎直向上移動對驅(qū)動力的要求最高，此時驅(qū)動力不但要完全克服重力，還要克服吸盤與壁面的滑動摩擦力。設機器人的重力為20 N，吸盤與玻璃壁面的摩擦力也為20 N（以最大值計算，實際上達不到），則：

　　其中，f1為輪胎與玻璃壁面的靜摩擦力即機器人的驅(qū)動力，f2為吸盤與玻璃壁面的滑動摩擦力，Lk為驅(qū)動電機的扭矩，l為輪胎的半徑?，F(xiàn)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(zhuǎn)速為17 r/min，計算可得機器人的移動速度約為7 cm/s，滿足了設計要求。

3.3 驅(qū)動電路設計

　　由于微型真空泵是由直流電機驅(qū)動的，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(qū)動電路。

　　考慮到驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓為12 V、電流為0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298構成驅(qū)動電路。L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是工作電壓高，輸出電流大，瞬間峰值電流可達3 A，持續(xù)工作電流為2 A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機等感性負載［5］，滿足直流減速電機對驅(qū)動電壓和電流的具體要求。

　　L298的4個輸出管腳OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別與左右輪驅(qū)動直流電機的兩端相連。由Atmega16L單片機輸出PWM波來控制L298的輸出。控制電機的輸出情況如表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接線端，H、L分別為控制信號的高低電平。使能端高電平有效，通過對A、B端高低電平的控制，實現(xiàn)對電機正轉(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控制原理相同。

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