爬壁机器人吸盘传感系统设计

　　爬壁机器人是可以在垂直壁面或者斜面上灵活移动，代替人工在极限条件下完成多种作业任务的自动化机器人[1]。它与各种传感器技术相结合，使机器人具有一定的自主探测能力。实现机器人自动控制，自我调节，具有自主攀爬能力，是爬壁移动机器人的重要发展方向。爬壁机器人按照吸附方式可分为真空吸附机器人和磁吸附机器人两种[2]。真空吸盘则是真空吸附式爬壁机器人的重要组成部分，为了实现机器人的可靠吸附除了对吸盘吸附力和壁面状况有要求外还与吸盘与吸附面之间的贴合状况有关系。现有爬壁机器人通过在吸盘上安装接触传感器[3-6]来探测吸盘和吸附面的接触状况，这些需要吸盘接触到吸附面产生信号后才能判断调节各关节使吸盘与吸附面紧密贴合，需进行多次试探[7]，没有实现在接近过程中对各关节的调整，因而会产生一定的冗余动作。超声波测距是一种非接触式检测方式[8]，本文采用一种非接触式三角布局的超声波测距模块对吸盘与吸附面的姿态进行探测，在测量出吸盘和吸附面之间的距离、倾角等吸盘位姿信号后根据逆运动即可算出各关节调节量，实现在运动过程中对各关节进行调整来使吸盘与吸附面紧密贴合，具有快速性、实时性并且无冗余动作的特点。

　　1 吸盘上传感系统

　　在吸盘上安装各种传感器，通过对各信号的采集分析及时调整吸盘姿态来实现吸盘的可靠吸附。

　　机器人结构[9-10]和吸盘上传感器布置如图1 所示，吸盘组是由三个小吸盘组成，三个超声波传感器分别布置在A、B、C 三处，用来测量吸盘与吸附面之间的距离和吸盘与吸附面之间的夹角，用来控制调节机器人各关节运动量。E 处的气压传感器用来测量吸盘内部气压，检测吸盘内部的真空度，保障吸盘可靠吸附。D 为倾角传感器，配合超声波测距传感器可以实现任意角度的斜面过渡。各信号的主控电路和传感器的降压、AD 转换、滤波、和真空泵电磁阀驱动等电路都集成在吸盘上，方便信号采集和控制。

　　2 传感系统设计

　　为了增强机器人控制的实时性，使用两块C8051F040 单片机分别安装在两个吸盘足部，对各传感器信号进行采集处理，根据上位PC 下传的控制命令，通过UART 方式将信号回传给PC，PC 根据传来的信号数据对各关节进行调节控制，然后进一步下达控制命令。C8051F040 单片机主频为24MHz，带有4 通道12 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，硬件实现的I2C 和两个UART 串行接口，工作电压为2. 7 V ～ 3. 6 V。传感系统如图2 所示。

　　2. 1 超声波测距传感器