1 多吸盘式爬壁机器人系统设计和组成
该多吸盘式爬壁机器人系统是由机械结构、控制器、气泵、电磁阀、舵机、无线摄像头等部分构成。
1.1 系统机械结构
在爬壁机器人研究中，对机器人灵活性和稳定性的研究一直是重点和难点。该设计为了增大机器人的灵活性和稳定性，在控制策略及结构上采用了双足，一足三个吸盘的形式。整个机械结构由一块MC9S12XS128主控，一个无线摄像头，两个微型气泵，两个微型电磁阀，三个继电器，若干长气管，四个舵机，六个吸盘，一块12 V电池，支撑体及各电路模块组成。机械结构示意图如图1所示。
图1 机械结构
图2 实物图
1.2 控制器组成
控制器由飞思卡尔（MC9S12XS128）单片机芯片为主控，对吸附装置、电磁阀、舵机、摄像头等进行控制。具体过程为：机器人利用其脚（吸盘）与接触物之间存在的内外压差使其能吸附在接触物的表面。当脚与接触物接触时，主控控制两个微型气泵同时吸气，两脚吸附。若机器人向上行动，主控控制其中一个微型气泵吸气则一脚吸附，另一只脚（吸盘）与大气相通，使其悬空，同时通过舵机作用使躯体向上翻动，至脚（吸盘）吸附稳定为止。循环往复完成向前行进的爬行过程。系统控制结构框图如图3所示。
本文将RPL-FAHP与最新经典的RPL路由协议(0.8×ETX+0.2×RE和0.6×HC+0.4×RE)通过 OPNET14.5 仿真软件平台进行性能比较。考察的性能参数主要有:平均分组丢失率、平均端到端时延及网络寿命等。
模型中，压力容器的材料为16MnR，车体及相关附件的材料为45钢，表1列出了相关材料的机械性能[2]。
图3 系统控制结构框图
2 多吸盘爬壁机器人硬件选择及电路设计
2.1 飞思卡尔（MC9S12XS128）单片机
MC9S12XS128是一个16位器件。该器件包括大量的片上存储器和外部I/O口。包括1个SPI模块，8路16位计数器，1个CAN总线模块，4个外部中断，8路PWM，112管脚。
2.2 稳压部分电路设计
该系统所设计稳压电路输入为12 V，输出为8 V和5 V。以满足系统中对气泵的12 V供电，舵机的8 V供电，主控等其他部分的5 V供电。
2.3 无线Wi-Fi视频传输系统
该设计所用无线Wi-Fi视频传输系统是利用Wi-Fi原理，通过算法把视频信号采集后，通过Wi-Fi模块把视频传输到电脑上，电脑的软件，接收信号，再经过JPEG视频编解码技术处理后变成实时视频。
2.4 气流控制系统
初步检索出648篇文献，其中中文数据库610篇，英文数据库38篇。去除重复文献73篇，排除期刊不符合纳入标准的386篇，阅读标题和摘要、排除非随机对照研究76篇，排除未达到纳入标准的文献84篇，排除无有效数据提取的文献11篇，最终纳入18篇文献，均为中文，纳入文献基本特征见表1。
气流控制系统由气泵和电磁阀组成，其中气泵为KVP04-1.1～12 V微型真空泵，属于12 V直流无刷隔膜气泵，它是根据容积式泵的原则设计而成。它真空度可达-40 kPa，对比大气压可形成90 kPa的相对真空度。具有寿命长、低噪声的特点，重量约为40 g。
所用的电磁阀为OKD-0512B型直动式电磁阀，超小体积，直径仅有12.2 mm。主要工作原理是利用电磁线圈产生电磁力的作用，推动阀芯切换，实现气流的通或断。
2.5 吸盘
1)偏转角小于15°时，等效处理在30～100 m距离范围内对横向偏移的影响小于0.03 m，且对距离不敏感，并且横向偏移量偏差随偏转角度α增大而增大。
吸盘是机器人和墙面的直接接触机构，不同的吸盘对机器人的荷载和稳定性有很大的影响。吸盘的选择要考虑到吸附对象和受力情况，可估算如下：
式中W为吸吊力（N）；P为真空度（kPa）；S为吸盘面积（cm2）；t为安全系数，水平悬吊：4以上；垂直悬吊：8以上。
吸吊力要略大于整个机身的重量，可以用计算法求吸盘直径。在该设计中，工件质量约为1.5 kg（比实际质量略大），即吸吊力约为14 N，设计的吸盘总数为6个，真空度为-40 kPa。机器人运动过程中，最少吸附的吸盘量是3个，所以要满足这时的吸附需要，则平均每个吸盘的吸吊力为4.7 N，因为是垂直吊，安全系数需要选择为8，计算可得，应选直径34.6 mm以上吸盘，在此选用直径40 mm的吸盘。
亚洲开发银行的一份最新报告 《加强风险管理 应对持续干旱》也在会上发布。该报告的撰写人之一，亚行首席水资源专家张庆丰在介绍报告主要内容时说：“问题无法仅仅依靠修建基础设施来解决，要加强需求管理，建立一套流量和水量分配的监测系统，提升中国应对灾害的能力，同时大幅度缩小水资源供需矛盾。”该报告以贵州省贵阳市为例，阐明了更严格的需求管理可以带来更好的经济和生态效益。
3 控制软件程序设计
在机器人的程序设计上，运用了主控芯片上的部分外部I/O口和4路通道的脉冲宽度调制模块（PWM）。通过单片机对舵机直接控制以实现机器人双足关节的控制。在气动装置中设置电磁阀装置，使主控能够控制气泵的开与关。单片机I/O 口输出的PWM信号控制舵机，普通I/O负责输出信号控制继电器的通断进而控制气泵。单片机通过定时器产生多路PWM信号用于控制舵机，该舵机的有效受控PWM信号周期为20 ms，占空比的范围在1/20～2/20。程序通过计数中断将舵机转动角度进行等分，从而控制整个机械足的运动，机械足运动的同时，改变控制电磁阀的信号匹配机械足工作。
4 实验结果
该系统在测试过程中，一切运行正常，能够正常实现壁面、天花板的翻滚式走动，地面的脚步式走动和实现摄像及视频传输功能。实验结果表明，该机器人可以灵活的实现移动功能，相比其他爬壁机器人，此机器人具有移动便捷，速度快，制作成本低，小巧并且可扩展空间大等特点。
5 结语
该文对多吸盘式爬壁机器人的硬件制作、电路原理以及软件控制原理都做出了系统的介绍，系统结合了硬件模拟电路控制和单片机程序控制两种方式，又采用了灵活性较高的双足控制的机械结构，先经过模拟电路初步调节，再通过单片机程序软件逐步精细优化，在测试过程中，表现出了稳定、灵活、高效的特点，若能够用在诸如喷漆、擦窗、消防等作业场所，则将大大节约人力资源，具有广阔的应用前景、研究和市场价值。
