基于负压吸附的轮式玻窗清洁机器人

　　驱动电机作为驱动机器人自由移动的主要部件，决定了机器人在竖直玻璃壁面上的移动性能。常用的驱动电机主要包括步进电机和直流电机。

　　爬壁机器人要实现在竖直玻璃壁面上的移动，对电机的扭矩要求很高，但一般步进电机的扭矩都较小。为使扭矩达到要求，电机的体积和质量都会非常大，不能满足本文扭矩大，而体积小、重量轻的要求。

　　直流电机能够将输入的电压信号变成转轴的角位移或角速度输出，改变控制电压即可改变电机转速和转向，用途很广泛。主要有如下优点［4］：

　　（1）宽广的调速范围。直流电机的转速能够随着控制电压的改变在宽广的范围内连续调节。

　　（2）线性的机械特性和调节特性。直流电机在控制电压一定时，转速随着转矩的变化而变化。转矩一定时，转速则随电压的变化而线性调节。线性的机械特性和调节特性有利于提高自控系统的动态精度。

　　（3）快速响应。电机的机电时间常数要小，相应地要有较大的堵转转矩和较小的转动惯量。电机的转速能随着控制电压的改变而迅速改变。

　　因此，本文采用直流电机中的直流减速电机，即齿轮减速电机。该电机是在直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱。齿轮减速箱的作用是提供较低的转速，较大的力矩。同时，齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩。相对于步进电机，直流减速电机可以提供更大的扭矩，同时质量也大大减轻。由于爬壁机器人对电机扭矩要求很高、而转速要求不高，因此可以采用大的减速比，靠牺牲电机的转速来获得较大的扭矩。

　　3.2 电机的参数优化

　　机器人在竖直玻璃壁面上朝各个方向的移动中，竖直向上移动对驱动力的要求最高，此时驱动力不但要完全克服重力，还要克服吸盘与壁面的滑动摩擦力。设机器人的重力为20 N，吸盘与玻璃壁面的摩擦力也为20 N（以最大值计算，实际上达不到），则：

　　其中，f1为轮胎与玻璃壁面的静摩擦力即机器人的驱动力，f2为吸盘与玻璃壁面的滑动摩擦力，Lk为驱动电机的扭矩，l为轮胎的半径。现在市面上应用较普遍的轮胎的直径为65 mm，由此可计算出Lk至少为1.3 Nmiddot;m。

　　本文的直流减速电机能达到的最大扭矩为2 N·m，负载转速为17 r/min，计算可得机器人的移动速度约为7 cm/s，满足了设计要求。

3.3 驱动电路设计

　　由于微型真空泵是由直流电机驱动的，本质上同直流减速电机的控制原理相同，因此可以采用相同的控制驱动电路。

　　考虑到驱动电路的驱动电压为12 V、电流为0.3 A及尺寸等因素，本文采用L298构成驱动电路。L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是工作电压高，输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机等感性负载［5］，满足直流减速电机对驱动电压和电流的具体要求。

　　L298的4个输出管脚OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别与左右轮驱动直流电机的两端相连。由Atmega16L单片机输出PWM波来控制L298的输出。控制电机的输出情况如表1所示，其中，ENA为芯片的使能信号，A、B分别为直流电机的两个接线端，H、L分别为控制信号的高低电平。使能端高电平有效，通过对A、B端高低电平的控制，实现对电机正转、反转、停止的控制。微型真空泵的控制原理与直流减速电机控制原理相同。

　　图3为直流减速电机及微型真空泵控制驱动模块电路，主要包括L298驱动芯片及其相关电路。