CN106428283B - 一种内墙角攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内墙角攀爬机器人，其包括对称设置在机身两侧的行动轮，驱动装置输出连接有传动装置，传动装置与所述行动轮之间连接有万向部件；万向部件调节行动轮的朝向，使行动轮紧贴内墙角的两墙面转动时，行动轮与两墙面之间产生摩擦力F，该摩擦力F具有朝向阴角线且与阴角线垂直的分量以及竖直向上的分量，当摩擦力F竖直向上的分量大于机器人的重力时，机器人以加速度向上攀爬；当摩擦力F竖直向上的分量等于机器人的重力时，机器人为匀速向上攀爬、匀速下降、悬停在内墙角的两墙面上中的一种；当摩擦力F竖直向上的分量小于机器人的重力时，机器人以一定的加速度沿墙面下降。本方案解决了现有技术中爬墙机器人需要复杂吸附技术的问题。

Description

一种内墙角攀爬机器人

技术领域

本发明涉及爬壁机器人，具体是一种内墙角攀爬机器人。

背景技术

爬墙机器人可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业，爬壁机器人又称为壁面机器人，因为垂直壁面作业超出人的极限，因此在国外又称为极限机器人。

爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，要实现机器人爬壁的功能，吸附技术是核心。传统爬壁机器人有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三种吸附形式。真空吸附方式具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凸凹不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力和承载能力明显下降。磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，电磁体式维持吸附力需要电力，但控制较方便。永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，但控制较为麻烦。磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，且吸附力远大于真空吸附方式，不存在真空漏气的问题，但要求壁面必须是导磁材料，因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。攀援式吸附是通过抓住或勾住壁面的突起实现爬壁，这种方式要求壁面粗糙，对于光滑壁面则不合适。

现有技术中，对上述这些爬墙机器人的研究主要集中在垂直墙面的吸附功能上，但一直以来都存在一些运用缺陷：采用磁吸附方式的爬墙机器人对墙面有特殊要求，适用范围小；采用真空吸附方式的爬墙机器人需要大功率部件来产生负压；采用仿生壁虎脚方式的爬墙机器人行走效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内墙角攀爬机器人，其结构简单，控制方便，能够解决现有技术中爬墙机器人需要复杂吸附技术的问题。

本发明的技术方案如下：

一种内墙角攀爬机器人，其包括机身和驱动装置，其还包括对称设置在所述机身两侧的行动轮，所述驱动装置输出连接有传动装置，所述传动装置与所述行动轮之间连接有万向部件；

万向部件调节行动轮的朝向，使行动轮紧贴内墙角的两墙面转动时，行动轮与所述两墙面之间产生摩擦力F，该摩擦力F具有朝向内墙角的阴角线且与阴角线垂直的分量以及竖直向上的分量，当所述摩擦力F竖直向上的分量大于机器人的重力时，机器人以一定的加速度向上攀爬；当摩擦力F竖直向上的分量等于机器人的重力时，机器人的状态为匀速向上攀爬、匀速下降、悬停在内墙角的两墙面上中的一种；当所述摩擦力F竖直向上的分量小于机器人的重力时，机器人以一定的加速度沿墙面下降。

进一步的，所述内墙角为90°，所述机身两侧的行动轮沿内墙角的阴角线对称分布；当机器人悬停在内墙角的两墙面上时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线垂直，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F竖直向上的分量等于机器人的重力；当机器人沿两墙面加速向上攀爬时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F竖直向上的分量大于机器人的重力；当机器人沿两墙面匀速向上攀爬或下降时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F竖直向上的分量等于机器人的重力；当机器人沿两墙面加速下降时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F竖直向上的分量小于机器人的重力。

进一步的，所述驱动装置为电机，所述传动装置为传动轴，所述万向部件为万向节，所述行动轮为两对且每对行动轮之间采用左右同轴结构。

进一步的，还包括遥控装置，所述遥控装置通过万向节调控行动轮的朝向、通过调节电机的转速调控行动轮的转速。

本方案利用内墙角的特殊结构，通过调节行动轮的朝向和转动，使攀爬机器人与墙面之间产生摩擦力F，利用摩擦力F竖直方向上的分量，来实现攀爬机器人的运动或悬置，实现了无需磁吸附或者负压式吸附等吸附技术就能使攀爬机器人吸附在墙面上。本攀爬机器人结构简单，体积小、重量轻，无需像磁吸式或者负压式等复杂的吸附技术，便可完成机体在垂直平面上移动，也无需再加其余的动力装置，控制简单并且容易实现。

本方案针对常规的直角型内墙角结构，攀爬机器人采用对称结构保证运动过程的稳定性。对于需要静止悬停在墙面上的运行状态，采用行动轮朝向与阴角线垂直的前提下，使攀爬机器人不具备上行的条件，在此设置下，只需要调整行动轮的转速即可保证机器人“吸附”在墙面上。对于机器人的其余运动状态，采用两侧的行动轮均朝向阴角线且与阴角线的夹角呈锐角，此时，固定所述夹角的角度，只调控行动轮的转速，即可控制机器人的上行或下行，控制简单可靠。

本方案的驱动装置采用易受控的电机来实现，传动装置采用传动轴来传递扭矩，万向部件采用万向节来方便调节行动轮的朝向，还采用四轮结构，每对行动轮左右同轴连接，使机器人左右受力均衡，利于保持平稳。依靠电机的转动带动行动轮转动，行动轮与墙面之间有接触，使得墙面对机器人的摩擦力有利于机器人上下移动，同时机身的刚性限制增加了行动轮和墙面之间的作用力，增加了摩擦力，实现了机身“吸附”在墙面上。

与现有的技术相比，本发明结构简单，控制方便，无需复杂的传统吸附技术，就达到行驶过程中动态平衡的目的。其不需要像磁吸式吸附对墙面有磁性要求，也不需要像负压式吸附方式要求大功率负压，具有很高的可靠性和简洁性；并且运动速度快，控制比较简单，比较容易实施。本发明效率高、能耗低、应用范围广，在配合遥控装置的条件下，能够广泛适用于各种特殊的工作环境中，如高空作业机器人，救灾机器人，侦测机器人等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明在内墙角上的受力分析图；

图3为本发明一种具体实施例的正面结构示意图；

图4为图3所示攀爬机器人爬内墙角的状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

针对建筑物都有内墙角的现象，本发明提出了一种依靠墙角的爬墙机器人，其作为一种结构简单、稳定爬墙的行走机构，既不使用对墙面有局限的磁吸式也不采用大功率的负压式吸附技术，而是依靠本体的驱动装置3和墙面产生摩擦达到吸附墙面的目的。如图1所示，本方案的攀爬机器人除机身和驱动装置3外，还包括对称设置在所述机身两侧的行动轮，所述驱动装置3输出连接有传动装置2，所述传动装置2与所述行动轮之间连接有万向部件4。驱动装置3产生动力，传动装置2将动力传递至行动轮，万向部件4是实现变角度动力传递的机件，万向部件4能够改变行动轮的朝向。

需要爬墙时，在外部压力作用下，行动轮紧贴内墙角的两墙面转动，行动轮与所述两墙面α、β之间产生相对运动，由于行动轮与墙面接触的弧面具有一定的弹性和较大的摩擦系数，墙面也不是绝对光滑的，因此，两者之间产生具有竖直向上分量的摩擦力F，摩擦力F是机器人两侧的行动轮受到墙面对其摩擦力的矢量和。对机器人进行整体受力分析，可知，当所述摩擦力F竖直向上的分量大于机器人的重力mg时，机器人以一定的加速度向上攀爬；当摩擦力F竖直向上的分量等于机器人的重力mg时，机器人的状态为匀速向上攀爬、匀速下降、悬停在内墙角的两墙面上中的一种；当所述摩擦力F竖直向上的分量小于机器人的重力mg时，机器人以一定的加速度沿墙面下降。而摩擦力F朝向阴角线且与阴角线垂直的分量则是提供行动轮与墙面之间压力的来源。

如图2受力分析所示，按图1所示结构，机身两侧各有一个行动轮，该两行动轮且对称设置，那么行动轮的圆周表面与内墙角的两个墙面之间对应相切，行动轮11的直径在墙面α上的投影线与两墙面的交线L的夹角和行动轮12的直径在墙面β上的投影线与交线L的夹角相等，即是两行动轮的朝向与内墙角的阴角线的夹角相等。

当需要机器人攀爬内墙角，为使墙面产生摩擦力“吸附”机器人不掉落，行动轮按照图1所示方向转动，行动轮的朝向与阴角线的夹角为锐角，机器人所受作用力分析如图2所示，行动轮11受到墙面α的摩擦作用力为F_f，行动轮12受到墙面β的摩擦作用力为F_r。F_f在墙面α上分解为F_f1和F_f2，F_r在墙面β上分解为F_r1和F_r2。其中，F_f2、F_r2为竖直向上，F_f1、F_r1分别位于平面α和平面β上且垂直于交线L(即阴角线)。F_f1、F_r1两者的矢量和即是机器人对墙面的压力(图2所示方向朝内)，与墙面对机器人的FN_r、FN_l的矢量和抵消。F_f2、F_r2两者的矢量和即是机器人受到的摩擦力F在竖直向上的分量，当F_f2、F_r2两者的矢量和与机器人的重力平衡时，将使机身不下落。机器人在内墙角开始向上攀爬时，调节行动轮的朝向与阴角线的夹角，增加行动轮的转速，摩擦力F增大到一定值时，F_f2、F_r2两者的矢量和大于机器人的重力mg，机器人开始向上攀爬。

当需要机器人“吸附”在墙面上时，在竖直方向上应无速度矢量，此时，行动轮的朝向与阴角线垂直，行动轮仍按照如图1所示方向转动，行动轮转动时，对墙面有挤压产生摩擦力，挤压力与墙面的支撑力抵消，摩擦力和重力抵消，实现了无需磁吸附或者负压式吸附等吸附技术就能使机器人“吸附”在墙面上。

机器人在墙面上加速下降、匀速运动时，行动轮的朝向与阴角线的夹角仍为锐角，行动轮仍按照如图1所示方向转动，受力分析类似，这里不再赘述。总结起来，维持机身向上攀升的条件是∑(F_f2，F_r2)≥mg；悬停的条件是∑(F_f2，F_r2)＝mg；下降的条件是∑(F_f2，F_r2)≤mg，可以通过调控行动轮的朝向与阴角线的夹角以及行动轮的转速以调控∑(F_f2，F_r2)的大小。

通常，所述内墙角为90°，如图3、4所示，所述机身两侧的四个行动轮沿内墙角的阴角线对称分布。由于摩擦力F在竖直方向上的分量大小和行动轮的朝向与阴角线的夹角、行动轮的转速有关，为调控方便，在机器人同一个运动过程中，如向上加速攀爬过程，保持行动轮的朝向与阴角线的夹角为一锐角值不变，甚至机器人的悬停、下落时，行动轮的转动方向和攀升时相同且与阴角线的夹角一致。当夹角一定时，电机转速越大，机身受到向上的作用力越大，但由于机械结构的限制，不可能无限增大，当达到和重力平衡时便满足机身不下落；继续增加转速则实现攀升效果，降低转速则实现下落效果，整个过程中行动轮朝向不变。具体来说，控制如下所述：

1、当机器人悬停在内墙角的两墙面上时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线垂直，调节行动轮的转速使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F在竖直向上的分量等于机器人的重力。

2、当机器人沿两墙面加速向上攀爬时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F在竖直向上的分量大于机器人的重力。

3、当机器人沿两墙面匀速向上攀爬或下降时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F在竖直向上的分量等于机器人的重力。

4、当机器人沿两墙面加速下降时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力F在竖直向上的分量小于机器人的重力。

具体实施时，所述驱动装置3采用可变速的电机，所述传动装置2采用传动轴，所述万向部件4采用万向节，所述行动轮为两对且每对行动轮之间采用左右同轴结构，使得左右受力均衡，保证行动轮具有一定的弹性和较大的摩擦系数。

为方便控制，采用遥控装置控制万向节，从而调控行动轮的朝向；遥控装置也能方便地调节电机的转速，从而调控行动轮的转速。

Claims (4)

1.一种内墙角攀爬机器人，包括机身和驱动装置，其特征在于：还包括对称设置在所述机身两侧的行动轮，所述驱动装置输出连接有传动装置，所述传动装置与所述行动轮之间连接有万向部件；

万向部件调节行动轮的朝向，使行动轮紧贴内墙角的两墙面转动时，行动轮与所述两墙面之间产生摩擦力 F，该摩擦力 F 具有朝向内墙角的阴角线且与阴角线垂直的分量以及竖直向上的分量，当所述摩擦力 F 竖直向上的分量大于机器人的重力时，机器人以一定的加速度向上攀爬；当摩擦力 F 竖直向上的分量等于机器人的重力时，机器人的状态为匀速向上攀爬、匀速下降、悬停在内墙角的两墙面上中的一种；当所述摩擦力 F 竖直向上的分量小于机器人的重力时，机器人以一定的加速度沿墙面下降；

所述阴角线指两面墙间呈竖直方向的交线。

2.根据权利要求 1 所述的一种内墙角攀爬机器人，其特征在于：所述内墙角为 90°，所述机身两侧的行动轮沿内墙角的阴角线对称分布；

当机器人悬停在内墙角的两墙面上时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线垂直，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力 F 竖直向上的分量等于机器人的重力；

当机器人沿两墙面加速向上攀爬时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力 F 竖直向上的分量大于机器人的重力；

当机器人沿两墙面匀速向上攀爬或下降时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力 F竖直向上的分量等于机器人的重力；

当机器人沿两墙面加速下降时，其行动轮朝向内墙角的阴角线且与该阴角线的夹角呈一定值的锐角，调节行动轮的转速，使行动轮与所述两墙面之间的摩擦力 F 竖直向上的分量小于机器人的重力。

3.根据权利要求 1 或 2 所述的一种内墙角攀爬机器人，其特征在于：所述驱动装置为电机，所述传动装置为传动轴，所述万向部件为万向节，所述行动轮为两对且每对行动轮之间采用左右同轴结构。

4.根据权利要求 3 所述的一种内墙角攀爬机器人，其特征在于：还包括遥控装置，所述遥控装置通过万向节调控行动轮的朝向、通过调节电机的转速调控行动轮的转速。