一种外墙角爬墙机器人的制作方法

本发明涉及爬墙机器人，具体是一种外墙角爬墙机器人。

背景技术：

随着我国工业化和现代化的进一步推进，对消防救灾、军事侦察、探险救援、航空航天等方面提出了更高的要求。现有的爬墙机器人可大致分为：真空吸盘式爬墙机器人、风压式爬墙机器人和粘胶式爬墙机器人。真空吸盘式爬墙机器人大致可分为两种：一种为仿生式腿式液压吸盘机器人，此种机器人需要功率较大的液压机，且每次步态移动需要部分释放吸盘压力，导致能量利用率不高且攀爬效率低下；另一种为风机抽压式真空吸盘爬墙机器人，此种机器人对风机和吸盘裙边材料要求极高，且造价较高，风压式爬墙机器人利用螺旋桨旋转将小车压在墙上，此种爬墙机器人需要小车机体重量轻，所以对制作小车的材料要求很高，且负载能力是一个致命的问题。另外，粘胶式爬墙机器人利用粘性物质将小车吸附在墙上，此种机器人对粘性材料的要求较高，且移动时要克服粘性材料的吸附力所以移动效率和能源利用率不高。

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：采用液压吸盘方式的爬墙机器人需要大功率部件来产生负压；采用风机抽压式的爬墙机器人对材料要求极高，造价较高；采用粘胶式的爬墙机器人除对粘性材料的要求较高外，移动效率和能源利用率不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种外墙角爬墙机器人，其结构简单小巧，能够解决现有技术中爬墙机器人对材料设备要求高、能源利用率低、负载能力不足等问题。

本发明的技术方案如下：

一种外墙角爬墙机器人，其包括机身部分和尾翼部分，其中：

所述机身部分包括与外墙角的阳角线正对的固定板，所述固定板的左右两侧各自连接有一个支架，所述支架上固定有电机脚架，所述电机脚架上安装有一个电机，所述电机的输出轴连接有一个驱动轮，所述固定板左右两侧的支架之间的夹角小于外墙角，所述驱动轮与外墙角的墙面相切，驱动轮的轴线倾斜向下与外墙角的阳角线呈锐角；所述尾翼部分包括尾翼，所述尾翼的上端部与所述固定板固定连接，尾翼下端部的两侧各自连接有一个尾翼小脚架，所述尾翼小脚架上通过轴承安装有一个从动轮，所述从动轮与外墙角的墙面相切且轴线与外墙角的阳角线垂直；所述固定板与支架之间通过产生弹性形变使驱动轮与外墙角的墙面之间产生压力，所述驱动轮转动使外墙角的墙面对驱动轮产生倾斜向上的滑动摩擦力，通过调节电机转速调节该滑动摩擦力，使机器人在所有驱动轮受到的滑动摩擦力之和F和自身重力G的作用下实现上升、下降和在墙面上静止；所述从动轮保证机器人在竖直方向上无偏移、无倾斜移动。

进一步的，所述从动轮的轮轴设置有防止从动轮脱出的挡块。

进一步的，所述外墙角为90°，所述固定板左右两侧的支架之间的夹角为85°，所述固定板两侧的驱动轮以及尾翼两侧的从动轮均相对于外墙角的阳角线对称分布。

进一步的，所述固定板为上下布置的两个，所述驱动轮为两对，所述从动轮为一对。

进一步的，还包括控制所述电机转速的遥控器，所述遥控器设置有静止按钮、上升按钮和下降按钮；当机器人放置在外墙角，施加外力使所述固定板与支架之间产生初始的弹性形变，按下所述静止按钮，所述电机的转速使所有驱动轮受到的来自墙面的滑动摩擦力之和F在竖直方向上的分量与机器人的重力平衡，机器人在墙面上静止；当机器人在墙面上静止时，按下所述上升按钮，所述电机的转速增大，所有驱动轮受到的来自墙面的滑动摩擦力之和F在竖直方向上的分量大于机器人的重力，机器人开始启动向上移动，所述固定板与支架之间的弹性形变逐渐加大，所述F在竖直方向上的分量逐渐减小直至F在竖直方向上的分量等于机器人的重力；当机器人在墙面上静止时，按下所述下降按钮，所述电机的转速减小，所有驱动轮受到的来自墙面的滑动摩擦力之和F在竖直方向上的分量小于机器人的重力，机器人开始启动向下移动，所述固定板与支架之间的弹性形变逐渐减小，所述F在竖直方向上的分量逐渐增大直至F在竖直方向上的分量等于机器人的重力。

本发明利用建筑物普遍存在的外墙角结构，通过机器人的机身部分发生形变，从而对墙面产生压力，再通过驱动轮转动实现与墙面之间的相对运动，从而产生具有竖直向上的分力的摩擦力，该摩擦力与机器人的自身重力的联合作用下，使机器人能够在墙面上移动或静止。本方案的尾翼部分保证机器人沿竖直方向运动，避免发生偏移导致机器人运动不稳定甚至“吸附”失效。

本方案为防止从动轮滑落，采用了挡块结构。考虑到普遍的外墙角为90°，机身部分的左右两支架之间设置为？°，整个机器人还采用对称结构，使整个机器人在墙面上容易达到平衡状态。本方案中，增加驱动轮的对数能够提升机器人的搭载能力，从实际需求出发，采用了两对驱动轮和一对从动轮的优选结构。

为方便控制，采用遥控器来无线控制机器人的运行状态，使机器人能够通过简单操作即可实现机器人静止“吸附”在墙面上，以及完成由加速度逐渐减小的启动到匀速上升的过程，和完成加速度逐渐减小的启动到匀速下滑的过程。

本发明的机器人利用建筑物普遍存在的外墙角结构，利用机械结构上的动态平衡实现机器人稳定迅速攀爬建筑物，从而对建筑物内外的情况实行检测，其克服了现有爬墙机器人对材料设备要求高、能源利用率低、负载能力不足等缺点，其采用轮式结构具有结构简单小巧的特点，功率小、体积小、攀爬速度快、效率高、成本低的特点，且具有一定的负载能力；同时还实现了爬墙机器人受力的自平衡、自适应，高效地完成上升、静止、下降等动作，可搭载各类传感器及其视频监控系统实现环境侦测，具有很好的应用前景和市场需求。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为图1所示结构的侧视图；

图3为图1所示结构的俯视图；

图4为本发明中一个驱动轮的受力分析图；

图5为本发明中尾翼部分的结构示意图；

图6为本发明另一种实施例的结构示意图。

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。

本发明公开的一种外墙角爬墙机器人，其主要分为机身部分和尾翼部分。对于机身部分，主要由驱动轮、电机、电机脚架、支架和固定板组成。如图1至图3所示，固定板11-1与外墙角的阳角线L正对，固定板11-1的左侧连接一个支架12-2，固定板11-1的右侧连接一个支架12-1，支架12-1上固定一个电机脚架14-1，支,12-2上固定一个电机脚架14-2，电机脚架14-1上安装一个电机13-1，电机脚架14-2上安装一个电机13-2，电机13-1的输出轴连接一个驱动轮15-1，电机13-2的输出轴连接一个驱动轮15-2，驱动轮15-1与外墙角的墙面α相切，驱动轮15-2与外墙角的墙面β相切。

电机的转速测量装置可以实时测量电机的转速，驱动轮通过电机脚架固定在支架上，左、右支架12-2、12-1通过固定板11-1刚性固定在一起，固定板左右两侧的左、右支架12-2、12-1之间的夹角γ小于外墙角，即是左支架12-2固定电机13-2所在平面与右支架12-1固定电机13-1所在平面之间的夹角采用小于外墙角的适当角度，能使驱动轮15-1对墙面α产生压力、驱动轮15-2对墙面β产生压力。驱动轮15-1、15-2采用摩擦系数适当的轮胎，驱动轮15-1、15-2的轴线倾斜向下与外墙角的阳角线L呈锐角。当固定板11-1与支架12-1、12-2之间产生弹性形变，使驱动轮15-1、15-2与外墙角的墙面α、β之间产生压力时，此时驱动轮15-1、15-2转动，使外墙角的墙面α对驱动轮15-1产生倾斜向上的滑动摩擦力，墙面β对驱动轮15-2产生倾斜向上的滑动摩擦力，这个滑动摩擦力是维持机器人移动或静止的主要力量。通过调节电机转速调节墙面对各驱动轮的滑动摩擦力，使机器人在所有驱动轮15-1、15-2受到的滑动摩擦力之和F和自身重力G的作用下实现上升、下降和在墙面上静止。

由于每个驱动轮受力情况相同，针对机器人的一个驱动轮15-1进行受力分析，如图4所示，电机13-1驱动驱动轮15-1转动，产生的滑动摩擦力F_f克服电机13-1输出的扭力，这个滑动摩擦力F_f可分为平行于阳角线L竖直向上的力F₁和垂直于阳角线L的力F₂，F₂的作用下使支架12-1与固定板11-1构成的支撑结构发生弹性形变，这个弹性形变产生的力可分解为作用于驱动轮15-1上且垂直于墙面α的正压力F_N与垂直于阳角线L的力F₃，当F₂大于F₃时支撑结构的弹性形变会继续增大直到F₂等于F₃时支撑结构受力平衡，此时驱动轮15-1最终出现一个力自平衡现象，即水平方向的合力为零。竖直方向上，正压力F_N作用下产生的滑动摩擦力F_f在竖直方向上的分力F₁与机器人重力G的一半相等，从而使竖直方向上合力为零，机器人可以保持在墙壁上静止或者匀速上升或下降。图4中省略了墙面α对驱动轮15-1的支撑力。

对于尾翼部分，如图3、5所示，主要由尾翼21、从动轮、尾翼小脚架、轴承及其挡块组成，尾翼21右侧的从动轮22-1连接轴承23-1固定在尾翼小脚架24-1上，尾翼21左侧的结构与右侧一致，图中未标注。从动轮22-1连接轴承23-1可使从动轮22-1固定在尾翼小脚架24-1上自由转动，同样地从动轮22-2固定在尾翼小脚架24-2上自由转动，同时使用挡块25-1、25-2连接轮轴可将轮轴固定防止从动轮滑落，尾翼小脚架固定在尾翼21的尾部21-2上，尾翼部分通过尾翼21的头部21-1与固定板11-1固定。所述从动轮22-1、22-2与外墙角的墙面α、β相切且轴线与外墙角的阳角线L垂直，保证机器人在上下移动时，保持竖直移动的状态，不发生偏移，且保持两个驱动轮22-1、22-2在同一水平线上，不发生机身倾斜。

所述外墙角为90°，所述固定板11-1左右两侧的支架12-1、12-2之间的夹角为85°，所述固定板11-1两侧的驱动轮15-1、15-2以及尾翼21两侧的从动轮22-1、22-2均相对于外墙角的阳角线L对称分布。α、β与驱动轮15-1、15-2的摩擦系数μ相互关联选取，优化最佳。驱动轮可以采用多轮实现形式以增加负载能力增强，如图6所示，上下布置两个固定板11-1、11-2，所述驱动轮为两对15-1和15-2、15-3和15-4，12-3支架、13-3电机、14-3电机脚架、15-3驱动轮连接在固定板11-2右侧，12-4支架、13-4电机、14-4电机脚架、15-4驱动轮连接在固定板11-2左侧，所述从动轮为一对22-1和22-2。

爬墙机器人攀爬墙壁过程中分为三个状态，分别为静止、上升和下降，通过控制电机的速度从而控制电机输出扭力的大小进而控制机器人的移动状态。机器人的运行状态通过遥控器进行控制，对应几个运动状态，遥控器上设置静止按钮、上升按钮和下降按钮。

机器人攀爬步骤为：首先将机器人放置在外墙脚，用手给予支架与固定板构成的支撑结构适当的正压力，产生支撑结构初始的形变。其次按下静止按钮将爬墙机器人设置为静止模式，此时电机开始转动，适当时间松开手，机器人很快达到力的平衡状态，即电机的转速使所有驱动轮受到的来自墙面的滑动摩擦力之和F在竖直方向上的分量与机器人的重力平衡，保持在墙面上静止。然后按下上升按钮，电机速度增大，电机产生的扭力变大，驱动轮受到的滑动摩擦力增大，竖直方向上向上的力大于机器人的重力，机器人开始启动向上爬行。但此时滑动摩擦力在垂直于阳角线L方向的分力大于支撑结构当前的弹力在垂直于阳角线L方向上的分力，因此左、右支架与固定板之间进一步加深弹性形变，左右两侧的支架之间的夹角逐渐变大，弹力在垂直于阳角线L方向上的分力逐渐增大，正压力F_N逐渐减小，驱动轮受到的滑动摩擦力也逐渐减小，最终达到一个平衡状态，支撑结构保持一定的弹性形变，机器人在竖直方向上受到的合力为零,小车的加速度逐渐减小最后匀速上升。机器人上升到合适高度后按下静止按钮，电机速度减小，上述受力分析逆变化从而经过减速到静止。

机器人下降步骤为：首先机器人处于静止状态，按下下降按钮，电机速度减小，驱动轮受到的滑动摩擦力、电机产生的扭力减小，机器人受到的竖直向上的力小于机器人的重力，机器人开始滑动向下，此时滑动摩擦力在垂直于阳角线L方向的分力小于支撑结构当前的弹力在垂直于阳角线L方向上的分力，左、右支架与固定板构成的支撑结构弹性形变逐渐减小，最终达到力的平衡，支撑架保持一定的形变状态，此时机器人受到的竖直向上的力等于机器人的重力,小车经历加速度逐渐减小的启动到匀速下滑的过程。然后机器人下滑到合适高度后按下静止按钮，电机速度增大发生上述受力分析逆变化，机器人经过减速到静止。