一种用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人及控制方法与流程

本发明涉及智能控制的技术领域，特别是一种用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人及控制方法。

背景技术：

爬壁机器人是一种行走的机械装置，工作在壁面上用于完成壁面的清洁、损伤检测等工作，是用来代替人工作业，降低危险性，提高工作效率的重要工具。

现代大型建筑的数量不断增长，造型日新月异。需要进行相关工作的壁面材质不一，造型不一，高度不一，很难靠人工维护，因此能适应弯曲壁面的爬壁机器人应运而生，同时大多数爬壁机器人的工作长度相较于工作壁面的长度较小，壁面的曲率相对于机器人较大，从而是大弧度弯曲壁面，即爬壁机器人适应的为大弧度弯曲壁面。能够适应大弧度弯曲壁面的爬壁机器人不仅提高了壁面相关工作的准确性和效率性，还为壁面的清洁维护或检测探伤等工作节省了大量的经费资源，降低了人力成本和风险。针对大弧度弯曲壁面的爬壁机器人的研究具有重要的科学意义和经济效益。

随着对爬壁机器人研究的不断深入，轮式移动、履带式移动、多腿式移动等移动方式都是使机器人可以在壁面上安全移动的方案。但是这些移动方式也具有一定的局限性，即在弯曲壁面上的移动受到一定的限制，难以完成与具有一定曲率的壁面的可靠吸附，多腿式移动方式的自由度较多，导致其结构在运动学上很复杂、制作的成本较高，同时运动效率不高。

技术实现要素：

本发明提供一种用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人及控制方法，解决了现有爬壁机器人结果复杂，制作成本高，运动效率差等问题。

本发明可以通过以下技术方案实现：

一种用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人，包括多个车体，相邻的两个所述车体之间通过推拉机构相连，第一个车体和最后一个车体之间不设置推拉机构，所述车体的内部设置有控制单元，两端各设置一个吸附单元，所述控制单元用于控制吸附单元，完成吸附单元与壁面之间吸附和解除吸附，控制推拉机构带动车体运动。

进一步，所述控制单元包括处理器，与所述处理器相连的双轴电动机，所述吸附单元包括依次安装在双轴电动机的输出轴上的吸盘轮和活动轮，所述处理器通过双轴电动机控制吸盘轮的转动，实现吸盘轮与壁面之间吸附和解除吸附、活动轮与壁面之间接触和脱离。

进一步，所述吸盘轮包括依次同轴装配在输出轴上的凸轮和轮壳，所述凸轮和轮壳通过多个吸盘腿相连，所述凸轮设置有朝向中心的四个凹口，所述凹口的跨度设置为九十度，所述吸盘腿穿过轮壳与凹口滚动接触，

所述吸盘腿运动到凹口的最低处，与壁面解除吸附，活动轮与壁面接触；

所述吸盘腿运动到凹口的最高处，与壁面吸附，活动轮与壁面脱离。

进一步，多个所述吸盘腿均匀对称设置在凸轮和轮壳之间，每个所述吸盘腿均包括吸盘，所述吸盘与套杆的一端相连，所述套杆的另一端穿过轮壳与连杆相连，所述连杆的一端嵌装在套杆内部，另一端的上部设置有外延的台阶，弹簧卡在台阶和套杆的顶端之间，所述连杆另一端的顶端设置有滚珠，所述滚珠与凹口滚动接触。

进一步，所述推拉机构包括柔性连接杆，所述柔性连接杆的一端与第一电动伸缩杆的一端相连，所述第一电动伸缩杆的另一端与前一车体相连，所述柔性连接杆的另一端与第二电动伸缩杆的一端相连，所述第二电动伸缩杆的另一端与后一车体相连，所述第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆的驱动模块与控制单元相连。

进一步，所述柔性连接杆包括拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的两端分别与圆锥形连接块相连，所述圆锥形连接块与第一电动伸缩杆或者第二伸缩杆相连。

进一步，所述拉伸弹簧采用60si2mna弹簧钢制成，刚度设置为60n/mm～80n/mm。

一种基于上文所述的用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、由控制单元控制各自的吸附单元，将其吸附在壁面，从而将对应的车体固定在壁面上；

步骤二、除了最后一个车体，其余车体的控制单元控制各自的吸附单元，解除其与壁面的吸附；

步骤三、解除吸附后的车体的控制单元控制对应的第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆延伸至最长；

步骤四、第一个车体的控制单元控制吸附单元，将其吸附在壁面，然后，最后一个车体的控制单元控制吸附单元，解除其与壁面的吸附；

步骤五、除了最后一个车体，其余车体的控制单元控制对应的第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆收缩至最短，然后，除第一车体外，其余车体的控制单元控制各自的吸附单元，将其吸附在壁面上，完成一个周期的行走过程；

步骤六、重复步骤二至五，完成下一个周期的行走过程。

本发明有益的技术效果在于：

通过吸盘轮中凸轮的凹口设计，借助吸盘腿的伸缩结构，随着凸轮的间歇性周期转动，使得吸盘腿压向壁面的力发生周期性变化，从而实现吸盘与壁面之间的吸附和解除吸附，再利用两个车体之间的推拉机构，完成车体的行走，借助吸盘轮和活动轮的支撑作用，使得车体与壁面之间有一定的间隙，实现对壁面上的必要存在物体如玻璃壁面的玻璃边框的越障作业，采用具有弹簧的柔性连接杆，使得推拉机构在伸缩驱动时，可以借助弹簧的轻微弯曲变形实现车体与车体之间的柔性连接，满足爬壁机器人对不同曲率壁面的适应性，采用车体的独立模块化设计，结合不同壁面下的工作要求，调整车体的数量，以满足运载容量的要求，另外，整个装置结构紧凑，操作简单，控制方便，便于普及和推广。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的吸盘轮的结构示意图；

图3为本发明的吸盘轮的运动状态示意图，标号a表示吸盘与壁面的吸附状态图，标号b表示吸盘与壁面解除吸附状态图；

图4为本发明的柔性连接杆的结构示意图；

其中，1-车体、2-吸盘轮、21-凸轮、211-凹口、22-轮壳、23-吸盘腿、23-吸盘、232-套杆、233-连杆、234-弹簧、235-滚珠、3-活动轮、4-柔性连接杆、41-拉伸弹簧、42-圆锥形连接块、5-第一电动伸缩杆、6-第二电动伸缩杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进一步详细说明。

参照附图1和2，本发明提供了一种用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人，包括多个车体1，相邻的两个车体1之间通过推拉机构相连，第一个车体和最后一个车体之间不设置推拉机构，在车体1的内部设置有控制单元，两端各设置一个吸附单元，该控制单元用于控制吸附单元完成吸附单元与壁面之间吸附和解除吸附，控制推拉机构带动车体1运动。车体1可以设置为方体，吸附单元设置在方体的左右两端，推拉机构设置在方体的前后两端，控制单元设置在方体的内部，这样，通过控制单元控制吸附单元吸附在壁面上，实现整体车体固定在壁面，当车体需要运动时，控制单元控制吸附单元解除与壁面的吸附，再控制推拉机构带动车体运动。

该控制单元包括处理器，与处理器相连的双轴电动机，该吸附单元包括依次安装在双轴电动机的输出轴上的吸盘轮2和活动轮3，该吸盘轮2包括依次同轴装配在输出轴上的凸轮21和轮壳22，该凸轮21和轮壳22通过多个吸盘腿23相连，该凸轮21设置有朝向中心的四个凹口211，凹口211的跨度设置为九十度，该吸盘腿23穿过轮壳22与凹口211滚动接触，该处理器通过双轴电动机控制吸盘轮21的转动，当吸盘腿23运动到凹口211的最低处，与壁面解除吸附，活动轮3与壁面接触，便于推拉机构带动车体1运动；当吸盘腿23运动到凹口211的最高处，与壁面吸附，活动轮3与壁面脱离。

如图2所示，多个吸盘腿23均匀对称设置在凸轮21和轮壳22之间，每个吸盘腿23均包括吸盘231，该吸盘231与套杆232的一端相连，套杆232的另一端穿过轮壳22与连杆233相连，连杆233的一端嵌装在套杆232内部，另一端的上部设置有外延的台阶，弹簧234卡在台阶和套杆232的顶端之间，该连杆233另一端的顶端设置有滚珠235，该滚珠235与凹口211滚动接触。这样，随着凸轮21的转动，带滚珠235的吸盘腿23沿着凹口211滚动，凹口211的边缘与壁面之间距离也在不断变化，由于吸盘腿23内部设置有弹簧234，吸盘腿23的长度也随之不断变化，当吸盘腿23运动到凹口211的最高处，如图3(a)所示，吸盘腿23的长度最短，弹簧234受到的压力最大，会对壁面产生比较大的压力，使吸盘231内部的空气被彻底挤出，在外界大气压力的作用下，吸附在壁面上，此时吸盘腿23和凸轮21的半径之和大于活动轮3的半径，活动轮3与壁面脱离接触；当滚珠235运动到凹口211的最低处，如图3(b)所示，吸盘腿23的长度最长，弹簧234受到的压力最小，对壁面没有几乎压力，吸盘231不能被吸附在壁面上，此时吸盘腿23和凸轮21的半径之和小于活动轮3的半径，活动轮3与壁面接触，便于后续推拉机构带动车体运动。

如图1和4所示，该推拉机构包括柔性连接杆4，该柔性连接杆4的一端与第一电动伸缩杆5的一端相连，第一电动伸缩杆5的另一端与前一车体1相连，该柔性连接杆4的另一端与第二电动伸缩杆6的一端相连，第二电动伸缩杆6的另一端与后一车体2相连，第一电动伸缩杆5、第二电动伸缩杆6的驱动模块与控制单元的处理器相连，通过驱动模块控制第一电动伸缩杆5、第二电动伸缩杆6的伸长或者收缩，实现车体的行走运动。

该柔性连接杆4可以产生轻微的变形，当壁面不是竖直的，带有轻微弧度时，第一电动伸缩杆5、第二电动伸缩杆6的推拉力可能会不在同一直线上，此时，柔性连接杆4会帮助两者圆滑过渡，最大限度减少力的损耗，同时，也可以使两个车体1之间保持近乎刚性的连接，保持整个车队的整体性，因此，该柔性连接杆4可以采用包含拉伸弹簧41的结构，该拉伸弹簧41采用60si2mna弹簧钢制成，刚度设置为60n/mm～80n/mm，其两端分别与圆锥形连接块42相连，第一电动伸缩杆5或者第二伸缩杆6的一端也设置有相应的圆锥形连接块42，该圆锥形连接块的边缘设置有外延的耳朵，耳朵上设置有通孔，可以使用螺杆与螺母配合将柔性连接杆4与第一电动伸缩杆5或者第二伸缩杆6固定相连，当然，也可以采用其他能够产生轻微变形的柔性连接结构实现。

本发明还提供了一种基于上文所述的用于大弧度弯曲壁面的爬壁机器人的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、由控制单元控制各自的吸附单元，将其吸附在壁面，从而将对应的车体固定在壁面上；

步骤二、除了最后一个车体，其余车体的控制单元控制各自的吸附单元，解除其与壁面的吸附；

步骤三、解除吸附后的车体的控制单元控制对应的第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆延伸至最长；

步骤四、第一个车体的控制单元控制吸附单元，将其吸附在壁面，然后，最后一个车体的控制单元控制吸附单元，解除其与壁面的吸附；

步骤五、除了最后一个车体，其余车体的控制单元控制对应的第一电动伸缩杆、第二电动伸缩杆收缩至最短，然后，除第一车体外，其余车体的控制单元控制各自的吸附单元，将其吸附在壁面上，完成一个周期的行走过程；

步骤六、重复步骤二至五，完成下一个周期的行走过程。

以三车体的爬壁机器人为例，最后一个车体没有连接推拉机构，如图1-4所示，处理器控制双轴电动机转动，带动吸盘轮的凸轮转动，使得吸盘腿运动到凸轮的最高点，吸盘吸附在壁面上，实现三个车体固定在壁面上，此时，推拉机构都处于收缩状态，除了最后一个车体，第一车体、第二车体的处理器控制各自的双轴电动机带动凸轮转动45度，使得吸盘腿运动到凸轮的最低点，解除吸盘与壁面之间的吸附，再控制各自的推拉机构中第一、第二电动伸缩杆的驱动模块，使电动伸缩杆由收缩状态转变为伸长状态，然后，第一个车体的处理器控制其双轴电动机带动吸盘轮的凸轮再转动45度，使得吸盘腿运动到凸轮的最高点，吸盘吸附在壁面上，实现第一车体固定在壁面上，之后，最后一个车体的处理器控制其双轴电动机带动凸轮转动45度，使得吸盘腿运动到凸轮的最低点，解除吸盘与壁面之间的吸附，再由第一车体、第二车体的处理器控制各自的推拉机构中第一、第二电动伸缩杆的驱动模块，使电动伸缩杆由伸长状态转变为收缩状态，之后，第二个车体、最后一个车体的处理器控制其各自的双轴电动机带动吸盘轮的凸轮再转动45度，使得吸盘腿运动到凸轮的最高点，吸盘吸附在壁面上，实现第二车体、最后一个车体固定在壁面上，完成一个周期的行走过程，重复上述过程，实现整个车体的行走。通过在车体上搭载检测设备，完成对壁面的相关项目的检测，在车体底部安装清扫机构，完成对壁面的清洁作业，当然，也可以进行壁面维修等其他相关工作。

本发明通过吸盘轮中凸轮的凹口设计，借助吸盘腿的伸缩结构，随着凸轮的间歇性周期转动，使得吸盘腿压向壁面的力发生周期性变化，从而实现吸盘与壁面之间的吸附和解除吸附，再利用两个车体之间的推拉机构，完成车体的行走，借助吸盘轮和活动轮的支撑作用，使得车体与壁面之间有一定的间隙，实现对壁面上的必要存在物体如玻璃壁面的玻璃边框的越障作业，采用具有弹簧的柔性连接杆，使得推拉机构在伸缩驱动时，可以借助弹簧的轻微弯曲变形实现车体与车体之间的柔性连接，满足爬壁机器人对不同曲率壁面的适应性，采用车体的独立模块化设计，结合不同壁面下的工作要求，调整车体的数量，以满足运载容量的要求，另外，整个装置结构紧凑，操作简单，控制方便，便于普及和推广。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。