一种模块化可重构爬壁机器人及其爬壁方法与流程

本发明属于移动机器人领域，具体地说是一种模块化可重构爬壁机器人及其爬壁方法。

背景技术：
微小型爬壁机器人由于具有很强的应用前景，近几年受到各国科研人员越来越多的重视。现有爬壁机器人中大多采用腿足式或轮式移动机构。腿足式移动机构(Y.Jiang,H.G.Wang,L.J.Fang,etal,“AClimbingRobotSystemforAnti-terrorismReconnaissance,”Robot,vol.28,no.5,pp.530-535,2006.)大多采用两条或多条腿，具有良好的稳定性和越障能力，但控制相对复杂，运动灵活性差。轮式移动机构(J.Z.Xiao,M.Sadegh,etal.“DesignofMobileRobotswithWallClimbingCapability,”IEEE/ASMEInternationalConferenceonAdvancedIntelligentMechatronics.Monterey,California,2005:438-443.)，一般为2-4轮，具有运动灵活快速的特点，但越障能力普遍较弱。近几年科研人员提出了复合式移动机构的概念(Y.L.Fu,Z.Li,etal,“DevelopmentofaWallClimbingRobotwithWheel-LegHybridLocomotionMechanism,”IEEE/ASMEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics,Sanya,China,2007:1876-1881.)，试图将两种不同的移动机构整合到一个爬壁机器人身上，该技术是提高爬壁机器人运动性能的一种新趋势，但目前发展并不成熟，难以应用于实际的应用作业中。

技术实现要素：
为了解决目前爬壁机器人移动速度和越障能力不能兼容，特别是不能在壁面和地面之间以及不同交叉壁面之间过渡等瓶颈问题，本发明的目的在于提供一种模块化可重构爬壁机器人及其爬壁方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明的模块化可重构爬壁机器人包括机器人本体、母端对接装置、公端对接装置、驱动轮、驱动轮驱动电机、安装在所述机器人本体底部的吸盘、安装在所述机器人本体上的齿轮外壳以及分别位于该齿轮外壳内的摄像头、离心泵电机、离心泵、母端驱动电机和公端驱动电机，其中吸盘的内部通过由离心泵电机驱动旋转的离心泵抽气、形成负压区，所述驱动轮及驱动轮驱动电机均位于吸盘内、并分别安装在所述机器人本体底部，该驱动轮通过驱动轮驱动电机驱动旋转、在通过吸盘保持吸附壁面的同时带动所述爬壁机器人运动；所述母端对接装置及公端对接装置分别位于齿轮外壳的两侧，该母端对接装置的一端为与所述母端驱动电机输出端连接的母端连接杆，另一端为与另一所述爬壁机器人的公端对接装置插接的母端套管；所述公端对接装置的一端为与所述公端驱动电机输出端连接的公端连接杆，另一端为与另一所述爬壁机器人的母端对接装置插接的公端套管，所述公端套管内安装有直线驱动电机，该直线驱动电机的输出端与推杆的一端相连，所述推杆的另一端抵接有可上下移动的插销，所述推杆通过直线驱动电机的驱动往复平移、带动所述插销上下移动，实现两爬壁机器人母端对接装置与公端对接装置的对接或分离。其中：所述母端套管上开有定位孔，所述公端套管上开有插销孔，所述插销的一端位于该插销孔内，另一端与所述推杆的另一端抵接；所述插销孔外套有供插销复位的弹簧，该弹簧的一端抵接于所述公端套管的内壁，另一端抵接于所述插销上设置的挡片；所述插销由推杆带动插入所述定位孔内，实现两爬壁机器人母端对接装置与公端对接装置的对接，所述插销通过所述弹簧的弹力复位，实现两爬壁机器人母端对接装置与公端对接装置的分离；所述推杆的另一端为锥形，其上下两端均设有插销；所述吸盘包括骨架、密封圈凹槽及密封圈，该骨架沿所述机器人本体底部四周设置，所述骨架的一端安装在机器人本体的底部，另一端设有密封圈凹槽，所述密封圈容置于该密封圈凹槽内；所述密封圈的底部由所述密封圈凹槽底部露出，且高于所述驱动轮的底部；所述吸盘内的驱动轮包括左右对称安装的第一驱动轮、第二驱动轮，该第一驱动轮及第二驱动轮通过分别安装在机器人本体底部的第一驱动轮驱动电机、第二驱动轮驱动电机驱动旋转；所述吸盘内设有支撑轮，该支撑轮通过支撑轮固定架安装在所述机器人本体的底部，所述支撑轮与第一驱动轮、第二驱动轮呈三角形布置；所述机器人本体上开有与吸盘内部连通的通孔，所述离心泵的进气口与该通孔相对；所述齿轮外壳上开有与摄像头相对的侦查孔；所述机器人本体底部与吸盘之间设有防漏内衬；本发明模块化可重构爬壁机器人的爬壁方法为：所述离心泵电机带动离心泵旋转，吸盘内气体被离心泵抽出形成负压区，所述吸盘的底部在吸附力的作用下压紧壁面或地面，产生压缩变形；此时，所述驱动轮接触壁面或地面，所述爬壁机器人在保持吸附壁面或地面的同时，在所述驱动轮驱动电机的驱动下在壁面或地面上移动。其中：当遇到壁面和地面之间以及不同交叉壁面时，两所述爬壁机器人先实现对接，完成爬壁后再实现分离，步骤为：A.两个分离的爬壁机器人、即第一爬壁机器人、第二爬壁机器人吸附在交叉面A上，通过第一爬壁机器人、第二爬壁机器人各自的驱动轮驱动电机控制第一爬壁机器人和第二爬壁机器人靠近；B.利用第一、二爬壁机器人各自的摄像头调整位姿，使第一、二爬壁机器人对向运动；C.通过第一、二爬壁机器人各自的母端驱动电机及公端驱动电机调整第一、二爬壁机器人各自的母端对接装置或公端对接装置的倾斜角保持和交叉面A平行；D.待第一、二爬壁机器人的公端对接装置分别插入第二、一爬壁机器人的母端对接装置内部时，第一、二爬壁机器人各自的直线驱动电机输出轴前移，带动推杆前进，使插销进入母端套管，此时对接完毕，第一、二爬壁机器人构成一个整体；当遇到交叉面凹过渡时，接下来的步骤为：E.已经对接好的第一、二爬壁机器人构成一个整体，第二爬壁机器人吸附交叉面A，第一爬壁机器人不再吸附交叉面A，驱动第一爬壁机器人整体靠近交叉面B；F.第二爬壁机器人的母端驱动电机及公端驱动电机工作、逆时针旋转，使第一爬壁机器人改变姿态，直至第一爬壁机器人的吸盘的倾斜角度和交叉面B平行；G.第二爬壁机器人前进，使第一爬壁机器人的吸盘压紧交叉面B，转变第一、二爬壁机器人的吸附状态，第一爬壁机器人吸附交叉面B，第二爬壁机器人不再吸附交叉面A；H.第一爬壁机器人的母端驱动电机及公端驱动电机工作、顺时针旋转，使第二爬壁机器人改变姿态，待第二爬壁机器人的吸盘与交叉面B压紧，改变第二爬壁机器人的吸附状态，使其吸附交叉面B，完成交叉面凹过渡；I.控制第一、二爬壁机器人的母端对接装置、公端对接装置分离，公端对接装置中的直线驱动电机输出轴后移，带动推杆后移，插销复位，退出母端套管，通过第一爬壁机器人、第二爬壁机器人各自的驱动轮驱动电机使第一、二爬壁机器人后移，完成分离；J.分离后的第一、二爬壁机器人作为独立的个体在交叉面B上独立执行任务；当遇到交叉面凸过渡时，步骤E至步骤H为：E.已经对接好的第一、二爬壁机器人构成一个整体，第二爬壁机器人吸附交叉面A，第一爬壁机器人不再吸附交叉面A，驱动第二爬壁机器人整体靠近交叉面B；F.第二爬壁机器人的母端驱动电机及公端驱动电机工作、顺时针旋转，使第一爬壁机器人改变姿态，直至第一爬壁机器人的吸盘的倾斜角度和交叉面B平行；G.第二爬壁机器人后退，使第一爬壁机器人的吸盘压紧交叉面B，转变第一、二爬壁机器人的吸附状态，第一爬壁机器人吸附交叉面B，第二爬壁机器人不再吸附交叉面A；H.第一爬壁机器人的母端驱动电机及公端驱动电机工作、顺时针旋转，使第二爬壁机器人改变姿态，待第二爬壁机器人的吸盘与交叉面B压紧，改变第二爬壁机器人的吸附状态，使其吸附交叉面B，完成交叉面凸过渡。所述第一、二爬壁机器人对接之后形成行星轮系结构，当第一爬壁机器人吸附壁面，其齿轮外壳作为行星轮系结构的太阳轮，第二爬壁机器人不吸附壁面，其齿轮外壳作为行星轮系结构的行星轮，第一、二爬壁机器人各自的母端、公端对接装置作为行星轮系的转臂；当第二爬壁机器人吸附壁面，其齿轮外壳作为行星轮系结构的太阳轮，第一爬壁机器人不吸附壁面，其齿轮外壳作为行星轮系结构的行星轮，第一、二爬壁机器人各自的母端、公端对接装置作为行星轮系的转臂。本发明的优点与积极效果为：1.本发明的模块化可重构爬壁机器人，两个爬壁机器人不需要永远固连在一起，而是可以分开独立操作，必要情况下再对接完成任务，该方式不但提高了工作效率，还降低了结构的复杂性，提高了机器人的运动性能。2.本发明模块化可重构爬壁机器人的吸盘采用弹性的密封圈设计，在粗糙墙壁面和曲面依然能够保持很好的密封性。3.本发明的两个爬壁机器人在对接之后，形成了一个行星轮系结构，将轮式移动机构移动速度快和腿足式移动机构越障能力强的优点有机结合在一起。4.本发明的爬壁机器人对有障碍情形下的壁面攀爬有良好的适应性，在反恐侦查、消防、搜救等领域有着广泛的应用前景和重要的经济效益。附图说明图1a为本发明模块化可重构爬壁机器人的整体结构示意图；图1b为图1a中去掉齿轮外壳后的结构示意图；图2为本发明模块化可重构爬壁机器人密封装置和轮式结构的结构示意图；图3为本发明模块化可重构爬壁机器人对接装置的结构示意图；图4a为两个本发明模块化可重构爬壁机器人对接后形成的行星轮系的结构示意图之一；图4b为两个本发明模块化可重构爬壁机器人对接后形成的行星轮系的结构示意图之二；图5a为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之一；图5b为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之二；图5c为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之三；图5d为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之四；图5e为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之五；图5f为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之六；图5g为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凹过渡的示意图之七；图6a为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之一；图6b为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之二；图6c为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之三；图6d为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之四；图6e为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之五；图6f为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之六；图6g为本发明模块化可重构爬壁机器人在交叉壁面凸过渡的示意图之七；其中：1为齿轮外壳，201为第一侧板，202为第二侧板，3为机器人本体，4为防漏内衬，5为吸盘，501为骨架，502为密封圈凹槽，503为密封圈，6为母端连接轴，7为母端对接装置，8为公端对接装置，9为摄像头，10为侦查孔，11为控制板，12为摄像头支架，13为公端连接轴，14为离心泵支架，15为离心泵电机调速器，16为离心泵电机，17为离心泵，1801为第一驱动轮固定架，1802为第二驱动轮固定架，1901为第一驱动轮，1902为第二驱动轮，2001为第一驱动轮驱动电机，2002为第二驱动轮驱动电机，21为通孔，22为支撑轮固定架，23为支撑轮，24为母端连接杆，25为母端套管，2601为第一定位孔，2602为第二定位孔，27为公端连接杆，28为公端套管，29为直线驱动电机，30为推杆，3101为第一弹簧，3102为第二弹簧，3201为第一插销，3202为第二插销，3301为第一插销孔，3302...