一种用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构的制作方法

本实用新型涉及爬墙机器人技术领域，具体为一种用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构。

背景技术：

随着经济的高速发展，高层建筑越来越多，在桥梁裂缝检测、高楼的检修清洁、地震救灾、电力检修等方面，人工作业越发受限，开发适用于相关复杂环境作业的专业设备是必要的，类似爬墙机器人的专业设备的应用降低了复杂作业条件下的危险性及成本。

现有的爬墙机器人原动力结构主要采用以下几种原理：

(1)多足仿生吸附式爬墙机器人结构。该类机器人主要有双足、四足、六足和多足几种形式，实现爬墙的原理也都基本相同，都是在运动时控制机器人的足与墙面之间实现紧密贴合，主流的实现方式为，将多个细管连接到机器人的每个足上，通过控制舵机来使足底与墙面抽气至近似真空状态，以此调整足的吸附与松开。多足机器人通过部分足与墙面分离，另一部分足与墙面贴附，以此实现机器人的运动。但是该机器人存在缺点较多，例如运动灵活性低，对墙面粗糙度要求高，反应速度慢，不适用与复杂环境作业。

(2)抽真空吸附式爬墙机器人结构。这种机器人利用特殊材料制作平整的车底，利用小型螺旋桨对车底与墙面抽气，使得车底与墙面之间被抽成近似真空状态，以保证机器人贴附在墙面上运动。但是该类机器人对墙面平整度要求较高，只能在平整的墙面或玻璃上行走，实用意义不大，不能保证良好的运动稳定性。

(3)车式磁铁吸附式爬墙机器人结构。该机器人不采用风扇或者螺旋桨抽真空的方式，而是利用磁场吸引力的形式使机器人吸附在墙面上。机器人由轮状磁铁构成车轮，依靠磁场吸引力贴在墙面上，故只能在铁钴镍等磁性介质表面运动，可适用于轮船等金属建筑检测等作业，应用面较窄。

(4)多螺旋桨斜推式爬墙机器人结构。该机器人采用多个螺旋桨提供贴附在墙面上的力，在不同的时刻调整螺旋桨的转速及方向，以保证运动过程流畅稳定，但多螺旋桨机构的功率太大，而为了减轻重量又不可携带过重电池，因此续航时间很短，实用意义不大。

上述几种较为成熟的爬墙机器原动力结构大多采用电源供电，存在的共同问题为灵活性太差、实用性太低和续航时间太短，采用上述爬墙机器人进行复杂环境作业时，不能够保证作业质量和安全，所以需要设计一种新型原动力结构以解决爬墙机器人灵活性差、续航时间短的问题。因此，有效解决爬墙机器人实用性差的关键是设计一种新型球形螺旋桨原动力机构。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构，解决了爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构的问题。

(二)技术方案

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：一种用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构，包括无刷电机、子弹头帽、螺旋桨、轴形电机支架、轴形支架舵机、盘形电机支架、盘形支架舵机、法兰盘和底盘，所述螺旋桨装在无刷电机上，用子弹头帽进行固定，无刷电机与轴形电机支架之间通过螺栓连接，轴形支架舵机输出端通过孔配合与轴形电机支架固接，轴形支架舵机本身通过螺栓与盘形电机支架固接，轴形电机支架通过滚动轴承与盘形电机支架相连接，盘形电机支架与盘形支架舵机通过法兰盘固接，且盘形支架舵机通过螺栓连接在底盘上。

优选的，所述的轴形电机支架两端由两种不同的结构组成，一端为挖槽与轴形电机支架输出端配合固结，另一端为圆柱形结构，通过滚动轴承与盘形电机支架相连接，轴形电机支架的最大转动角度不超过180度。

优选的，所述盘形支架舵机输出端与法兰盘通过嵌套配合固接，盘形支架舵机本身通过螺栓固接在底盘上。

优选的，所述盘形电机支架为u形结构、单方向的旋转且旋转角度最大不超过360度，其运动状态与轴形电机支架运动状态进行合并，可使螺旋桨施加力朝向空间任意方向。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果在于：

该用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构，通过无刷电机、子弹头帽、螺旋桨、轴形电机支架、轴形支架舵机、盘形电机支架、盘形支架舵机、法兰盘和底盘之间的相互配合，它能克服现有技术的弊端，结构设计新颖合理，通过采用多自由度球形螺旋桨机构，爬墙机器人在各种墙面上行走作业时，所需的多角度原动力可由一个螺旋桨提供，该机构有效地解决了仿生式爬墙机器人运动缓慢，多螺旋桨式爬墙机器人功率过大、续航时间过短，真空吸附式爬墙机器人对墙壁表面粗糙度和平整度要求过高的问题，从而大幅提高了爬墙机器人的续航时间以及其灵活性、鲁棒性和实用性。

附图说明

图1为本实用新型球形螺旋桨图结构示意图；

图2为本实用新型球形螺旋桨图细节结构示意图。

图中：1无刷电机；2子弹头帽、3螺旋桨、4轴形电机支架、5轴形支架舵机、6盘形电机支架、7盘形支架舵机、8法兰盘、9底盘。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，本实用新型提供一种技术方案：一种用于爬墙机器人的多自由度球形螺旋桨机构，包括无刷电机1、子弹头帽2、螺旋桨3、轴形电机支架4、轴形支架舵机5、盘形电机支架6、盘形支架舵机7、法兰盘8和底盘9，无刷电机1上安装有螺旋桨3并用子弹头帽2进行固定，无刷电机1安装并通过螺栓固定在轴形电机支架4上，轴形电机支架4安装在盘形电机支架6上，盘形电机支架6由横杆601和两个弧形护板602组成且形成u形结构，横杆601上表面的两端分别与两个弧形护板602的下表面固接，轴形电机支架4为一字形结构且一端穿过盘形电机支架6一端的弧形护板602上开设的通槽并与轴形支架舵机5输出端配合固接，轴形电机支架4的另一端为圆柱形结构并通过滚动轴承与盘形电机支架6另一端的弧形护板602的内壁相连接，为保证球形螺旋桨所施加斜推力始终指向底盘9向里方向，轴形电机支架4最大转动角度小于180度，轴形支架舵机5本身通过螺栓与盘形电机支架6相固结，轴形支架舵机5输出端穿过盘形电机支架6一端的弧形护板602上开设的通槽并与轴形电机支架4一端固接，盘形支架舵机7输出端与法兰盘8通过嵌套配合固接，法兰盘8的上表面与盘形电机支架6的横杆601下表面的中央固接，盘形支架舵机7本身通过螺栓固结在底盘9上，两个弧形护板602上均开设有椭圆形通孔，盘形电机支架6的结构，减轻了支架重量，无刷电机1、轴形支架舵机5、盘形支架舵机7均通过导线与固定在底盘9上的蓄电池电连接，导线留有余量便于支架转动，盘形电机支架6单方向旋转，在盘形支架舵机7通过法兰盘8的牵引下以垂直底盘轴为旋转轴转动到要求位置，旋转角度最大不超过360度，旋转最大范围为一周，可保证轴形支架舵机走线顺利，不会导致线缠绕的问题，盘形电机支架6运动状态与轴形电机支架4运动状态进行合并，可使螺旋桨3施加力朝向底盘9向里任意方向。

本实用新型的操作步骤为：

爬墙机器人在墙面运动时，主要分为两个阶段，静止和匀速直线运动两个阶段，根据控制部分所接收到的运动命令，经过下述动力学模型进行计算，可得出下一时刻的球形螺旋桨的轴形支架舵机5、盘形支架舵机7所处位置，即可得出另个舵机在接收到运动指令后所需转动的角度，控制轴形支架舵机5和盘形支架舵机7转动对应角度到对应位置，从而带动轴形电机支架4和盘形电机支架6转动到预设位置，固结于轴形电机支架4上的无刷电机1、子弹头帽2和螺旋桨3也转到对应位置，此时螺旋桨3所施加斜推力刚好满足动力学模型的要求，从而使机器人能够时刻保证贴附在墙面上且能够按照接收到的运动命令在墙面上自由行走。

动力学模型如下：静止阶段，由于球形螺旋桨产生的推力较小，摩擦力整体指向斜上方，但随着无刷电机转速增加，推力逐渐增大，摩擦力会先减小至0再反向增大，当推力增至临界值，机器人则开始运动，并在此种稳定的受力情况下做匀速直线运动，受力分析如下图所示。

设摩擦力f与墙面竖直线的夹角为ω，即车身中轴线与竖直方向夹角，f推与f平的空间夹角为θ，f合与f对的夹角为φ，尾翼螺旋桨产生的作用力为a，且与f平同向，则静止阶段的力学分析如下：

f推cosθ＝f平

f推sinθsinφ＝f竖

fsinω＝f平+a

f向上：fcosω+f竖＝g

f向下：fcosω+g＝f竖(1)

考虑静止阶段的临界情况，此时摩擦力f向下，化简(1)可得：

f推(cosθcosω-sinθsinφsinω)+acosω+gsinω＝0(2)

再考虑匀速直线运动阶段，记车轮与墙面摩擦系数为μ，在(1)的基础上引入：

f推sinθcosφ＝f对(3)

f＝f对·μ(4)

则匀速直线运动阶段的力学分析为：

f推(sinθsinφ-μsinθcosφcosω)＝g(5)

f推(μsinθcosφsinω-cosθ)＝a(6)

由于匀速直线运动阶段的推力及运动方向均不变，即f推、a为定值，且机器人位置人为给定，则ω为已知量，因此由(2)(5)(6)可解得θ、φ，也即：球形螺旋桨的位姿，以及临界的推力。当球形螺旋桨保持该姿态，调节转速使其达到临界推力，机器人便可在垂直墙面上匀速直线运动，也解决了传统多桨斜推式爬墙机器人功率过大、续航时间短、实用性差的缺点。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。