一种具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车的制作方法

本发明属于爬壁车辆技术领域，特别涉及一种具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车。

背景技术：

爬壁车辆可用于墙面清洁、罐体金属除锈、家装墙面粉刷、大型家具喷漆、墙面探伤、消防物资输送等，搭载摄像头还可完成高空拍摄、移动监控等其它新型作业用途。

现有爬壁车辆其吸附在墙面的原理，大多数是磁吸附式与分子力吸附式，前者对墙面提出了相应带磁性或能够感磁的要求，使得其使用场景单一，而后者利用粘性材料，要求壁面有很高的光洁程度，其使用寿命有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车，采用负压吸附的形式，利用高速电机驱动的风扇将爬壁车腔体内的空气吸出，利用大气压力将爬壁车压在墙面上；仅要求墙面平整，对墙面光洁程度要求不高，能够扩大爬壁车的适用范围。

本发明提供的技术方案为：

一种具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车，包括：

车体，其包括筒体部和两个端盖，所述两个端盖与所述筒体部的两端分别密封连接；

其中，所述筒体部包括第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面依次垂直相连，所述第四侧面连接在所述第一侧面和所述第三侧面之间；

第一通道，其从所述第一侧面贯穿至所述第三侧面；

第二通道，其从所述第二侧面贯穿至所述第四侧面；

三组车轮，其分别安装在所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面上；

其中，每组车轮包括多个车轮；

车轮驱动机构，其驱动所述车轮转动；

第一风扇，其设置在所述第一通道内，且靠近所述第三侧面；

第二风扇，其设置在所述第二通道内，且靠近所述第四侧面；

第三风扇，其设置在所述第一通道内，且靠近所述第一侧面；所述第三风扇与所述第一风扇对称设置；

其中，当所述第一侧面靠近墙面时，所述第一通道能够在所述第一风扇的作用下产生负压，使爬壁车吸附在墙面上，并且能够通过车轮沿墙面行驶；

当所述第二侧面靠近墙面时，所述第二通道能够在所述第二风扇的作用下产生负压，使爬壁车吸附在墙面上，并且能够通过车轮沿墙面行驶；

当所述第三侧面靠近墙面时，所述第一通道能够在所述第三风扇的作用下产生负压，使爬壁车吸附在墙面上，并且能够通过车轮沿墙面行驶。

优选的是，所述第一通道和所述第二通道分别为圆柱形；其中，

所述第一通道的轴线与所述第一侧面垂直；

所述第二通道的轴线与所述第二侧面垂直。

优选的是，所述第四侧面与所述第二侧面平行；并且所述第一侧面、所述第二侧面、所述第三侧面及所述第四侧面的尺寸相同；

其中，所述第一通道的中心轴线同时穿过所述第一侧面和所述第三侧面的中心；所述第二通道的中心轴线同时穿过所述第二侧面和所述第四侧面的中心。

优选的是，所述第一通道的两端和所述第二通道的一端分别设置有密封裙；所述密封裙为环状结构，并且与所述第一通道或所述第二通道同轴设置；

其中，所述第二通道的密封裙设置在所述第二侧面上。

优选的是，所述第四侧面上设置有支撑座。

优选的是，每组所述车轮的数量为四个，并且四个所述车轮围绕所述密封裙设置。

优选的是，所述车轮驱动机构包括：

多个轮毂电机，其与所述车轮一一对应设置；所述轮毂电机嵌入式设置在所述车轮中；

其中，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面上在每个所述车轮的两侧分别固定设置有轴承；所述车轮的车轮轴的两端分别匹配安装在轴承中。

优选的是，所述车轮驱动机构包括：

两个第一车轮轴，其安装在所述第一侧面上，并且所述两个第一车轮轴平行设置；

两个第二车轮轴，其安装在所述第二侧面上，并且两个所述第二车轮轴与所述第一车轮轴平行设置；

两个第三车轮轴，其安装在所述第三侧面上，并且两个所述第三车轮轴与所述第二车轮轴平行设置；

其中，所述第一车轮轴的两端、所述第二车轮轴的两端和所述第三车轮轴的两端分别安装有所述车轮；以及

驱动电机，其具有动力输出轴，所述动力输出轴靠近所述第一车轮轴，并且与所述第一车轮轴平行设置；

其中，所述动力输出轴与其相邻的所述第一车轮轴之间、所述两个第一车轮轴之间、所述第一车轮轴与其相邻的所述第二车轮轴之间、所述两个第二车轮轴之间、所述第二车轮轴与其相邻的第三车轮轴之间以及所述两个第三车轮轴之间依次通过皮带或传动轴进行动力传输。

优选的是，所述的具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车，还包括：

多个超声波雷达，其分别设置在所述第一侧面与所述第二侧面的连接处和所述第二侧面与所述第三侧面的连接处。

优选的是，当所述风扇工作时，控制所述风扇的转速为：

式中，p0为大气压强，p1为吸附在墙面上的密封裙内的目标压强，l为密封裙端面与其吸附的墙面之间的距离，ξ为气体粘稠系数，r1为密封裙的内环半径，r2密封裙的外环的半径，g为重力加速度，t为气体的绝对温度，k为风扇固有比例系数。

本发明的有益效果是：

本发明提供的具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车，采用负压吸附的形式，利用高速电机驱动的风扇将爬壁车腔体内的空气吸出，利用大气压力将爬壁车压在墙面上；仅要求墙面平整，对墙面光洁程度要求不高，降低了使用爬壁车的环境要求，从而能够扩大爬壁车的适用范围。

附图说明

图1为本发明所述的爬壁车的车体外形示意图。

图2为本发明所述的爬壁车的总体结构示意图。

图3为本发明所述的电爬壁车的第一通道和第二通道的示意图。

图4为本发明所述的风扇结构示意图。

图5为本发明所述的轮毂电机驱动的爬壁车的车轮安装示意图。

图6为本发明所述的皮带驱动的爬壁车的车轮安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-3所示，本发明提供了一种具备墙边检测与转向功能的新型爬壁车，其主要包括车体100、多个车轮200和三个风扇。在本实施例中，车体100为正方体结构，车体100由筒体部和对称设置的两个端盖110围合形成；所述筒体部包括依次垂直相连的第一侧面130、第二侧面140、第三侧面150和第四侧面160。两个端盖110与所述筒体部的两端分别密封连接。

作为优选，第一侧面130和第二侧面140的交界处，第二侧面140和第第三侧面150的交界处、第三侧面150和第四侧面160的交界处、第四侧面160和第一侧面130的交界处、以及两个端盖110与上述四个侧面的交界处分别通过弧面过渡，以防止爬壁车对墙面造成损伤。

在车体100内分别设置有第一通道310和第二通道320，第一通道310从第一侧面130贯穿至第三侧面150；第二通道320从第二侧面140贯穿至第四侧面160。其中，第一通道310和第二通道320均为圆柱形通道。

在第一侧面130、第二侧面140和第三侧面150上分别设置有一组车轮200；其中，每组车轮200的数量为四个，并且每个侧面上的四个车轮200均围绕设置在第一通道310和第二通道320的端口外侧。同时，爬壁车内还设置有车轮驱动机构，用于驱动车轮200转动。

三个风扇310a、310b和320a设置在第一通道310和第二通道320中；其中，风扇310a和风扇310b对称设置在第一通道310的两端，即风扇310a和风扇310b分别靠近第一侧面130和第三侧面150设置。风扇320a设置在第二通道320内，并且靠近第四侧面160设置。其中，三个风扇310a、310b和320a的结构和安装方式完全相同。

如图4所示，以风扇310a为例，对风扇的结构进行进一步说明，风扇310a由高速电机310aa、输出轴310ab、风扇中心轴310ac和多个风扇叶片310ad组成；风扇中心轴310ac与高速电机的输出轴310ab过盈配合，实现刚性连接；其中，高速电机310aa上留有装配用的固定台310ae，在第一通道310的对应位置处，设置有与固定台310ae相匹配的连接件(图中未示出)，固定台310ae通过螺栓310af固定连接在所述连接件上，从而实现将风扇310a固定在第一通道130中。三个风扇310a、310b和320a的叶片均朝向对应通道的内侧设置，三个风扇310a、310b和320a的高速电机分别靠近对应的车体侧面设置。

当第一侧面130靠近墙面时，第一通道310内的风扇310b开始转动，使第一通道310内能够在风扇310b的作用下产生负压，使爬壁车吸附在墙面上，并且能够通过第一侧面130上的车轮200沿墙面行驶；此时，风扇310b和320a不工作。当第二侧面140靠近墙面时，第一通道320内的风扇320a开始转动，使第一通道320内能够在风扇320a的作用下产生负压，使爬壁车吸附在墙面上，并且能够通过第二侧面140上的车轮200沿墙面行驶；此时，风扇310a和310b不工作。当第三侧面150靠近墙面时，第一通道310内的风扇310a开始转动，使第一通道310内能够在风扇310a的作用下产生负压，使爬壁车吸附在墙面上，并且能够通过第三侧面150上的车轮200沿墙面行驶；此时，风扇310b和320a不工作。

所述爬壁车上还设置有超声波雷达410和超声波雷达420，超声波雷达410设置在第一侧面130与第二侧面140交界处的过渡弧面上，超声波雷达420设置在第二侧面140与第三侧面150交界处的过渡弧面上。例如，当爬壁车的第一侧面130沿竖直墙面的行走至房间顶部时(即从侧墙竖直向上行进至顶墙时)，超声波雷达410和420会将距离信息传输至上位机。上位机接收到信号后，执行换向指令：将风扇310b停转；风扇320a启动，使第二侧面140吸附在顶墙上，实现爬壁车的竖直吸附功能，第二侧面140上的4个车轮200转变为行进车轮驱动爬壁前进，爬壁车可以继续在顶部墙面行进作业。

作为进一步的优选，第一通道310的轴线与第一侧面130垂直；第二通道320的轴线与第二侧面140垂直；并且第一通道130的中心轴线同时穿过第一侧面130和第三侧面150的中心；第二通道320的中心轴线同时穿过第二侧面140和第四侧面160的中心。同时，风扇310a、310b的中心轴与第一通道310同轴设置，风扇320a的中心轴与第二通道320同轴设置。通过上述优化设置，能够保证爬壁车对墙面有更好的吸附效果，保证爬壁车行走的稳定性。

如图2所示，在本实施例中，第一通道310的两端分别设置有密封裙330和340；第二通道320的上端设置有密封裙350；即密封裙330和密封裙340分别设置在第一侧面130和第三侧面150上；密封裙350设置在第二侧面140上。所述密封裙330、340和350为环状结构，并且与所述第一通道或所述第二通道同轴设置，密封裙330、340和350的内径与第一通道310和第二通道320的内径均相等；密封裙330、340和350可以采用较软的材料，例如塑胶，采用粘合的方式固结在第一通道310和第二通道320的外部，密封裙330、340和350上加装硅胶、聚四氟乙烯支撑骨或猪鬃毛。安装密封裙330、340和350可以有效提高爬壁车腔体内的真空度，从而进一步提高爬壁车对墙面吸附的稳定程度，降低对风扇的转速和功率需求。

作为进一步的优选，在第四侧面160上安装有支撑座161，支撑座161在第四侧面160的两侧对称设置。设置支撑座161的底部采用橡胶材质，能够起到防撞和缓冲的作用，用于爬壁车的放置以及正常使用时的安全着陆。支撑座161能够防止由于墙面缝隙过大、电池电量不足等造成的爬壁车掉落，可以有效地保护超声波传感器以及车辆上可搭载的其它贵重设备。

如图5所示，在本实施例中，所述车轮驱动机构包括：多个轮毂电机，其与车轮200一一对应设置；所述轮毂电机嵌入式设置在车轮200中；实现每个车轮200的独立驱动。每个车轮200分别设置有车轮轴210，第一侧面130、第二侧面140和第三侧面150上在每个车轮200的两侧分别固定设置有轴承220；车轮200的车轮轴210的两端分别匹配安装在轴承220中。轴承220采用微型深沟球轴承，车轮轴210与微型深沟球轴承相连接，使车轮200能够自由旋转。

搭载轮毂电机的爬壁车动力性强，拥有较强的行进能力，适用于自身质量较大的爬壁车，在平整程度较差的壁面上行进效果更好。

如图6所示，在另一实施例中，所述车轮驱动机构包括：两个第一车轮轴230，其两端分别通过轴承安装在第一侧面130上，并且两个第一车轮轴230平行设置；两个第二车轮轴240，其两端分别通过轴承安装在第二侧面140上，并且两个第二车轮轴240均与第一车轮轴230平行设置；两个第三车轮轴250，其两端分别通过轴承安装在第三侧面150上，并且两个第三车轮轴250均与第二车轮轴240平行设置。其中，第一车轮轴230的两端、第二车轮轴240的两端和第三车轮轴250的两端分别同轴固定安装有车轮200；驱动电机260固定安装在车体内，驱动电机260具有动力输出轴261，所述动力输出轴261靠近第一车轮轴230，并且与第一车轮轴230平行设置。其中，动力输出轴261上同轴固定安装有皮带轮，第一车轮轴230、第二车轮轴240的两端和第三车轮轴250上安装有两个皮带轮；动力输出轴261与其相邻的第一车轮轴230之间通过皮带201传输动力、两个第一车轮轴230之间通过皮带202传输动力、第一车轮轴230(靠近第二车轮轴240的第一车轮轴230)与其相邻的第二车轮轴240之间通过皮带203传输动力、两个第二车轮轴之间240通过皮带204传输动力、第二车轮轴240(靠近第三车轮轴250的第二车轮轴240)与其相邻的第三车轮轴250之间通过皮带205传输动力、以及两个第三车轮轴250之间通过皮带206或传输动力。

其中，第一侧面130、第二侧面140和第三侧面150上对应第一车轮轴230、第二车轮轴之间240和第三车轮轴250的轴承处分别设置有轴承座，所述轴承固定安装在所述轴承座中。

在另一实施例中，将多个皮带机构替换成多个传动轴机构进行车轮轴间的动力传输。

如图3所示，为保证爬壁车处于较好的吸附状态，处于工作状态的风扇需要保持某个速度n连续转动，使处于工作状态的风扇所在的通道内最终将形成一个稳定的压强p1，密封腔气体的泄漏量和风机的抽气量相等。p1值小于大气压强p0，一般为0.5～0.8p0，具体数值与车体尺寸、车身载重、墙壁光滑程度密切相关。在实际使用中，可以在侧墙面水平方向上进行实验对p1值进行标定，具体方法为：通过改变风扇的转速n，使得系统设定的p1的值从大气压强p0逐渐减小，当爬壁车可以稳定吸附在墙面上，并且不影响其行进作业时，此时的p1值为目标值(公式中使用的p1值)，作业过程中p1可以有±3％的调整值。

设大气压强为p0，则通道内的负压值为：

p负＝p0-p1；

密封裙部气体泄漏量为：

在维持密封腔的负压下，正常运转时，风扇所需要抽出的气体即为qm，风扇抽气量与转速大体呈正比关系，即qm＝kp1n。

其中，l为间隙高度，单位：m；ξ为气体粘稠系数，r1为密封腔环绕的内侧直径，单位：m；r2为密封腔环绕的外侧直径，单位：m；p0为标准大气压，单位：bar；p1为密封腔内压强，单位：bar；qm为气体泄漏量，单位：m³/s；g为重力加速度，单位：m/s²；t为气体的绝对温度，单位：k；n为风扇转速，单位：r/min；k为风扇固有比例系数，单位：m³·bar/r；k数值与风扇叶片数、叶片结构有关，购置的成品其数值一般可由厂家提供。自主设计的非标准风扇，也可通过工程标定测量得到，具体方法为：在长直的玻璃风洞中，入口一端与大气相连，出口一端连接至恒压室。对出口端恒压室设定固定的压强，启动风扇，调整若干组风扇不同的转速n，测量入口处气流速度，可以计算得对应的抽气量qm，经拟合可以得到风扇的固有比例系数k。在本发明的实施条件下，k的取值为50～500。

即当所述风扇工作时，控制所述风扇的转速为：

在另一实施例中，当风扇工作时，采用闭环控制实时控制风扇的控制逻辑。在第一通道和第二通道内安装有压强传感器，用于实时读取通道内压强pt。当pt＜p1时，可以在上述控制的基础风扇转速基础上适当增大5％风扇转速，防止爬壁车因密封不严导致的气体泄漏而跌落。当pt＞p1时，可以在上述控制的基础风扇转速基础上适当降低5％风扇转速，防止爬壁车吸附的过于紧密而无法正常行进。依据采集到的压强pt动态调节实时风扇转速，可以有效的增强系统的鲁棒性。

本发明提供的爬壁车，在车体的第一通道和第二通道内安装有风扇形成负压腔，并在车体的三个侧面上分别安装四个车轮，使得爬壁车能够在垂直墙面间自由行走，单次行进可以接触到更大的壁面面积，使得爬壁车行迹能够覆盖屋内四壁及天花板。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。