專利名稱：應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的反推力與負(fù)壓力復(fù)合吸附方法及其實(shí)現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種爬壁機(jī)器人與壁面的吸附方法，尤其是一種采用反推力與負(fù)壓吸附的爬壁機(jī)器人非線性復(fù)合吸附方法及其實(shí)現(xiàn)。

背景技術(shù)：
爬壁機(jī)器人是能夠代替人類工作在危險(xiǎn)的，以及不易達(dá)到的垂直壁面等極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人，如可用于高樓外墻表面清潔和墻壁表面建筑質(zhì)量的檢測，從高樓外部對樓內(nèi)可疑房間實(shí)施反恐偵察監(jiān)視等。
爬壁機(jī)器人一般依靠某種吸附力而使其可靠地附著在壁面上，并能在壁面上移動，在這里，如何可靠吸附是非常關(guān)鍵的。目前，對于爬壁機(jī)器人的吸附方式一般有磁吸附、真空吸附方式、負(fù)壓吸附方式、螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力吸附方式和利用粘性材料吸附方式等。其中磁吸附方式的爬壁機(jī)器人只能用于導(dǎo)磁性的壁面，應(yīng)用局限性大。真空吸附方式適合腿式移動的爬壁機(jī)器人，移動速度很慢，并且機(jī)器人體積龐大，不利于攜帶。負(fù)壓吸附方式雖然移動比較靈活，但是對壁面的要求很高，如果壁面上存在較大溝壑或者較大凸起，那么機(jī)器人將無法通過。此外，負(fù)壓吸附方式的爬壁機(jī)器人對吸盤腔的密封條件要求苛刻。利用粘性材料對壁面進(jìn)行吸附的機(jī)器人，還出于研究室階段，其不足在于無法解決材料的清潔或者自清潔的問題。
在原理上與本發(fā)明最為接近的是采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力進(jìn)行吸附的爬壁機(jī)器人(Akira Nishi等人，宮崎大學(xué)，1991)，如附圖1所示。采用該原理的機(jī)器人使用的螺旋槳軸線與壁面須保持一定夾角，螺旋槳推力的垂直分量用于平衡重力，對推力的利用效率高；對機(jī)器人的姿態(tài)及運(yùn)動控制方法復(fù)雜。
綜上所述，爬壁機(jī)器人在壁面上吸附可靠性差、靈活移動性差和越障能力弱的問題，實(shí)現(xiàn)難度大，可靠性低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種綜合利用負(fù)壓吸附和反向推力作用的非線性復(fù)合吸附方法及其實(shí)現(xiàn)，可提高爬壁機(jī)器人吸附可靠、靈活移動和越障的能力。
本發(fā)明的目地在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，無需吸盤密封和具有壁面強(qiáng)的適應(yīng)能力的、應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的一種復(fù)合吸附方法及其實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明所述吸附方法為利用導(dǎo)流涵道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳兩側(cè)的相對速度差異造成的靜壓差，產(chǎn)生反向推力，此時螺旋槳入流處的負(fù)壓腔內(nèi)的壓力低于吸盤外部的大氣壓力，使吸盤的負(fù)壓腔內(nèi)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，從而得到大氣壓對吸盤的正壓力；反向推力與正壓力的復(fù)合效應(yīng)就是對壁面的吸附力；當(dāng)吸附力處在足夠的閾值之內(nèi)，即不低于吸附力的臨界吸附力時(臨界情況為在吸附力的作用下，機(jī)器人移動裝置與壁面之間的摩擦力與系統(tǒng)總重力相平衡)，可吸附于壁面上。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明吸附方法的裝置包括吸盤、螺旋槳、負(fù)壓腔、導(dǎo)流涵道和縫隙調(diào)節(jié)裝置；吸盤與導(dǎo)流涵道無縫連接，吸盤在導(dǎo)流涵道入流處四周將其包圍，吸盤與壁面之間形成的空間為負(fù)壓腔，吸盤與壁面之間裝有縫隙調(diào)節(jié)裝置，該裝置與壁面接觸，可以調(diào)節(jié)吸盤與壁面的距離；螺旋槳放置于涵道內(nèi)，且二者軸線重合，螺旋槳軸線與壁面垂直；處于工作狀態(tài)時，導(dǎo)流涵道內(nèi)的螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，使得氣流從吸盤與壁面的縫隙進(jìn)入負(fù)壓腔體內(nèi)，而通過吸盤中央的導(dǎo)流涵道排出，形成吸盤內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)所產(chǎn)生的吸附力與導(dǎo)流涵道內(nèi)的螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)所得到的反向推力的疊加效應(yīng)，從而使機(jī)器人吸盤對壁面的總吸附力處在足夠的閾值之內(nèi)。即不會低于吸附力的臨界吸附力。再通過合理設(shè)置縫隙調(diào)節(jié)裝置，使吸盤與壁面保持最佳距離，可以使該總吸附力達(dá)到極大值。當(dāng)機(jī)器人跨越較大障礙時，也能使其在壁面上處于類似“浮動”的狀態(tài)，保證機(jī)器人既能動態(tài)吸附在墻面上，同時也能靈活移動。本發(fā)明技術(shù)方案中的螺旋槳可以為一片或多片，即為了提高總吸附力，或者為了取得同樣的推力并提高效率，還可以采取螺旋槳級聯(lián)的方式，既可以在涵道內(nèi)沿軸向串聯(lián)多個螺旋槳，也可使多個螺旋槳均布于吸盤平面。
下面對本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步定量分析。假設(shè)作用在吸盤有效面積S上的、對壁面的壓力(吸附力)為Fs，因吸盤腔內(nèi)為由負(fù)壓狀態(tài)而產(chǎn)生的、大氣壓對吸盤的壓力為Fp，螺旋槳產(chǎn)生的壓力為Ft，那么有下面的方程成立 Fs＝Fp+Ft 其中上面方程中的壓力Fs是一個函數(shù)，與機(jī)器人吸盤與壁面間的氣隙、氣體流量、流速參數(shù)等有關(guān)。
本發(fā)明物理組成包括產(chǎn)生推力的螺旋槳，利用負(fù)壓效果的吸盤，起導(dǎo)流作用的涵道，承受總吸附力的支撐裝置(可以為輪子或履帶等)。
對機(jī)器人外殼及葉輪在軸向列靜力學(xué)平衡方程，有 Fs＝Fp+Ft (a) 其中，F(xiàn)s為總吸附力，F(xiàn)t為螺旋槳推力，F(xiàn)p為負(fù)壓力。負(fù)壓力為吸盤S2上的分布力為 其中，P0為大氣壓力，P(x，y)為吸附系統(tǒng)內(nèi)靜壓強(qiáng)分布函數(shù)。
對系統(tǒng)內(nèi)流體在軸向列動量方程，則 其中，

為流體軸向速度矢量，ρ為流體密度，認(rèn)為是常數(shù)。S1為吸盤覆蓋壁面上表面，S2為吸盤內(nèi)表面(厚度忽略)，S3為涵道流體出口圓平面。
利用雷諾輸運(yùn)定理展開(c)式等號左項(xiàng)，則 其中，

為流體速度矢量。V為吸附系統(tǒng)流體總量，S為V的邊界。由于系統(tǒng)正常工作時，螺旋槳勻速轉(zhuǎn)動，根據(jù)對稱性，(d)式等號右邊第一項(xiàng)為0，又由于僅S3處流體有軸向速度，且S3為圓面，推導(dǎo)(d)式等號右邊第二項(xiàng)，則有 其中，i為軸向單位矢量。聯(lián)立(a—e)得到總吸附力表達(dá)式，有 從(f)式可以定性的分析吸盤與壁面縫隙高度h對總吸附力的影響當(dāng)h過小時，造成流體阻尼增大，影響流量，從而大大限制了S3處的軸向速度ua，故(f)表達(dá)式右邊第一項(xiàng)受影響，造成總吸附力下降。當(dāng)h過大時，雖然流量可得到保證，但是由于吸盤橫截面積過大而使吸盤下流體速度下降，從而增大S1處的流體靜壓，故(f)表達(dá)式右邊第三項(xiàng)過大，亦可造成總吸附力下降。在實(shí)際應(yīng)用中，合理設(shè)置h大小，可以得到一個最大的總吸附力，見附圖2。
吸盤設(shè)計(jì)有負(fù)壓腔和涵道，螺旋槳與安裝在吸盤的涵道內(nèi)。依靠螺旋槳兩側(cè)的相對速度差異產(chǎn)生靜壓差，靜壓差則造成推力的產(chǎn)生，同時負(fù)壓腔內(nèi)的壓力也相應(yīng)低于吸盤外部的大氣壓力，使吸盤的負(fù)壓腔內(nèi)產(chǎn)生一定的負(fù)壓，從而得到大氣壓對吸盤的正壓力。反向推力與正壓力的復(fù)合效應(yīng)就得到爬壁機(jī)器人與壁面的吸附力。
本發(fā)明的有益之處在于將螺旋槳反向推力與負(fù)壓吸附結(jié)合起來，從而使二者優(yōu)勢互補(bǔ)，彼此取長補(bǔ)短，發(fā)揮最大效能。與背景技術(shù)中的負(fù)壓吸附方式相比，本發(fā)明方案不需要復(fù)雜的吸盤密封結(jié)構(gòu)，對壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，可大大提高爬壁機(jī)器人在壁面上移動時的越障能力；與真空吸附方式相比，在壁面上移動更為靈活；與Akira等人提出的螺旋槳推力吸附方法相比，本發(fā)明螺旋槳軸線與壁面垂直，便于控制機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)，降低設(shè)計(jì)與制造難度，提高系統(tǒng)可靠性。



圖1螺旋槳推力吸附方式； 圖2是本發(fā)明的吸附原理分析圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的三維圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的多級螺旋槳片串聯(lián)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖； 其中1-吸盤，2-壁面，3-螺旋槳，4-負(fù)壓腔，5-導(dǎo)流涵道，6-縫隙調(diào)節(jié)裝置。

具體實(shí)施例方式 當(dāng)本方法用于爬壁機(jī)器人時，結(jié)合附圖2、附圖3和附圖4，一種實(shí)施方式可以描述為螺旋槳軸線與壁面垂直，用于提供軸向氣流和反推力，位于螺旋槳入流處的吸盤用于提供負(fù)壓吸力，吸盤上帶有產(chǎn)生負(fù)壓的負(fù)壓腔和導(dǎo)流涵道，螺旋槳位于導(dǎo)流涵道內(nèi)，與電動機(jī)的輸出軸配合連接，吸盤與導(dǎo)流涵道口為一體無縫連接。當(dāng)爬壁機(jī)器人的吸盤1在壁面2上處于工作狀態(tài)時，螺旋槳電動機(jī)驅(qū)動導(dǎo)流涵道5內(nèi)安裝的螺旋槳3高速旋轉(zhuǎn)，使得氣流從吸盤1與壁面2的縫隙進(jìn)入吸盤的負(fù)壓腔4體內(nèi)，而通過吸盤1中央的導(dǎo)流涵道5排出，這樣就形成了吸盤1內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)所產(chǎn)生的吸附力與導(dǎo)流涵道5內(nèi)的螺旋槳3高速旋轉(zhuǎn)所得到的反向推力的綜合作用而產(chǎn)生的力疊加效應(yīng)，即吸盤對壁面作用的吸附力為吸盤內(nèi)的負(fù)壓產(chǎn)生的吸附力與螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反推力的非線性疊加，從而使機(jī)器人吸盤1對壁面2的總吸附力處在足夠的閾值之內(nèi)，不會低于吸附力的臨界吸附力，再通過合理設(shè)置縫隙調(diào)節(jié)裝置6，使吸盤1與壁面2保持最佳距離，可以使該總吸附力達(dá)到極大值。當(dāng)機(jī)器人跨越較大障礙時，也能使其在壁面上處于類似“浮動”的狀態(tài)，在安裝車輪(或履帶)等移動機(jī)構(gòu)的情況下，即可保證機(jī)器人既能動態(tài)吸附在墻面上，同時也能靈活移動。
為了取得同樣的推力并提高效率，可以采取螺旋槳級聯(lián)的方式，既可以在涵道5內(nèi)沿軸向串聯(lián)多個螺旋槳，見圖4，也可使多個螺旋槳均布于吸盤平面。
以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的反推力與負(fù)壓力復(fù)合吸附方法，其特征在于，利用導(dǎo)流涵道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳兩側(cè)的相對速度差異造成的靜壓差，產(chǎn)生反向推力，此時螺旋槳入流處的負(fù)壓腔內(nèi)的壓力低于吸盤外部的大氣壓力，使吸盤的負(fù)壓腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，從而得到大氣壓對吸盤的正壓力；反向推力與正壓力的疊加就是對壁面的吸附力；當(dāng)吸附力不低于臨界吸附力時，可吸附于壁面上。
2.一種應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的反推力與負(fù)壓力復(fù)合吸附方法的實(shí)現(xiàn)，其特征在于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置包括吸盤(1)，螺旋槳(3)，負(fù)壓腔(4)，導(dǎo)流涵道(5)和縫隙調(diào)節(jié)裝置(6)；吸盤(1)與導(dǎo)流涵道(5)無縫連接，吸盤(1)在導(dǎo)流涵道(5)入流處四周將其包圍，吸盤(1)與壁面(2)之間形成的空間為負(fù)壓腔(4)，吸盤(1)與壁面之間裝有縫隙調(diào)節(jié)裝置(6)，該裝置與壁面(2)接觸，用于調(diào)節(jié)吸盤(1)與壁面(2)的距離；螺旋槳(3)放置于涵道(5)內(nèi)，且二者軸線重合，螺旋槳(3)軸線與壁面(2)垂直；處于工作狀態(tài)時，導(dǎo)流涵道(5)內(nèi)的螺旋槳(3)高速旋轉(zhuǎn)，使得氣流從吸盤(1)與壁面(2)的縫隙進(jìn)入負(fù)壓腔(4)體內(nèi)，而通過吸盤(1)中央的導(dǎo)流涵道(5)排出，形成吸盤(1)內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)所產(chǎn)生的吸附力與導(dǎo)流涵道(5)內(nèi)的螺旋槳(3)高速旋轉(zhuǎn)所得到的反向推力的疊加效應(yīng)，從而使機(jī)器人吸盤(1)對壁面(2)的總吸附力處在閾值之內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的反推力與負(fù)壓力復(fù)合吸附方法的實(shí)現(xiàn)，其特征在于通過調(diào)節(jié)縫隙調(diào)節(jié)裝置(6)改變對壁面的總吸附力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的反推力與負(fù)壓力復(fù)合吸附方法的實(shí)現(xiàn)，其特征在于螺旋槳為一片、兩片或兩片以上，兩片或兩片以上時，螺旋槳相互關(guān)系為串聯(lián)或并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于爬壁機(jī)器人的反推力與負(fù)壓力復(fù)合吸附方法及其實(shí)現(xiàn)。當(dāng)爬壁機(jī)器人的吸盤(1)與壁面接觸時，導(dǎo)流涵道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳(3)使得氣流從吸盤(1)與壁面間的縫隙處進(jìn)入吸盤(1)的腔體(4)內(nèi)，再通過吸盤(1)的頂部的螺旋槳(3)所處的導(dǎo)流涵道(5)排出，形成吸盤(1)內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)所產(chǎn)生的吸附力與涵道內(nèi)的螺旋槳(3)高速旋轉(zhuǎn)所得到的反向推力的疊加效應(yīng)，使機(jī)器人吸盤(1)與壁面的吸附力處在足夠的閾值之內(nèi)。保證機(jī)器人既能動態(tài)吸附在墻面上，同時也能靈活移動。應(yīng)用本發(fā)明的原理及其實(shí)現(xiàn)方法可使爬壁機(jī)器人小型輕量化，低噪音，節(jié)能，無需復(fù)雜的吸盤密封裝置，越障能力強(qiáng)。
文檔編號B62D57/04GK101412415SQ20081022755
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者高學(xué)山, 軍 李, 李科杰, 煒 朱, 范寧軍 申請人:北京理工大學(xué)