本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及移動機器人的行走機構(gòu)。

背景技術(shù)：

爬墻機器人是幫助人們完場高處作業(yè)的有力助手，比如大廈外墻角的清洗、船舶檢測、航天艙外維修等等情況，或者在反恐、救援、首腦保衛(wèi)、特種偵察等公共和國家安全領(lǐng)域以及狹小空間檢測等在特殊環(huán)境下，都需要用到爬墻機器人。

對于爬墻機器人，在技術(shù)上主要需要解決兩個關(guān)鍵問題：吸附和攀爬。目前，爬墻機器人主要有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三種吸附形式，真空吸附方式具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當(dāng)壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力和承載能力明顯下降。磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此嚴(yán)重地限制了爬壁機器人的應(yīng)用環(huán)境。攀援式吸附是通過抓住或勾住壁面的突起實現(xiàn)爬壁，這種方式要求壁面粗糙，對于光滑平面則不合適。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有的爬墻機器人主要集中在垂直墻面的吸附功能的研究，磁吸附對墻面有特殊要求，適用范圍小，真空吸附需要大功率產(chǎn)生負(fù)壓，仿生壁虎腳行走效率低等問題，提出一種結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能夠在建筑物外墻角、樹干的曲面等等非垂面攀爬的全向輪組合式墻面攀爬機器人。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。

一種全向輪組合式墻面攀爬機器人，包括攀爬機構(gòu)和吸附機構(gòu)。

所述攀爬機構(gòu)包括攀爬全向輪、驅(qū)動裝置I和夾臂I，驅(qū)動裝置I固定在夾臂I的末端，攀爬全向輪安裝在驅(qū)動裝置I上，由驅(qū)動裝置驅(qū)動，攀爬全向輪的中心輪軸軸心線與其夾臂I的兩臂形成的平面平行。

所述吸附機構(gòu)包括吸附全向輪、驅(qū)動裝置II、夾臂II，驅(qū)動裝置II固定在夾臂的末端，吸附全向輪安裝在驅(qū)動裝置II上，由驅(qū)動裝置驅(qū)動，吸附全向輪的中心輪軸軸心線與其夾臂II的兩臂形成的平面垂直。

所述攀爬機構(gòu)的攀爬全向輪、驅(qū)動裝置I、夾臂I與所述吸附機構(gòu)的吸附全向輪、驅(qū)動裝置II、夾臂II的結(jié)構(gòu)相同。

所述攀爬機構(gòu)和吸附機構(gòu)以夾臂I和夾臂II同向且上下平行的位置關(guān)系通過連接件剛性連接成一整體，構(gòu)成完整的全向輪組合式攀爬機構(gòu)。

所述全向輪組合式攀爬機構(gòu)通過夾臂的張緊力的分力垂直指向墻內(nèi)造成對墻面的壓力，吸附全向輪與攀爬全向輪對墻面擠壓形成豎直向上的摩擦力，豎直向上的摩擦力與重力抵消，當(dāng)吸附全向輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生平行墻面的摩擦力抵消夾臂張緊力的另一個分力，迫使機構(gòu)貼緊墻面，不讓夾臂后退，實現(xiàn)吸附。通過調(diào)節(jié)電機的扭矩和轉(zhuǎn)速，當(dāng)控制∑(F_fx,F_f,F_mg)≥0時，實現(xiàn)機器人向上攀爬，當(dāng)控制∑(F_fx,F_f,F_mg)≤0時，可實現(xiàn)機器人懸停，當(dāng)控制∑(F_fx,F_f,F_mg)≤0時，實現(xiàn)機器人向下移動；所述F_fx是攀爬全向輪轉(zhuǎn)動時與墻面產(chǎn)生豎直方向的摩擦力。F_f是吸附全向輪受到來自張緊力垂直指向墻內(nèi)造成對墻面的壓力時與墻面產(chǎn)生的摩擦力，F(xiàn)_mg是全向輪組合式攀爬機構(gòu)的重力。

進一步，所述攀爬機構(gòu)設(shè)置兩套，分別都過連接件剛性連接在吸附機構(gòu)的上下。

進一步，所述夾臂I包括彈性件I和兩個臂I，彈性件I連接在兩個臂I之間，形成一個類似夾子的結(jié)構(gòu)。所述夾臂II包括彈性件II和兩個臂II，彈性件II連接在兩個臂II之間，形成一個類似夾子的結(jié)構(gòu)。

進一步，所述驅(qū)動裝置I和II為電機，電機軸連接全向輪的中心輪軸。

進一步，連接攀爬機構(gòu)和吸附機構(gòu)的連接件包括側(cè)板和支架，側(cè)板連接在兩者夾臂中間的部位，支架連接在兩者夾臂的末端部位。

本發(fā)明的技術(shù)要點如下：

1.吸附全向輪在夾臂的作用下對墻面造成壓力，能夠使得機構(gòu)與墻面產(chǎn)生向上的摩擦力來為維持和重力的平衡，解決機構(gòu)的懸停問題。

2.吸附全向輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的摩擦阻力f_e與彈簧張緊力平行與墻面的分力平衡時候，則可解決夾臂彈出墻面的問題。

3.攀爬全向輪在夾臂壓力的作用下對墻面造成壓力，不僅能夠使得機構(gòu)與墻面產(chǎn)生向上的摩擦力來為維持和重力的平衡，還能提供向上的摩擦力，使得機構(gòu)向上攀爬。

4.機構(gòu)的懸停和下落和上升是通過調(diào)控電機的扭矩和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)的，攀爬全向輪和吸附全向輪的轉(zhuǎn)動方向始終不變。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單輕巧，控制方便，并且可以在非豎直平面上運動，能夠利用大部分建筑物都有外墻角的特性實現(xiàn)向上攀爬。并且機構(gòu)完成吸附平衡后，攀爬速度也較快。本發(fā)明不僅可靠性也高于大部分傳統(tǒng)吸附技術(shù)而且適用范圍廣。對大部分外墻角或者非壁面墻面都可適用，能夠完成特殊情形任務(wù)，如搭載不同的傳感器后可實現(xiàn)各種高空作業(yè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的攀爬結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的吸附結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的一個具體實例整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是吸附結(jié)構(gòu)受力分析圖；

圖5是簡化后的攀爬結(jié)構(gòu)受力分析圖；

圖6本發(fā)明的另一個具體實例整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加的清楚明白，以下結(jié)合附圖和實施例本發(fā)明的基本原理、結(jié)構(gòu)及行走方法做詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明要求保護的范圍。

全向輪組合式墻面攀爬機器人主要由如圖1所示的攀爬機構(gòu)和如圖2所示的吸附機構(gòu)剛性連接而成。

如圖1所示，攀爬機構(gòu)(1)主要包括攀爬全向輪(11)、驅(qū)動裝置I(12)、彈性件I(13)、臂I(14)。彈性件I(13)是一個拉簧結(jié)構(gòu)，連接在兩個臂I(14)之間，固定后形成一個類似夾子的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動裝置I(12)固定在夾臂的末端，攀爬全向輪(11)連接在驅(qū)動裝置I(12)上，驅(qū)動攀爬全向輪。攀爬全向輪(11)的輪軸軸心線與其夾臂I的兩臂形成的平面平行。

如圖2所示，吸附機構(gòu)主要包括吸附全向輪(2)、驅(qū)動裝置II(22)、彈性件II(23)、臂II(24)，它們的結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與攀爬機構(gòu)(1)一樣，不同之處是吸附全向輪(21)的安裝位置不同，吸附全向輪(21)的中心輪軸軸心線與其夾臂I的兩臂形成的平面垂直。

將攀爬機構(gòu)(1)和吸附機構(gòu)(2)以夾臂I和夾臂II同向且上下平行的位置關(guān)系通過連接件連接為一體，連接件包括側(cè)板(3)和支架(4)，側(cè)板連接在兩者的夾臂末端之間，支架連接在兩者的夾臂鉸接端之間，就形成如圖3所示的全向輪組合式攀爬機構(gòu)，為了便于說明，圖中僅給出與本發(fā)明相關(guān)的部分。

將機構(gòu)可以看成一個整體，夾臂的張緊力可以看成水平面的兩個分力F_k1和F_k2。F_k1為張緊力垂直指向墻內(nèi)造成對墻面的壓力，F(xiàn)_k2為張緊力平行于墻面指向墻角外的分力。全向輪與行動輪對墻面擠壓形成豎直向上的摩擦力，豎直向上的摩擦力與重力抵消，當(dāng)全向輪轉(zhuǎn)動時又會產(chǎn)生平行墻面的摩擦力抵消夾臂張緊力的另一個分力，迫使機構(gòu)貼緊墻面，不讓夾臂后退。當(dāng)機構(gòu)整體豎直方向上的摩擦力和重力平衡時候，則可以通過調(diào)節(jié)控制行動輪電機的扭矩和轉(zhuǎn)速來使得機構(gòu)上升，下降和懸停。

具體地，全向輪組合式墻面攀爬機器人的攀爬方法可以拆分為兩個方面：吸附和攀爬。吸附主要依賴于圖2的吸附機構(gòu)完成。受力分析如圖4，當(dāng)夾臂分開后，夾臂受彈簧拉力作用會產(chǎn)生張緊力F_k指向墻內(nèi)。夾臂的張緊力可以看成水平面的兩個分力F_k1和F_k2。F_k1為張緊力垂直指向墻內(nèi)造成對墻面的壓力，F(xiàn)_k2為張緊力平行于墻面指向墻角外的分力。此時吸附全向輪受到來自F_k1的壓力會與墻面產(chǎn)生摩擦力F_f。而F_f＝μ×F_k1，(μ為吸附全向輪與墻面的摩擦力系數(shù))。當(dāng)整個機構(gòu)重力F_mg≥F_f時，會使得機構(gòu)不往下滑。當(dāng)吸附全向輪轉(zhuǎn)動時又會產(chǎn)生摩擦力f_e，當(dāng)f_e≥F_k2，則使得夾臂不會彈離墻面。綜上，重力與由夾臂夾張力分力F_k1產(chǎn)生的摩擦力F_f抵消，由夾臂夾張力產(chǎn)生的分力F_k2又小于吸附全向輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦力f_e使得夾臂不會外彈。

圖2的結(jié)構(gòu)能夠使得機構(gòu)吸附在墻面上，攀爬主要依賴于圖1的攀爬機構(gòu)完成。機構(gòu)上下夾臂通過側(cè)板剛性連接，所以機構(gòu)的吸附全向輪主要解決了吸附平衡問題后，攀爬全向輪的受力分析就類似平地行駛車輪受到運動方向的摩擦力，因此整個機構(gòu)的攀爬全向輪輪受力分析可以簡化為如圖5。當(dāng)∑(F_fx,F_f,F_mg)≥0時可實現(xiàn)整個機構(gòu)向上攀爬，當(dāng)∑(F_fx,F_f,F_mg)＝0時可實現(xiàn)機構(gòu)懸停，當(dāng)Σ(F_fx,F_f,F_mg)≤0時可實現(xiàn)整個機構(gòu)向下移動。通過調(diào)節(jié)電機的扭矩和轉(zhuǎn)速則可實現(xiàn)對Σ(F_fx,F_f,F_mg)大小的控制。

圖6給出了本發(fā)明提供的另一種全向輪組合式攀爬機構(gòu)，為了便于說明，圖中也僅給出與本發(fā)明相關(guān)的部分。這種機構(gòu)在圖3的基礎(chǔ)上又加了一組吸附機構(gòu)，即中間是一組攀爬機構(gòu)，上下各連接一組吸附機構(gòu)。其攀爬方法與圖3所示的機構(gòu)一樣。

本發(fā)明采用的全向輪包括輪轂和從動輪，該輪轂的外圓周處均勻開設(shè)有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設(shè)有一從動輪，該從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。全向輪在平地轉(zhuǎn)動時，不僅能實現(xiàn)前進后退方向上的轉(zhuǎn)動，還能朝著左右方向移動。

本發(fā)明實施例提供的攀爬非壁面的方法，結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，控制簡單并且容易實現(xiàn)，主要巧妙利用機構(gòu)結(jié)構(gòu)使得全向輪和行動輪與墻面的摩擦力有利于機構(gòu)吸附在非壁面，適用于絕大多數(shù)非壁面爬行。