CN101544249A - 基于气流升力的壁面移动机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于气流升力的壁面移动机器人，包括升力发生装置和沿壁面行走机构等，升力发生装置包括涵道风扇和导流叶片，涵道风扇的吸气口垂直向上放置，涵道风扇和导流叶片安装在气流方向调整架上，导流叶片位于涵道风扇的出气口；升力方向调整机构的升力方向调整环与气流方向调整架通过T形连接件连接，升力方向调整驱动电机安装在升力方向调整环上，通过升力方向调整驱动齿轮与活动安装在升力方向调整环上的沿壁面行走机构连接。本发明体积小、重量轻、噪声低、壁面适应能力强，可以在基于真空或者负压吸附原理的爬壁机器人不能吸附的粗糙壁面上完成可靠吸附和壁面移动，在反恐侦察、高层建筑壁面清洗、壁面检测等领域有广阔的应用前景。

Description

基于气流升力的壁面移动机器人
技术领域
本发明涉及的是一种机器人，具体地说是一种基于气流升力的壁面移动机器人。属于机器人技术领域。
背景技术
近年来，机器人在国家安全、工业检测、高空营救和反恐侦察任务中越来越得到人们的重视，国际上许多成功的机器人平台已经建立，但是具有爬壁、在天花板行走和穿越管道能力的机器人还很少。目前，有许多专家对具有爬壁能力的机器人做了研究，有运用吸附技术设计的连续运动清扫爬壁机器人，有运用磁性吸附技术设计的六足爬壁机器人，有运用磁性吸附技术设计的步行式爬壁机器人等。但由于这些机器人都具有体积大、价格昂贵、重量大、转弯特性差、控制系统复杂等缺点，极大地限制了这些机器人的应用。
随着科技的发展，反恐侦察、高层建筑物壁面检测、高空营救等领域迫切需要能实现良好爬壁功能的机器人。传统爬壁机器人的结构复杂、噪声大、运动速度慢的特点限制了机器人技术的发展，爬壁机器人在朝小型化，轻型化的方向发展，但现有爬壁机器人特别是基于真空吸附原理或者负压吸附原理的壁面移动机器人对壁面的适应能力和吸附的可靠性都很难达到实际应用的要求。在一些粗糙度比较大的壁面上利用真空或负压吸附原理的机器人很难适应。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、体积小、重量轻、噪声低、壁面适应能力强的壁面移动机器人。
为实现上述发明目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：
一种基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于包括升力发生装置、升力方向调整机构和沿壁面行走机构；
所述的升力发生装置包括函道风扇和导流叶片，函道风扇由函道管、固定在函道管内的骨架、固定在骨架上的驱动电机和风机叶片组成，所述的函道风扇的吸气口垂直向上放置，函道风扇安装在气流方向调整架上，在气流方向调整架上还安装有导流叶片，所述的的导流叶片位于函道风扇的出气口；
所述的升力方向调整机构包括升力方向调整环、升力方向调整驱动电机和升力方向调整驱动齿轮，升力方向调整环与气流方向调整架通过T形连接件连接，升力方向调整驱动电机安装在升力方向调整环上，通过升力方向调整驱动齿轮与活动安装在升力方向调整环上的沿壁面行走机构连接。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的导流叶片为水滴形。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于还包括控制器，在所述的T形连接件和升力方向调整环之间连接有拉力传感器，拉力传感器与控制器连接。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于在所述的升力方向调整环与拉力传感器的连接处还安装有倾角传感器，倾角传感器与控制器连接。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的升力发生装置根据拉力传感器的读数与拉力设定值之差来控制函道风扇的转速，实现拉力为设定值，采用的公式为Δv＝k(fd-fr)，式中Δv为函道风扇转速的增加量，k为正的比例系数，fd为设定的升力值，与机器人的重力相等，fr为拉力传感器的读数。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的升力方向调整机构根据倾角传感器的读数与倾角设定值之差来控制驱动电机的位置和转速，实现升力的方向为设定值，采用的公式为Δp＝kd(θd-θr)，式中Δp为升力方向调整驱动电机位移的增加量，kd为正的比例系数，θd为设定的倾角值，θr为倾角传感器的读数。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的驱动电机为外转子无刷直流电机。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的沿壁面行走机构为轮式移动机构、履带式移动机构或腿足式移动机构。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的沿壁面行走机构包括底盘、驱动轮和驱动轮支架，底盘活动安装在升力方向调整环上，在底盘中安装有供电电池，在底盘的下方装有驱动轮支架，在驱动轮支架上安装有驱动轮。
前述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的驱动轮，其上覆盖有防滑材料。
本发明的有益效果是：本发明通过安装在函道风扇内的电机带动风机叶片高速旋转产生足够的升力，克服机器人自身的重力，同时风扇下的导流叶片将部分气流导向外侧，使机器人获得垂直于壁面的压力，通过驱动装置实现机器人在壁面上的灵活移动。本发明体积小、重量轻、噪音低、壁面适应能力强，不依赖真空或与壁面之间的负压，在反恐侦察、高层建筑壁面清洗、壁面检测等领域有广泛的应用前景，特别是在壁面较为粗糙不适合采用基于负压吸附原理或者真空吸附原理的壁面移动机器人应用的场合。
附图说明
图1为本发明实施例的立体图；
图2为本发明实施例的结构后视图；
图3为本发明实施例的结构俯视图；
图4为本发明实施例的结构侧视图；
图5和图6为本发明附着于墙面沿不同方向行走时函道风扇与驱动轮位置状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述，本实施例的沿壁面行走机构为轮式移动机构。
图1为本发明实施例的立体图；图2为本发明实施例的结构后视图；图3为本发明实施例的结构俯视图；图4为本发明实施例的结构侧视图。
结合图1至图4，本发明的基于气流升力的壁面移动机器人，包括升力发生装置、升力方向调整机构和沿壁面行走机构。
升力发生装置包括函道风扇1和导流叶片2，函道风扇1由函道管、固定在函道管内的骨架、固定在骨架上的驱动电机和风机叶片12组成，驱动电机采用外转子直流电机，以便于供电电池的供电。函道风扇1的吸气口垂直向上放置(本实施例采用了2台函道风扇，但并不限定于此，可以根据情况而定)，函道风扇1采用轴流风扇，安装在气流方向调整架13上，在气流方向调整架13上还安装有导流叶片2，导流叶片2位于函道风扇1的出气口。导流叶片2采用水滴形，提高导流效果。
升力方向调整机构根据安装在升力发生装置上的倾角传感器5信号来调整升力的方向，包括升力方向调整环7、升力方向调整驱动电机6和升力方向调整驱动齿轮11，气流方向调整架13通过T形连接件3与拉力传感器4连接，拉力传感器4的另一端连接至升力方向调整环7。在升力方向调整环7与拉力传感器4的连接处安装有倾角传感器5，拉力传感器4和倾角传感器5都与控制器(未图示)连接。升力方向调整驱动电机6安装在升力方向调整环7上，通过升力方向调整驱动齿轮11与活动安装在升力方向调整环7上的沿壁面行走机构连接，升力方向调整驱动电机6通过升力方向调整驱动齿轮11驱动升力发生装置作旋转运动。
沿壁面行走机构可以采用轮式移动机构，也可以采用履带式移动机构或腿足式移动机构。在本实施例中，采用的是轮式移动机构，包括底盘8、驱动轮10和驱动轮支架9，底盘8活动安装在升力方向调整环7上，在底盘8中安装有供电电池，给驱动电机和升力方向调整驱动电机6供电。在底盘8的下方装有驱动轮支架9，在驱动轮支架9上安装有驱动轮10，在驱动轮10上覆盖有防滑材料，提高移动效果。
本发明的升力发生装置的导流叶片2与壁面之间有一定倾角，具体可根据实际情况调整，倾角越大机器人获得的正压力越大，相应的升力会减小。
本发明的升力发生装置的函道风扇1转速可通过控制器来调整，其产生的升力值可通过拉力传感器4检测，在工作状态下升力应近似等于机器人的重力。为保证升力的稳定性，升力发生装置根据拉力传感器4的读数与升力设定值之差来控制函道风扇1的转速，从而实现拉力为设定值，具体为Δv＝k(fd-fr)，式中Δv为函道风扇1转速的增加量，k为正的比例系数，fd为设定的升力值，fr为拉力传感器4的读数，设定的升力值fd应等于机器人所受的重力。该控制方法亦可视情况采用PID控制或者其他闭环控制算法。
本发明的升力方向调整机构实为一个旋转关节，采用直流电机驱动，通过升力方向调整驱动齿轮11传动实现旋转关节的转动。在工作状态下，升力方向应与重力方向相反。为保证机器人在壁面转向过程中升力方向的稳定，根据安装在升力方向调整机构上的倾角传感器5信号来控制升力方向调整驱动电机6的位置和速度输出，从而实现升力的方向为设定值，具体为Δp＝kd(θd-θr)，式中Δp为升力方向调整驱动电机6位移的增加量，kd为正的比例系数，θd为设定的倾角值，θr为倾角传感器5的读数，该控制方法亦可视情况采用PID控制或者其他闭环控制算法。
图5和图6为本发明附着于墙面沿不同方向行走时函道风扇1与驱动轮10位置状态示意图。
上述实施例不以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1、基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于包括升力发生装置、升力方向调整机构和沿壁面行走机构；
所述的升力发生装置包括函道风扇和导流叶片，函道风扇由函道管、固定在函道管内的骨架、固定在骨架上的驱动电机和风机叶片组成，所述的函道风扇的吸气口垂直向上放置，函道风扇安装在气流方向调整架上，在气流方向调整架上还安装有导流叶片，所述的的导流叶片位于函道风扇的出气口；
所述的升力方向调整机构包括升力方向调整环、升力方向调整驱动电机和升力方向调整驱动齿轮，升力方向调整环与气流方向调整架通过T形连接件连接，升力方向调整驱动电机安装在升力方向调整环上，通过升力方向调整驱动齿轮与活动安装在升力方向调整环上的沿壁面行走机构连接。
2、根据权利要求1所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的导流叶片为水滴形。
3、根据权利要求1所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于还包括控制器，在所述的T形连接件和升力方向调整环之间连接有拉力传感器，拉力传感器与控制器连接。
4、根据权利要求3所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于在所述的升力方向调整环与拉力传感器的连接处还安装有倾角传感器，倾角传感器与控制器连接。
5、根据权利要求4所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的升力发生装置根据拉力传感器的读数与拉力设定值之差来控制函道风扇的转速，实现拉力为设定值，采用的公式为Δv＝k(fd-fr)，式中Δv为函道风扇转速的增加量，k为正的比例系数，fd为设定的升力值，与机器人的重力相等，fr为拉力传感器的读数。
6、根据权利要求4所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的升力方向调整机构根据倾角传感器的读数与倾角设定值之差来控制驱动电机的位置和转速，实现升力的方向为设定值，采用的公式为Δp＝kd(θd-θr)，式中Δp为升力方向调整驱动电机位移的增加量，kd为正的比例系数，θd为设定的倾角值，θr为倾角传感器的读数。
7、根据权利要求1所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的驱动电机为外转子无刷直流电机。
8、根据权利要求1所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的沿壁面行走机构为轮式移动机构、履带式移动机构或腿足式移动机构。
9、根据权利要求1所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的沿壁面行走机构包括底盘、驱动轮和驱动轮支架，底盘活动安装在升力方向调整环上，在底盘中安装有供电电池，在底盘的下方装有驱动轮支架，在驱动轮支架上安装有驱动轮。
10、根据权利要求9所述的基于气流升力的壁面移动机器人，其特征在于所述的驱动轮，其上覆盖有防滑材料。
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