CN104129448A - 一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法。本发明在吸附行走过程中，对不平的曲面进行补偿，让其对于履带平面来说是平面的，其中的一种曲面补偿方式为从履带里伸出滑块填补不平的曲面，以达到在履带平面行走来说是平面的；在转向过程中，通过改变一边轮子或类似轮子的圆周方式滚动体的直径，来进行。一种方式是用滑块升降控制方式升高或降低同一边履带滑块的高度；所述的滑块通过活动关节与吸附体连接。本发明能保证机器人本体与复杂组合曲面最贴合的情况下，在复杂组合曲面快速吸附行走与爬墙通过。可进行吸附力的冗余设计，有极强的越障与曲面行走能力。

Description

一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，尤其是一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法。

背景技术

履带爬墙机器人困于现实应用地方多障碍物及复杂曲面而无法吸附行走及履带吸盘吸附后不能有效转向，而让世界科研人员转移目光到十字架构或控制更复杂的关节式机器人等方面的研究。然而履带方式的成熟简单，天然接触面大，多吸盘吸附能更好的分散压力及滚动带来的优越的移动性是其它方式的爬墙机器人无法比肩的。更大的优点是履带爬墙机器人的行走重心更平稳，重心能最大限度的帖近墙面，从而降低高空吸附行走坠落的风险。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提出一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法。

为了解决上述技术问题，本发明的方法如下：

一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法：

在吸附行走过程中，对不平的曲面进行补偿，让其对于履带平面来说是平面的。

在转向过程中，通过改变一边轮子或类似轮子的圆周方式滚动体的直径，来实现转向。

进一步说，在吸附行走过程中，曲面补偿方式为从履带里伸出滑块填补不平的曲面，以达到在履带平面行走来说是平面的。

在转向过程中，用滑块升降控制方式升高或降低同一边履带滑块的高度，从而来改动滚动体的直径；所述的滑块通过活动关节与吸附体连接。

进一步说，所述的滑块与履带之间设置有弹簧，履带作为基座使用。

进一步说，所述的滑块设置在基座内。

进一步说，所述的滑块有多节。

进一步说，基座内的滑块与基座外的另一滑块连接，通过另一滑块、活动关节与吸附体连接。

进一步说，所述基座为取电基座，基座设置有导电滑片或滑轮，正负极供电板设置在机器人本体上，基座上带有控制器。

进一步说，所述的滑块为螺杆滑块，其设置在电机升降式基座内，螺杆滑块内开有防螺杆旋转的滑槽或设有防螺杆旋转的滑片或螺杆滑块设计成圆柱体且切削一边或几边为平面，与基座配套防螺杆旋转。

进一步说，所述的吸附体为真空或负压吸盘、电磁或永磁性吸盘、仿生物吸盘中的一种。

进一步说，在吸附行走过程中，履带爬墙器人在行进过程中遇到表面不平整时，通过传感检测器件检测到，并控制前进方向的第一个要吸附的滑块吸附体的滑块滑出，在滑块长度能触及到的面，吸附体接触到被吸附墙面，并传回接触到吸附面的信息，通过控制处理器输出指令令吸附体施加吸附力；随着履带的转动，给滑块一个小的回拉力，这样机器人本体就能帖近墙体曲面最高点上，同时第一个滑块吸附机构，会依次后面移动，下一个要进行吸附的滑块吸附机构也依上面的动作完成，当吸附的滑块吸附体一直运行到履带平面未端。这时自适应控制解除吸附体的吸附力，并由施加的回拉力收回滑块，如此循环转动动作完成履带爬墙器人在复杂曲面吸附行走与跨障。

本发明的有益效果在于：本发明能保证机器人本体与复杂组合曲面最贴合的情况下，在复杂组合曲面快速吸附行走与爬墙通过。可进行吸附力的冗余设计，有极强的越障与曲面行走能力。本发明机构可依实际需要可无限制组合使用。本发明方案不仅适用于爬墙方式的行走。也适用于障碍地面行走。

附图说明

图1 滑块吸附机构第一种实施例；

图2滑块吸附机构第二种实施例；

图3滑块吸附机构第三种实施例；

图4滑块吸附机构第四种实施例；

图5滑块吸附机构第五种实施例；

图6滑块吸附机构的一种驱动方式；

图7履带爬墙器人一种工作示意图；

图8履带爬墙器人另一种工作示意图；

图9履带爬墙器人再一种工作示意图；

图10履带爬墙器人的俯视图；

图11履带爬墙器人的直线行走示意图；

图12履带爬墙器人的转弯行走示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的机构特点：适用于现有发明的多种现有的吸附方式，包括：磁吸附，真空吸附，负压吸附，以及仿生物脚掌的吸附方式等，也适用于目前还未发明出的吸附方式，亦能适用于现有发明的各种地面行走及跨障履带架构方式。其原理具体是：不平的曲面补偿，让其对于履带平面来说是平面的。其中的一种曲面补偿方式为从履带里伸出滑块填补不平的曲面，以达到在履带平面行走来说是平面的。滑块滑出方式分自适应补偿与主动补偿二种。

此处例举此原理方案下的一种复杂曲面行走与跨障履带爬墙机器人解决方案：滑块吸附机构补偿方案的五种具体实施方式。

如图1所示，在滑块2与履带5之间设置弹簧1，将履带链作为基座使用，滑块2通过活动关节3与吸附体4连接。

如图2所示，该机构为标准形式，滑块内置于基座6，可在基座6内上下移动。

如图3所示，该机构是图2的扩展版，针对深度的凹陷，采用的是多节式的滑块2-1。

如图4所示，该机构是图2的扩展版，采用了翻转的图2结构，基座内的滑块与基座外的另一滑块连接，通过另一滑块、活动关节与吸附体连接。

如图5所示，该机构采用了电驱动来调节滑块的形式，滑块为螺杆滑块2-2，其设置在电机升降式基座6-1内，螺杆滑块内开有防螺杆旋转的滑槽7或设有防螺杆旋转的滑片或螺杆滑块设计成圆柱体且切削一边或几边为平面，与基座配套防螺杆旋转

以上这些示图给出有几种形态的滑块吸盘机构，可依据实际应用需要设计出更符合应用的滑块吸附机构。其中的要点:a滑块能灵活来回滑动并能承载一定的横向与纵向力。b滑块与吸附体之间一定要有活动关节连接。

作为更多种实施例：A：图中所示的“吸附体”依设计的不同可分别为：真空或负压吸盘。电磁或磁性吸盘，仿生物吸盘及任何有吸附功能的吸附体。B：活动关节也可以为其它形式的，目的是能活动适应不平面C：滑块依承受力的强度与吸附方式可设计成空心或实心。D：滑块及滑块吸附机构可以是任何不同的几何形状。如圆柱形，多边体，方形等。

以下描述滑块吸附机构组合使用方式：

A：滑块吸附机构的吸附体可安装任何吸附方式的吸附装置，如真空或负压吸盘。电磁或永磁性吸盘，仿生物吸盘及任何有吸附功能的吸附装置。依爬墙面的材质属性可以灵活运用，如，具有磁性吸附爬墙面可用电磁吸盘，如船体，金属罐体等；爬墙面若是气密性好的材质，如玻璃窗，大理石或平滑磁砖面等，可用真空或负压吸盘。爬墙面若为气密性差的粗糙面，吸附体可选用仿生物吸附体等等。

B：滑块体控制方式也具有多样灵活性。较大曲面较小障碍物可用自适应方式。复杂曲面与多障碍物也可用软件分析计算与传感控制技术。进行精确控制每个要吸附滑块的各种适应动作，包括滑块滑出的长度，关节的曲面适应控制，及其中某滑块的抓吸与放弃。障碍的跨越与躲避等。

C：滑块滑出与复位动力：滑块滑出与复位动力可用自适应吸力拉出，也可用气，液，油，电磁，微电机，机械驱动（如弹簧）等各种方式。如图1是弹簧复位自适应滑块吸附机构。图6给出一种精确控制滑块体取电与控制传输方式，在图6中取电基座设置有导电滑片或滑轮10，正负极供电板9设置在机器人本体上，基座上带有控制器8。

本发明的装置的工作方式：参见图7、图8和图9。在本发明实施例中每个滑块吸附体是独立动作，这样更能适应复杂面的吸附与行走。N个单滑块吸附体组合使用，N>3。

图7至图9中示出：履带爬墙机器人在凹凸墙面13上行走，其采用了滑块吸附机构11中的滑块为多节式，履带爬墙机器人的驱动轮12前置。

依据图7至图9再次确定以下技术细节：1.滑块吸附机构安装在履带或复合履带上。履带依滑体的外形高度设计。2.传感检测控制滑块滑出或自适应滑块滑出；3.吸附装置：带活动关节或主动控制关节的负压吸盘或电磁吸盘或其它吸附装置。4.滑体机构基座是配合滑块设计成独立体或做在履带载体上合为一体。5.吸盘加装接触感应器件或不加。6.墙面曲面弧度过大或障碍高单滑块机构舍弃吸附，此可用软件控制或自适应控制方式（自适应方式为：滑块滑出最长后触发控制收回）。

履带爬墙器人在行进过程中遇到表面不平整时，通过传感检测器件检测到，并控制前进方向的第一个要吸附的滑块吸附体的滑块滑出，在滑块长度能触及到的面吸附体接触到被吸附墙面，并传回接触到吸附面的信息，通过控制处理器输出指令令吸附体施加吸附力。随着履带的转动。控制滑块机构给滑块一个小的回拉力，这样机器人本体就能帖近墙体曲面最高点上。为了避免机器人本体在行动过程中与墙面磨擦。可在机器人与墙帖合面的面上增加小滚珠或小滚轮。随着履带的转动，第一个滑块吸附机构，会依次后面移动，下一个要进行吸附的吸附机构也依上面的动作完成。当吸附的滑块吸附体一直运行到履带平面未端。这时自适应控制或软件控制解除吸附体的吸附力，并由施加的回拉力收回滑块。如此循环转动动作完成履带爬墙器人在复杂曲面吸附行走与跨障。

整个行走过程控制相对简单。检测墙面，滑块滑出，关节调整到最佳吸附面，施加吸附力吸附，滑块回拉，未端解除吸附力，滑块收回。（在行进过程中个别滑块吸附机构因与墙面障碍造成无法吸附时舍弃吸附收回滑块）

每个滑块吸附机构可进行模糊控制，也可以进行精确的控制。控制其滑块滑出长度，吸附体与墙面接合调节，关节的方向调整，何时施加与释放吸附力。滑块吸附收放及拉力的大小，行进中的滑块长度调节及不适合况态的舍弃等等。

履带爬墙器人的转向方法：现有履带行走的所有装置（如坦克，起重机，挖推土机），都是利用履带的差动原理转向，但这种转向方式均不适用吸附行走的转向要求。强行运用轻则造成吸附体与墙面损坏，重则在运行转向中因吸附体损坏造成机器人坠落事件。为了能灵活转向，本发明给出一种同轴同步转动转向方案，同时可以节省差动转向的很多材料，简化了方案。

原理：大小不同的二个圆在同轴转动时绕轴线与地面夹角点圆周转动。

应用说明：左右二边的履带用一个动力装置（如内燃机，电机14）通过变速箱15驱动同步传动轴16，同轴或转速一样，目的之一是保护吸附体。延长其使用寿命。减少运行过程中的损坏，如图10。其转向原理简化图参见图11，在左右轮大小一样时，其在地平面上直线行走。

说明：二边的履带都是在作变形的圆周运动，可以简化看成二个圆。二边履带平行大小时，行运方向是向前的如图11，当一个圆的直径大于另一个时，在同轴转动时，其向前运动时就不是直线，而是绕二个圆中心轴线与地面的夹角点进行绕夹角点的圆周运动，如图12；通过简单的公式很容易设计计算出圆周运动的半径R。

当需要转向时，通过改变一边轮子或类似轮子的圆周方式滚动体的直径，来进行。本案中的实施例是用机械控制或滑块升降控制方式升高或降低同一边履带滑块的高度，得到一边增高的移动带17。这样吸盘保持原来的吸附状态的。而在运动时因二边是履带同步转动，就会依大小不同的二个圆在同轴转动时绕轴线与地面夹角点圆周转动。完成在吸附体不挪动不松脱的情况下进行转向动作。

本发明方案能有效的解决履带爬墙机器人的跨障与复杂组合曲面自由行走吸附的问题，并提供一种在履带吸盘吸附况态下的行走转向方案。

依本发明方案实施，产品定型易模块化设计批量生产，维护保养简易。构成简单，控制简单，易增大吸附面积，更可大载荷，本体小体积化,轻量化设计应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (10)

1. 一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：

在吸附行走过程中，对不平的曲面进行补偿，让其对于履带平面来说是平面的；

在转向过程中，通过改变一边轮子或类似轮子的圆周方式滚动体的直径，来实现转向。

2.根据权利要求1所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：

在吸附行走过程中，曲面补偿方式为从履带里伸出滑块填补不平的曲面，以达到在履带平面行走来说是平面的；

在转向过程中，用滑块升降控制方式升高或降低同一边履带滑块的高度，从而来改动滚动体的直径；所述的滑块通过活动关节与吸附体连接。

3.根据权利要求2所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：所述的滑块与履带之间设置有弹簧，履带作为基座使用。

4.根据权利要求2所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：所述的滑块设置在基座内。

5.根据权利要求4所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：所述的滑块有多节。

6.根据权利要求4所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：基座内的滑块与基座外的另一滑块连接，通过另一滑块、活动关节与吸附体连接。

7.根据权利要求4所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：所述基座为取电基座，基座设置有导电滑片或滑轮，正负极供电板设置在机器人本体上，基座上带有控制器。

8.根据权利要求2所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：所述的滑块为螺杆滑块，其设置在电机升降式基座内，螺杆滑块内开有防螺杆旋转的滑槽或设有防螺杆旋转的滑片或螺杆滑块设计成圆柱体且切削一边或几边为平面，与基座配套防螺杆旋转。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：所述的吸附体为真空或负压吸盘、电磁或永磁性吸盘、仿生物吸盘中的一种。

10.根据权利要求2所述的一种履带爬墙机器人复杂曲面吸附行走与转向方法，其特征在于：

在吸附行走过程中，履带爬墙器人在行进过程中遇到表面不平整时，通过传感检测器件检测到，并控制前进方向的第一个要吸附的滑块吸附体的滑块滑出，在滑块长度能触及到的面，吸附体接触到被吸附墙面，并传回接触到吸附面的信息，通过控制处理器输出指令令吸附体施加吸附力；随着履带的转动，给滑块一个小的回拉力，这样机器人本体就能帖近墙体曲面最高点上，同时第一个滑块吸附机构，会依次后面移动，下一个要进行吸附的滑块吸附机构也依上面的动作完成，当吸附的滑块吸附体一直运行到履带平面未端；这时自适应或控制方法解除吸附体的吸附力，并由施加的回拉力收回滑块，如此循环转动动作完成履带爬墙器人在复杂曲面吸附行走与跨障。