CN107200077A

CN107200077A - 一种三体式爬壁机器人及其越障方法

Info

Publication number: CN107200077A
Application number: CN201710269358.8A
Authority: CN
Inventors: 郑宏远
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: CN107200077B

Abstract

本发明公开了一种三体式爬壁机器人及其越障方法，属于智能机器人技术领域。所述的三体式爬壁机器人包括三个爬壁机器人单体、两套越障机构，以及供电单元、保险绳和控制单元。所述的两个越障机构分别位于相邻的两个爬壁机器人单体之间，用于控制与其连接的两个爬壁机器人单体在壁面之上横向或竖向行走。所述的越障方法两套越障机构依次控制三个单体的抬起放下动作实现。本发明实现了在建筑壁面上全向越障的同时具有高速移动能力，这样如果在其上安装擦窗或喷涂装置，则可以大幅度的提高工作进度，进而使机器人拥有很高的经济性。

Description

一种三体式爬壁机器人及其越障方法

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，涉及一种爬壁机器人，具体地说，是指一种能够在壁面上全向无限制越障的三体式爬壁机器人，可作为高楼擦窗和检测等作业设备在壁面上移动的载体。

背景技术

高层建筑的幕墙清洗、幕墙检测和喷涂等特种作业工作具有极高的安全风险和技术难度，但长期以来，由于工作环境复杂多样和技术条件的限制，只能以人工的方式来完成，风险极大，成本很高、效果也很有限，且随着建筑高度的增加，这种情况会更加严重。此外，此工作很容易对地面人员造成二次伤害。随着高层建筑数量的快速增加，迫切的需要一种能在幕墙上自动行走的爬壁设备搭载工作模块来替代此项工作。

爬壁机器人是一种能在高楼竖直壁面上实现吸附和移动的机器人。

目前国内外已经出现了多种爬壁机器人以及基于它们所开发的擦窗机器人，概括起来可分为多足吸盘式、单体行走式、蠕动吸附式和双体式等几类，

A.多足吸盘式：提供吸力的主要部件为吸盘，吸力产生原理为振动吸附、高分子力吸附和静电吸附等，能够实现在各个方向上的移动和越障，但速度很慢，可靠性差，且不能越过略高的窗框或台阶。如专利申请公布号CN104983369A和CN205574093U公开的技术方案，专利申请公布号CN104983369A中所述的机器人虽然有越障能力却只能在壁面上缓慢移动，且越障动作缓慢而不稳定。

B.单体行走式：目前的主流，提供吸力的主要部件为真空发生器、负压发生器和旋翼等，吸力产生原理为负压吸附、真空吸附、正压吸附和磁吸附等几种，能够实现在无窗框壁面上吸附和快速移动，但均无法可靠的越过障碍(窗框或壁面的突起和凹陷结构等)。如专利申请专利号ZL01267909.7、申请公布号CN105799805A和申请公布号CN202669947公开的技术方案，申请公布号CN105799805A中所述的机器人虽然可以在壁面上稳定的行走，但只能在单块玻璃上移动，不具备越障能力。

C.蠕动吸附式：提供吸力的主要部件为吸盘，能够模仿蛇的蠕动方式来移动和越障，缺点是移动速度慢，结构复杂。如专利号ZL200710179041.1公开的模块化小型爬壁机器蠕虫。

D.双体式：由两个单体爬壁机器人模块通过关节连接在一起构成，吸附原理可以是负压吸附、真空吸附、正压吸附和磁吸附等方式的任意一种，如专利申请公布号CN104923507A和CN102211626A公开的技术方案，专利申请公布号CN104923507A中公开的机器人虽然能够在壁面上快速行走，并拥有越过水平障碍的能力(以一个处于吸附状态的机器人单体把另一个关闭吸附功能的机器人单体抬过障碍物的方式来实现)，但却无法越过竖直方向的障碍。主要原因是当其中的一个机器人单体被抬起时，其自身重量会围绕扭转中心(见图2a的S点)形成较大的扭转力矩，此时，另一个处在吸附状态中的机器人单体只能依靠各轮系与壁面产生的摩擦力矩来与之对抗，很难平衡，需要每个机器人单体的吸附力足够大且力臂L足够小才可以实现，但事实上，现有吸附发生器的吸附力是有限的，且障碍往往很宽，意味着这两个条件都不能得到满足，所以并不实用。

现有的技术均无法做到在壁面上保持高速移动的同时实现越过竖直障碍(窗框和台阶)的能力，使用时存在诸多限制，所以很难推广。

专利申请号201010289327.7公开的机器人，有能力在壁面上快走，也有可能越过小型障碍物，但由于其中心过高，翻转力矩很大，导致其在各个方向上的越障高度均十分有限，多数情况下，此构造无法顺利越过普通的高楼窗框或凹陷障碍物。

发明内容

本发明提供一种三体式爬壁机器人及其越障方法，所述的三体式爬壁机器人能够自如的在包括玻璃在内的各种建筑幕墙和混凝土壁面之上横向或竖向行走，并越过分布于行走路径上的各种窗框和缝隙障碍，且可以携带能够执行擦窗、喷涂、检测、摄像等任务的各种负载设备进行高空作业。

本发明提供的三体式爬壁机器人包括三个爬壁机器人单体、两套越障机构，以及供电单元、保险绳和控制单元。所述的保险绳一端连接越障机构，一端固定在楼顶，用于保证三体式爬壁机器人在三个爬壁机器人单体失效或其他意外情况下不掉落至地面。所述的供电单元为外接电源，用来为爬壁机器人单体和控制单元供电。所述的控制单元与所述的三个爬壁机器人单体和两个越障机构连接，固定在任意一个爬壁机器人单体或越障机构上，用于直接控制整个三体式爬壁机器人的行走、越障等各种运动轨迹、越障动作和各部件的运行状态。所述三个爬壁机器人单体分别为单体A、单体B和单体C，单体A、单体B和单体C的结构中，至少两个单体中存在动力单元(轮系和减速电机)，所述的两个越障机构分别为越障机构A和越障机构B，位于相邻的两个爬壁机器人单体之间，用于控制与其连接的两个爬壁机器人单体的行走，使得三体式爬壁机器人越过建筑壁面的窗框、较大的缝隙和其它凹凸结构。

本发明提供的三体式爬壁机器人的越障方法，通过单体A、单体B、单体C以及越障机构A和越障机构B实现，具体包括如下步骤：

第一步，三体式爬壁机器人在运动过程中，单体A、单体B和单体C中的测距传感器持续发送障碍物测距信息到控制单元；

第二步，如果在行进方向上遇到凸起障碍物，执行第三步；如果遇到凹陷障碍物，执行第四步。

第三步，单体A抬起，单体B和/或单体C推着单体A继续向前运动；如果障碍物在行进方向的尺寸大于越障机构的L型支架的尺寸，那么单体A在障碍物上吸附；否则，如果障碍物的尺寸较小，单体A在越过障碍物后，在障碍物的另一侧建筑壁面上吸附；

单体B和单体C依次执行单体A的抬起和放下动作，三个单体都越过障碍物。

第四步，单体A在建筑壁面上无吸附，在单体B和/或单体C的推动下，如果凹陷障碍物在行进方向的尺寸大于越障机构的L型支架的尺寸，那么单体A在障碍物上吸附并继续运动；否则，如果障碍物的尺寸较小，单体A在越过障碍物后，在障碍物的另一侧建筑壁面上吸附并继续运动；单体B和单体C依次执行单体A的越障步骤，三个单体都越过障碍物。

本发明是一种能在高楼壁面上快速行走和全向越过障碍的爬壁机器人，优点在于：

(1)具有能够在建筑壁面上自主越过横竖布置的凹凸结构和壁面缝隙等障碍的特点，进而使机器人拥有了真正实用性。

(2)实现了在建筑壁面上全向越障的同时具有高速移动能力，这样如果在其上安装擦窗或喷涂装置，则可以大幅度的提高工作进度，进而使机器人拥有很高的经济性。

附图说明

图1为本发明所述三体式爬壁机器人的总体结构示意图。

图2为本发明中所述爬壁机器人单体的结构示意图。

图3A为本发明中越障机构实现爬壁机器人单体之间相对滑动的连接关系示意图。

图3B为本发明中越障机构实现爬壁机器人单体之间相对滑动和转动的连接关系示意图。

图3C为本发明中越障机构的平行四边形连杆机构示意图。

图4为三体式爬壁机器人越过小尺寸凸起障碍物的越障方法示意图。

图5为三体式爬壁机器人越上大尺寸凸起障碍物壁面的越障方法示意图。

图6为三体式爬壁机器人越上大凹陷障碍物壁面的越障方法示意图。

图7A为传统的双体式爬壁机器人在水平方向上越障时的受力示意图。

图7B为本发明的三体式爬壁机器人在水平方向上越障时的受力示意图。

图8A为双体式爬壁机器人在竖直方向上越障时的受力示意图。

图8B为本发明的三体式爬壁机器人在竖直方向上越障时的受力示意图。

图中：

1.爬壁机器人单体； 2.越障机构； 3.供电单元； 4.保险绳；

5.控制单元； 101.吸附发生器； 102.内腔； 103.密封件；

104.负压传感器； 105.轮系； 106.减速电机； 107.框架；

108.测距传感器； 201.滑道； 202.螺杆； 203.滑块；

204.L型支架； 205.伺服电机；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明首先提供一种能够在建筑壁面上快速行走和全向越过障碍的三体式爬壁机器人，所述的三体式爬壁机器人包括三个平行布置的爬壁机器人单体1、两个越障机构2、一个供电单元3、一根保险绳4和控制单元5。所述的保险绳4一端连接越障机构2，一端固定在楼顶，用于保证三体式爬壁机器人在三个爬壁机器人单体1失效或其他意外情况下不掉落至地面。所述的供电单元3为外接电源，用来为爬壁机器人单体1和控制单元5供电。所述的控制单元5与所述的爬壁机器人单体1和越障机构2连接，固定在任意一个爬壁机器人单体1或越障机构2上，用于直接控制整个三体式爬壁机器人的行走、越障等各种运动轨迹、越障动作和各部件的运行状态。所述三个爬壁机器人单体1结构可以相同，但其中之一也可以没有独立的动力(即不安装减速电机106)、三个机器人单体1也可以做成不同的尺寸、使用不同形状和材质的密封件103和使用不同类型的吸附发生器101(使用真空发生器或负压发生器均可)，所述的两个越障机构2分别位于相邻的两个爬壁机器人单体1之间，用于将与其连接的两个爬壁机器人单体1按需要被抬起或放下，再配合单体1的行走功能，使得三体式爬壁机器人越过建筑壁面的窗框、较大的缝隙和其它凹凸结构。

如图2所示，所述的爬壁机器人单体1包括固定在框架107上的吸附发生器101、内腔102、密封件103、负压传感器104，至少两个爬壁机器人单体1还包括有轮系105和减速电机106，为整个三体式爬壁机器人提供吸附力和行走动力。所述的吸附发生器101、负压传感器104和减速电机106均连接控制单元5，负压传感器104用于监测内腔102中的负压，并将负压数据发送给控制单元5，用以控制吸附发生器101的工作。减速电机106的工作由控制单元5进行控制。

所述的内腔102可以通过将框架107设计成腔体结构实现，如图2所示；也可以在框架107上单独设计一个腔体结构实现，内腔102的负压通过吸附发生器101实现，保证单体在建筑壁面上的吸附功能。

优选的，爬壁机器人单体1整体包覆在所述的框架107中。或者将外壳107与内腔102设置成同一个结构，同时实现支撑保护和吸附建筑壁面的作用。

在所述的框架107上设置有测距传感器108，如图2所示，所述的测距传感器108用于检测相应的爬壁机器人单体1与障碍物之间的距离，并将测距信息发送给控制单元5，控制单元5根据所述的测距信息，发出控制指令给越障机构2。

所述的吸附发生器101可以为使用离心叶轮的负压发生器，也可以为使用真空泵的真空发生器，包含吸气端和排气端，其作用为持续抽取内腔102内空气形成负压，控制和调节相应爬壁机器人单体1的壁面吸附功能的启动和关闭，其中吸附发生器101的吸气端位于内腔102之内，而排气端位于内腔102之外。

所述密封件103为用柔性不透气材料组成的闭环组件，设置在内腔102开口边缘与建筑壁面之间，可以为一圈，也可以为多圈，圈数越多，则密封效果越好。密封件103的作用为阻止外界的空气进入内腔102，使内腔102内部的气压低于外界，或形成近真空状态，进而借助于大气压力形成机器人在墙壁上的壁面吸附功能。

负压传感器104可以实时测量内腔中的气压值，使控制单元5能够据此协调机器人的运行状态，确保整个机器人能够始终吸附于建筑壁面之上。比如若发现某个爬壁机器人单体1中的气压值因漏气而急速升高，控制单元5便可及时提高相应吸附发生器101的运行功率，进而及时弥补内腔102吸附力的不足。

所述的减速电机106的输出轴连接轮系105，控制单元5可以控制减速电机106的转速和转动方向，进而驱动轮系105在壁面上快速移动行走。

所述的轮系105可以是车轮系，也可以是履带轮系。所述的减速电机106可以布置在内腔102内部，也可以布置在内腔102外部，内腔102的开口形状可以选择圆形或者长方形。密封件103最内圈的形状与内腔102的开口形状相同。

越障机构2连接在两个爬壁机器人单体1之间，可以交替的举起或放下相应的爬壁机器人单体1，配合其它单体1的行走功能，使得相应的爬壁机器人单体1越过障碍物。

下面举例说明所述越障机构2的实现方式。

越障机构2采用滑块螺杆机构连接在爬壁机器人单体A(简称单体A)和爬壁机器人单体B(简称单体B)之间。如图3A所示，所述的越障机构2包括滑道201、螺杆202、滑块203和L型支架204，所述的滑道201至少有一端固定连接在单体B上；所述螺杆202的长轴与滑道201平行，至少有一端与单体B连接，且能够绕自身的长轴旋转，所述的螺杆202上螺纹连接滑块203，L型支架204一端连接滑块203，另一端连接在单体A上，所述的螺杆202一端连接有伺服电机205，当伺服电机205启动后，螺杆202旋转，使得滑块203在螺杆202上的运动，滑块203通过L型支架204带动单体A，实现单体A和单体B之间的相对位置移动。

当单体B与建筑壁面吸牢而单体A无吸力(关闭相应的发生器5)时，伺服电机205启动并且螺杆202转动，滑块203在螺杆202上的运动，通过L型支架204带动单体A抬起或放下；而当单体B与壁面无吸力但单体A吸牢时，启动伺服电机205后，滑块203相对建筑壁面的垂直距离不变，由于作用力和反作用力的关系，螺杆202相对于滑块203的运动，转换为螺杆202带动滑道201的运动，进而带动单体B随着滑道201的抬起或放下。所述的单体A和单体B的位置可以互换。

所述的滑块螺杆机构也可以用齿轮齿条配合的机构来替代，所不同的是这种方案需要将齿轮的轴与伺服电机205相连，且至少齿条的一端完全固定在与之相邻的一个单体之上。

进一步的，如图3B所示，所述的L型支架204的两个连杆之间可以采用转动连接方式，转动力由驱动电机提供。当单体B与壁面吸牢而单体A无吸力(关闭相应的发生器5)时，伺服电机205驱动滑块203和螺杆202相对运动，将单体A在抬起或放下的同时，驱动电机驱动L型支架204的两个连杆相对转动，使得没有吸附力的单体A发生转动，转动角度θ＝0～180°，可以实现转换吸附平面或越障的功能，即完成了单体A完整的面面转换过程。当单体A与壁面吸牢而单体B无吸力时，由于作用力和反作用力的关系，单体A不会转动，相反，单体B会发生转动，单体B转动的同时，单体B与单体C之间的L型支架的两个连杆也相对转动，配合单体B的转动，进而实现了单体B完整的面面转换能力。三体式爬壁机器人的剩下的一个单体(记为单体C)和单体B面面转换的实现形式与单体A和单体B的配合方式相同。

所述的越障机构2和任意两个爬壁机器人单体之间的滑块螺杆结构，也可以采用平行四边形连杆机构代替，如图3C所示，通过平行的一组连杆的转动，实现两个单体之间的相对抬起或放下。

下面针对壁面上凸起和凹陷两类障碍，以及障碍物尺寸等特征，举例给出应用本发明提供的越障方法的具体越障动作。

有五种方法可判断壁面障碍物是凸起障碍物还是凹陷障碍物：

方法1：以操作人员在操作位置通过目视发出的遥控指令作为判断依据。

方法2：根据建筑表面的情况在机器人工作前提前设定越障程序或在轨迹上标定障碍类型来判断。

方法3：也可以在机器人上搭载摄像头，然后对其中的视频信息自动进行图像处理，通过提取的特征信息来判断，也可以以人工观察视频信息的形式来判断。

方法4：在机器人的单体上同时布置朝向壁面和前方的测距传感器，这样，在机器人向前移动过程中当前者采集到的距离信息突然持续变大则可判断遇到了凹陷障碍物，其中距离信息变化的幅度即为凹陷深度；而如果前者采集到的距离信息不变但后者却在不断变小，则可判断障碍物为凸起类型，在单体A被抬起的过程中，如果向前的测距传感器采集到的距离信息突然持续性的变大，则可判定单体到达了障碍物高度极限附近。

方法5：也可以结合摄像头、测距传感器、人工等途径综合判断障碍物类型。

实施例1：对于行进方向上尺寸较小的凸起障碍物，所述的三体式爬壁机器人需通过越障机构2对其进行跨越，则此时越障方法包括以下步骤(如图4所示)：

步骤1.1：控制单元5向减速电机106发出工作指令，减速电机106驱动轮系105运动，将爬壁机器人移动至凸起障碍物，测距传感器109将测距信号发送给控制单元5；距离凸起障碍物的爬壁机器人单体由近及远分别为单体A、单体B和单体C。控制单元5首先关闭单体A上的吸附发生器5，使得单体A的内腔102与建筑壁面之间无吸力。

步骤1.2：控制单元5控制伺服电机205开启将单体A抬起，单体A的抬起高度超过凸起障碍物的高度。

步骤1.3：此时，轮系105带动单体B和单体C持续运动，使得单体A从障碍物上方越过所述的障碍物。

步骤1.4：控制单元5根据单体A中的测距信号以及单体B中的测距信号，将单体A放下至建筑壁面，开启单体A的吸附发生器。

步骤1.5：关闭单体B的吸附发生器，然后通过越障机构2将单体B抬起至超过凸起障碍物的高度。

步骤1.6：通过移动单体A和单体C将单体B推过或带动越过凸起障碍物。

步骤1.7：通过两个越障机构将单体B放下至建筑壁面，然后启动单体B的吸附发生器，使单体B牢牢的吸附于建筑壁面。

步骤1.8：关闭单体C的吸附发生器，通过第二个越障机构将单体C抬起，抬起高度超过凸起障碍物高度。

步骤1.9：通过移动单体A和单体B，将单体C从障碍物上方拉过凸起障碍物。

步骤1.10：通过第二个越障机构将单体C放下至建筑壁面，然后启动单体C的吸附发生器，使单体C牢牢的吸附于建筑壁面。

上述越障的过程中，减速电机106是持续驱动轮系105运动的，所述的轮系105至少布置在其中的两个单体中，以保证在一个单体抬起的情况下，另外两个单体仍然可以带动三体式爬壁机器人的整体运动。

实施例2：对于行进方向上尺寸较短的凹陷障碍物，如果通过后的壁面与当前壁面无错层，则三体式爬壁机器人只需正常移动即可通过障碍。而如果通过后的壁面与当前壁面有错层，则将第一种越障方法中的单体抬起动作改为无动作，单体的放下动作改为从初始位置向下运动到建筑壁面并吸附的动作，其余方法步骤不变。

实施例3：对于行进方向上大尺寸的凸起障碍物，所述的三体式爬壁机器人需要先跨上障碍物，具体越障过程包括以下步骤，如图5所示：

步骤3.1：将整个三体式爬壁机器人移动至凸起障碍物跟前，单体A的测距传感器向控制单元5发送测距信息。

步骤3.2：关闭单体A的吸附发生器(壁面吸附功能)，通过第一个越障机构将第一个爬壁机器人单体(单体A)抬起，其高度超过凸起障碍物的高度。

步骤3.3：通过移动第二和第三个爬壁机器人单体(单体B和单体C)将第一个机器人单体(单体A)向前推。

步骤3.4：通过第一个越障机构将第一个机器人单体放下至凸起障碍物表面，然后启动第一个机器人单体A的壁面吸附功能(吸附发生器)，使单体A牢牢的吸附于凸起障碍物表面。

步骤3.5：关闭第二个机器人单体B的壁面吸附功能(吸附发生器)，然后通过两个越障机构将第二个机器人单体B抬起至超过凸起障碍物的高度。

步骤3.6：通过移动第一个爬壁机器人单体A和第三个机器人单体C将第二个机器人单体B向前推动或带动。

步骤3.7：通过两个越障机构将第二个机器人单体B放下至凸起障碍物表面，然后启动第二个机器人单体B的壁面吸附功能，使单体B牢牢的吸附于凸起障碍物表面。

步骤3.8：关闭第三个机器人单体C的壁面吸附功能，通过第二个越障机构将第三个机器人单体C抬起，其高度超过凸起障碍物的高度。

步骤3.9：通过移动第一个爬壁机器人单体A和第二个爬壁机器人单体B将第三个爬壁机器人单体C拉过凸起障碍物。

步骤3.10：通过第二个越障机构将第三个爬壁机器人单体C放下至凸起障碍物表面，然后启动第三个机器人单体C的壁面吸附功能，使单体C牢牢的吸附于凸起障碍物表面。

所述的凸起障碍物一般为具有台阶面的两个建筑墙面的壁面，三体式爬壁机器人需要从较低位置的壁面移动到较高位置的壁面工作。

实施例4：对于行进方向上尺寸较大的凹陷障碍物，凹陷尺寸大于机器人整体尺寸时，越障方法包括以下步骤(如图6所示)：

步骤4.1：控制单元5控制减速电机工作，将三体式爬壁机器人整体运动移动至凹陷障碍物跟前，并实时接收每个单体的测距信息。

步骤4.2：单体B和单体C持续向前运动，推动单体A逐渐脱离当前建筑壁面到达凹陷障碍物上方。

步骤4.3：通过第一个越障机构将第一个机器人单体A向下运动直至凹陷部分的表面，然后启动第一个机器人单体A的壁面吸附功能(吸附发生器)，使单体A牢牢的吸附于凹陷部分的玻璃幕墙表面。

步骤4.4：通过单体A和单体C的持续运动，单体B逐步脱离建筑壁面到达凹陷障碍物上方。

步骤4.5：通过两个越障机构将第二个机器人单体B向下运动直至凹陷障碍物的幕墙壁面，然后启动第二个机器人单体B的壁面吸附功能，使单体B的内腔牢牢的吸附于凹陷障碍物幕墙表面。

步骤4.6：通过移动第一个爬壁机器人单体A和第二个爬壁机器人单体B将第三个爬壁机器人单体C拉过至凹陷障碍物上方。

步骤4.7：通过第二个越障机构将第三个爬壁机器人单体C放下至凹陷障碍物幕墙壁面，然后启动第三个机器人单体C的吸附发生器即壁面吸附功能，使单体C牢牢的吸附于幕墙表面。至此，三个单体均转移运动至凹陷障碍物表面。

本发明提供的所述的三体式爬壁机器人采用了将三个平行布置的爬壁机器人单体(至少其中有两个单体能够自主移动)通过两套越障机构串联在一起的结构形式，借助于越障机构，三个爬壁机器人单体(单体A、单体B和单体C)通过轮流被抬起-越障-放下的方式，顺序越过竖直建筑墙壁上的障碍(整个过程中始终有两个单体与建筑壁面是吸牢的)，最终达到使整个三体式爬壁机器人具有快速越过壁面障碍的能力，相对于传统的双体爬壁机器人很难横向越障的不足，本发明所提出的三体式爬壁机器人可以实现横向和纵向越障。

当机器人需要越过水平方向上的障碍时，无论双体式还是三体式爬壁机器人均需要以一个个被抬起和放下的方式来越过障碍，如图7A，当传统的双体式爬壁机器人的单体A被抬起时，它对壁面便不再有吸附力、摩擦力和抗自身扭转的摩擦力矩，但是其自身受到的重力却会通过越障机构传导至单体B，且以单体B上的S点为原点，距离L为半径形成较大的扭转力矩M_Na，此时，只有单体B的摩擦力矩M_KNa能够与之对抗，这样如果距离L稍大，导致G_AL>M_KNa,则机器人无法保持平衡，即无法越障。而距离L又与越障机构的可跨越尺寸直接相关，这就导致机器人在水平方向上只能越过很小的障碍物。对于三体式爬壁机器人，如图7B，当单体A被抬起时，其自身虽然不再有抗扭转的摩擦力矩，但它的重力所形成的扭转力矩M_Nb却可以始终以S为支点被单体C重力所形成的抗扭转力矩M_KNb所完美平衡，与L和越障机构的可跨越尺寸无关，这样，越障机构的有效越障尺寸就可以设计的很大(可在水平方向上跨越任意尺寸的障碍)，这样机器人便拥有了真正的实用性，因为大多数窗框的宽度都比较大。(注：三体式爬壁机器人的任何一个单体被抬起的受力状态均与单体A的情况类似)

当机器人需要越过竖直方向上的障碍时，无论双体式还是三体式爬壁机器人也均需要以一个个被抬起和放下的方式来越过障碍，如图8A，当传统的双体式爬壁机器人的单体A被抬起时，它对壁面便不再有吸附力、摩擦力和抗自身扭转的摩擦力矩，此时所受的重力G_A只能靠单体B的摩擦力f_B来平衡，而两个单体所受重力(G_A和G_B)围绕回转中心S点所形成的翻转扭矩M_Fa只能靠单体B所受吸附力N_B围绕S点所形成的抗翻转力矩M_KFa来平衡，即始终需要N_BL₄不小于G_AL₃与G_BL₁的和；由于L₁和吸附力N_B固定，则L₃必然不能太大，即机器人的越障高度十分有限。当三体式爬壁机器人的单体A被抬起时，如图8B，所受的重力G_A可以由单体B和单体C的摩擦力(f_B+f_C)共同承担，三个单体所受重力(G_A、G_B和G_C)围绕回转中心S点所形成的翻转扭矩M_Fb可以由单体B和单体C所受吸附力(N_B和N_C)围绕S点所形成的合抗翻转力矩M_KFa来平衡，即只要N_BL₅+N_CL₄不小于G_AL₃+(G_B+G_C)L₁即可；可见三体式爬壁机器人在此种工况下较双体机器人的受力状态更好，可以跨越更高的障碍物，并携带更多的负载；甚至通过延长越障机构在竖直方向上的尺寸即可越过任意高度的障碍物(这种方法对于双体式爬壁机器人则没有任何作用，因为双体机器人的越障能力只与自身尺寸有关，但受单块幕墙限制又不可能做的特别大，毕竟做大后在幕墙接缝处容易漏气导致吸附力失效)。而其它单体被抬起时最上面单体吸附力与回转中心之间的力臂变大，其受力状态比单体A被抬起时的受力状态还好，跨越障碍的能力也更强。

综上，三体式爬壁机器人与传统的双体式爬壁机器人相比，虽然只增加了一个单体和一套越障机构，但受力状态却因此被完全改变，有能力任意方向上跨越任意尺寸的障碍物，具备了真正实用的全向越障能力；而传统的双体式爬壁机器人只能在竖直方向上具备有限的越障能力。如果进一步增加单体和越障机构数量则系统会变得更加复杂，越障速度也会随之变慢，实用性变差。

Claims

1.一种三体式爬壁机器人，其特征在于：所述的三体式爬壁机器人包括三个爬壁机器人单体、两套越障机构，以及供电单元、保险绳和控制单元；所述的保险绳一端连接越障机构，一端固定在楼顶，所述的供电单元用来为爬壁机器人单体和控制单元供电；所述的控制单元与所述的爬壁机器人单体和越障机构连接，固定在任意一个爬壁机器人单体或越障机构上；所述三个爬壁机器人单体分别为单体A、单体B和单体C，所述的两个越障机构分别为越障机构A和越障机构B，分别位于相邻的两个爬壁机器人单体之间，具体连接顺序为：单体A-越障机构A-单体B-越障机构B-单体C；所述的越障机构采用滑块螺杆机构、齿轮齿条机构或者平行四边形四杆机构连接在两个爬壁机器人单体之间，实现相邻的两个爬壁机器人单体之间的相对运动和/或转动。

2.根据权利要求1所述的一种三体式爬壁机器人，其特征在于：所述的三个爬壁机器人单体均包括固定在框架上的吸附发生器、内腔、密封件、负压传感器和测距传感器，其中至少两个单体中还包括有轮系和减速电机，为整个三体式爬壁机器人提供吸附力和行走动力；所述的吸附发生器、负压传感器、减速电机和测距传感器均连接到控制单元，控制单元接收负压传感器的数据，监测内腔中的负压，用以控制吸附发生器的工作；所述的减速电机的输出轴连接轮系，减速电机的工作由控制单元进行控制；所述的轮系为履带轮系或车轮系；所述的吸附发生器为真空发生器或负压发生器；所述密封件设置在内腔开口边缘与建筑壁面之间，作用为阻止外界的空气进入内腔，使内腔内部的气压低于外界，或形成真空状态，进而借助于大气压力形成机器人在墙壁上的壁面吸附功能。

3.根据权利要求1所述的一种三体式爬壁机器人，其特征在于：所述的滑块螺杆机构包括滑道、螺杆、滑块和L型支架，所述的滑道至少有一端固定连接在单体B上；所述螺杆的长轴与滑道平行，至少有一端与单体B连接，且能够绕自身的轴旋转，所述的螺杆上螺纹连接滑块，L型支架一端固定连接滑块，另一端固定连接在单体A上，所述的螺杆一端连接有伺服电机，伺服电机的输出轴连接螺杆，当伺服电机启动后，螺杆旋转，使得滑块在螺杆上的运动，滑块通过L型支架带动单体A，实现单体A和单体B之间的相对位置移动；所述越障机构的两端在单体A和单体B上的布置位置可以互换；

当单体B与壁面吸牢而单体A无吸力时，伺服电机驱动滑块和螺杆相对运动，将单体A在抬起或放下，配合其余单体的行走功能，实现单体A在行走方向上的越障功能；当单体A与壁面吸牢而单体B无吸力时，伺服电机驱动滑块和螺杆相对运动，滑块和单体A相对于建筑壁面的高度不变，但由于作用力和反作用力的关系，螺杆的旋转会带动滑道和单体B抬起或放下，配合机器人的移动功能，实现单体B在行走方向上的越障功能。

4.根据权利要求3所述的一种三体式爬壁机器人，其特征在于：所述的L型支架的两个连杆之间采用转动连接方式，转动力由驱动电机提供；

当单体B与壁面吸牢而单体A无吸力时，伺服电机驱动滑块和螺杆相对运动，将单体A在抬起或放下的同时，驱动电机驱动L型支架的两个连杆相对转动，使得没有吸附力的单体A发生转动，实现转换吸附平面或越障的功能，即完成了单体A完整的面面转换过程；当单体A与壁面吸牢而单体B无吸力时，由于作用力和反作用力的关系，单体A不会转动，相反，单体B会发生转动，单体B转动的同时，单体B与单体C之间的L型支架的两个连杆也相对转动，配合单体B的转动，进而实现了单体B完整的面面转换能力；三体式爬壁机器人的剩下的一个单体C和单体B面面转换的实现形式与单体A和单体B的配合方式相同。

5.根据权利要求1所述的一种三体式爬壁机器人，其特征在于：所述的齿轮齿条机构，需要将齿轮的轴与伺服电机相连，且至少齿条的一端完全固定在与之相邻的一个单体之上。

6.根据权利要求1所述的一种三体式爬壁机器人，其特征在于：所述的平行四边形四杆机构，需要将平行四边形四杆机构的一个轴与伺服电机相连，且与此轴相连接的一个连杆需要固定在安装伺服电机的一个单体之上。

7.一种三体式爬壁机器人的越障方法，通过单体A、单体B、单体C以及越障机构A和越障机构B实现，具体包括如下步骤：

第二步，如果在行进方向上遇到凸起障碍物，执行第三步；如果遇到凹陷障碍物，执行第四步；

单体B和单体C依次执行单体A的抬起和放下动作，三个单体都越过障碍物；

第四步，单体A在建筑壁面上行走至凹陷障碍物上方后无吸附，在单体B和/或单体C的推动下，如果凹陷障碍物在行进方向的尺寸大于越障机构的L型支架的尺寸，那么单体A在障碍物上吸附并继续运动；否则，如果障碍物的尺寸较小，单体A在越过障碍物后，在障碍物的另一侧建筑壁面上吸附并继续运动；单体B和单体C依次执行单体A的越障步骤，三个单体都越过障碍物。