CN107697181A - 水平阴角攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水平阴角攀爬机器人，包括支架和设置在支架上的至少一个附着结构以及行动结构，所述附着结构包括左支架Ⅰ和右支架Ⅰ以及对称设置在左支架Ⅰ和右支架Ⅰ上的驱动轮，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ之间设有一推力装置Ⅰ，所述驱动轮的轮面与墙面相切出轴线与阴角棱线平行；所述行动结构包括左支架Ⅱ和右支架Ⅱ以及设置在左支架Ⅱ和右支架Ⅱ上的行动轮，左支架Ⅱ和右支架Ⅱ上之间设有一推力装置Ⅱ，所述行动轮的轮面与墙面相切，出轴线与阴角棱线垂直；所述驱动轮和行动轮均为全向轮。本装置克服了现有爬墙机器人材料设备要求高，能源利用率低，负载能力不足等缺点。

Description

水平阴角攀爬机器人

技术领域

本发明属于攀爬机器人领域，涉及一种水平阴角攀爬机器人。

背景技术

现有的研究主要集中在墙面移动在生活中，而具有阴角(凹角)、阳角(凸角)的建筑处处可见，所以利用墙角攀爬的机器人应用将非常广泛。爬墙机器人有两大关键问题，一、机器人稳定地攀附在墙面上，二、机器人在墙面有效移动。针对这类问题，现在已提出了如下几类机器人：真空吸盘式爬墙机器人，风压式爬墙机器人，粘胶式爬墙机器人，静电吸附式爬墙机器人。而这些机器人大多数具有相同的缺点，能量利用率不高，攀爬效率低下，机体重量重，所以对制作机器人材料要求很高，且负载能力是一个致命的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水平阴角攀爬机器人，克服了现有爬墙机器人材料设备要求高，能源利用率低，负载能力不足等缺点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水平阴角攀爬机器人，包括支架和并列设置在支架上的至少一个附着结构以及行动结构，所述附着结构包括驱动轮、对称设置的左支架Ⅰ和右支架Ⅰ，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ之间的夹角大于阴角，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ之间设有一推力装置Ⅰ，所述左支架Ⅰ和右支架Ⅰ的一端与支架铰接，另一端均设有驱动轮，驱动轮的轮面与墙面相切并通过电机Ⅰ驱动，出轴线与阴角棱线平行；所述行动结构包括行动轮、对称设置的左支架Ⅱ和右支架Ⅱ，所述左支架Ⅱ和右支架Ⅱ之间的夹角大于阴角，左支架Ⅱ和右支架Ⅱ之间设有一推力装置Ⅱ，所述左支架Ⅱ和右支架Ⅱ的一端与支架铰接，另一端均设有行动轮，行动轮的轮面与墙面相切并通过电机Ⅱ驱动，出轴线与阴角棱线垂直；所述驱动轮和行动轮均为全向轮。

进一步，所述附着结构为V型结构，所述支架包括连接轴，所述连接轴平行于阴角棱线设置在V型结构的支点处，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ分别与连接轴铰接形成V型结构的两边。

进一步，所述行动结构也为V型结构，左支架Ⅱ和右支架Ⅱ分别与连接轴铰接形成V型结构的两边，所述行动轮为一对，分别对称设置在左支架Ⅱ和右支架Ⅱ上。

进一步，所述全向轮包括活动脚轮和固定脚轮，所述固定脚轮连接电机，所述活动脚轮设置在固定脚轮上，活动脚轮的旋转轴与固定脚轮的出轴线垂直。

进一步，所述推力装置Ⅰ和推力装置Ⅱ为弹性弓片或弹簧。

本发明的有益效果在于：

1.本发明仅通过中间的推力装置使得全向轮对墙面的压力进行动态调整，在运动过程中同时起到了调解和平衡V型结构的夹角的作用，并增加摩擦力，满足负载要求。

2.本发明将附着机构和行动机构组合运用，可针对不同的用途选择不同数目之间进行组合，满足不同的功能需求。

3.附着机构与行动机构互不干扰，保持能源利用的高效性，不浪费能量在无关的机构上。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明第一种实施例的结构示意图；

图2为附着结构的结构示意图；

图3为行动结构的结构示意图；

图4至图6为第二种实施例分别在三种阴角处的受力分析图；

图7第二种实施例的主视图；

图8第二种实施例的侧视图；

图9第二种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明公开了一种利用水平阴角进行攀附并且可以左右移动的攀爬机器人。包括支架1和设置在支架上的至少一个附着结构以及行动结构。附着机构数目为N(N＝1、2、3……)，行动机构数目为M(M＝1、2、3……)。如图1所示，包括一个附着结构2和一个行动结构3。

如图2为附着结构2的结构示意图，包括左支架Ⅰ21和右支架Ⅰ22以及对称设置在左支架Ⅰ21和右支架Ⅰ上22的驱动轮23和24，左支架Ⅰ21和右支架Ⅰ22均与支架1铰接，之间的夹角大于墙角的阴角，左支架Ⅰ21和右支架Ⅰ22之间设有一推力装置Ⅰ25，驱动轮23和24的轮面与墙面相切并分别通过电机Ⅰ26和Ⅰ27驱动，出轴线与阴角棱线平行，出轴线即为轮子旋转的轴心线。

如图3，行动结构3包括左支架Ⅱ31和右支架Ⅱ32以及设置在左支架Ⅱ31和右支架Ⅱ32上的行动轮33和34，左支架Ⅱ31和右支架Ⅱ32均与支架1铰接，之间的夹角大于阴角，左支架Ⅱ31和右支架Ⅱ32上之间设有一推力装置Ⅱ35，行动轮33和34的轮面与墙面相切并分别通过电机Ⅱ36和37驱动，出轴线与阴角棱线垂直。

本实施例中，驱动轮和行动轮均为全向轮。全向轮作为行动轮使得攀附过程不影响左右移动，将两种结构按不同数目进行组合，实现在水平阴角攀附并左右移动功能。全向轮包括活动脚轮和固定脚轮，固定脚轮连接电机，活动脚轮设置在固定脚轮上，活动脚轮的旋转轴与固定脚轮的出轴线垂直。(全向轮常见的有两种：麦克纳姆轮和连续切换轮；麦克纳姆轮由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成，轮子和滚子之间的夹角通常为45°；连续切换轮由一个轮盘和固定在轮盘外周的滚子构成。轮盘轴心同滚子轴心垂直，轮盘绕轴心由电机驱动转动，滚子依次与地面接触，并可绕自身轴心自由转动)。

附着结构2为V型结构，支架1包括连接轴，所述连接轴平行于阴角棱线设置在V型结构的支点处，左支架Ⅰ21和右支架Ⅰ22分别与连接轴铰接形成V型结构的两边。行动结构3也为V型结构，左支架Ⅱ31和右支架Ⅱ32分别与连接轴铰接形成V型结构的两边，行动轮为一对，分别对称设置在左支架Ⅱ31和右支架Ⅱ32上，本实施例所述推力装置Ⅰ25和推力装置Ⅱ35采用弹性弓片，在使用过程中，弹性弓片的弹性方向是垂直于左支架和右支架向外给一个弹力。

如图7所示，本实施例包括两个附着机构2和一个行动机构3，行动机构3设置在两个附着机构2之间，可以很好地保持整个装置的平衡。对攀附部分进行受力分析，水平阴角有多种情况，取几种典型情形进行分析，其他可同理类推。第一种水平阴角攀附分析，如图4所示，对接触竖直面的驱动轮24进行受力分析，它受到了另一驱动轮23的推力F₁、墙面对它的滑动摩擦力f₁、本身的重力G₁、墙面对它的支持力F_e1，中间推力装置的推力F′；对接触水平面的驱动轮23进行受力分析，它受到了另一驱动轮24对它的推力F₂，本身的重力G₂，墙面对它的滑动摩擦力f₂，墙面对它的支持力F_e2，推力装置对它的推力F′。假设此时的滑动摩擦系数为μ，推力装置的推力方向与墙面的夹角为θ，其他机构重力暂时不计，经附着机构动态调整后，满足下列条件可达到平衡状态：

F₂＝f₁-G₁-G₂-F′cosθ

F₁＝f₂-F′cosθ

f₁＝(F₁+F′sinθ)μ

f₂＝(F₂+F′sinθ)μ

即：竖直方向的滑动摩擦力f₁抵消重力G₁+G₂和推力分力F′cosθ为水平面全向轮提供压力F₂，水平方向的滑动摩擦力f₂抵消推力分力为竖直面全向轮提供压力F₂，压力F₂与推力分力F′sinθ的合力对墙面产生滑动摩擦力f₂，压力F₁与推力分力F′sinθ的合力对墙面产生滑动摩擦力f₁。

第二种水平阴角分析，如图5所示，f₁为左侧驱动轮24受到的滑动摩擦力，f₂为右侧驱动轮23受到的滑动摩擦力，F′为推力装置对全向轮的推力，推力方向与墙面夹角为θ，F₁为右侧全向轮对左侧全向轮的压力，F₂为左侧驱动轮24对右侧驱动轮23的压力，G₁、G₂为两端的重力，其他机构部分重力暂时不计。经附着机构动态调整后，满足以下条件可达到平衡状态：

F₂＝f₁-F′cosθ-G₁sinθ

F₁＝f₂-F′cosθ-G₂sinθ

f₁＝(F₂-G₁cosθ)μ

f₂＝(F₁-G₂cosθ)μ

即：左侧的滑动摩擦力f₁抵消推力分力F′cosθ与重力分力G₁sinθ给右侧驱动轮23提供压力F₂，右侧的滑动摩擦力f₂抵消推力分力F′cosθ与重力分力G₂sinθ给左侧驱动轮24提供压力F₁，压力F₂抵消重力分力G₁cosθ对墙面提供滑动摩擦力f₁，压力F₁抵消重力分力G₂cosθ对墙面提供滑动摩擦力f₂。

第三种水平阴角分析，如图6所示，f₁为下侧全向轮受到的摩擦力，f₂为上侧全向轮受到的摩擦力，F′为推力装置对全向轮的推力，推力方向与墙面夹角为θ，F₁为上侧全向轮对下侧全向轮的压力，F₂为下侧全向轮对上侧全向轮的压力，G₁、G₂为上下两端的重力，其他机构部分重力暂时不计。经附着机构动态调整后，满足以下条件可达到平衡状态：

即：上侧滑动摩擦力f₂与重力分力合力抵消推力分力F′cosθ对下册全向轮提供压力F₁，下侧滑动摩擦力f₁抵消重力分力与推力分力F′cosθ对上册全向轮提供压力F₂，压力F₁与重力分力推力分力F′sinθ合力对墙面产生滑动摩擦力f₁，压力F₂与推力分力F′sinθ合力抵消重力分力对墙面产生滑动摩擦力f₂

对移动部分进行受力分析，爬墙机器人在墙角移动时，受力方向与水平阴角线平行，由于选用全向轮作行动轮，当附着机构在阴角调整状态时，不影响行动机构水平移动，同时行动机构水平移动，不影响附着机构吸附在阴角上。

选用一组行动机构和两组附着机构组合为一个攀爬机器人针对常见的水平阴角攀爬进行实现分析。如图7-9所示，中间的推力装置选用弹簧(弹簧个数可以调节)，全向轮选择连续切换轮。为了直观表示结构，将三个独立的机构组合为一体，同时提高系统的稳定性。

两组附着机构支撑整个机身的负载，竖直面左侧驱动轮24受到的摩擦力来自水平面右侧驱动轮23的推力以及中间弹簧推力分力的合力；水平面右侧驱动轮23受到的摩擦力来自竖直面左侧驱动轮24的推力以及中间弹簧推力的分力。当竖直方向的摩擦力能够维持机身重力与弹簧的分力并给水平面全向轮提供对墙面的压力时，经过动态调整，支架的夹角变化，可达到平衡状态，此时机身攀附在水平阴角上。

当机身能够稳定攀附墙角时，中间增加的一组行动机构提供水平方向移动的摩擦力，全向轮向墙角滚动，但是不受左右移动的影响，依旧保持攀附状态，使爬墙机器人有效地在水平阴角上左右移动。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种水平阴角攀爬机器人，其特征在于：包括支架和并列设置在支架上的至少一个附着结构以及行动结构，所述附着结构包括驱动轮、对称设置的左支架Ⅰ和右支架Ⅰ，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ之间的夹角大于阴角，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ之间设有一推力装置Ⅰ，所述左支架Ⅰ和右支架Ⅰ的一端与支架铰接，另一端均设有驱动轮，驱动轮的轮面与墙面相切并通过电机Ⅰ驱动，出轴线与阴角棱线平行；所述行动结构包括行动轮、对称设置的左支架Ⅱ和右支架Ⅱ，所述左支架Ⅱ和右支架Ⅱ之间的夹角大于阴角，左支架Ⅱ和右支架Ⅱ之间设有一推力装置Ⅱ，所述左支架Ⅱ和右支架Ⅱ的一端与支架铰接，另一端均设有行动轮，行动轮的轮面与墙面相切并通过电机Ⅱ驱动，出轴线与阴角棱线垂直；所述驱动轮和行动轮均为全向轮。

2.根据权利要求1所述的水平阴角攀爬机器人，其特征在于：所述附着结构为V型结构，所述支架包括连接轴，所述连接轴平行于阴角棱线设置在V型结构的支点处，左支架Ⅰ和右支架Ⅰ分别与连接轴铰接形成V型结构的两边。

3.根据权利要求2所述的水平阴角攀爬机器人，其特征在于：所述行动结构也为V型结构，左支架Ⅱ和右支架Ⅱ分别与连接轴铰接形成V型结构的两边，所述行动轮为一对，分别对称设置在左支架Ⅱ和右支架Ⅱ上。

4.根据权利要求1所述的水平阴角攀爬机器人，其特征在于：所述全向轮包括活动脚轮和固定脚轮，所述固定脚轮连接电机，所述活动脚轮设置在固定脚轮上，活动脚轮的旋转轴与固定脚轮的出轴线垂直。

5.根据权利要求1-4任一项所述的水平阴角攀爬机器人，其特征在于：所述推力装置Ⅰ和推力装置Ⅱ为弹性弓片或弹簧。