CN109911048A - 爬壁机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种爬壁机器人及控制方法，涉及机器人领域。该爬壁机器人包括：躯干、舵机、足、吸附机构和控制单元，其中，足、舵机和吸附机构的数量一致且为至少四个；舵机平均分布于躯干两侧，每个足的一端分别与对应的舵机连接，舵机转动时带动足相对躯干转动，每个足的另一端设有吸附机构，吸附机构通过第一连接件与足连接。控制单元通过根据预设算法，获取每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，并根据每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，分别控制每个舵机转动速度的瞬时角速度，使得躯干的移动轨迹为直线，从而实现了爬壁机器人在行走过程中保持躯干稳定，匀速前进。

Description

爬壁机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体而言，涉及一种爬壁机器人及控制方法。

背景技术

目前，在一些领域，如高空救援、闷罐作业、管道作业中，均有应用爬壁机器人进行作业。爬壁机器人有静止姿态稳定，越障性好的优点。

现有技术中，爬壁机器人通过行走机构进行爬行，行走机构包括驱动电机、齿轮、主动力杆、从动杆、动力传输杆等，驱动电机带动主动力杆，并通过动力传输杆、齿轮带动从动杆，实现爬行。

但是，现有的技术中，爬壁机器行走过程中步态不对称，会造成躯干扭动，无法匀速行走，限制了爬壁机器人的作业范围。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种爬壁机器人及控制方法，以解决行走过程中躯干扭动，无法匀速行走的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种爬壁机器人包括：躯干、舵机、足、吸附机构和控制单元，其中，足、舵机和吸附机构的数量一致且为至少四个。舵机平均分布于躯干两侧，每个足的一端分别与对应的舵机连接，舵机转动时带动足相对躯干转动，每个足的另一端设有吸附机构，吸附机构通过第一连接件与足连接。控制单元用于根据预设算法，获取每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，其中，当每个舵机转动速度符合目标瞬时角速度时，躯干的移动轨迹为直线；根据每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，分别控制每个舵机转动速度的瞬时角速度。

可选地，足包括足大臂、足小臂、复位机构。足大臂的一端与舵机连接，足大臂的另一端与足小臂的一端通过第二连接件连接。复位机构的一端与足大臂固定连接，另一端与足小臂固定连接。

可选地，复位机构包括弹性势能复位机构。

可选地，该爬壁机器人还包括：动力组件、连接组件。动力组件设于躯干内，连接组件连接吸附机构与动力组件，动力组件与控制单元连接。控制单元用于控制动力组件的状态，带动通过连接组件与动力组件连接的吸附机构的状态为吸附或解吸附，吸附机构中至少三个吸附机构为吸附状态。

可选地，第一连接件、第二连接件均包括连接转动副，连接转动副上设有转动轴承。

第二方面，本发明实施例还提供了一种爬壁机器人控制方法，应用于第一方面的爬壁机器人。方法包括：控制单元根据预设算法，获取每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，其中，当每个舵机转动速度符合目标瞬时角速度时，躯干的移动轨迹为直线。控制单元根据每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，分别控制每个舵机转动速度的瞬时角速度。

可选地，爬壁机器人还包括动力组件、连接组件；动力组件设于躯干内，连接组件连接吸附机构与动力组件，动力组件与控制单元连接。该爬壁机器人控制方法还包括：控制单元控制动力组件的状态，使得通过连接组件与动力组件连接的吸附机构的状态为吸附或解吸附，吸附机构中至少三个吸附机构为吸附状态。

可选地，控制单元控制动力组件的状态，带动通过连接组件与动力组件连接的吸附机构的状态为吸附或解吸附，包括：控制单元控制动力组件的状态，带动通过连接组件与动力组件连接的吸附机构按照预设顺序解吸附，其中，解吸附的吸附机构所在的足通过对应的舵机向预设行进方向转动。控制单元控制吸附的吸附机构所在的足对应的舵机根据预设规则匹配解吸附的吸附机构所在的足对应的舵机的转动速度的瞬时角速度。

可选地，控制单元控制吸附的吸附机构所在的足对应的舵机根据预设规则匹配解吸附的吸附机构所在的足对应的舵机的转动速度的瞬时角速度，包括：控制单元通过控制每个舵机的瞬时角速度使得每个舵机之间的角度差为预设角度，其中，纵向相邻的舵机之间的旋转角度差的预设角度为正值，横向相邻的舵机之间的旋转角度差的预设角度为负值。

可选地，足包括足大臂、足小臂、复位机构，足大臂的一端与舵机连接，足大臂的另一端与足小臂的一端通过第二连接件连接；复位机构的一端与足大臂固定连接，另一端与足小臂固定连接；方法还包括：当吸附机构为吸附状态时，复位机构储存足大臂与足小臂位置变化产生的能量。当吸附机构为解吸附状态时，复位机构释放足大臂与足小臂位置变化产生的能量，将足大臂与足小臂之间的夹角复位至预设角度。

本发明的有益效果是：控制单元根据预设算法，获取每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，并控制每个舵机的转动速度符合目标瞬时角速度，使得躯干的移动轨迹为直线，从而实现了爬壁机器人在行走过程中保持躯干稳定，匀速前进。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例提供的爬壁机器人结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的爬壁机器人结构示意图；

图3为本申请一实施例提供爬壁机器人控制方法流程示意图；

图4为本申请一实施例提供爬壁机器人控制方法中参数标记图；

图5为本申请另一实施例提供爬壁机器人控制方法流程示意图。

图标：101-躯干；102-舵机；103-足；1031-足大臂；1032-足小臂；104-吸附机构；105-第一连接件；106-复位机构；107-第二连接件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为本申请一实施例提供的爬壁机器人结构示意图。

如图1所示，该爬壁机器人可以包括：躯干101、舵机102、足103、吸附机构104和控制单元(图中未示出)，其中，足103、舵机102和吸附机构104的数量一致且为至少四个。舵机102平均分布于躯干101两侧，每个足103的一端分别与对应的舵机102连接，舵机102转动时带动足103相对躯干101转动，每个足103的另一端设有吸附机构104，吸附机构104通过第一连接件105与足103连接。

控制单元用于根据预设算法，获取每个舵机102转动速度的目标瞬时角速度，其中，当每个舵机102转动速度符合目标瞬时角速度时，躯干101的移动轨迹为直线；根据每个舵机102转动速度的目标瞬时角速度，分别控制每个舵机102转动速度的瞬时角速度。

本发明实施例中所提供的爬壁机器人可以通过吸附机构104吸附在所要攀爬的表面。在不同实施方式中，当爬壁机器人需要攀爬的表面不同时，可以根据攀爬表面的类型选择相应的吸附机构104。例如，若需要该爬壁机器人攀爬光滑表面时，可以使用吸盘作为吸附机构104，以使得该爬壁机器人在光滑表面具有更好的吸附性。若攀爬表面为金属表面时，则可以选择与金属表面具有更好吸附性的电控磁铁作为吸附机构104等。对于吸附机构104的具体类型，本发明在此不做限制。

控制单元采用上述预设算法，可以根据躯干101的目标移动速度、足103的尺寸，计算吸附机构104与躯干101之间的相对移动速度，并根据该相对移动速度计算得到舵机102转动速度的目标瞬时角速度，然后控制每个舵机102转动速度符合目标瞬时角速度。当每个舵机102的转动速度符合目标瞬时角速度时，每个吸附机构104与躯干101之间的相对移动速度均保持相同，即，躯干101可以相对吸附机构104做匀速直线运动。

由上所述，本发明实施例中，控制单元通过根据预设算法，获取每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，并根据每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，分别控制每个舵机转动速度的瞬时角速度，使得躯干的移动轨迹为直线，从而实现了爬壁机器人在行走过程中保持躯干稳定，匀速前进。

可选地，足103可以包括足大臂1031、足小臂1032、以及复位机构106。足大臂1031的一端与舵机102连接，足大臂1031的另一端与足小臂1032的一端通过第二连接件107连接。复位机构106的一端与足大臂1031固定连接，另一端与足小臂1032固定连接。

本发明实施例中，当舵机102带动处于吸附状态的吸附机构104对应的足103转动时，足大臂1031与足小臂1032之间发生相对移动，两端固定在足大臂1031与足小臂1032上的复位机构106由于足大臂1031和足小臂1032之间的相对移动而发生压缩，复位机构106储存压缩所产生的能量，并在吸附机构104的状态变更为解吸附后，释放储存的能量，使得足大臂1031和足小臂1032之间的角度恢复至预设角度。其中，预设角度是指足大臂1031和足小臂1032发生相对移动前之间的所呈的角度。

可选地，复位机构106可以包括弹性势能复位机构。例如，弹性势能复位机构可以是弹簧复位机构，可以通过弹簧的弹性势能变化实现足大臂1031和足小臂1032之间的相对移动与角度复位。或者，复位机构106也可以是液压复位机构等其他类型的复位机构，本发明同样在此不做限制。

可选地，该爬壁机器人还包括：动力组件、连接组件。动力组件设于躯干101内，连接组件连接吸附机构104与动力组件，动力组件与控制单元连接。控制单元用于控制动力组件的状态，带动通过连接组件与动力组件连接的吸附机构104的状态为吸附或解吸附，吸附机构104中至少三个吸附机构104为吸附状态。

其中，动力组件、连接组件与吸附机构104匹配，例如，吸附机构104是吸盘时，动力组件可以为真空泵，连接组件为中空管；吸附机构104是电控磁铁时，动力组件可以是电磁继电器，连接组件为线缆，在此不做限制。

可选的，连接组件固定在足大臂1031和足小臂1032上，例如，在足大臂1031和足小臂1032上设置线管卡，将连接组件卡入线管卡；或者，将足大臂1031和足小臂1032设置为中空，将连接组件置入足大臂1031或足小臂1032内部，在此不做限制。

可选地，第一连接件105、第二连接件107均包括连接转动副，连接转动副上设有转动轴承。

一些实施方式中，第一连接件105和第二连接件107可以是设置有转动轴承的连接转动副。足103与吸附机构104之间、以及足大臂1031与足小臂1032之间可以通过连接转动副实现相对转动，从而实现爬壁机器人的移动功能。

图2为本申请另一实施例提供的爬壁机器人结构示意图。

可选的，如图2所示，给出了爬壁机器人存在四个以上的舵机的情况，当爬壁机器人的舵机大于四个时，躯干对应的调整尺寸，使得所有舵机能够均匀的分布在躯干上。控制单元根据预设算法控制所有舵机转动，实现爬壁机器人匀速直线前进。

本发明实施例还提供一种爬壁机器人控制方法，应用于上述实施例所述的爬壁机器人。

图3为本申请一实施例提供爬壁机器人控制方法流程示意图。如图3所示，该爬壁机器人控制方法包括：

S201、控制单元根据预设算法，获取每个舵机转动速度的目标瞬时角速度。

其中，当每个舵机转动速度符合目标瞬时角速度时，躯干的移动轨迹为直线。

S202、控制单元根据每个舵机转动速度的目标瞬时角速度，分别控制每个舵机转动速度的瞬时角速度。

可选地，爬壁机器人还包括动力组件、连接组件；动力组件设于躯干内，连接组件连接吸附机构与动力组件，动力组件与控制单元连接。该爬壁机器人控制方法还包括：控制单元控制动力组件的状态，使得通过连接组件与动力组件连接的吸附机构的状态为吸附或解吸附，吸附机构中至少三个吸附机构为吸附状态。

在此，以四个足的爬壁机器人为例，对爬壁机器人控制方法进行解释。

一种可能的实现方式中，控制单元包括舵机控制单元和吸附控制单元，舵机控制单元控制每个舵机的转动速度，吸附控制单元控制吸附机构状态。当至少三个足对应的吸附机构为吸附状态时，影响爬壁机器人躯干姿态的组件有4个：躯干、左前足小臂、左后足小臂、右后足小臂(足大臂与躯干视为同一组件)，以吸附的壁为参考平面，根据自由度计算式：

F＝3n-2P_L-P_H

其中，F为总自由度，n为总活动构件数，P_L为低副约束数，P_H为高副约束数。当总自由度F＝0时，爬壁机器人的姿态瞬态稳定。

图4为本申请一实施例提供爬壁机器人控制方法中参数标记图。

如图4所示，爬壁机器人的前进方向为y，与前进方向垂直方向为x，足大臂与y的夹角为α，足小臂与y的夹角为β，足大臂的长度为R，足小臂的长度为r，吸附机构吸附的点为P点。则P点相对于躯干有如下特征：x_p不随时间变化，y_p的速度v_p-y不随时间变化，x_p指P点与躯干之间的距离，y_p的速度V_p-y指躯干相对P点的移动速度。

由P点坐标可以得到：

x_p＝Rsinα+rsinβ

y_p＝Rcosα+rcosβ

可以得出y_p的速度v_p-y与α角角速度v_α之间的关系：

上式计算得出的角速度v_α，即为目标瞬时角速度，控制单元根据每个舵机v_α，控制每个舵机的转动速度达到v_α，实现躯干的匀速直线运动。

图5为本申请另一实施例提供爬壁机器人控制方法流程示意图。

可选地，如图5所示，上述控制单元控制动力组件的状态，带动通过连接组件与动力组件连接的吸附机构的状态为吸附或解吸附，包括：

S301、控制单元控制动力组件的状态，带动通过连接组件与动力组件连接的吸附机构按照预设顺序解吸附。

其中，解吸附的吸附机构所在的足通过对应的舵机向预设行进方向转动。

S302、控制单元控制吸附的吸附机构所在的足对应的舵机根据预设规则匹配解吸附的吸附机构所在的足对应的舵机的转动速度的瞬时角速度。

可选地，控制单元控制吸附的吸附机构所在的足对应的舵机根据预设规则匹配解吸附的吸附机构所在的足对应的舵机的转动速度的瞬时角速度，可以包括：控制单元通过控制每个舵机的瞬时角速度使得每个舵机之间的角度差为预设角度。其中，纵向相邻的舵机之间的旋转角度差的预设角度为正值，横向相邻的舵机之间的旋转角度差的预设角度为负值。

需要说明的是，本申请中的纵向、横向以机器人运动方向为参照，机器人运动方向不以附图所示为限。

在一些实施方式中，预设角度根据每个舵机的旋转角度限值而定，当有n个舵机时，在一个周期中，每个舵机之间的相位差为1/n个周期，例如，若有四个舵机，每个舵机的旋转角度限值为90°，则预设角度为一个周期的1/4，即22.5°，纵向相邻的舵机之间的角度差为22.5°，横向相邻的舵机之间旋转的角度差为-22.5°，但不以此为限。需要说明的是，在实际应用时，由于瞬时角速度在不同时刻是不一样的，相邻舵机之间的角度差会存在一个误差范围，相邻舵机之间的角度差在该误差范围浮动。

可选地，足包括足大臂、足小臂、复位机构，足大臂的一端与舵机连接，足大臂的另一端与足小臂的一端通过第二连接件连接；复位机构的一端与足大臂固定连接，另一端与足小臂固定连接。

相应的，上述方法还包括：当吸附机构为吸附状态时，复位机构储存足大臂与足小臂位置变化产生的能量。当吸附机构为解吸附状态时，复位机构释放足大臂与足小臂位置变化产生的能量，将足大臂与足小臂之间的夹角复位至预设角度。

可选地，本发明还提供一种程序产品，例如计算机可读存储介质，包括程序，该程序在被处理器执行时用于执行上述方法实施例。

在本发明所提供的一些实施方式中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种爬壁机器人，其特征在于，包括：

躯干、舵机、足、吸附机构和控制单元，其中，所述足、所述舵机和所述吸附机构的数量一致且为至少四个；

所述舵机平均分布于所述躯干两侧，每个所述足的一端分别与对应的所述舵机连接，所述舵机转动时带动所述足相对所述躯干转动，每个所述足的另一端设有吸附机构，所述吸附机构通过第一连接件与所述足连接；

所述控制单元用于根据预设算法，获取每个所述舵机转动速度的目标瞬时角速度，其中，当每个所述舵机转动速度符合所述目标瞬时角速度时，所述躯干的移动轨迹为直线；根据每个所述舵机转动速度的所述目标瞬时角速度，分别控制每个所述舵机转动速度的瞬时角速度。

2.如权利要求1所述的爬壁机器人，其特征在于，所述足包括足大臂、足小臂、复位机构；

所述足大臂的一端与所述舵机连接，所述足大臂的另一端与所述足小臂的一端通过第二连接件连接；

所述复位机构的一端与所述足大臂固定连接，另一端与所述足小臂固定连接。

3.如权利要求2所述的爬壁机器人，其特征在于，所述复位机构包括弹性势能复位机构。

4.如权利要求2所述的爬壁机器人，其特征在于，还包括动力组件、连接组件；

所述动力组件设于所述躯干内，所述连接组件连接所述吸附机构与所述动力组件，所述动力组件与所述控制单元连接；

所述控制单元用于控制所述动力组件的状态，带动通过所述连接组件与所述动力组件连接的所述吸附机构的状态为吸附或解吸附，所述吸附机构中至少三个吸附机构为吸附状态。

5.如权利要求2-4任一项所述的爬壁机器人，其特征在于，所述第一连接件、所述第二连接件均包括连接转动副，所述连接转动副上设有转动轴承。

6.一种爬壁机器人控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5任一项所述的爬壁机器人；所述方法包括：

所述控制单元根据预设算法，获取每个所述舵机转动速度的目标瞬时角速度，其中，当每个所述舵机转动速度符合所述目标瞬时角速度时，所述躯干的移动轨迹为直线；

所述控制单元根据每个所述舵机转动速度的所述目标瞬时角速度，分别控制每个所述舵机转动速度的瞬时角速度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述爬壁机器人还包括动力组件、连接组件；所述动力组件设于所述躯干内，所述连接组件连接所述吸附机构与所述动力组件，所述动力组件与所述控制单元连接；所述方法还包括：

所述控制单元控制所述动力组件的状态，使得通过所述连接组件与所述动力组件连接的所述吸附机构的状态为吸附或解吸附，所述吸附机构中至少三个吸附机构为吸附状态。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制单元控制所述动力组件的状态，带动通过所述连接组件与所述动力组件连接的所述吸附机构的状态为吸附或解吸附，包括：

所述控制单元控制所述动力组件的状态，带动通过所述连接组件与所述动力组件连接的所述吸附机构按照预设顺序解吸附，其中，解吸附的所述吸附机构所在的所述足通过对应的所述舵机向预设行进方向转动；

所述控制单元控制吸附的所述吸附机构所在的所述足对应的所述舵机根据预设规则匹配所述解吸附的所述吸附机构所在的所述足对应的舵机的转动速度的瞬时角速度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制单元控制吸附的所述吸附机构所在的所述足对应的所述舵机根据预设规则匹配所述解吸附的所述吸附机构所在的所述足对应的舵机的转动速度的瞬时角速度，包括：

所述控制单元通过控制每个所述舵机的瞬时角速度使得每个所述舵机之间的角度差为预设角度，其中，纵向相邻的所述舵机之间的旋转角度差的预设角度为正值，横向相邻的所述舵机之间的旋转角度差的预设角度为负值。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述足包括足大臂、足小臂、复位机构，所述足大臂的一端与所述舵机连接，所述足大臂的另一端与所述足小臂的一端通过第二连接件连接；所述复位机构的一端与所述足大臂固定连接，另一端与所述足小臂固定连接；所述方法还包括：

当所述吸附机构为吸附状态时，所述复位机构储存所述足大臂与所述足小臂位置变化产生的能量；

当所述吸附机构为解吸附状态时，所述复位机构释放所述足大臂与所述足小臂位置变化产生的能量，将所述足大臂与所述足小臂之间的夹角复位至预设角度。