CN110539816A - 一种轻质推压式爬墙机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质推压式爬墙机器人，包括基于3D打印的轻质底盘、抽气部、控制器、行走轮和行走轮驱动部；底盘上具有从靠近墙面一侧贯穿至远离墙面一侧的抽气腔，抽气部安装在抽气腔内；抽气腔靠近墙面的一侧设有连接架，连接架的外侧面设置有柔性密封结构；行走轮分别安装在所述底盘靠近前后端的位置，对称分布在底盘的两侧；行走轮驱动部与行走轮传动连接；控制器安装在底盘上，且与抽气部和行走轮驱动部电连接，用于控制抽气部抽气和行走轮行走。本发明同时对抽气腔内内气压和旋转电机的电流进行检测，具有良好的动态性能，提高爬壁机器人安全性；具有智能化程度高，重量轻、噪声低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，更具体的说是涉及一种轻质推压式爬墙机器人。
背景技术
爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。
目前，爬壁机器人吸附方式主要有以下几种：磁力吸附、仿生材料抓，真空吸附，推力吸附等方式，具有十分实用的应用前景，如武装反恐侦查，高空清洗作业，建筑墙面裂缝检查，高空喷涂作业，高空消防等。但是，传统爬壁机器人具有很多的不足之处，如对壁面的材料和形状适应性不强，跨越障碍物的能力弱，体积大。
2015年迪士尼公司推出VertiGo推压式爬墙机器人，采用两个无刷电机作为其推压源，且可以控制两个电机所在平面的运动，同时调整两平面的倾角，以此来驱动其车体的移动，但存在的不足之处在于，移动系统和吸附系统均需要大量的电能供应，加大了对电池容量的需求，所用电池的体积和重量也相应加大，导致了爬墙效果不好，如果减小电池携带量就会存在爬墙机器人在中途电量不够无法实现安全返程的问题。
爬墙机器人一般是将机器人和墙壁之间的相对密封部分抽出，从而使得外界大气压大于车体和墙壁之间的相对密封部分的大气压，车外的大气压便将机器人压在墙壁上；但是由于爬墙机器人吸附在墙面上很难实现较快的移动速度，并且存在很大的气动噪声和涡流噪声，很难控制在合理的分贝系数以内，同时爬墙机器人设计的结构复杂，体积和重量大，增加了相应的成本，很难在已有基础上进行进一步的升级和改造，不利于推广应用。
因此，如何提供一种结构简单，智能化程度高，低噪声的爬墙机器人，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种轻质推压式爬墙机器人，具有智能化程度高，噪声低，适应能力强的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种轻质推压式爬墙机器人，包括基于3D打印的轻质底盘、抽气部、控制器、行走轮和行走轮驱动部；
所述底盘上具有从靠近墙面一侧贯穿至远离墙面一侧的抽气腔，所述抽气部安装在所述抽气腔内；
所述抽气腔靠近墙面的一侧设有连接架，所述连接架的外侧面设置有柔性密封结构；
所述行走轮至少两组，两组所述行走轮分别安装在所述底盘靠近前后端的位置，且每组所述行走轮对称分布在所述底盘的两侧；
所述行走轮驱动部与所述行走轮传动连接；
所述控制器安装在所述底盘上，且与所述抽气部和所述行走轮驱动部电连接，用于控制抽气部抽气和行走轮行走。
采用上述方案的有益效果是，本发明利用3D打印的轻质外壳有效的减轻了机器人车体的自重，采用柔软的材质作为抽气腔的密封裙垫，具有隔音、减震、耐磨的特性，而且增大了车体与墙面的动摩擦因数，增强了吸附能力，可以适应于多种路况。
优选的，所述行走轮驱动部为行走轮驱动电机；所述底盘的前后端的两侧均开设有电机安装槽，所述驱动电机对应安装在所述电机安装槽内；所述电机安装槽对应所述底盘的位置设有用于调节所述电机安装位置并固定的条形孔；所述行走轮安装在所述驱动电机的输出轴上。
采用上述方案的有益效果是，采用驱动电机嵌入到车体四个角的位置，并在安装槽两侧分别开出条形孔，通过调节螺丝松紧将其固定，并且可以根据实际情况上下调整驱动电机在安装槽的固定位置，从而改变了行走轮轮下放的高度，实现机器人底盘与墙面之间缝隙高度的控制。
优选的，所述抽气部包括旋转电机、电机座和桨叶，所述电机座安装在所述连接架上，所述电机座中固定有所述旋转电机，所述旋转电机的动力输出轴与所述桨叶固定连接。
优选的，所述抽气腔内表面设有消声装置，所述抽气腔远离墙面的一侧还设有整流网罩。
采用上述方案的有益效果是，在抽气腔内表面粘贴消声材料如泡沫铝，并在抽气腔上方固定整流罩，一方面可以降低噪音，另一方面可以将桨叶隔离，保障人身和机器人车体安全。
优选的，所述控制器包括：主控模块、驱动模块、电源管理模块、无线通讯模块、传感器模块和电源；
所述主控模块与所述上位机通过无线通讯模块双向通讯连接；
所述主控模块的两个输出接口分别对应所述电源管理模块与所述驱动模块，其一个输入接口与所述传感器模块连接；
所述驱动模块与所述抽气部和所述行走轮驱动部电性连接，所述驱动模块根据所述主控模块的指令驱动所述抽气部和所述行走轮驱动部运行；
所述电源管理模块，用于向所述主控模块、所述驱动模块、所述无线通信模块和所述传感器模块提供不同电压的需求；
所述电源连接所述电源管理模块。
优选的，所述传感器模块包括：电压传感器，所述电压传感器用于检测电源的电量，并将检测值传送给所述所述主控模块；
电流传感器，所述电流传感器用于获取所述旋转电机的电流值，将电流值传送给所述主控模块；
气压传感器，所述气压传感器用于对抽气腔内气压检测，并将所测气压值反馈给所述主控模块；
视频探测器，所述视频探测器为高清摄像装置，用于采集路况的图像信息；
位姿传感器，所述位姿传感器用于采集爬墙机器人的移动速速和车体的旋转角度，并反馈给所述主控模块。
采用上述方案的有益效果是，本发明采用多个不同传感器对机器人行进过程的各项数值进行检测，不仅针对抽气腔内的气压进行检测，还针对旋转电机的电流值进行检测，降低系统的功率消耗，使车体保持在最低功率的安全行进状态，同时降低了噪声。
优选的，所述主控模块包括A/D转换电路、PWM输出电路和单片机；
所述A/D转化电路将所述电压传感器和所述电流传感器采集的电压和电流信号经过转化后传输至所述单片机，所述单片机接收所述电压传感器采集的信号，并与其设置的预设电压数值进行比较后输出电源切换执行信号至所述电源管理模块；
所述单片机接收所述气压传感器采集的信号，并与其设置的预设电压数值进行比较，所述PWM输出电路根据所述单片机的输出指令控制所述驱动模块调节所述旋转电机的转速。
采用上述方案的有益效果是，利用AD采集技术实现锂电池的能量监控，当电池电量低于预设数值时，实现电池的自动切换，有效提高了机器人的工作效率；当底盘与墙体之间缝隙较大时，气压传感器采集数据低于预设数值时，利用PWM控制技术维持抽气腔内的气压，使吸附装置工作在满足安全吸附条件的低能耗状态，从而减小噪声辐射，同时可以尽量的保证电能的节约问题，实现爬墙机器人的低噪声安全吸附。
优选的，所述底盘的一端设有用于安装视频探测器的舵机云台，所述舵机旋转角度范围为0-360°。
采用上述方案的有益效果是，舵机在360°范围内任意旋转，满足了载有视频探测器的云台上下俯仰和左右旋转的要求。
优选的，所述电源为具有不同电压源的多节锂电池。
采用上述方案的有益效果是，保证了车体续航时间。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种轻质推压式爬墙机器人，基于3D打印的轻质底盘，底盘粘附了密封性和摩擦力都很好的材料，提高了吸附稳定性；利用AD采集技术实现锂电池的能量监控，信息传送给主动模块利用软件编程实现电源的自动切换，有效的提高了工作效率，并最大限度的保障了车体的安全；本发明同时对抽气腔内内气压和旋转电机的电流进行检测，具有良好的动态性能，提高爬壁机器人安全性；由于控制器输入为最小负压对应值，因此有利于降低抽气部消耗的功率；机器人工作在低噪声状态，用多重降噪的方法大幅降低了噪音，使得机器人运行时的噪声基本维持在70db左右。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明一种轻质推压式爬墙机器人的结构示意图；
图2附图为本发明一种轻质推压式爬墙机器人的底部结构示意图；
图3附图为本发明一种轻质推压式爬墙机器人控制器的整体结构框图；
图4附图为本发明一种轻质推压式爬墙机器人电源连接关系框图；
图5附图为本发明一种轻质推压式爬墙机器人的抽气腔气压调节控制框图。
图中：1-底盘；2-抽气部；3-行走轮；4-抽气腔；5-驱动电机；6-电机安装槽；7-条形孔；8-云台舵机；21-旋转电机；22-电机座；23-桨叶；41-连接架；111-上位机；112-主控模块；113-驱动模块；114-电源管理模块；115-无线通信模块；116；传感器模块；1161-电压传感器；1162-电流传感器；1163-气压传感器；1164-视频探测器；1165-位姿传感器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明实施例公开了一种轻质推压式爬墙机器人，基于3D打印的轻质底盘1、抽气部2、控制器、行走轮3和行走轮驱动部；
底盘1上具有从靠近墙面一侧贯穿至远离墙面一侧的抽气腔4，抽气部2安装在抽气腔4内，用于排出抽气腔4内的空气；抽气腔4靠近墙面的一侧设有连接架41，连接架41的外侧面设置有柔性密封结构；在一些实施例中，柔性密封结构可以是发泡海绵橡胶板材料，能适应多种不同情况的墙面状况，同时较高的摩擦因数容易的实现摩擦力与重力之间的平衡。行走轮3至少两组，两组行走轮3分别安装在底盘1靠近前后端的位置，且每组行走轮3对称分布在底盘1的两侧；行走轮驱动部与行走轮3传动连接；控制器安装在底盘1上，且与抽气部2和行走轮驱动部电连接，用于控制抽气部2抽气和行走轮3行走。
行走轮驱动部为行走轮驱动电机5；底盘1的前后端的两侧均开设有电机安装槽6，驱动电机5对应安装在电机安装槽6内；电机安装槽6对应底盘1的位置设有用于调节电机安装位置并固定的条形孔7；行走轮3安装在驱动电机5的输出轴上；在一些实施例中，将蜗杆电机作为驱动电机5嵌入到电机安装槽6中，采用大扭矩蜗杆式减速电机搭配摩擦力强的橡胶行走轮轮，加大了车体的驱动力和移动速度，为蜗杆电机可以实现断电自锁的特性而保证了其在指定位置停留的稳定性，实现平稳运动；通过螺丝将驱动电机5固定，并且可以根据实际情况上下调整驱动电机5在电机安装槽6中的固定位置，从而改变了行走轮3下放的高度，这样可以实现底盘1与墙面之间缝隙距离的控制。
抽气部2包括旋转电机21、电机座22和桨叶23，电机座22安装在连接架41上，电机座22中固定有旋转电机21，旋转电机21的动力输出轴与桨叶23固定连接，抽气腔4内表面设有消声装置，且远离墙面的一侧还设有整流网罩。在一些实施例中，将无刷电机作为旋转电机11固定于电机座12，采用1400KV的无刷电机搭配9寸桨叶，扭力大、转速高、风力稳，能够提供足够的负压力，采用PWM技术控制其转速，推力较大，风力较稳，电调加电机总重量不到50g，这极大地降低了车体的总体重量；在抽气腔4内表面粘贴泡沫铝材料作为消声装置，并在抽气腔4上方固定整流罩，可以降低一部分噪音，同时也将桨叶23与外界实现隔离，保障了人身和车体安全。
如图3所示，控制器包括：主控模块112、驱动模块113、电源管理模块114、无线通讯模块115、传感器模块116和电源117；主芯片采用STM32能够完成产生PWM波、压差反馈信号和电流采集信号的接收转换和计算处理，具有运算速度快，耗电量小，易于实现多电机控制的特点；主控模块112与上位机111通过无线通讯模块115双向通讯连接；主控模块112的两个输出接口分别对应电源管理模块114与驱动模块113，其一个输入接口与传感器模块116连接；驱动模块113与抽气部1和行走轮驱动部电性连接，驱动模块113根据主控模块112的指令驱动抽气部1和行走轮驱动部运行；
电源管理模块114与电源117连接，电源117采用多节具有不同电压的锂电池，如图4所示，用于向驱动模块113、无线通信模块115和传感器模块116提供不同电压的需求；
在一些实施例中采用NRF24L01无线通信模块，具有定向传输效果好，抗干扰能力强、音质好、传输距离远的优点，满足应用的距离要求。
传感器模块116包括：电压传感器1161用于检测电源117的电量，并将检测值传送给主控模块112，电压传感器1161采用20位高精度ads1250作为模数转换芯片，不需要外加任何的放大电路，准确度高且减少电路的噪声；
电流传感器1162用于获取旋转电机11的电流值，将电流值传送给主控模块112；气压传感器1163可以采用GY-63MS5611-01BA03高精度气压传感器模块，用于对抽气腔4内气压检测，并将所测气压值反馈给主控模块112；
视频探测器1164可以采用在人脸识别、安检闸机、逆光监控中广泛应用的200万宽动态高清摄像头模组，采集路况的图像信息；
位姿传感器1165可以采用MPU6050模块作为其位置姿态检测，位姿传感器1165用于采集爬墙机器人的移动速速和旋转角度，并将信息反馈给主控模块112。
进一步的，主控模块112包括A/D转换电路、PWM输出电路和单片机；A/D转化电路将电压传感器1161和电流传感器1162采集的电压和电流信号经过转化后传输至单片机，单片机接收电压传感器1161采集的信号，并与其设置的预设电压数值进行比较后输出电源切换执行信号至电源管理模块114；
单片机接收气压传感器1163采集的信号，并与其设置的预设电压数值进行比较，PWM输出电路根据单片机的输出指令控制驱动模块113调节旋转电机11的转速。
底盘的一端设有用于安装视频探测器1164的云台舵机8，云台的俯仰和旋转动作采用舵机驱动实现，舵机与驱动模块113电连接，舵机在360度范围内任意旋转，满足云台上下俯仰和左右旋转两个自由度的要求。
本发明实施例中3D打印外壳100g，驱动电机4*150＝600g，旋转电机30g，锂电池100g，控制器10g，桨叶10g总重量850g，最大程度上减轻了整体重量；电源管理模块对爬壁机器人控制系统进行电源管理，利用AD采集技术实现锂电池的能量监控，信息传送给主动模块利用软件编程实现电源的自动切换，有效的提高了工作效率。
如图5所示，本发明同时对抽气腔内气压和旋转电机的电流进行检测，使负压系统具有良好的动态性能，提高爬壁机器人安全性。由于负压控制系统输入为最小负压对应值，因此有利于降低负压吸附系统消耗的功率，从而使机器人工作在低噪声状态。
气压传感器采集气压数据与预设数值比较，设定气压差与抽气腔内反馈压差形成偏差，通过主控模块的内置算法来调节旋转电机的转速，转速改变电流传感器的反馈电流量也随之改变，反馈电流与变速后的额定电流形成偏差，经电流调节成为PWM占空比的控制量，实现负压腔电动风机的速度控制，利用PWM控制技术和电流环控制算法以维持腔内的安全气压，使负压吸附系统工作在满足安全吸附条件的低能耗状态，从而减小噪声辐射。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，包括基于3D打印的轻质底盘(1)、抽气部(2)、控制器、行走轮(3)和行走轮驱动部；
所述底盘(1)上具有从靠近墙面一侧贯穿至远离墙面一侧的抽气腔(4)，所述抽气部(2)安装在所述抽气腔(4)内；
所述抽气腔(4)靠近墙面的一侧设有连接架(41)，所述连接架(41)的外侧面设置有柔性密封结构；
所述行走轮(3)至少两组，两组所述行走轮(3)分别安装在所述底盘(1)靠近前后端的位置，且每组所述行走轮(3)对称分布在所述底盘(1)的两侧；
所述行走轮驱动部与所述行走轮(3)传动连接；
所述控制器安装在所述底盘(1)上，且与所述抽气部(1)和所述行走轮驱动部电连接，用于控制所述抽气部(1)抽气和所述行走轮(3)行走。
2.根据权利要求1所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，所述行走轮驱动部为行走轮驱动电机(5)；所述底盘(1)的前后端的两侧均开设有电机安装槽(6)，所述驱动电机(5)对应安装在所述电机安装槽(6)内；所述电机安装槽(6)对应所述底盘(1)的位置设有用于调节电机安装位置并固定的条形孔(7)；所述行走轮(3)安装在所述驱动电机(5)的输出轴上。
3.根据权利要求1所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，所述抽气部(2)包括旋转电机(21)、电机座(22)和桨叶(23)，所述电机座(22)安装在所述连接架(41)上，所述电机座(22)中固定有所述旋转电机(21)，所述旋转电机(21)的动力输出轴与所述桨叶(23)固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，所述抽气腔(4)内表面设有消声装置，且远离墙面的一侧还设有整流网罩。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，控制器包括：主控模块(112)、驱动模块(113)、电源管理模块(114)、无线通讯模块(115)、传感器模块(116)和电源(117)；
所述主控模块(112)与上位机(111)通过无线通讯模块(115)双向通讯连接；所述主控模块(112)的两个输出接口分别对应所述电源管理模块(114)与所述驱动模块(113)，其一个输入接口与所述传感器模块(116)连接；
所述驱动模块(113)与所述抽气部(1)和所述行走轮驱动部电性连接，所述驱动模块(113)根据所述主控模块(112)的指令驱动所述抽气部(1)和所述行走轮驱动部运行；
所述电源管理模块(114)用于向所述主控模块(112)、所述驱动模块(113)、所述无线通信模块(115)和所述传感器模块(116)提供不同电压的需求；
所述电源(117)连接所述电源管理模块(114)。
6.根据权利要求5所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，所述传感器模块(116)包括：
电压传感器(1161)，所述电压传感器(1161)用于检测所述电源(117)的电量，并将检测值传送给所述主控模块(112)；
电流传感器(1162)，所述电流传感器(1162)用于获取所述旋转电机(11)的电流值，将电流值传送给所述主控模块(112)；
气压传感器(1163)，所述气压传感器(1163)用于对抽气腔(2)内气压检测，并将所测气压值反馈给所述主控模块(112)；
视频探测器(1164)，所述视频探测器(1164)为高清摄像装置，用于采集路况的图像信息，并将采集的信息反馈给所述主控模块(112)；
位姿传感器(1165)，所述位姿传感器(1165)用于采集所述爬墙机器人的移动速速和车体的旋转角度，并反馈给所述主控模块(112)。
7.根据权利要求6所述的一种轻质推压式爬墙机器人，所述主控模块(112)包括A/D转换电路、PWM输出电路和单片机；
所述A/D转化电路将所述电压传感器(1161)和所述电流传感器(1162)采集的电压和电流信号经过转化后传输至所述单片机，所述单片机接收所述电压传感器(1161)采集的信号，并与其设置的预设电压数值进行比较后输出电源切换执行信号至所述电源管理模块(114)；
所述单片机接收所述气压传感器(1163)采集的信号，并与其设置的预设电压数值进行比较，所述PWM输出电路根据所述单片机的输出指令控制所述驱动模块(113)调节所述旋转电机(11)的转速。
8.根据权利要求6所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于，所述底盘上设有用于安装所述视频探测器(1164)的云台舵机(8)，所述云台舵机(8)与所述驱动模块(113)电连接。
9.根据权利要求5所述的一种轻质推压式爬墙机器人，其特征在于：所述电源(117)为具有不同电压源的多节锂电池。
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