CN113998025A - 空间四足爬壁机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间四足爬壁机器人及其控制方法，设置以球壳为载体的球形主体作为机器人的运动中心；在球壳上设有四条爬行足；各爬行足具有相同的结构形式，是由大腿、伸长腿和小腿组成；各爬行足中大腿的上端连接电机变速器，由电机驱动的电机变速器固定安装在球壳的外表面，与各爬行足一一对应的四只电机变速器在球壳的外表按空间正四面体分布，以空间正四面体的各顶点方向为朝向，各爬行足方向和长度均可调，足部为机械爪，在机械爪底部设置吸盘实现机器人的固定。本发明能够实现直行、转弯、越障以及跨越直角墙面的功能，能够完成360°空间连续攀爬，具有良好的爬壁机器人的越障能力和攀爬能力。
Description
技术领域
本发明涉及爬壁机器人及其控制方法，更具体地说尤其涉及一种空间四足爬壁机器人及其控制方法。
背景技术
爬壁机器人在高空和高危作业中得到应用，爬壁机器人不仅可以在地面上完成各种动作，还能在不借助外力的情况下，在玻璃、砖墙等竖直物体的表面甚至在天花板上爬行并执行规定动作，还能通过其搭载的传感器，将采集到的各种信息实时传递给操控者。爬壁机器人用于代替人们从事高危或重复的工作，比如幕墙清洗、探测维修等。
中国专利CN205632714U、公开日20161012，其公开了一种轮式磁吸附爬壁机器人，车体采用铝合金制作成封闭腔体，内部装有控制系统、电源和行走驱动系统。车体两侧装有四个轮子用于行走和转向，车体前部、后部和顶部的中心位置均装有摄像头，用于摄像侦查。顶部摄像头旁边均布置有光源，两侧轮子中间装有图像传输天线和控制天线。在车体前后侧设置超声及激光测距传感器，可进行测距，实现自主避障；在车体底部分别具有磁铁布置区域，两块磁铁布置区域呈矩形结构并且分别位于在车体底部的前部和后部，在两块磁铁布置区域内部设置永磁铁。但是，该轮式磁吸附爬壁机器人在壁面适应能力上不能满足实际应用的要求，其只能适用于平坦壁面，无法处理大交角的壁面过度，车轮与壁面接触面积小，负载能力差。
中国专利CN101890988A、公开日20101124，公开了一种机器人仿壁虎粘附脚趾及其运动方法，该仿壁虎脚趾可适用于在光滑表面粘附的仿壁虎爬行机器人脚掌设计和运动实现中，依据其特殊的悬臂式结构，采用被动驱动的方式，能够提供单方向具有较大粘附力而反方向具有较小脱附力的特性，模拟壁虎单方向较大的粘附力和反方向较小脱附力的这种力学各向异性特点，并应用于仿壁虎机器人中；但是，由于机器人的质量重，机身刚性大，因此机器人在移动过程中存在过约束问题，同时由于其针对于墙面与墙面之间、以及墙面与天花板之间步态规划不完善，限制了其应用。
中国专利CN112572632A，公开日20210330，公开了一种真空吸附式仿生爬壁机器人，在上层机身和下层机身中安装电磁继电器、主控板、电流传感器、手柄接收器等控制元件，并通过封盖进行保护，腿部的髋板、第一大腿、第二大腿和小腿分别通过舵机驱动，以爪部爬墙；其动作过程以前进为例：手柄发送前进信号至手柄接收器，主控板在手柄接收器接收到信号后，通过腿部移动操作依次移动需移动的腿部，在腿部移动完成后，进行机身移动，最后，再次依次移动需移动的腿部至初始位置，至此完成一个前进的运动循环；在爪部主体上设置有密封圈和球关节轴承，使得小腿可以实时根据墙面调整角度，并通过密封圈增加吸附力，从而可以在多种墙面上前进。但是其结构限制，运动缺乏灵活性，同时在翻越墙面与墙面之间存在一些不足，无法翻越角度较小的墙面，存在翻越能力较弱的问题。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种空间四足爬壁机器人及其控制方法，实现直行、转弯、越障以及跨越直角墙面的功能，并能够完成360°空间连续攀爬，增强爬壁机器人的越障能力和攀爬能力。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点是：设置以球壳为载体的球形主体，以所述球形主体为机器人的运动中心；在球壳上设有四条爬行足；各爬行足具有相同的结构形式，是由大腿、伸长腿和小腿组成；各爬行足中大腿的上端连接电机变速器，由电机驱动的电机变速器固定安装在球壳的外表面，与各爬行足一一对应的四只电机变速器在球壳的外表按空间正四面体分布，以空间正四面体的各顶点方向为朝向，各爬行足的方向和长度均可调；足部为机械爪，在机械爪底部设置吸盘实现机器人的固定。
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点也在于：所述爬行足的结构形式是：
所述大腿，其大腿上端通过联轴器与对应位置上的电机变速器的输出轴相连接，由电机变速器驱动大腿转动形成第一转动副，为爬行足提供动力；大腿下端的侧部铰接伸长腿上端的端头，在大腿下端的端头与伸长腿上端的侧部之间铰接上段斜撑；
所述伸长腿，其伸长腿下端的端头铰接在小腿上端的侧部，在小腿上端的端头与伸长腿下端的侧部之间铰接下段斜撑；
所述小腿，其下端通过小腿气缸连接足部，利用小腿气缸活塞的伸缩调整小腿长度；
所述上段斜撑、下段斜撑以及伸长腿均为可调长度的伸缩气缸；
调整上段斜撑的长度用于控制大腿与伸长腿之间的夹角；
调整下段斜撑的长度用于控制小腿与伸长腿之间的夹角；
所述足部为机械爪，机械爪的爪壳顶部通过爪帽与小腿气缸活塞杆相连接，在所述爪壳内配置作业工具，在机械爪底部设置吸盘，机器人利用吸盘的吸附功能实现固定。
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点也在于：所述作业工具包括乙炔喷枪和高压水枪。
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点也在于：在所述各机械爪上，围绕爪中心壳均布有三只吸盘，三只吸盘气缸与三只吸盘一一对应设置并围绕在爪中心壳的外周，由各吸盘气缸为吸盘一一对应提供负压。
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点也在于：在所述爪中心壳的外围，围绕爪中心壳均布有三只伸展肢；所述伸展肢能够通过电机收拢在爪中心壳的外围呈静止状态；或在爪中心壳的外围展开成三爪形，用于抓取和支撑。
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点也在于：所述伸展肢是由后段杆和前段杆构成，后段杆的一端设置为齿轮爪节，后段杆的另一端与前段杆的尾端相接，并形成中间关节，在中间关节中设置关节电机，利用关节电机进行驱动，用于将前段杆收折在后段杆的杆腔中，或将前段杆从后段杆的杆腔中伸展出；在所述前段杆的前端固连一段爪尖，前段杆连同爪尖一同进行收折和展开。
本发明空间四足爬壁机器人的结构特点也在于：所述伸展肢是利用齿轮爪节与爪中心壳相连接，在所述爪中心壳中设置驱动机构，利用所述驱动机构通过传动使齿轮爪节中的齿轮进行转动，由此带动伸展肢或收拢在爪中心壳的外围，或伸展出成悬臂，配合关节电机驱动伸展肢中的前段杆连同爪尖展形，形成三爪形结构。
本发明空间四足爬壁机器人的控制方法的特点是：定义机器人中四条爬行足分别为第一足，第二足，第三足和第四足，设置平面爬行中爬行方向和距离的控制方法是：
设定初始状态：机器人四条爬行足中的第一足呈悬空，为悬空足；第二足、第三足和第四足呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，机器人稳定；
控制移动方式：将第一足的落点选择在与第四足吸附点关于第二足与第三足吸附点连线的对称点上，四条爬行足的吸附点形成四边长度相等的菱形，将第一足由悬空足转为吸附足，随后将第四足由吸附足转为悬空足，机器人达到新的机器人稳定状态。
本发明空间四足爬壁机器人的控制方法的特点也在于：设置垂直墙面间爬行时翻转上墙的控制方法是：
设定初始状态：机器人处于第一墙面上，并靠近第一墙面；在第一墙面中，四条爬行足中的第一足呈悬空，为悬空足；第二足、第三足和第四足呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，并且第二足和第三足吸附点连线平行于第一墙面和第二墙面的交界线，第一墙面和第二墙面为相接的相互垂直的墙面，机器人将从第一墙面翻转上第二墙面；
设置翻转方式：将第一足的落点选择在第二墙面上，通过控制使第一足垂直跨过第一墙面中第二足和第三足的吸附点连线，并吸附在第二墙面上，第一足由悬空足转为吸附足；随后，保持第四足为吸附足，使第二足和第三足均松开成为悬空足；再通过控制将悬空的第二足和第三足吸附在第二墙面上，与吸附在第二墙面上的第一足共同构成三点吸附，此后将第四足在第一墙面上松开，并进一步调整第一足、第二足和第三足的长度使其呈三点吸附的稳定状态；第四足转而继续在第二墙面上选择新的落点，完成第一墙面向第二墙面的翻转。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明机器人采用四足结构，爬行过程中能够保持有三个吸附足吸附于墙面，稳定可靠。
2、本发明机器人每爬行一步之后，下一步的落脚点具有三个方向可以选择，爬行轨迹可以遍历整个墙面。
3、本发明机器人以杆件的形式进行连接，任意两只脚之间呈109°28'排布，预留空间大，攀爬时角度跨越范围宽，具有较强的越障能力，既可以爬行在单一平面，也可以在相互垂直的两个平面之间进行跨越，甚至实现360°空间爬行。
4、本发明机器人在吸附过程中只需控制3只爬行足移动副的线位移即可控制机器人的运动轨迹；在翻转过程中通过协调爬行足的角位移和线位移即可完成机器人的步态规划，控制方式简单、快捷、准确。
5、本发明机器人通过借助视觉传感器还能实现自动避障的功能。
附图说明
图1为本发明机器人结构示意图；
图2为本发明中机器人爬行足结构示意图；
图3为本发明中机器人足部结构示意图；
图4为本发明中吸盘气缸活塞局部示意图；
图5为本发明中机器人伸展肢收拢状态示意图；
图6为本发明中机器人伸展肢展开状态示意图；
图中标号：1第一足，2第二足，3第三足，4第四足，5球壳，6电机减速器，7大腿腿壳，8斜撑气缸活塞杆，9斜撑气缸，10伸长腿，11长杆气缸，12小腿气缸活塞杆，13足部，14大腿腿壳气缸，15小腿气缸，16爪帽，17爪中心壳、18吸盘气缸，19吸盘链接器、20吸盘，21伸展肢，22上齿轮，23吸盘气缸活塞、24齿轮爪节，25中间关节、26前段杆，27爪尖，28关节电机。
具体实施方式
参见图1，本实施例中空间四足爬壁机器人的结构形式是：
设置以球壳5为载体的球形主体，在球壳5内设置陀螺仪和电子眼，以球形主体为机器人的运动中心；在球壳5上设有四条爬行足；各爬行足具有相同的结构形式，是由大腿、伸长腿和小腿分三段组成；各爬行足中大腿的上端连接电机变速器6，由电机驱动的电机变速器6固定安装在球壳5的外表面，与各爬行足一一对应的四只电机变速器在球壳5的外表按空间正四面体分布，以空间正四面体的各顶点方向为朝向，各爬行足的方向和长度均可调；足部为机械爪，在机械爪底部设置吸盘实现机器人的固定；陀螺仪用于维持机器人运动过程中球壳中电子眼的稳定性，电子眼用于实现机器人的可视化操控，可附加视觉识别、自动避障等功能。
参见图1和图2，本实施例中爬行足的结构形式是：
大腿，具有大腿腿壳7，并在大腿腿壳7中设置有大腿腿壳气缸14，其大腿上端通过联轴器与对应位置上的电机变速器6的输出轴相连接，由电机变速器驱动大腿转动形成第一转动副，为爬行足提供动力；大腿下端的侧部铰接伸长腿上端的端头，在大腿下端的端头与伸长腿上端的侧部之间铰接上段斜撑，上段斜撑为可调长度的伸缩气缸，由斜撑气缸9和斜撑气缸活塞杆8构成，由于上段斜撑所需驱动的结构较为繁重，设置大腿腿壳气缸14，以其气缸活塞为上段斜撑提供充足的动力。
伸长腿10为一可伸缩的长杆气缸11，伸长腿下端即长杆气缸11的活塞杆的端头铰接在小腿上端的侧部，在小腿上端的端头与伸长腿下端的侧部之间铰接下段斜撑；伸长腿和下段斜撑为可调长度的伸缩气缸；调整上段斜撑的长度用于控制大腿与伸长腿之间的夹角；调整下段斜撑的长度用于控制小腿与伸长腿之间的夹角。
小腿为一气缸，小腿的下端是小腿气缸15中小腿气缸活塞杆12的端杆，小腿气缸活塞杆12连接足部13，利用小腿气缸活塞杆12的伸缩调整小腿长度，小腿气缸15为小腿气缸活塞杆12提供动力。
参见图2、图3和图4，足部13为机械爪，机械爪的爪壳顶部通过爪帽16与小腿气缸活塞杆12相连接，在爪壳内配置作业工具，包括乙炔喷枪和高压水枪，在机械爪底部设置吸盘20，真空吸盘20通过吸盘链接器19与吸盘气缸18相连通，由吸盘气缸活塞23提供驱动力产生负压，机器人利用吸盘20的吸附功能实现固定；图3和图4示出，在各机械爪上，围绕爪中心壳17均布有三只吸盘20，三只吸盘气缸18与三只吸盘20一一对应设置并围绕在爪中心壳17的外周，由各吸盘气缸18为吸盘20一一对应提供负压。
参见图3、图5和图6，本实施例中在爪中心壳17的外围，围绕爪中心壳17均布有三只伸展肢21，三只伸展肢21与三只吸盘气缸18在爪中心壳17的外围一一间隔设置；伸展肢21能够通过电机收拢在爪中心壳17的外围，呈现为如图5所示的静止状态；或在爪中心壳17的外围展开,呈现为如图6所示的三爪形，用于抓取和支撑。
如图5和图6所示，伸展肢21是由后段杆和前段杆26构成，后段杆的一端设置为齿轮爪节24，后段杆的另一端与前段杆26的尾端相接，并形成中间关节25，在中间关节中设置关节电机28，利用关节电机28进行驱动，用于将前段杆26收折在后段杆的杆腔中，或将前段杆26从后段杆的杆腔中伸展出；在前段杆26的前端固连一段爪尖27，前段杆26连同爪尖27一同进行收折和展开。
图3所示的伸展肢21是利用齿轮爪节24与爪中心壳17相连接，在爪中心壳17中设置驱动机构22，利用驱动机构22通过传动使齿轮爪节24中的齿轮进行转动，从而带动伸展肢21或收拢在爪中心壳17的外围，或伸展出成悬臂，配合关节电机28的驱动伸展肢中的前段杆连同爪尖27展形，形成三爪形结构。
按图1所示定义机器人中四条爬行足分别为第一足1，第二足2，第三足3和第四足4，控制各爬行足实现平面爬行和垂直墙面翻转的不同的工作模式。
平面爬行中爬行方向和距离的控制过程：
初始状态：机器人四条爬行足中的第一足1呈悬空，为悬空足；第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，机器人稳定。
移动方式：将第一足1的落点选择在与第四足4吸附点关于第二足2与第三足3吸附点连线的对称点上，四条爬行足的吸附点形成四边长度相等的菱形，将第一足1由悬空足转为吸附足，随后将第四足4由吸附足转为悬空足，机器人达到新的机器人稳定状态。
垂直墙面间爬行时翻转上墙的控制过程：
初始状态：机器人处于第一墙面上，并靠近第一墙面；在第一墙面中，四条爬行足中的第一足1呈悬空，为悬空足；第二足2、第三足3和第四足4呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，并且第二足2和第三足3吸附点连线平行于第一墙面和第二墙面的交界线，第一墙面和第二墙面为相接的相互垂直的墙面，机器人将从第一墙面翻转上第二墙面。
翻转方式：将第一足1的落点选择在第二墙面上，通过控制使第一足1垂直跨过第一墙面中第二足2和第三足3的吸附点连线，并吸附在第二墙面上，第一足1由悬空足转为吸附足；随后，保持第四足4为吸附足，使第二足2和第三足3均松开成为悬空足；再通过控制将悬空的第二足2和第三足3吸附在第二墙面上，与吸附在第二墙面上的第一足1共同构成三点吸附，此后将第四足4在第一墙面上松开，并进一步调整第一足1、第二足2和第三足3的长度使其呈三点吸附的稳定状态；第四足4转而继续在第二墙面上选择新的落点，完成第一墙面向第二墙面的翻转。
Claims (9)
1.一种空间四足爬壁机器人，其特征是：设置以球壳(5)为载体的球形主体，以所述球形主体为机器人的运动中心；在球壳(5)上设有四条爬行足；各爬行足具有相同的结构形式，是由大腿、伸长腿和小腿组成；各爬行足中大腿的上端连接电机变速器(6)，由电机驱动的电机变速器(6)固定安装在球壳(5)的外表面，与各爬行足一一对应的四只电机变速器在球壳(5)的外表按空间正四面体分布，以空间正四面体的各顶点方向为朝向，各爬行足的方向和长度均可调；足部为机械爪，在机械爪底部设置吸盘实现机器人的固定。
2.根据权利要求1所述的空间四足爬壁机器人，其特征是：所述爬行足的结构形式是：
所述大腿，其大腿上端通过联轴器与对应位置上的电机变速器(6)的输出轴相连接，由电机变速器驱动大腿转动形成第一转动副，为爬行足提供动力；大腿下端的侧部铰接伸长腿上端的端头，在大腿下端的端头与伸长腿上端的侧部之间铰接上段斜撑；
所述伸长腿，其伸长腿下端的端头铰接在小腿上端的侧部，在小腿上端的端头与伸长腿下端的侧部之间铰接下段斜撑；
所述小腿，其下端通过小腿气缸(15)连接足部(13)，利用小腿气缸活塞(12)的伸缩调整小腿长度；
所述上段斜撑、下段斜撑以及伸长腿均为可调长度的伸缩气缸；
调整上段斜撑的长度用于控制大腿与伸长腿之间的夹角；
调整下段斜撑的长度用于控制小腿与伸长腿之间的夹角；
所述足部(13)为机械爪，机械爪的爪壳顶部通过爪帽(16)与小腿气缸活塞杆(12)相连接，在所述爪壳内配置作业工具，在机械爪底部设置吸盘(20)，机器人利用吸盘(20)的吸附功能实现固定。
3.根据权利要求1所述的空间四足爬壁机器人，其特征是：所述作业工具包括乙炔喷枪和高压水枪。
4.根据权利要求1所述的空间四足爬壁机器人，其特征是：在所述各机械爪上，围绕爪中心壳(17)均布有三只吸盘(20)，三只吸盘气缸(18)与三只吸盘(20)一一对应设置并围绕在爪中心壳(17)的外周，由各吸盘气缸(18)为吸盘(20)一一对应提供负压。
5.根据权利要求1所述的空间四足爬壁机器人，其特征是：在所述爪中心壳(17)的外围，围绕爪中心壳(17)均布有三只伸展肢(21)；所述伸展肢(21)能够通过电机收拢在爪中心壳(17)的外围呈静止状态；或在爪中心壳(17)的外围展开成三爪形，用于抓取和支撑。
6.根据权利要求5所述的空间四足爬壁机器人，其特征是：所述伸展肢(21)是由后段杆和前段杆构成，后段杆的一端设置为齿轮爪节(24)，后段杆的另一端与前段杆的尾端相接，并形成中间关节(25)，在中间关节(25)中设置关节电机(28)，利用关节电机(28)进行驱动，用于将前段杆收折在后段杆的杆腔中，或将前段杆从后段杆的杆腔中伸展出；在所述前段杆的前端固连一段爪尖(27)，前段杆连同爪尖(27)一同进行收折和展开。
7.根据权利要求6所述的空间四足爬壁机器人，其特征是：所述伸展肢(21)是利用齿轮爪节(24)与爪中心壳(17)相连接，在所述爪中心壳(17)中设置驱动机构(22)，利用所述驱动机构(22)通过传动使齿轮爪节(24)中的齿轮进行转动，由此带动伸展肢(21)或收拢在爪中心壳(17)的外围，或伸展出成悬臂，配合关节电机(28)驱动伸展肢中的前段杆连同爪尖(27)展形，形成三爪形结构。
8.一种根据权利要求1所述的空间四足爬壁机器人的控制方法，其特征是：定义机器人中四条爬行足分别为第一足(1)，第二足(2)，第三足(3)和第四足(4)，设置平面爬行中爬行方向和距离的控制方法是：
设定初始状态：机器人四条爬行足中的第一足(1)呈悬空，为悬空足；第二足(2)、第三足(3)和第四足(4)呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，机器人稳定；
控制移动方式：将第一足(1)的落点选择在与第四足(4)吸附点关于第二足(2)与第三足(3)吸附点连线的对称点上，四条爬行足的吸附点形成四边长度相等的菱形，将第一足(1)由悬空足转为吸附足，随后将第四足(4)由吸附足转为悬空足，机器人达到新的机器人稳定状态。
9.根据权利要求8所述的空间四足爬壁机器人的控制方法，其特征是：
设置垂直墙面间爬行时翻转上墙的控制方法是：
设定初始状态：机器人处于第一墙面上，并靠近第一墙面；在第一墙面中，四条爬行足中的第一足(1)呈悬空，为悬空足；第二足(2)、第三足(3)和第四足(4)呈吸附，为吸附足，三条吸附足在平面上的投影为等边三角形，并且第二足(2)和第三足(3)吸附点连线平行于第一墙面和第二墙面的交界线，第一墙面和第二墙面为相接的相互垂直的墙面，机器人将从第一墙面翻转上第二墙面；
设置翻转方式：将第一足(1)的落点选择在第二墙面上，通过控制使第一足(1)垂直跨过第一墙面中第二足(2)和第三足(3)的吸附点连线，并吸附在第二墙面上，第一足(1)由悬空足转为吸附足；随后，保持第四足(4)为吸附足，使第二足(2)和第三足(3)均松开成为悬空足；再通过控制将悬空的第二足(2)和第三足(3)吸附在第二墙面上，与吸附在第二墙面上的第一足(1)共同构成三点吸附，此后将第四足(4)在第一墙面上松开，并进一步调整第一足(1)、第二足(2)和第三足(3)的长度使其呈三点吸附的稳定状态；第四足(4)转而继续在第二墙面上选择新的落点，完成第一墙面向第二墙面的翻转。
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