CN115771575A - 一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及爬壁机器人技术领域，尤其涉及一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人。包括车身、前推力吸附机构、驱动轮机构、辅助轮机构、后推力吸附机构、转向轮机构。车身由一块矩形平板组成，前后有半圆形缺口，驱动轮机构安装在车身前部的下方，辅助轮机构安装在车身后部的下方，转向轮机构安装在车身后部的上方。前推力吸附机构安装在车身前部，另外由舵机控制其转动可以改变前推力的方向。后推力吸附机构安装在车身后部，直接由电机支撑架安装在车身上。转向轮机构中包含舵机，在爬壁机器人在壁面上进行转向时，可以通过舵机改变转向轮偏转角度。本发明是一种可以实现从地面到垂直壁面过渡的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人。

Description

一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种爬壁机器人，具体是用于实现机器人从地面到壁面的过渡机构。

背景技术

随着社会的发展，高层建筑也越来越多，相应的涉及到的壁面作业也越来越危险，爬壁机器人是一种能够携带多种执行机构进行壁面作业的自动化机械装置，可以根据壁面作业的要求完成各种各样的任务。

要使爬壁机器人在壁面上进行作业，其吸附能力至关重要，当前爬壁机器人的吸附方式主要包括磁吸附、负压吸附、正压吸附、仿生吸附等。爬壁机器人在实际作业中工作环境往往不是单一的壁面，经常出现从地面到直角壁面的过渡情况，这就需要爬壁机器人拥有一定的过渡能力，增强爬壁机器人的实用性。一般的爬壁机器人实现地面到垂直壁面的过渡过程非常困难，大多是利用支撑臂，在过渡的过程中将车身前部分抬起，并利用桨叶旋转进行推力吸附，使机器人完成过渡，在此过程中机器人很容易发生倾覆以及滑移的情况，因此衍生出了爬壁无人机，但是爬壁无人机在进行着陆的过程中，由于其快速的姿态变化和着陆速度会对无人机栖息的表面的平台产生很大的冲击力，可能使爬壁无人机发生倾覆或对无人机造成损伤。

传统的爬壁机器人非驱动轮不能转向，只是依靠驱动轮进行差速转向，不能转向的脚轮会产生阻力，尤其在墙壁上作业时，其方向始终保持与重力方向一致，造成机器人的转向困难。

发明内容

为了克服传统爬壁人在实现地面到直角壁面的过渡过程中出现的过渡困难，容易发生倾覆和损伤机器人的缺陷，本发明提出了一种能够实现机器人从地面到垂直壁面过渡的螺旋桨推力吸附轮式爬壁机器人，旋转前推力吸附装置的桨叶板让其始终保持与壁面平行，前桨叶旋转产生与壁面垂直的推力将机器人的驱动轮抵在墙壁上，使驱动轮与壁面稳定接触不产生滑移，后推力吸附机构中的桨叶旋转产生与机身垂直的升力，使机器人整体发生扭转，直到转向轮与墙壁接触，前、后桨叶旋转产生的推力使机器人完全吸附在墙壁上，完成从地面到垂直壁面的过渡过程。

为了解决传统爬壁机器人只依靠驱动轮进行差速转向而造成转向过程中阻力大的问题，本发明设计了一种新的转向轮机构。通过舵机来控制转向轮的旋转角度，将转向轮设计成为可控制转角的机构，再通过控制驱动轮上的有刷电机的转速进行差速转动，本发明爬壁机器人在爬壁上运动时是一个前轮转向，后轮驱动的爬墙车。通过转向轮的这种结构能够减小车轮在壁面上转向时的阻力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，包括车身、驱动轮行走机构、前推力吸附机构、后推力吸附机构、辅助轮机构、转向轮机构。在车身前部下方安装了驱动轮行走机构，车身前部中间位置安装了前推力吸附机构，车身后部的上方安装了转向轮机构，车身后部的下方安装了辅助轮机构，车身后部的中间位置安装了后推力吸附机构。

优选的，所述的爬壁机器人，车身由一块平板构成，其余机构均安装在车身上。

优选的，所述的爬壁机器人，所述的驱动轮行走机构包括轮毂、车轮轴、有刷电机，有刷电机支撑座。有刷电机与电机支撑座固定连接，电机支撑座通过螺栓直接与车身固定连接在一起，电机轴与车轮轴连接，车身前部左右两侧各有一个驱动轮，行走时，通过有刷电机输出轴旋转带动车轮行走。

优选的，所述的爬壁机器人，前吸附机构由无刷电机、桨叶、桨叶板、电机支撑架、连接件、第一舵机、舵机支座共同组成。无刷电机与电机支撑架固定连接，桨叶安装在无刷电机上，电机支撑架与桨叶板相连，第一舵机固定在舵机支座上，舵机支座与车身相连，桨叶板右侧通过连接件与第一舵机相连，通过第一舵机控制桨叶板的旋转角度，无刷电机带动桨叶旋转产生垂直于墙壁的推力，使机器人驱动轮的轮毂与墙壁稳定接触。

优选的，所述的爬壁机器人，前推力吸附机构中桨叶板左侧通过连接件与车身连接，右侧通过连接件与第一舵机相连，第一舵机固定安装在舵机支座上，舵机支座固定连接在车身上。

优选的，所述的爬壁机器人，后推力吸附机构是由电机支撑架直接固定安装在车身上，无刷电机带动桨叶旋转，产生垂直于车身的升力。

优选的，所述的爬壁机器人，辅助轮固定架通过螺栓直接与车身固定连接，机器人在地面上行走时，辅助轮可以充当从动轮并起到支撑作用。

优选的，所述的爬壁机器人，转向轮机构是由第二舵机、转向轮固定架、转向轮组成，其中第二舵机固定安装在车身后部的下方，转向轮通过转向轮固定架直接与第二舵机相连，通过第二舵机控制转向轮的旋转角度，达到转向的目的。

本发明的有益效果是，本发明爬壁机器人采用前推力吸附机构产生垂直于墙壁的推力，使驱动轮稳定接触在壁面上，保证前轮不发生偏移，后推力吸附机构产生垂直于车身向上的推力，使整体车身发生偏转，直到车身上方的转向轮与壁面稳定接触，此时前、后推力吸附机构均能产生垂直于墙壁的推力，使机器人稳定吸附在壁面。通过这种方式能够有效的解决传统爬壁机器人从地面到壁面过渡困难的问题。

爬壁机器人在低摩擦力系数的垂直壁面进行工作时，可以通过旋转桨叶板，使前吸附机构产生倾斜向上推力，该推力会产生垂直于墙壁的分力和竖直向上的分力，相比于前后吸附机构都只产生垂直于壁面的推力，可以降低对无刷电机功率的要求。

本发明爬壁机器人其吸附机构与壁面之间有一定的距离，可以保证桨叶旋转时机器人周围的空气可以正常流通没有遮挡。另外，在凹凸不平的壁面上作业时，推力吸附机构与壁面不会发生干扰，使机器人拥有一定的越障能力。

本发明爬壁机器人的转向轮是单独由第二舵机控制，使用可转向的脚轮可以帮助机器人克服转向困难的问题，使机器人在壁面的转向更加方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为爬壁机器人的结构示意图；

图2为爬壁机器人前推力吸附机构的结构示意图；

图3为爬壁机器人驱动轮机构的结构示意图；

图4为爬壁机器人转向轮机构的结构示意图；

图中1.车身，2.前推力吸附机构，3.驱动轮机构，4.辅助轮机构，5.后推力吸附机构，6.转向轮机构，201.桨叶板，202.桨叶，203.无刷电机，204.电机支撑架，205.第一舵机，206.舵机支撑座，301.轮毂，302.车轮轴，303.有刷电机支撑座，304.有刷电机，601.第二舵机，602.转向轮固定架，603.转向轮。

具体实施方式

如图1所示，爬壁机器人前推力吸附机构2中的桨叶板201通过连接件与车身1相连，其中左侧连接件与车身1通过螺栓固定连接，左侧相邻的两个连接件利用连接轴连接，连接件内装由轴承，保证桨叶板201能够转动。第一舵机205的输出轴与桨叶板201右侧的连接件同轴连接，通过第一舵机205调整桨叶板201的旋转角度。桨叶202的中心与无刷电机203的输出轴进行同轴连接。在进行地面到壁面的过渡过程，通过第一舵机205输出轴的旋转带动桨叶板201旋转，保持桨叶板201始终平行于墙壁，同时，无刷电机203的输出轴带动桨叶202旋转，使之产生垂直于墙壁的推力，使驱动轮机构3中的轮毂301稳定的跟墙壁接触，保证轮毂301不发生滑移和偏转。

如上述，爬壁机器人在初始过渡时，需要将桨叶板201需要旋转到垂直于车身、平行于墙壁的位置，在桨叶板201旋转90度与车身垂直时，为使桨叶板201在旋转过程中不与地面发生干扰，将车身1安装在有刷电机支撑座303的上方，使车身1高于轮毂301的中心轴线。

后推力吸附机构5由无刷电机、电机支撑架、桨叶组成。电机支撑架通过螺栓固定安装在车身1上，为了使机器人在壁面上运动时，桨叶旋转过程中不与壁面产生干扰，需要在桨叶和壁面之间留有一定距离，因此将后推力吸附机构中的电机支撑架通过螺栓固定安装在车身1的下方，无刷电机固定安装在电机支撑架的下方，桨叶的中心与无刷电机的输出轴同轴安装，安装在无刷电机下方。

爬壁机器人前推力吸附机构2和后推力吸附机构5中的桨叶同时转动时，会产生气动扰动影响，因此桨叶在实际转动时，要控制前后桨叶的旋转方向不同，一个顺时针转动，另一个逆时针转动。

在进行过渡的过程中，如上述轮毂301与壁面稳定接触，同时后推力吸附机构中无刷电机的输出轴带动桨叶旋转，产生垂直于车身向上的推力，后推力吸附机构产生推力的力矩克服爬壁机器人自身重力产生的力矩，使车身1发生扭转，在车身1翻转的过程中，通过第一舵机205控制桨叶板201，使桨叶板201始终与垂直壁面保持平行。直到转向轮603与垂直壁面稳定接触时，爬壁机器人完成从地面到壁面的过渡过程。此时，前推力吸附机构和后推力吸附机均产生垂直于墙壁的推力，使爬壁机器人稳定的吸附在壁面上。

如图3示，有刷电机304与有刷电机支撑座303固定连接，有刷电机的输出轴与车轮轴302通过紧定螺钉固定连接，有刷电机支撑座303通过螺栓固定连接在车身1上。

爬壁机器人在地面上运动时，有刷电机304的输出轴旋转时带动车轮轴302旋转，进而带动轮毂301旋转，同时辅助轮机构4作为从动轮进行运动并支撑机器人保持平衡。通过控制左右两侧驱动轮机构3中的有刷电机304的转速，进而完成爬壁机器人在地面的前进、后退、转弯等运动。爬壁机器人在垂直壁面上运动时，前、后推力吸附机构提供足够的吸附力，使机器人在壁面上不发生滑落和倾覆，此时有刷电机304的输出轴旋转，带动轮毂301旋转，转向轮机构6作为在壁面上运动的从动轮和转向轮。

辅助轮机构4由辅助轮和辅助轮固定架组成。辅助轮固定架是将辅助轮和车身连接在一起的零件，辅助轮固定架有一定的高度，目的是为了减小辅助轮的尺寸，从而减小爬壁机器人整体的质量。辅助轮固定架通过螺栓固定连接在车身1的下方，当爬壁机器人在地面上运动时，辅助轮机构4起到从动轮的作用。

转向轮机构6由第二舵机601、转向轮固定架602、转向轮603共同组成。其中第二舵机601固定安装在车身1的下方，第二舵机601的输出轴与转向轮固定架602同轴连接，转向轮固定架602位于车身上方。可以通过控制第二舵机601控制转向轮固定架602的旋转角度，使转向轮发生转动。

爬壁机器人在墙壁上稳定吸附时，前推力吸附结构2和后推力吸附机构5均产生垂直于墙壁的推力，此时前推力吸附机构2中的桨叶板201平行于墙壁。爬壁机器人在壁面上转向时，通过第二舵机601控制转向轮固定架602发生转动，进而使转向轮603发生转向。同时驱动轮机构3采用差速转动，通过内外车轮行驶的距离不同，使机器人发生偏转，完成转向运动。爬壁机器人在壁面上是一个前转向、后驱动的爬墙车。

爬壁机器人在壁面上作业时，由于桨叶旋转产生的推力会使电机支撑架204、桨叶板201、车身1受到很大的压力，因此爬壁机器人的车身1、电机支撑架204、桨叶板201均采用碳纤维材料，其余轮毂、连接件、支座、固定架等均采用3D打印材料制成。使用轻型材料制作爬壁机器人可以减小爬壁机器人的整体重量，使其在壁面上更容易被吸附。

Claims (7)

1.一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，包括车身(1)、前推力吸附机构(2)、驱动轮机构(3)、辅助轮机构(4)、后推力吸附机构(5)、转向轮机构(6)；

所述爬壁机器人车身(1)由一块矩形平板构成，平板的前后方有两个半圆形缺口，前推力吸附机构(2)安装在前部半圆缺口内，后推力吸附机构(5)安装在后半圆缺口内；

所述驱动轮机构(3)左右对称安装在车身(1)前部下方的两端，为爬壁机器人的运动提供动力；辅助轮机构(4)安装在车身(1)的后部下方，当爬壁机器人在地面上运动时作为从动轮；转向轮机构(6)安装在车身后部的上方，当爬壁机器人在壁面上运动时作为从动轮。

2.如权利要求1所述的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述的前推力吸附机构(2)包括桨叶板(201)、桨叶(202)、无刷电机(203)、电机支撑架(204)、第一舵机(205)、舵机支撑座(206)；桨叶(202)的中心与无刷电机(203)的输出轴同轴连接，通过无刷电机(203)驱动桨叶(202)进行旋转，通过第一舵机(205)控制桨叶板(201)的偏转角度，可以调整前推力吸附机构(2)产生推力的方向。

3.如权利要求1所述的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，其特征在于，车身(1)上的半圆形缺口的直径大于前推力吸附机构(2)中桨叶板(201)的直径。

4.如权利要求1所述的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述驱动轮机构(3)中包含有刷电机(304)，有刷电机(304)的输出轴与车轮轴(302)同轴连接，通过有刷电机(304)输出轴的旋转带动轮毂(301)进行旋转。

5.如权利要求1所述的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述后推力吸附机构(5)中的电机支撑架直接固定安装在车身(1)上，不可以调整推力的方向，当无刷电机带动桨叶旋转产生推力时，只能产生垂直于车身向上的推力。

6.如权利要求1所述的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述转向轮机构(6)中包括第二舵机(601)、转向轮固定架(602)、转向轮(603)；爬壁机器人在壁面上转向时，第二舵机(601)与转向轮固定架(603)连接，通过第二舵机(601)控制转向轮固定架(602)的偏转角度，使转向轮机构(6)发生转向。

7.如权利要求1所述的一种靠螺旋桨推力吸附的轮式爬壁机器人，其特征在于，车身(1)、电机支撑架(204)、桨叶板(201)均采用碳纤维材料，其余轮毂、连接件、支座、固定架等均采用PLA材料通过3D打印制成。

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