CN116968835B - 一种爬壁机器人的风压调节方法、系统及爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爬壁机器人的风压调节方法、系统及爬壁机器人，属于爬壁机器人技术领域。方法包括采集爬壁机器人负压腔的当前风压值以及吸附壁面的倾斜角，获取吸附壁面对爬壁机器人一侧履带最上端和最下端的压强值；计算爬壁机器人的重量值和重心位置，根据吸附壁面的材质确定摩擦系数；根据吸附壁面的倾斜角、压强值、爬壁机器人的重量值和重心位置，以及摩擦系数得到爬壁机器人中负压腔当前所需的安全风压值；根据当前风压值和安全风压值调节可调速风机的转速，并根据调整后的可调速风机的转速采取爬壁机器人保护机制。本发明解决了现有技术爬壁机器人风机不可调速、能耗高且使用寿命低、无法识别危险吸附状态的问题。

Description

一种爬壁机器人的风压调节方法、系统及爬壁机器人

技术领域

本发明属于爬壁机器人技术领域，具体涉及一种爬壁机器人的风压调节方法、系统及爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是指可以在壁面上攀爬并完成作业的特种机器人，目前在民用和军事领域的维保、侦察中均有应用，具体场景包括能源工业（热电站水冷壁和冷却塔、水电站坝体和泄洪口、风力发电机塔筒和叶片等）、石化工业（石油天然气输送管道、大型储罐等）、建筑工业（住宅、桥梁、隧道等）、航空工业、船舶海工业等。

目前，爬壁机器人的壁面附着方式主要有磁吸附、真空负压吸附、仿生爪刺抓吸附、仿生黏附材料吸附、静电吸附共5类。真空负压吸附方式中的履带密封式和滑动吸盘式的爬壁机器人需要依靠负压腔体产生负压用于吸附，负压腔体的负压一般由风机产生。真空负压吸附方式下，对爬壁机器人吸附性能有影响的因素主要有风机的性能、负压腔的密封性、吸附壁面的材质、吸附壁面的平整性、吸附壁面的倾斜度、爬壁机器人的姿态、爬壁机器人本体重量和重心位置、负载的重量和重心位置等。其中对于同一个爬壁机器人本体而言，风机的性能、负压腔的密封性、爬壁机器人本体重量和重心位置这三个参数是不变的，其余吸附壁面的材质、吸附壁面的平整性、吸附壁面的倾斜度、爬壁机器人的姿态和负载的重量和重心位置等参数都随着不同作业场景和不同负载发生着变化。根据参数的变化实时调节风机的风压，对减少噪音、降低能耗、提高续航时间、识别危险吸附状态、提高吸附安全性、延长爬壁机器人工作寿命有着积极影响。

现有技术中，申请公告号为CN115837946A的中国专利公开了一种用于爬壁机器人壁面检测装置，包括爬壁机器人本体及测试装置。测试装置通过角度传感器及时检测出壁面的粗糙度，通过探测组件的起伏，通过齿轮传动至角度传感器，换算成壁面的高低数值，根据粗糙度的大小可以调节风机的风量，从而控制行驶速度确保爬壁机器人本体顺利通过，该装置的提前为爬壁机器人本体需排除壁面障碍，避免爬壁机器人本体行驶至凹凸面，从而提高对爬壁机器人本体的防护效果。

又如，申请公告号为CN115489632A的中国专利公开了一种爬壁机器人压力控制方法，该方法获取本体的车轮转速，根据车轮转速计算得到本体的运动速度，将本体的运动速度与预置目标速度对比计算，根据计算结果调节固定涵道的风扇转速，即调节压力数据，使本体的运动速度达到预置目标速度；获取压力数据，将压力数据与预置安全压力范围对比，判断压力数据是否在预置安全压力范围内，根据对比结果调整固定涵道的风扇转速，使压力数据处于预置安全压力范围内，根据机器人的运动速度来调节固定涵道的风扇转速，使机器人在不同阻力及摩擦系数的表面上保持稳定的移动速度。

然而，现有的真空负压吸附方式的爬壁机器人通常存在以下缺陷：

1）现有负压吸附式爬壁机器人的风机风压大都通过手动调节，为保证吸附稳定性，风机都处于最大转速的工作状态，导致风机噪音大，能耗高，过大的吸附力也会导致爬壁机器人密封结构过度磨损，风机长时间高速工作也会减少其寿命。

2）现有风机风压调节方案，主要通过测试装置检测壁面粗糙度来调节风机风压，只用到一个与吸附性能相关的参数，安全性不高。

3）现有风机风压调节方案通过监测壁面起伏的高低阈值来判断爬壁机器人是否能够通过，这个阈值随着不同壁面情况和不同负载情况发生变化，需要根据不同情况取调整这个阈值，适用性不广。

4）现有爬壁机器人压力控制方法，主要用于风推力式爬壁机器人，不适用于履带密封式和滑动吸盘式的爬壁机器人，因为影响履带密封式和滑动吸盘式的爬壁机器人吸附性能的参数更多。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种爬壁机器人的风压调节方法，解决现有技术中爬壁机器人风机不可调速、能耗高且使用寿命低、无法识别危险吸附状态的问题。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种爬壁机器人的风压调节方法，应用于真空负压吸附式爬壁机器人，所述爬壁机器人在吸附壁面做上下直线运动，所述爬壁机器人具有负压腔，所述负压腔内设有可调速风机，所述的爬壁机器人的风压调节方法包括：

采集爬壁机器人中负压腔的当前风压值以及采集吸附壁面的倾斜角，同时获取吸附壁面对爬壁机器人中一侧履带的最上端和最下端的压强值；

计算爬壁机器人的重量值和重心位置，根据吸附壁面的材质确定爬壁机器人与吸附壁面之间的摩擦系数；

根据吸附壁面的倾斜角、所述压强值、爬壁机器人的重量值和重心位置，以及摩擦系数得到爬壁机器人中负压腔当前所需的安全风压值；

根据所述当前风压值和所述安全风压值调节所述可调速风机的转速，并根据调整后的可调速风机的转速采取爬壁机器人保护机制。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为优选，所述爬壁机器人包括爬壁机器人本体和设置于爬壁机器人本体上的负载，所述计算爬壁机器人的重量值和重心位置，包括：

所述爬壁机器人包括用于形成负压腔的左侧履带、右侧履带、上侧滚筒和下侧滚筒，以左侧履带、右侧履带、上侧滚筒和下侧滚筒与吸附壁面的最大接触面确定一个矩形，以该矩形位于下侧滚筒的边作为下侧纵向倾覆轴；

取爬壁机器人本体的重量值为和重心位置为/>，取负载的重量值为/>和重心位置为/>，则得到爬壁机器人的重量值和重心位置如下：

；

；

；

式中，为爬壁机器人本体的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为爬壁机器人本体的重心位置离吸附壁面的高度，/>为负载的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为负载的重心位置离吸附壁面的高度，/>为爬壁机器人的重量值，/>为爬壁机器人的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为爬壁机器人的重心位置离吸附壁面的高度。

作为优选，所述根据吸附壁面的倾斜角、所述压强值、爬壁机器人的重量值和重心位置，以及摩擦系数得到爬壁机器人中负压腔当前所需的安全风压值，包括：

根据吸附壁面的倾斜角、爬壁机器人的重量值以及摩擦系数建立爬壁机器人在吸附壁面上的防滑移模型，并由防滑移模型得到爬壁机器人的防滑移最小吸附压力；

根据一侧履带的最上端和最下端的压强值得到该侧履带的压强分布；

基于吸附壁面的倾斜角、所述压强分布、爬壁机器人的重量值和重心位置，建立对下侧纵向倾覆轴的力矩平衡公式，根据力矩平衡公式得到防纵向倾覆最小吸附压力；

根据所述防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力得到爬壁机器人的安全吸附压力，取所述安全吸附压力与所述负压腔的面积的比值作为负压腔的安全风压值。

作为优选，所述防滑移模型如下：

；

式中，为爬壁机器人在吸附壁面上的防滑移吸附压力，/>为爬壁机器人的重量值，/>为摩擦系数，/>为吸附壁面的倾斜角；

则得到防滑移最小吸附压力如下：

；

式中，为防滑移最小吸附压力。

作为优选，所述根据一侧履带的最上端和最下端的压强值得到该侧履带的压强分布，包括：

计算压强分布曲线斜率如下：

；

式中，为一侧履带的最上端的压强值，/>为一侧履带的最下端的压强值，/>为该侧履带的接地长度；

以该侧履带的中点为原点，得到压强分布公式如下：

；

式中，为该侧履带在位置/>处的压强。

作为优选，所述根据所述防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力得到爬壁机器人的安全吸附压力，包括：

取所述防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力中值较大的一者，作为待处理压力，将待处理压力与预定义的安全系数的乘积作为安全吸附压力。

作为优选，所述根据所述当前风压值和所述安全风压值调节所述可调速风机的转速，包括：

若所述当前风压值和所述安全风压值相等，则所述可调速风机的转速不变；

或者，若所述当前风压值大于所述安全风压值，则减小所述可调速风机的转速；

或者，若所述当前风压值小于所述安全风压值，则增大所述可调速风机的转速。

作为优选，所述根据调整后的可调速风机的转速采取爬壁机器人保护机制，包括：

取调整后的可调速风机的转速与可调速风机的转速上限的比值，作为转速比值；

若所述转速比值小于或等于第一阈值，则爬壁机器人处于正常工作状态，不执行保护措施；

或者，若所述转速比值大于第一阈值且小于第二阈值，则爬壁机器人处于风险工作状态，产生提示信息；

或者，若所述转速比值等于或大于第二阈值，则爬壁机器人处于危险工作状态，执行紧急制动措施，所述第二阈值大于第一阈值，且第二阈值小于或等于1，第一阈值大于0.5。

本发明提供的一种爬壁机器人的风压调节方法，获取与爬壁机器人吸附能力相关的负压腔风压值、吸附壁面的倾斜角以及吸附壁面对爬壁机器人的压强，并将这些参数值转化为对可调速风机风压的实时调节，同时考虑负载情况和吸附壁面情况等吸附参数，做到对所有材质壁面和负载工况的灵活适应；可调速风机可以根据安全风压值调整自身转速，不用人工调节或一直以最大转速工作，降低能耗和噪声，避免对吸附壁面过度吸附，延长可调速风机和履带使用寿命；通过监测可调速风机的转速，对爬壁机器人的危险吸附状态进行识别，防止爬壁机器人吸附失效，提高安全性。

本发明的目的之二在于提供一种爬壁机器人的风压调节系统，解决现有技术中爬壁机器人风机不可调速、能耗高且使用寿命低、无法识别危险吸附状态的问题。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种爬壁机器人的风压调节系统，所述爬壁机器人的风压调节系统包括负压测量传感器、转速测量传感器、角度测量传感器、压力测量传感器、可调速风机和控制器；

所述负压测量传感器，用于测量爬壁机器人中负压腔的当前风压值；

所述转速测量传感器，用于测量可调速风机的转速；

所述角度测量传感器，用于测量吸附壁面的倾斜角；

所述压力测量传感器，用于测量吸附壁面对爬壁机器人中一侧履带的最上端和最下端的压强值；

所述控制器，用于执行所述的一种爬壁机器人的风压调节方法的步骤。

本发明的爬壁机器人的风压调节系统与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）爬壁机器人的风压调节系统，综合所有跟爬壁机器人吸附能力相关的动态参数参与可调速风机的风压调节，有效减少可调速风机高速旋转工作的时间，避免过度吸附，延长可调速风机和履带使用寿命，降低工作噪音，减少能耗，提高续航，同时可以提前识别危险吸附状态，提高安全性。

2）爬壁机器人的风压调节系统通过负压测量传感器、角度测量传感器和压力测量传感器可以实时监测爬壁机器人在爬行过程中负压腔的压力值、吸附壁面的倾斜角和吸附壁面对爬壁机器人的压强，可以准确地反应爬壁机器人当前的吸附状态，调节速度快，准确性高。

3）爬壁机器人风压调节系统可以通过转速传感器实时监测可调速风机的转速，当控制器调节可调速风机处于最高转速工作状态时，可认为爬壁机器人处于危险吸附状态，紧急制动装置对行走电机进行紧急制动，防止爬壁机器人吸附失效，提高吸附安全性。

本发明的目的之三在于提供一种爬壁机器人，具有较长的使用寿命，能耗以及噪音低，且安全性高。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种爬壁机器人，所述爬壁机器人包括爬壁机器人本体、负载和所述的一种爬壁机器人的风压调节系统。

作为优选，所述爬壁机器人还包括可操作触摸屏。

本发明的爬壁机器人与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）该爬壁机器人综合所有跟爬壁机器人吸附能力相关的动态参数参与可调速风机的风压调节，有效减少可调速风机高速旋转工作的时间，避免过度吸附，延长可调速风机和履带使用寿命，降低工作噪音，减少能耗，提高续航，同时可以提前识别危险吸附状态，提高安全性。

2）该爬壁机器人通过负压测量传感器、角度测量传感器和压力测量传感器可以实时监测爬壁机器人在爬行过程中负压腔的压力值、吸附壁面的倾斜角和吸附壁面对爬壁机器人的压强，可以准确地反应爬壁机器人当前的吸附状态，调节速度快，准确性高。

3）该爬壁机器人允许使用者可以根据爬壁机器人吸附壁面的情况和负载情况，通过可操作触摸屏输入爬壁机器人本体重量值和重心位置、负载重量值和重心位置、吸附壁面材质种类（决定爬壁机器人与壁面的摩擦系数）及安全系数值（通过实验获得经验值，主要与壁面平整度，有无裂纹有关），不同壁面和负载情况适应性广，操作性强。

4）该爬壁机器人可以通过转速传感器实时监测风机的转速，当控制器调节风机处于最高转速工作状态时，可认为爬壁机器人处于危险吸附状态，紧急制动装置对行走电机进行紧急制动，防止爬壁机器人吸附失效，提高吸附安全性。

附图说明

图1为本发明的一种爬壁机器人的风压调节方法的流程图；

图2为本发明的密封结构的位置示意图；

图3为本发明的密封结构的结构示意图；

图4为本发明爬壁机器人本体、负载和爬壁机器人的中心位置离下侧纵向倾覆轴的距离的示意图；

图5为本发明爬壁机器人本体、负载和爬壁机器人的中心位置离吸附壁面的高度的示意图；

图6为本发明爬壁机器人在吸附壁面上的受力示意图；

图7为本发明爬壁机器人中上侧滚筒和下侧滚筒的压强分布示意图；

图8为本发明爬壁机器人中左侧履带和右侧履带的压强分布示意图；

图9为本发明爬壁机器人下侧纵向倾覆轴的受力示意图；

图10为本发明一种爬壁机器人的风压调节系统的结构示意图；

图11为本发明薄膜压力传感器的安装位置示意图；

图12为本发明的爬壁机器人的风压调节系统与爬壁机器人本体的连接示意图；

图13为本发明的爬壁机器人结构示意图。

图示中：1、爬壁机器人本体；11、上盖；12、密封结构；121、左侧履带；122、右侧履带；123、上侧滚筒；124、下侧滚筒；125、负压腔；2、负载；3、可操作触摸屏；4、爬壁机器人的风压调节系统；41、负压测量传感器；42、控制器；43、转速测量传感器；44、可调速风机；45、角度测量传感器；461数据采集设备；462、薄膜压力传感器；463、履带压板。

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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。

实施例1

为了解决现有技术中爬壁机器人风机不可调速、能耗高且使用寿命低、无法识别危险吸附状态等问题，本实施例提供一种爬壁机器人的风压调节方法如图1所示，该方法可根据爬壁机器人的负载情况和吸附壁面情况，灵活调整吸附参数，做到对所有材质的吸附壁面和负载工况的适用性，并且可以根据爬壁机器人当前负压腔的风压值、吸附壁面的倾斜角和压强值信息对风机转速进行实时控制，并通过监测风机的转速，提前识别危险吸附状态，避免出现吸附失效，在保证安全性的同时还能降低噪音，提高人机友好性。

根据吸附方式而言，本实施例的一种爬壁机器人的风压调节方法应用于真空负压吸附式爬壁机器人，如图2所示，通常爬壁机器人包括爬壁机器人本体和设置于爬壁机器人本体上的负载，并且爬壁机器人本体上设有用于实现真空负压吸附的密封结构12。如图3所示，该密封结构12通常由左侧履带121、右侧履带122、上侧滚筒123、下侧滚筒124、底板和上盖组成，各部件之间相互挤压密封形成负压腔125。

需要说明的是，本实施例主要在于提供针对真空负压吸附式爬壁机器人的一种爬壁机器人的风压调节方法，并且所适用的爬壁机器人在吸附壁面上仅做上下直线运动，上述提及的部件为所应用的真空负压吸附式爬壁机器人的基本部件，在其他实施例中，还可以增加其他所需部件，本实施例不进行限定。

具体的，本实施例的一种爬壁机器人的风压调节方法，包括以下步骤：

步骤1、采集爬壁机器人中负压腔的当前风压值以及采集吸附壁面的倾斜角，同时获取吸附壁面对爬壁机器人中一侧履带的最上端和最下端的压强值。

风压值也理解为压力值，负压腔中的风压值可利用传感器测量得到，例如负压传感器、微压压力传感器等压力测量传感器。另外吸附壁面的倾斜角可利用磁敏传感器、高速摄影仪、陀螺仪、倾角传感器以及IMU姿态传感器等角度测量传感器进行测量。

吸附壁面对爬壁机器人中一侧履带的最上端和最下端的压强值可由压力测量传感器得到，本实施例将压力测量传感器安装在一侧履带上，体现在实际结构中，可以是仅安装在左侧履带121，或者仅安装在右侧履带122，也可以是同时安装在左侧履带121和右侧履带122，但在计算时仅取一侧数据，或者融合两侧数据以提高准确性。并且安装在爬壁机器人主体结构与履带同步带接触面（例如履带压板）上。

对于获取履带的最上端和最下端的压强值而言，可以是仅在履带的最上端和最下端边沿安装一个压力测量传感器来获取数据，也可以是在最上端和最下端边沿的一定范围内安装多个压力测量传感器，并融合多个压力测量传感器的数值得到履带的最上端和最下端的压强值。本实施例重点在于获取压力值/压强值，对于压力测量传感器的数量以及形状构造等不进行严格限制。

为了提高压力值获取的准确性，本实施例提供一种薄膜压力测量系统作为压力测量传感器，该薄膜压力测量系统包括安装在最上端和最下端边沿位置或区域中的薄膜压力传感器和采集薄膜压力传感器测量值的数据采集设备。

需要说明的是，本实施例薄膜压力传感器的工作原理为：其内部包含了网格化的半导体基材，这些基材在受到压力后，产生与压力成正比的微位移，材料的阻值会发生变化，数据采集设备通过快速的电子扫描，可以测量各个感测元件的阻值数据。然后获取的薄膜压力传感器的阻值数据，通过分布式压力计算软件（例如Prime95、Folding@Home、BOINC），转换成薄膜压力传感器各个测点所受的压强数据。

步骤2、计算爬壁机器人的重量值和重心位置，根据吸附壁面的材质确定爬壁机器人与吸附壁面之间的摩擦系数。

由于爬壁机器人的重量值主要来源与爬壁机器人本体和负载，因此本实施例计算爬壁机器人的重量值和重心位置时，主要考虑爬壁机器人本体和负载的重量值和重心位置。

如图4-图5所示，以左侧履带121、右侧履带122、上侧滚筒123和下侧滚筒124与吸附壁面的最大接触面确定一个矩形（即为图中长为L宽为B的矩形），以该矩形位于下侧滚筒124的边作为下侧纵向倾覆轴。

取爬壁机器人本体的重量值为和重心位置为/>，取负载的重量值为/>和重心位置为/>，则得到爬壁机器人的重量值和重心位置如下：

；

；

；

式中，为爬壁机器人本体的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为爬壁机器人本体的重心位置离吸附壁面的高度，/>为负载的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为负载的重心位置离吸附壁面的高度，/>为爬壁机器人的重量值，/>为爬壁机器人的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为爬壁机器人的重心位置离吸附壁面的高度。

在实际计算中重心位置应由三维空间坐标确定，即重心位置实际为，重心位置/>实际为/>，重心位置/>实际为/>，但由于本实施例中只应用到重心位置与下侧纵向倾覆轴和吸附壁面的位置关系，因此省略了另一个维度（/>、/>、/>）的测量与计算。

为了使本实施例方法能够灵活应用于各材质的吸附壁面，本实施例还根据吸附壁面的材质确定爬壁机器人与吸附壁面之间的摩擦系数待用。其中吸附壁面的材质可以是通过传感器进行测量识别，也可以是直接由人为确定，然后根据预设的材质与摩擦系数的关系确定对应的摩擦系数。

本实施例对于比较难于获取的吸附参数（例如吸附壁面的材质种类及安全系数值）以及同一次任务过程中不会发生变化的参数（爬壁机器人本体的重量值和重心位置、负载的重量值和重心位置），直接采用人为输入的方式获取。在人为输入中，可以是通过上位机载入方式，也可以通过外接控制屏的方式，本实施例不进行限制。

步骤3、根据吸附壁面的倾斜角、压强值、爬壁机器人的重量值和重心位置，以及摩擦系数得到爬壁机器人中负压腔当前所需的安全风压值。

为了实时调节可调速风机的转速，实现对负压腔内风压值的控制，本实施例实时根据吸附参数计算安全风压值，包括：

步骤3.1、根据吸附壁面的倾斜角、爬壁机器人的重量值以及摩擦系数建立爬壁机器人在吸附壁面上的防滑移模型，并由防滑移模型得到爬壁机器人的防滑移最小吸附压力。

如图6所示，建立防滑移模型如下：

；

式中，为爬壁机器人在吸附壁面上的防滑移吸附压力，/>为爬壁机器人的重心参数中的重量值，/>为摩擦系数，/>为吸附壁面的倾斜角。

则得到防滑移最小吸附压力如下：

；

式中，为防滑移最小吸附压力。

步骤3.2、根据一侧履带的最上端和最下端的压强值得到该侧履带的压强分布。

如图7-图8所示，当爬壁机器人在壁面只做上下直线运动时，履带和滚筒上所受压强呈线性分布，而爬壁机器人由于重力矩的影响，履带和滚筒上侧所受压强小于下侧，故可以假设履带和滚筒所受压强呈梯形分布，履带和滚筒所受压强分布斜率一致。计算压强分布曲线斜率/>如下：

；

式中，为一侧履带的最上端的压强值，/>为一侧履带的最下端的压强值，/>为该侧履带的接地长度。

以该侧履带的中点为原点，得到压强分布公式如下：

；

式中，为该侧履带在位置/>处的压强。

步骤3.3、基于吸附壁面的倾斜角、压强分布、爬壁机器人的重量值和重心位置，建立对下侧纵向倾覆轴的力矩平衡公式，根据力矩平衡公式得到防纵向倾覆最小吸附压力。

如图9所示，爬壁机器人在壁面做上下直线运动时，绕下侧纵向倾覆轴（倾覆轴A）时力矩平衡公式如下，图中的O为爬壁机器人几何中心：

；

式中，为履带接地长度，/>为履带和滚筒接地宽度，/>为负压腔的长度，/>为负压腔的宽度，/>为防纵向倾覆最小吸附压力。表示壁面对履带、滚筒的支持力对倾覆轴A的倾覆力矩，/>表示重力引起的倾覆力矩，/>表示吸附力产生的抗倾覆力矩。因此得到防纵向倾覆最小吸附压力/>如下：

；

步骤3.4、根据防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力得到爬壁机器人的安全吸附压力，取安全吸附压力与负压腔的面积的比值作为负压腔的安全风压值。

为了保证爬壁机器人具有足够的吸附力，本实施例取防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力中值较大的一者，作为待处理压力，将待处理压力与预定义的安全系数的乘积作为安全吸附压力。公式表示如下：

；

式中，为安全风压值，/>为待处理压力，/>为负压腔的面积，即为图3中虚线框所示区域的面积，/>为安全系数，安全系数通过实验获得经验值，主要与吸附壁面平整度、有无裂纹有关。

步骤4、根据当前风压值和安全风压值调节可调速风机的转速，并根据调整后的可调速风机的转速采取爬壁机器人保护机制。

本实施例根据安全风压值与当前风压值的比较调整可调速风机的转速，旨在调整爬壁机器人具有足够的吸附力，避免出现吸附脱落情况。其中本实施例提供一种调节方式如下：

若当前风压值和安全风压值相等，则可调速风机的转速不变。

或者，若当前风压值大于安全风压值，则减小可调速风机的转速。

或者，若当前风压值小于安全风压值，则增大可调速风机的转速。

本实施例中直接比较当前风压值和安全风压值来调节可调速风机的转速，以实现较快调整的目的。在其他实施例中，还可以基于本实施例的调整策略进行更改，例如取当前风压值的几倍或几分之几与安全风压值进行比较，又如取安全风压值的几倍或几分之几与当前风压值进行比较等等。

为了实时观测爬壁机器人的吸附状态，以便于及时对爬壁机器人执行保护措施，本实施例提供一种保护机制逻辑如下：

取调整后的可调速风机的转速与可调速风机的转速上限的比值，作为转速比值。其中可调速风机的转速的获取可基于加速度传感器，位移传感器等转速测量传感器实现。

若转速比值小于或等于第一阈值，则爬壁机器人处于正常工作状态，不执行保护措施。当然也可以根据需要提示正常工作状态的信息。

或者，若转速比值大于第一阈值且小于第二阈值，则爬壁机器人处于风险工作状态，产生提示信息。本实施例在爬壁机器人处于风险工作状态时，产生提示信息，以便于及时反馈给操作人员执行相应措施，实现风险预警。需要说明的是，本实施例的提示信息包括利用色彩、图案、声音、文字等各类能够起到警示作用的方式输出的信息。

或者，若转速比值等于或大于第二阈值，则爬壁机器人处于危险工作状态，执行紧急制动措施，所述第二阈值大于第一阈值，且第二阈值小于或等于1，第一阈值大于0.5。

本实施例的紧急制动措施为通过紧急制动装置对行走电机进行紧急制动，在其他实施例中，也可以是直接控制行走电机停止。并且第一阈值可以是0.55、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9等，第二阈值可以是0.8、0.85、0.9、0.95、1等，根据实际需要设置即可。

实施例2

如图10-图12所示，本实施例提供一种爬壁机器人的风压调节系统4，包括负压测量传感器41、转速测量传感器43、角度测量传感器45、压力测量传感器、可调速风机44和控制器42。

各部件中，可调速风机44主体安装在负压腔125内，且负压腔125的底板上设有抽风口，可调速风机44经由抽风口将负压腔125内的空气排出，从而调节负压腔125内的风压值。

容易理解的是，虽然左侧履带121、右侧履带122、上侧滚筒123、下侧滚筒124、底板和上盖相互挤压形成一个包含负压腔125的密封结构12，但是由于结构之间并非完全密闭，因此该负压腔125内通过各结构之间的缝隙进入空气，然后通过可调速风机44使得该密封结构12能够维持在一个较为稳定的风压值。

负压测量传感器41用于测量爬壁机器人中负压腔125的当前风压值；转速测量传感器43用于测量可调速风机44的转速；角度测量传感器45用于测量吸附壁面的倾斜角；压力测量传感器用于获取吸附壁面对爬壁机器人的压力值；控制器42用于执行一种爬壁机器人的风压调节方法的步骤。关于各传感器以及控制器42运行的一种爬壁机器人的风压调节方法可参见实施例1中的限定，本实施例不进行赘述。

为了美观性以及使用安全性，负压测量传感器41、转速测量传感器43、角度测量传感器45和控制器42安装在位于上盖11的一个腔体内，其中负压测量传感器41的测量头贯穿上盖11伸入负压腔125内，转速测量传感器43的通信先贯穿上盖11与负压腔125内的可调速风机44连接，控制器42与负压测量传感器41、转速测量传感器43、角度测量传感器45和可调速风机44连接，用于进行工作控制，其控制原理根据各部件技术要求设置即可，本实施例不进行赘述。

在信号采集中，负压测量传感器41和角度测量传感器45获取爬壁机器人爬行过程中时刻发生变化的参数，并转换成电信号（电流或电压信号）反馈给控制器42。负压测量传感器41内部的敏感元件受到压力作用时，其电阻值会发生变化，电阻值的变化通过电路进行放大和处理，转换为标准的电信号输出。角度测量传感器45内部的敏感元件热线因倾斜受到加速度作用时，其阻值会发生变化，并输出不同的电信号给控制器42。转速测量传感器43测量可调速风机44的转速，向控制器输出测量电信号。

压力测量传感器由安装在上盖11的一个腔体内的数据采集设备461和安装在履带上并且与数据采集设备461连接的薄膜压力传感器462组成。薄膜压力传感器462布置于履带压板463和履带同步带之间，其可以实时记录履带最上端和最下端所受压强的变化情况。数据采集设备461获取履带与壁面接触面承受压力时，测点上的薄膜压力传感器所对应的阻值，将其反馈给控制器42。

本实施例的爬壁机器人的风压调节系统主要用于只在吸附壁面做上下直线运动的爬壁机器人，可根据爬壁机器人的负载情况和吸附壁面情况，灵活调整吸附参数，做到对所有材质壁面和负载工况的适用性，并且可以根据爬壁机器人当前负压腔的压力值、吸附壁面倾斜角和压强值信息对风机转速进行实时控制，并通过监测风机的转速，提前识别危险吸附状态，避免出现吸附失效，在保证安全性的同时还能降低噪音，提高人机友好性。

实施例3

如图13所示，本实施例提供一种爬壁机器人，该爬壁机器人为在吸附壁面做上下直线运动的爬壁机器人，爬壁机器人包括爬壁机器人本体1、负载2和爬壁机器人的风压调节系统4。

其中爬壁机器人的风压调节系统4可参见实施例2中的限定，本实施例不进行赘述。另外，本实施例的爬壁机器人本体1为真空负压吸附式爬壁机器人的本体，其具有基本的用于实现真空负压吸附的密封结构12。通常密封结构12由左侧履带121、右侧履带122、上侧滚筒123、下侧滚筒124、底板和上盖组成，各部件之间相互挤压密封形成负压腔125。

容易理解的是，本实施例的爬壁机器人本体1还包括其他用于实现爬壁机器人正常工作或提升性能的部件，本实施例重点在于具有密封结构12，对于密封结构12之外的部件不做严格限制。

例如爬壁机器人本体1包括用于驱动左侧履带121、右侧履带122、上侧滚筒123、下侧滚筒124运动的驱动电机，左侧履带121、右侧履带122和上侧滚筒123同轴连接至上转轴，左侧履带121、右侧履带122和下侧滚筒124同轴连接至下转轴，驱动电机通过链条带动上转轴和/或下转轴转动，从而实现爬壁机器人的运动。例如爬壁机器人本体上还可以安装各类探测元件，例如红外传感器、雷达、摄像头等，用于辅助爬壁机器人运动或用于获取环境信息。

另外，在一个实施例中，爬壁机器人还包括可操作触摸屏3，例如嵌入式触摸屏。对于比较难于获取的参数（吸附壁面材质种类及安全系数值）以及同一次任务过程中不会发生变化的参数（爬壁机器人本体的重量值和重心位置、负载的重量值和重心位置），使用者可以通过嵌入式触摸屏进行输入，并转换成电流或电压信号反馈给控制器，并且每次任务前可以根据不同壁面情况和不同载荷情况进行实时调整。

在提供可操作触摸屏后，可实现使用者直接对爬壁机器人的控制，可操作触摸屏与爬壁机器人之间通讯可采用无线通讯和有线通讯两种方式，根据实际选取即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种爬壁机器人的风压调节方法，应用于真空负压吸附式爬壁机器人，所述爬壁机器人在吸附壁面做上下直线运动，所述爬壁机器人具有负压腔，其特征在于，所述负压腔内设有可调速风机，所述的爬壁机器人的风压调节方法包括：

采集爬壁机器人中负压腔的当前风压值以及采集吸附壁面的倾斜角，同时获取吸附壁面对爬壁机器人中一侧履带的最上端和最下端的压强值；

计算爬壁机器人的重量值和重心位置，根据吸附壁面的材质确定爬壁机器人与吸附壁面之间的摩擦系数，所述爬壁机器人包括用于形成负压腔的左侧履带、右侧履带、上侧滚筒和下侧滚筒，以左侧履带、右侧履带、上侧滚筒和下侧滚筒与吸附壁面的最大接触面确定一个矩形，以该矩形位于下侧滚筒的边作为下侧纵向倾覆轴；

根据吸附壁面的倾斜角、所述压强值、爬壁机器人的重量值和重心位置，以及摩擦系数得到爬壁机器人中负压腔当前所需的安全风压值；

根据所述当前风压值和所述安全风压值调节所述可调速风机的转速，并根据调整后的可调速风机的转速采取爬壁机器人保护机制；

其中，所述根据吸附壁面的倾斜角、所述压强值、爬壁机器人的重量值和重心位置，以及摩擦系数得到爬壁机器人中负压腔当前所需的安全风压值，包括：

根据吸附壁面的倾斜角、爬壁机器人的重量值以及摩擦系数建立爬壁机器人在吸附壁面上的防滑移模型，并由防滑移模型得到爬壁机器人的防滑移最小吸附压力，所述防滑移最小吸附压力如下：

；

式中，为防滑移最小吸附压力，/>为爬壁机器人的重量值，/>为摩擦系数，/>为吸附壁面的倾斜角；

根据一侧履带的最上端和最下端的压强值得到该侧履带的压强分布；

基于吸附壁面的倾斜角、所述压强分布、爬壁机器人的重量值和重心位置，建立对下侧纵向倾覆轴的力矩平衡公式，根据力矩平衡公式得到防纵向倾覆最小吸附压力，所述防纵向倾覆最小吸附压力如下：

；

式中，为防纵向倾覆最小吸附压力，/>为一侧履带的最上端的压强值，/>为一侧履带的最下端的压强值，/>为该侧履带的接地长度，/>为履带和滚筒接地宽度，/>为负压腔的长度，/>为负压腔的宽度，/>为该侧履带上的位置，且/>，/>为爬壁机器人的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为爬壁机器人的重心位置离吸附壁面的高度；

根据所述防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力得到爬壁机器人的安全吸附压力，取所述安全吸附压力与所述负压腔的面积的比值作为负压腔的安全风压值，其中取所述防纵向倾覆最小吸附压力和防滑移最小吸附压力中值较大的一者作为待处理压力，将待处理压力与预定义的安全系数的乘积作为安全吸附压力。

2.如权利要求1所述的爬壁机器人的风压调节方法，其特征在于，所述爬壁机器人包括爬壁机器人本体和设置于爬壁机器人本体上的负载，所述计算爬壁机器人的重量值和重心位置，包括：

取爬壁机器人本体的重量值为和重心位置为/>，取负载的重量值为/>和重心位置为/>，则得到爬壁机器人的重量值和重心位置如下：

；

；

；

式中，为爬壁机器人本体的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为爬壁机器人本体的重心位置离吸附壁面的高度，/>为负载的重心位置离下侧纵向倾覆轴的距离，/>为负载的重心位置离吸附壁面的高度。

3.如权利要求1所述的爬壁机器人的风压调节方法，其特征在于，所述防滑移模型如下：

；

式中，为爬壁机器人在吸附壁面上的防滑移吸附压力。

4.如权利要求1所述的爬壁机器人的风压调节方法，其特征在于，所述根据一侧履带的最上端和最下端的压强值得到该侧履带的压强分布，包括：

计算压强分布曲线斜率如下：

；

以该侧履带的中点为原点，得到压强分布公式如下：

；

式中，为该侧履带在位置/>处的压强。

5.如权利要求1所述的爬壁机器人的风压调节方法，其特征在于，所述根据所述当前风压值和所述安全风压值调节所述可调速风机的转速，包括：

若所述当前风压值和所述安全风压值相等，则所述可调速风机的转速不变；

或者，若所述当前风压值大于所述安全风压值，则减小所述可调速风机的转速；

或者，若所述当前风压值小于所述安全风压值，则增大所述可调速风机的转速。

6.如权利要求1所述的爬壁机器人的风压调节方法，其特征在于，所述根据调整后的可调速风机的转速采取爬壁机器人保护机制，包括：

取调整后的可调速风机的转速与可调速风机的转速上限的比值，作为转速比值；

若所述转速比值小于或等于第一阈值，则爬壁机器人处于正常工作状态，不执行保护措施；

或者，若所述转速比值大于第一阈值且小于第二阈值，则爬壁机器人处于风险工作状态，产生提示信息；

或者，若所述转速比值等于或大于第二阈值，则爬壁机器人处于危险工作状态，执行紧急制动措施，所述第二阈值大于第一阈值，且第二阈值小于或等于1，第一阈值大于0.5。

7.一种爬壁机器人的风压调节系统，其特征在于，所述爬壁机器人的风压调节系统包括负压测量传感器、转速测量传感器、角度测量传感器、压力测量传感器、可调速风机和控制器；

所述负压测量传感器，用于测量爬壁机器人中负压腔的当前风压值；

所述转速测量传感器，用于测量可调速风机的转速；

所述角度测量传感器，用于测量吸附壁面的倾斜角；

所述压力测量传感器，用于测量吸附壁面对爬壁机器人中一侧履带的最上端和最下端的压强值；

所述控制器，用于执行权利要求1-6任一项所述的一种爬壁机器人的风压调节方法的步骤。

8.一种爬壁机器人，其特征在于，所述爬壁机器人包括爬壁机器人本体、负载和如权利要求7所述的一种爬壁机器人的风压调节系统。

9.如权利要求8所述的爬壁机器人，其特征在于，所述爬壁机器人还包括可操作触摸屏。