CN207207653U - 基于四旋翼结构的爬墙机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于四旋翼结构的爬墙机器人，包括行走底盘、承载底板和搭载平台，承载底板与搭载平台之间夹装固定有机器人控制盒，机器人控制盒上均布有至少四个向外延伸的旋翼固定臂，各旋翼固定臂的端部对应固定安装有旋翼舵机和旋翼转臂，各旋翼转臂上分别对应转动安装有旋翼；在墙面上爬墙使用时，机器人和负载的重力、螺旋桨的反向推力以及摩擦力的合理协调，实现爬墙机器人的工作需求，该机器人的行走地盘能够增加机器人的灵活性，并且增强机器人的越障能力，使机器人适应多样化的墙壁表面，该机器人的吸附系统利用旋翼的反方向推力作用，使机器人更好的吸附在墙体的表面，这种方式使机器人受墙壁表面的材质以及外形的影响很小。

Description

基于四旋翼结构的爬墙机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于四旋翼结构的爬墙机器人。

背景技术

随着工业4.0的到来，机器人领域越发的活跃起来，其在各行各业中都得到了应用和发展，其中爬墙机器人在生产生活中的作用也凸现出来。首先在建筑领域，随着人类建筑物高度的不断提升，高层建筑的各种问题随之出现，高层建筑的日常维护，以及救援成了棘手的问题。爬墙机器人的出现可以代替人工从事高空喷涂墙面、壁面清洗、擦洗高层玻璃等工作。其次在石油化工领域，爬墙机器人还可以对各种储存罐进行视觉检查、测厚、焊缝探伤，以及对于金属内外壁进项检查、除锈、喷砂、喷漆防腐等。再次在消防部门中，爬墙机器人还可以用于进行救援工作或者运输救援物资等工作，大大保证了消防员的安全。

爬墙机器人在墙面上的移动功能和吸附功能是其最基本的两个功能。国际上，在研究开发爬壁机器人上日本是开始较早且技术领先的国家之一，其相继成功设计了各种爬壁移动机器人。如日本应用技术研究所研制的车轮磁吸附式爬壁机器人，它可以吸附在各种大型构造物如球形煤气罐、油罐、船舶等的壁面，代替人进行各种所需检查或修理等作业。这种爬壁机器人利用磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走稳定速度快，最大速度可达到9m/min，适用于各种形状的壁面，且不损坏壁面的油漆。国内爬壁机器人相对与国外而言，开展时间较晚，不过技术进步也很快，先后出现了各种检测用机器人以及玻璃外墙清洗机器人等。例如我国哈尔滨工业大学机器人研究所，已经成功研制出永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人和单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人。永磁铁吸附履带行走式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸附结构，利用在履带上安装的数多个永磁体其中的几个吸附块，使其更好地吸附在墙壁表面上(受墙壁材料的限制)，形成一定的吸附力，通过履带(由链条和永磁块组成)和墙面的直接接触，实现机器人在墙面上的吸附和移动功能。单吸盘真空吸附车轮行走式爬壁机器人利用真空泵是产生的负压使负压腔内形成一定程度的真空度(不受墙壁材料限制，但受墙面粗糙度的限制)，使机器人可靠地吸附在壁面上并产生足够的正压力，从而使驱动机构产生足够的摩擦力以实现移动功能。

目前国内外的爬壁机器人主要在以下几方面存在一定弊端：

(1)驱动装置

传统的伺服电机体积大、重量大，在较高速运行时还需要庞大的减速机构，对于爬壁机器人移动带来困难，寻找各种轻重量、小体积、高效率的电机变的尤为重要。

(2)能源问题

现存的锂电池虽然相同体积、重量下的储电量已不容小觑，但是对于爬壁机器人来讲仍然庞大，探索出一种新的供电性能强、体积小的电池或者另外的能量传输方式变得很迫切。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够适用于各种材质墙面且不受墙面角度影响的基于四旋翼结构的爬墙机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：基于四旋翼结构的爬墙机器人，包括行走底盘，所述行走底盘底端固定安装有承载底板，所述承载底板连接有相对设置的搭载平台，所述承载底板与所述搭载平台之间夹装固定有机器人控制盒，所述机器人控制盒上均布有至少四个向外延伸的旋翼固定臂，各所述旋翼固定臂的端部对应固定安装有旋翼舵机，所述旋翼舵机信号连接至所述机器人控制盒，所述旋翼舵机的动力输出端连接有旋翼转臂，各所述旋翼转臂上分别对应转动安装有旋翼。

作为优选的技术方案，所述机器人控制盒包括主控制板，所述主控制板连接有稳压电路模块、行走驱动模块和旋翼控制模块，所述行走驱动模块连接至所述行走地盘，所述旋翼控制模块连接至所述旋翼舵机。

作为优选的技术方案，所述旋翼控制模块包括在各所述旋翼上对应设置的超声波测距传感器、三轴陀螺仪、气压计和磁场传感器，与所述主控制板连接有舵机控制板，所述舵机控制板分别与所述超声波测距传感器、所述三轴陀螺仪、所述气压计和所述磁场传感器连接。

作为优选的技术方案，所述行走底盘包括行走底板，所述行走底板的后端相对安装有两个驱动轮，各所述驱动轮分别对应连接有驱动舵机，所述行走底板前端安装有万向轮，所述万向轮与两所述驱动轮呈等腰三角形结构布置。

作为对上述技术方案的改进，所述承载底板与所述搭载平台之间布置连接有锁紧螺柱。

由于采用了上述技术方案，基于四旋翼结构的爬墙机器人，包括行走底盘，所述行走底盘底端固定安装有承载底板，所述承载底板连接有相对设置的搭载平台，所述承载底板与所述搭载平台之间夹装固定有机器人控制盒，所述机器人控制盒上均布有至少四个向外延伸的旋翼固定臂，各所述旋翼固定臂的端部对应固定安装有旋翼舵机，所述旋翼舵机信号连接至所述机器人控制盒，所述旋翼舵机的动力输出端连接有旋翼转臂，各所述旋翼转臂上分别对应转动安装有旋翼；本实用新型的有益效果是：在墙面上爬墙使用时，机器人和负载的重力、螺旋桨的反向推力以及摩擦力的合理协调，实现爬墙机器人的工作需求，该机器人的行走地盘能够增加机器人的灵活性，并且增强机器人的越障能力，使机器人适应多样化的墙壁表面，该机器人的吸附系统利用旋翼的反方向推力作用，使机器人更好的吸附在墙体的表面，这种方式使机器人受墙壁表面的材质以及外形的影响很小，使机器人的适用范围更广，作用更大。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例的仰视图；

图2是本实用新型实施例旋翼转臂旋转后的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的结构示意图；

图4是本实用新型实施例去掉搭载平台后的结构示意图；

图5是本实用新型实施例受力方向示意图；

图6是本实用新型实施例受力大小示意图；

图中：1-旋翼；2-行走底板；3-驱动轮；4-驱动舵机；5-万向轮；6-承载底板；7-搭载平台；8-锁紧螺柱；9-机器人控制盒；10-旋翼固定臂；11-旋翼舵机；12-旋翼转臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1、图2、图3和图4所示，基于四旋翼结构的爬墙机器人，包括行走底盘1，所述行走底盘1包括行走底板2，所述行走底板2的后端相对安装有两个驱动轮3，各所述驱动轮3分别对应连接有驱动舵机4，所述行走底板2前端安装有万向轮5，所述万向轮5与两所述驱动轮3呈等腰三角形结构布置，移动系统采用两个所述驱动轮3以及一个所述万向轮5，增加了机器人灵活性，并且增强了机器人的越障能力，使机器人适应多样化的墙壁表面，本实施例中可以将所述驱动轮3和所述万向轮5利用履带代替，同样可以实现机器人的爬墙功能。

所述行走底盘1底端固定安装有承载底板6，所述承载底板6连接有相对设置的搭载平台7，所述承载底板6与所述搭载平台7之间布置连接有锁紧螺柱8，所述搭载平台7用来固定安装需要该机器人携带的用具，以适用于不同的领域。

所述承载底板6与所述搭载平台7之间夹装固定有机器人控制盒9，所述机器人控制盒9上均布有至少四个向外延伸的旋翼固定臂10，各所述旋翼固定臂10的端部对应固定安装有旋翼舵机11，所述旋翼舵机11信号连接至所述机器人控制盒9，所述旋翼舵机11的动力输出端连接有旋翼转臂12，各所述旋翼转臂12上分别对应转动安装有旋翼1，本实施例中设有四个所述旋翼固定臂10，因此相应的设有四个所述旋翼1，所述行走底盘1和四个所述旋翼1配合，使该机器人能够在各种角度的墙面或平面上行驶以及悬停，所述旋翼转臂12能够在所述旋翼舵机11的带动下旋转，从而达到调整所述旋翼1方向的目的，以方便用于不同倾斜角度的平面或墙面。通过在所述搭载平台7上设置机器人工作所需的相关工作元件，可以使机器人在墙面、壁面棚顶等极限环境中进行检查、清洗、喷涂、运输等工作。

本实施例中所述机器人控制盒9包括主控制板，所述主控制板连接有稳压电路模块、行走驱动模块和旋翼控制模块，所述行走驱动模块连接至所述行走地盘，所述旋翼控制模块连接至所述旋翼舵机11。具体的，所述主控制板设置为开源硬件Arduino uno3r控制板，它拥有十四个数字输入/输出引脚(其中六个可用作PWM输出)、六个模拟输入、一个十六MHz陶瓷谐振器、一个USB连接、一个电源插座、一个ICSP头和一个复位按钮，由此可见，它包含支持微控制所需的一切功能和元件，只需通过USB电缆将其与计算机相连，或者利用AC-DC适配器或电池就可使用。稳压电路模块为电路控制领域普遍使用的模块，在此不再详细介绍，所述行走驱动模块与所述驱动舵机4的连接控制，也是电学领域常用的技术手段，为了便于控制，还可以在所述机器人控制盒9内安装一些电磁继电器。

所述开源硬件Arduino uno3r控制板还连接有Arduino Sensor Shield V5.0传感器扩展板，叠层设计，所述主控制板不仅将Arduino Uno的全部数字与模拟接口以舵机线序形式扩展出来，还特设IIC接口、舵机控制器接口、蓝牙模块通信接口、SD卡模块通信接口、APC220无线射频模块通信接口、超声波传感器接口，独立扩出更加易用方便。使爬墙机器人省去了繁琐复杂电路连线，这款传感器扩展板真正意义上的将电路简化，能够很容易地将常用传感器连接起来，一款传感器仅需要一种通用3P传感器连接线(不分数字连接线与模拟连接线)，完成电路连接后，编写相应的Arduino程序下载到Arduino控制器中读取传感器数据、或者接收无线模块回传数据，经过运算处理，就可以较为简单的实现该机器人多能完成的功能。

所述旋翼控制模块包括在各所述旋翼1上对应设置的超声波测距传感器、三轴陀螺仪、气压计和磁场传感器，与所述主控制板连接有舵机控制板，所述舵机控制板分别与所述超声波测距传感器、所述三轴陀螺仪、所述气压计和所述磁场传感器连接。

当四个所述旋翼1靠近所要贴附的墙壁或平面时，由所述超声波测距传感器检测准确的靠墙距离，当达到可以贴附的临界距离时，由所述开源硬件Arduino uno3r控制板所设定的程序给控制的所述旋翼舵机11发送信号，通过所述旋翼舵机11带动所述旋翼转臂12旋转一定的角度，以改变所述旋翼1的方向，进而控制四个所述旋翼1机臂旋转所产生力的方向，并使该力始终垂直于墙面。如图5和图6所示，当所述旋翼1倾转后，后方的所述旋翼1快速推进，对前方所述旋翼1产生一个不平衡力，使整体旋转，进而使各轮贴附在墙面或平面上。在整体旋转过程中左右两个所述旋翼舵机11反向转动，当整体贴附墙上后，两个所述旋翼舵机11停止转动，此时所述旋翼1正好给整个结构一个推力。

在本实施例中，将机器人的所受的所述旋翼的推力用力F代替，机器人受到的向上的合力为F_合，当摩擦力的方向竖直向上时，F_合与所述行走底盘和所述旋翼端面的夹角θ(通过所述旋翼上的所述旋翼舵机的转动来实现旋翼的倾角效果)以及摩擦轮和墙壁之间的摩擦系数μ的关系如下式1所示：

其中，β关于摩擦因数μ的函数关系式如下式2所示：

为了更好地发挥涵道旋翼的推进作用，取F_合最大时的夹角θ为最佳夹角，易得，此时的夹角θ为π2-β。此时机器人所受的升力的最大为

机器人所受的总的合力F_合为涵道风扇自身推力的倍，机器人所需推力的最小值比起自身的重力要小。如果采用正压力式的推进方式，则需要为机器人自身重力的2～3倍左右的涵道推力，因而此时采用一定角度的风扇更好地利用了涵道旋翼的推力，提高了爬墙机器人的效率，降低了能量的消耗。根据上述公式，取现实生活中橡胶轮胎与粗糙水泥之间的摩擦因数μ＝0.8，得机器人在爬墙时螺旋桨的偏角θ＝32°。

所述三轴陀螺仪受外界震动产生的偏差极小，但所述三轴陀螺仪传出的是角速度，要积分才可以输出角度。实际使用中，所述三轴陀螺仪得出的数据在短时间内很准，时间一长就产生漂移，对设计的爬墙机器人有较大影响，所以可以利用加速度传感器和陀螺仪结合使用。

所述三轴陀螺仪基于InvenSense公司的ITG-3205(与3200兼容)的，ITG-3205输出为数字量。整合之16-bit的模数转换器(ADCs)，提供陀螺仪同步取样，且不需额外的多任务器(multiplexer)。该爬墙机器人主体结构依赖于四轴旋翼，所以对于所述三轴陀螺仪要求将高，选择的ITG-3205它具有以下优点。

(1)一个用户可选择的内部的数字低通滤波器，并可编程改变其带宽，并带有快速模式(400KHZ)的I2C接口。

(2)此外，它还嵌入了温度传感器和精度为2％的内部晶振，精度高。

(3)2.1V到3.6V之广泛的VDD供电压范围，供电灵活；ITG-3205除了模拟电源VDD之外还有一个独立的逻辑电平参考输入端VLOGIC，该参考电压值决定了串口的逻辑电平，外部输入电压可以介于1.71V到最大VDD之间，通常就将它和VDD连接在一起，模块的工作电流较低。

所述气压计为GY-65BOSCH BMP085数字式气压计。BMP085是一款高精度、低能耗的压力传感器，可以应用在移动设备中。它的性能卓越，绝对精度最低可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有3μA。BMP085采用强大的8-pin陶瓷无引线芯片承载(LCC)超薄封装，可以通过I2C总线直接与所述开源硬件Arduino uno3r控制板相连。

所述磁场传感器采用霍尼韦尔HMC5883L，它是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°～2°的十二位模数转换器。这些各向异性传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。

四旋翼的可旋转机臂结构在所述旋翼舵机的控制下，可以实现朝某个特定的方向快速飞行，大大加快机器人的飞行速率及飞行效率。在飞行过程中机器人可以靠近墙壁，通过超声波测量距离，达到适合距离时进行翻转，使机器人顶部车轮贴在墙壁上，同时旋翼方向改变，通过其产生的风力对其本身产生一个推向墙壁的反作用力，使机器人固定在墙面，几乎不受墙壁表面的材质以及外形的影响。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于四旋翼结构的爬墙机器人，包括行走底盘，其特征在于：所述行走底盘底端固定安装有承载底板，所述承载底板连接有相对设置的搭载平台，所述承载底板与所述搭载平台之间夹装固定有机器人控制盒，所述机器人控制盒上均布有至少四个向外延伸的旋翼固定臂，各所述旋翼固定臂的端部对应固定安装有旋翼舵机，所述旋翼舵机信号连接至所述机器人控制盒，所述旋翼舵机的动力输出端连接有旋翼转臂，各所述旋翼转臂上分别对应转动安装有旋翼。

2.如权利要求1所述的基于四旋翼结构的爬墙机器人，其特征在于：所述机器人控制盒包括主控制板，所述主控制板连接有稳压电路模块、行走驱动模块和旋翼控制模块，所述行走驱动模块连接至所述行走底盘，所述旋翼控制模块连接至所述旋翼舵机。

3.如权利要求2所述的基于四旋翼结构的爬墙机器人，其特征在于：所述旋翼控制模块包括在各所述旋翼上对应设置的超声波测距传感器、三轴陀螺仪、气压计和磁场传感器，与所述主控制板连接有舵机控制板，所述舵机控制板分别与所述超声波测距传感器、所述三轴陀螺仪、所述气压计和所述磁场传感器连接。

4.如权利要求1所述的基于四旋翼结构的爬墙机器人，其特征在于：所述行走底盘包括行走底板，所述行走底板的后端相对安装有两个驱动轮，各所述驱动轮分别对应连接有驱动舵机，所述行走底板前端安装有万向轮，所述万向轮与两所述驱动轮呈等腰三角形结构布置。

5.如权利要求1至4任一权利要求所述的基于四旋翼结构的爬墙机器人，其特征在于：所述承载底板与所述搭载平台之间布置连接有锁紧螺柱。