专利名称：一种可重构的爬壁机器人及其协同越障方法
技术领域：
本发明属于爬壁机器人的技术领域，特别是一种可重构的爬壁机器人及其协同越
障方法。
背景技术：
爬壁机器人是三维空间移动的平台和载体，可以代替人执行这些危险作业。因此， 爬壁机器人的研究受到世界各国极大的重视。日本Miyazaki大学的A. Nishi [A. Nishi, "Development of wall-climbing robots，，， Computer and Electrical Engineering, 22(2): 123-149，1996.]基于推进原理产生吸力研究开发了爬壁机器人，并提出可克服风速影响的措施。但推进方法产生吸附力的效率不高、噪声大且易受外界影响。还有研究人员基于真空吸附原理[J. Savall, A. Avello, L. Briones, “ Two compact robots for remote inspection of hazardous areas in nuclear power plants", 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pl993_1998, 1999.],已经开发了具有爬壁能力的机器人。真空吸附吸附力大，载荷与自重比大，但由于真空吸附对壁表面有较高要求，导致这些爬壁机器人速度低和应用场合受限的问题。Avionic仪器公司的 Lewis Illingworth 禾口 David Reinfeld[Lewis Illingworthj David Reinfeldj "Vortex attractor for planar and non-planar surfaces”， US Patents #6619922， Sept. 2003] 源创性提出基于涡流吸附机理设计开发了非常轻巧的新型爬壁机器人，并申请了美国国家专利。涡流吸附的机理是通过高速旋转的螺旋叶片产生具有内部气压低于外部气压特性的气柱而产生吸附力。纽约城市大学提出介于真空吸附和涡流吸附之间的负压吸附方法 [Matthew Elliott, William Morris, et al, "City-Climbers at Work", 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Roma, Italy, 10—14 April 2007]，是真空吸附强吸附力和高机动性之间的折中。该方法不需要完全密封而动态产生负压吸附力，因此适合于各种光滑或粗糙墙面。文献表明，爬壁机器人吸附技术取得了突破成果，可吸附表面已经从金属拓展到光滑的墙壁以及粗糙的墙面。为了克服墙壁障碍，密歇根州立大学开发了基于真空吸附的欠驱动机制双足微型机器人[J. Xiao, et. al.，"Modeling, Control, and Motion Planning of a Climbing Micro-robot", Journal of Integrated Computer-aided Engineering, pp 289-307, Vol. 11，No. 4，2004.]，该机器人可以完成墙壁之间的移动。由于吸附机制限制，仅适于在光滑的表面移动，且移动速度较低。另外，两个足连接在一起，一个机器人持续是另一个机器人的包揪，增大了无效负荷，降低了效率。这对电池供电的爬壁机器人来说是致命的弊端。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可重构的爬壁机器人及其协同越障方法，解决目前的爬壁机器人不具有在壁面之间和壁面与地面越障、凹凸不平多种壁表面爬行等的瓶颈问题。实现本发明目的的技术解决方案为一种可重构的爬壁机器人，包括自适应密封裙、密封内衬、离心泵、离心泵电机、离心泵电机驱动器、机器人本体、四个车轮、四个车轮舵机、悬挂装置、俯仰机械臂、机械臂舵机、快速可分离连接装置、无线微型摄像头、摄像头旋转舵机、摄像头支架、控制单片机、无线数字接收器，密封裙垂直固定安装在机器人本体的下底面四周；机器人本体上开一个通孔，离心泵的进气口与机器人本体的通孔位置对应并固定安装在机器人本体的上面，离心泵电机的输出轴与离心泵连接；密封内衬设置在机器人本体的下底面，位于通孔和密封裙之间；
机器人本体左右两侧的前后分别布置四个车轮，每个车轮的中心轴与各自车轮舵机的输出轴通过联轴器固定连接，该四个车轮舵机通过悬挂装置固定连接到机器人本体上；俯仰机械臂一端垂直固定安装在机械臂舵机输出轴上，另一端与摄像头旋转舵机固定连接， 机械臂舵机的本体固定安装在机器人本体的前进方向一侧；无线微型摄像头的下底面与摄像头支架的上平面连接，该摄像头支架的中心孔固定安装在摄像头旋转舵机的输出轴上； 快速可分离连接装置固定安装在俯仰机械臂上，并向左或右偏置安装；四个车轮舵机、机械臂舵机、摄像头旋转舵机、离心泵电机驱动器的控制信号都连接到控制单片机的IO输出脚；离心泵电机驱动器与离心泵电机的电极连接，并设置在机器人本体上，无线数字接收器通过串口与控制单片机连接。一种利用上述的可重构的爬壁机器人实现协同越障的方法，步骤如下
(1)首先对同样的两个爬壁机器人进行重构，通过第一爬壁机器人的无线数字接收器通知附近的第二爬壁机器人移动过来，两个爬壁机器人组合为一个整体，通过各自的俯仰机械臂和快速可分离连接装置实现连接和分离来协同完成越障任务，在两个爬壁机器人连接时(a)操作两个爬壁机器人的相对位置和俯仰机械臂的角度，带动各自的快速可分离连接装置运动以调整其母端和公端相对位置关系，使其保持在同一个高度；(b)两个爬壁机器人的摄像头旋转舵机分别顺时针旋转，各自的拉绳拉紧，活动压杆带动止档压块张开， 两个爬壁机器人对向运动，将第一爬壁机器人的快速可分离连接装置的公端伸入第二爬壁机器人的快速可分离连接装置的母端，同时将第二爬壁机器人的快速可分离连接装置的公端伸入第一爬壁机器人的快速可分离连接装置的母端；(c)两个爬壁机器人的摄像头旋转舵机分别逆时针旋转，各自的拉绳释放，活动压杆在弹簧的拉伸作用下经旋转支架相对运动，带动止档压块压紧公端的制动台阶，止档压块卡住公端的制动台阶防止公端从母端轴向拉出；
(2)两个爬壁机器人配置吸附工作状态，在需要越障的位置，第二爬壁机器人切换到重负载模式，第一爬壁机器人的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态；
(3)两个爬壁机器人协同完成越障任务，即两个爬壁机器人控制各自的俯仰机械臂运动，第二爬壁机器人把第一爬壁机器人作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方；
(4)两个爬壁机器人再次模式切换，各自切换到运动模式；
(5)两个爬壁机器人分离时，两个爬壁机器人的摄像头旋转舵机分别顺时针旋转，各自的拉绳拉紧，活动压杆带动止档压块张开，两个爬壁机器人反向运动则快速可分离连接装置的母端和公端彼此分开，单独执行任务。
本发明与现有技术相比，其显著优点(1)本发明多爬壁机器人重构协同越障方法不需要把两个爬壁机器人固定连接在一起，而是两个或多个爬壁机器人分工合作，一方面提高了作业效率(200%)，另一方面降低了爬壁机器人的自身重量(50%)，提高了续航时间。(2)本发明自适应密封裙设计方法实现了吸附密封裙在与墙壁接触的任何一点都具有自适应伸长和缩短的特性，解决了爬壁机器人在光滑及粗糙凹凸不平各种壁面爬行的密封瓶颈问题。(3)本发明爬壁机器人具有重负载模式和运动模式转换机制优化了机器人吸附泵的工作状态，有利于降低对功耗的要求，进而减轻爬壁机器人本体的重量。反过来，爬壁机器人本体在越障时将成为负载，本体重量的降低也有利于降低对爬壁机器人吸附力的要求而且，也为实现爬壁机器人的机动性和负载能力之间的平衡提供了技术支撑，这很好地利用和提升了爬壁机器人的设计效率。(4)本发明多爬壁机器人重构协同越障方法可以通过2个或多个机器人协作，共同搬运一个爬壁机器人跨越障碍，多爬壁机器人共同分担一个爬壁机器人的重量，降低了爬壁机器人的无效载荷。(5)本发明可重构的爬壁机器人解决了目前的爬壁机器人不具有在壁面之间和壁面与地面越障、凹凸不平多种壁表面爬行等的瓶颈问题。(6)本发明的机器人适应于有障碍情形下的高层建筑攀爬，在公共安全、地震、消防、搜救等领域有着无法估量的社会价值、广泛的应用前景和重要经济收益，所可重构的爬壁机器人及其协同越障方法具有高层建筑攀爬、跨越各种障碍、分工合作以及高效节能等显著优点。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明可重构的爬壁机器人结构示意图。图2是本发明控制系统连接图。图3是本发明可重构爬壁机器人所述的自适应密封裙结构示意图。图4是本发明可重构爬壁机器人所述的快速连接装置结构示意图。图5是本发明可重构爬壁机器人快速连接和分离过程示意图。图6是本发明可重构爬壁机器人所述的可配置工作状态示意图。图7是本发明一种外墙拐角协同越障方法示意图。图8是本发明一种墙面窄台阶协同越障方法示意图。
具体实施例方式结合图1、图3，本发明可重构的爬壁机器人，包括自适应密封裙1、密封内衬2、离心泵3、离心泵电机4、离心泵电机驱动器5、机器人本体6、四个车轮7-1、7-2、7-3、7_4、四个车轮舵机8-1、8-2、8-3、8-4、悬挂装置9、俯仰机械臂10、机械臂舵机11、快速可分离连接装置12、无线微型摄像头13、摄像头旋转舵机14、摄像头支架15、控制单片机16、无线数字接收器17，密封裙1垂直固定安装在机器人本体6的下底面18四周；机器人本体6上任意位置开一个通孔19 (当然中央位置最佳)，离心泵3的进气口与机器人本体6的通孔19位置对应并固定安装在机器人本体6的上面，离心泵电机4的输出轴与离心泵3连接；密封内衬 2设置在机器人本体6的下底面，位于通孔19和密封裙1之间；
机器人本体6左右两侧的前后分别布置四个车轮7-1、7-2、7-3、7-4，每个车轮的中心轴与各自车轮舵机的输出轴通过联轴器固定连接，该四个车轮舵机8-1、8-2、8-3、8-4通过悬挂装置9固定连接到机器人本体6上；俯仰机械臂10—端垂直固定安装在机械臂舵机11 输出轴上，另一端与摄像头旋转舵机14固定连接，机械臂舵机11的本体固定安装在机器人本体6的前进方向一侧；无线微型摄像头13的下底面与摄像头支架15的上平面连接，该摄像头支架15的中心孔固定安装在摄像头旋转舵机14的输出轴上；快速可分离连接装置12 固定安装在俯仰机械臂10上，并向左或右偏置安装，快速可分离连接装置12在俯仰机械臂 10的位置和俯仰角度可以人工调整之后拧紧螺丝固定；四个车轮舵机8-1、8-2、8-3、8-4、 机械臂舵机11、摄像头旋转舵机14、离心泵电机驱动器5的控制信号都连接到控制单片机 16的IO输出脚；离心泵电机驱动器5与离心泵电机4的电极连接，并设置在机器人本体6 上，无线数字接收器17通过串口与控制单片机16连接。上述的可重构爬壁机器人通过驱动四个车轮的速度不同来改变本体的方向和速度，达到机器人运动和调整机器人相对位置关系的目的。快速可分离连接装置在俯仰机械臂的位置和俯仰角度可以人工调整。可配置的吸附工作状态在重负载模式下，爬壁机器人具有高的吸附力，但运动速度降低，运动灵活性降低；可配置的吸附工作状态在运动模式下，爬壁机器人吸附力降低，运动速度提高。本重构协同越障机器人可以跨越各种内外墙壁拐角，能够跨越台阶障碍的高度取决于机械臂的长度，该长度受限制于机械臂舵机的扭矩， 这些可以根据需要选取。所述的离心泵电机、四个车轮舵机、机械臂舵机、摄像头旋转舵机通过遥控器控制运动。控制系统连接如图2所示。操作者通过遥控器以2. 4G ZigBee数字无线信号发出命令给本发明的可重构的爬壁机器人，ZigBee的无线数字接收器17将接收的命令给控制单片机16，控制单片机16通过IO 口控制离心泵电机驱动器5、四个车轮舵机8-1、8-2、8-3、 8-4、机械臂舵机11、摄像头旋转舵机14运动。可重构爬壁机器人重量约1. 1公斤，机器人本体6选用厚度为1. 5-3. 5mm的碳纤维板，本发明所述的快速可分离连接装置12固定安装在俯仰机械臂10上距离与机械臂舵机11连接处5-12cm处。俯仰机械臂10采用碳纤维管材，机械臂舵机11选用型号是 Dynamixel RX-24F，扭矩为^Kgf. cm，机械臂舵机11带动机械臂10俯仰运动，俯仰角度范围是180°。机械臂舵机11的扭矩在10-20cm处完全可以支撑约1.3公斤的负载载荷。 离心泵3选用标准微型离心泵，离心泵电机4为最大100W的无刷伺服电机，标准微型无线摄像头13安装在摄像头旋转舵机14上，摄像头旋转舵机14带动无线摄像头13旋转实现 180°的视觉侦查，无线数字接收器17选用ZigBee无线数字模块。自适应密封裙1具有长度可独立自适应伸长和缩短的特性以达到和各种凹凸墙壁密封的目的。结合图3，自适应密封裙包括独立可伸缩的弹性支撑材料1-1、密封布1-2、 连接骨架1-3。本实例中密封裙弹性支撑材料1-1采用动物鬃毛，无数根动物鬃毛以一定厚度整齐排列成一排，隔离空气的密封布1-2将动物鬃毛密封包裹，鬃毛粗的一端和密封布一起固定在连接骨架1-3的安装槽1-4内。鬃毛长度20-30cm，宽度3_8mm，外面密封布 1-2材料选用耐磨杜邦KEVLAR耐磨弹性布料。由于密封裙的弹性支撑材料1-1动物鬃毛具有自适应伸长和缩短的特性，而且密封裙1在整个一圈内每根支撑材料独立运动，任何局部区域都可以单独自适应伸长和缩短，所以，当墙壁的局部有凹凸时，相应的弹性支撑材料 1-1带动密封布1-2和墙壁自适应贴合，实现动态自适应密封，因此该密封吸附腔可以适应于光滑和粗糙墙壁表面移动。结合图4，快速可分离连接装置12包括母端和公端；母端包含圆管20、旋转支架 21、拉伸弹簧22、止档压块23、活动压杆24、拉绳25、拉绳套管沈；公端包含端头带锥度(根据需要任意选取，如10-40° )的圆棒27和制动台阶观。利用杠杆原理，活动压杆M—端与拉伸弹簧22连接，另一端与拉绳25连接，活动压杆M上靠近弹簧22 —侧设置在可旋转支架21上的旋转轴上，拉绳25穿过拉绳套管沈，拉绳套管包裹着拉绳并固定在圆管20的一端；圆管20上开设方孔四，方孔四的大小和位置与另一个同样结构爬壁机器人的本快速可分离连接装置的公端插入时制动台阶观位置一致，止挡压块23固定安装在活动压杆 24，并与圆管20上下孔的位置上下对齐。可旋转支架21固定在拉绳25 —侧但紧靠圆管20 上的方孔四位置(可旋转支架21固定的最佳位置拉绳25在圆管20上的固定位置与方孔 29之间的中心位置到方孔四之间)。圆棒27设置在支架21上，在与活动压杆M相对应的圆管20的另一侧，且与圆管20平行，制动台阶观与圆管20的开孔观对齐。这个快速可分离连接装置12机构设计相对于弹簧来说拉绳是省力杠杆，但相对于止挡压块，弹簧是胜省力杠杆。拉绳25穿过拉绳套管沈，拉绳套管沈固定在圆管20上，拉绳25由无线摄像头旋转舵机14共享驱动。拉绳25释放时，弹簧22收缩，活动压杆M在弹簧22的拉力作用下经旋转支架21旋转，带动止档压块23压紧；反之，拉绳25拉紧时，活动压杆M带动止档压块23张开。结合图5，可重构爬壁机器人通过俯仰机械臂10和快速可分离连接装置12实现连接和分离，它的工作过程是
在两个爬壁机器人连接时(1)在两个爬壁机器人WRl、WR2连接时(a)操作两个爬壁机器人WRl、WR2的相对位置和俯仰机械臂10的角度，带动各自的快速可分离连接装置 12运动以调整其母端和公端相对位置关系，使其保持在同一个高度，如图5(a)。(2)两个爬壁机器人WRl、WR2的摄像头旋转舵机14分别顺时针旋转，各自的拉绳25拉紧，活动压杆M带动止档压块23张开，两个爬壁机器人WRl、WR2对向运动，将第一爬壁机器人WRl的快速可分离连接装置12的公端伸入第二爬壁机器人WR2的快速可分离连接装置12的母端，公端的锥度起到导向定位作用，使公端和母端在有小量的轴向偏差时易于导入；同时将第二爬壁机器人WR2的快速可分离连接装置12的公端伸入第一爬壁机器人WRl的快速可分离连接装置12的母端。(3)两个爬壁机器人WRl、WR2的摄像头旋转舵机14分别逆时针旋转，各自的拉绳25释放，活动压杆M在弹簧22的拉伸作用下经旋转支架21相对运动，带动止档压块23 压紧公端的制动台阶，止档压块23卡住公端的制动台阶观防止公端从母端轴向拉出，如图 5 (b)，重构连接后的俯视图如图5 (c)，其中快速可分离连接装置部分如图5 (d)。(4)在两个爬壁机器人分离时，两个爬壁机器人WRl、WR2的摄像头旋转舵机14 分别顺时针旋转，各自的拉绳25拉紧，活动压杆M带动止档压块23张开，两个爬壁机器人 WRl、WR2反向运动则快速可分离连接装置12的母端和公端彼此分开，如图5(e)。俯仰机械臂不仅是爬壁机器人协同越障的机构，也共享为视觉相机等负载的安装平台，实现负载如侦查用摄像头的俯仰运动。无线摄像头旋转舵机即为快速连接装置的拉绳提供动力，也为侦查用摄像头提供旋转运动。这些共用设计为系统降低重量提高效率奠定了基石出。
结合图3和图6，可配置的吸附工作状态结构上包括自适应密封裙1、密封内衬2、 离心泵3、离心泵电机4、离心泵电机驱动器5、机器人本体6、4个车轮7-1、7-2、7-3、7-4、悬挂装置9。密封内衬2采用橡胶材料，结构上呈喇叭形，安装在机器人本体6的下底面，位于自适应密封裙1和机器人本体6的圆孔之间，但高度上密封内衬2相比自适应密封裙1短 6-12mm。结合图6，可配置的吸附工作状态实现方法是(1)正常状态下(称为运动模式)， 两个爬壁机器人WRl、WR2各自的离心泵电机4带动离心泵3以正常的速度旋转，自适应密封裙1与墙壁表面接触达到自适应密封，如图6(a)所示，提供正常的吸附力支撑单个爬壁机器人自身的吸附力需求并主要平衡机器人运动机动性的要求；(2)在越障时(称为重负载模式)，两个爬壁机器人WRl、WR2各自的离心泵电机4带动离心泵3以更快的速度旋转， 吸附力增大，作用于悬挂装置9，使爬壁机器人本体6与墙壁的距离缩短，进而密封内衬2与墙壁接触，如图6(b)所示，由于橡胶的密封性较密封布强，所以起到很好的密封作用，达到获取更大吸附力的目的。(3)无吸附力状态，即两个爬壁机器人WRl、WR2各自的离心泵电机4带动离心泵3停止旋转，吸附力释放。在重负载模式下，爬壁机器人具有高的吸附力，但运动速度降低，运动灵活性降低；在运动模式下，爬壁机器人吸附力降低，运动速度提高。爬壁机器人具有重负载模式和运动模式转换机制优化了机器人吸附泵的工作状态，有利于降低对功耗的要求，进而减轻爬壁机器人本体的重量。反过来，爬壁机器人本体在越障时将成为负载，本体重量的降低也有利于降低对爬壁机器人吸附力的要求；
本发明可重构的爬壁机器人实现协同越障的方法每个可重构爬壁机器人是一个独立的个体，在无障碍时多个重构微型爬壁机器人通过俯仰机械臂和摄像头旋转舵机携带无线摄像头独立完成侦察等任务；在第一爬壁机器人WRl需要跨越障碍时，前述两个完全一样的独立可重构爬壁机器人WRl、WR2通过快速可分离连接装置12组合为一个整体，协同完成越障任务，之后仍可以分工独立执行任务，具体步骤如下
1.首先对同样的两个爬壁机器人进行重构，通过第一爬壁机器人WRl的无线数字接收器17通知附近的第二爬壁机器人WR2移动过来，两个爬壁机器人WRl、WR2组合为一个整体，通过各自的俯仰机械臂10和快速可分离连接装置12实现连接和分离来协同完成越障任务，在两个爬壁机器人WRl、WR2连接时a操作两个爬壁机器人WRl、WR2的相对位置和俯仰机械臂10的角度，带动各自的快速可分离连接装置12运动以调整其母端和公端相对位置关系，使其保持在同一个高度；b两个爬壁机器人WRl、WR2的摄像头旋转舵机14分别顺时针旋转，各自的拉绳25拉紧，活动压杆24带动止档压块23张开，两个爬壁机器人WRl 、WR2对向运动，将第一爬壁机器人WRl的快速可分离连接装置12的公端伸入第二爬壁机器人WR2的快速可分离连接装置12的母端，同时将第二爬壁机器人WR2的快速可分离连接装置12的公端伸入第一爬壁机器人WRl的快速可分离连接装置12的母端；c两个爬壁机器人WRl、WR2的摄像头旋转舵机14分别逆时针旋转，各自的拉绳25释放，活动压杆M在弹簧22的拉伸作用下经旋转支架21相对运动，带动止档压块23压紧公端的制动台阶，止档压块23卡住公端的制动台阶观防止公端从母端轴向拉出；
2.两个爬壁机器人WRl、WR2配置吸附工作状态，在需要越障的位置，第二爬壁机器人WR2切换到重负载模式，第一爬壁机器人WRl的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态；
3.两个爬壁机器人WRl、WR2协同完成越障任务，即两个爬壁机器人WRl、WR2控制各自的俯仰机械臂10运动，第二爬壁机器人WR2把第一爬壁机器人WRl作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方；
4.两个爬壁机器人WRl、WR2再次模式切换，各自切换到运动模式；
5.两个爬壁机器人WRl、WR2分离时，两个爬壁机器人WRl、WR2的摄像头旋转舵机 14分别顺时针旋转，各自的拉绳25拉紧，活动压杆M带动止档压块23张开，两个爬壁机器人WRl、WR2反向运动则快速可分离连接装置12的母端和公端彼此分开，单独执行任务。实施例1 结合室外墙拐角的越障实例，第二爬壁机器人WR2协助第一爬壁机器人WRl从外墙墙面A运动到外墙的另一面B，如图7所示，具体步骤是
(a)首先是两个本发明的爬壁机器人重构，第一爬壁机器人WRl通过无线数字接收器 17通知附近的第二爬壁机器人WR2移动过来，如图7 (a)。两个爬壁机器人通过上述的可重构爬壁机器人连接过程把两个爬壁机器人重构为一个整体，如图7(b)。(b)两个爬壁机器人WRl、WR2配置吸附工作状态。第二爬壁机器人WR2如前所述的过程切换到大吸附力的重负载模式，第一爬壁机器人WRl的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态，如图7(c)。(c)调整机器人位置，如图7 (c)，第二爬壁机器人WR2携带第一爬壁机器人WRl低速运动到接近外墙拐角的位置。(d)协同完成越障任务，两个爬壁机器人WRl、WR2控制各自的俯仰机械臂10 运动，第二爬壁机器人WR2把第一爬壁机器人WRl作为负载，放置到外墙的另一面B，如图 7⑷。(e)两个爬壁机器人WRl、WR2再次切换到运动模式。(f)两个爬壁机器人分离，如图7(e)，通过前述的可重构爬壁机器人分离过程把两个爬壁机器人WRl、WR2分开，分别在墙面B和墙面A单独执行侦查等任务。实施例2两个爬壁机器人WRl、WR2分别跨越室外墙窄台阶障碍的实例，对于实施例中给出的可重构爬壁机器人，能够跨越台阶障碍的高度约为9cm，对于宽度小于8cm的窄台阶则可以直接跨越，对于宽度大于20cm的台阶则需要通过在台阶上中转。结合图8所示，具体步骤是，
(a)首先是两个本发明的爬壁机器人重构。如图8(a)，两个独立的可重构爬壁机器人通过上述的可重构爬壁机器人连接过程把两个爬壁机器人重构为一个整体，如图8(b)。(b)两个爬壁机器人WRl、WR2配置吸附工作状态。第二爬壁机器人WR2如前所述的过程切换到大吸附力的重负载模式，第一爬壁机器人WRl的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态，如图8(c)。(c)协同完成越障任务，两个爬壁机器人WRl、WR2控制各自的俯仰机械臂10运动，第二爬壁机器人WR2把第一爬壁机器人WRl作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方， 如图8(d)。(d)两个爬壁机器人WRl、WR2吸附工作模式转换，第一爬壁机器人WRl工作在重负载模式，第二爬壁机器人WR2的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态，如图7(e)。
(e)再次协同越障，两个爬壁机器人WRl、WR2控制各自的俯仰机械臂运动，第一爬壁机器人WRl把第二爬壁机器人WR2作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方，如图 8(f)。(f)两个爬壁机器人WRl、WR2分离，如图8(g)，通过前述的可重构爬壁机器人分离过程把两个爬壁机器人WR1、WR2分开，单独执行侦查等任务。
权利要求
1.一种可重构的爬壁机器人，其特征在于包括自适应密封裙(1)、密封内衬(2)、离心泵(3)、离心泵电机(4)、离心泵电机驱动器(5)、机器人本体(6)、四个车轮(7-1、7-2、7-3、7-4)、四个车轮舵机(8-1、8-2、8-3、8-4 )、悬挂装置(9 )、俯仰机械臂(10 )、机械臂舵机 (11)、快速可分离连接装置(12)、无线微型摄像头(13)、摄像头旋转舵机(14)、摄像头支架 (15)、控制单片机(16)、无线数字接收器(17)，密封裙(1)垂直固定安装在机器人本体(6) 的下底面(18)四周；机器人本体(6)上开一个通孔(19)，离心泵(3)的进气口与机器人本体(6)的通孔(19)位置对应并固定安装在机器人本体(6)的上面，离心泵电机(4)的输出轴与离心泵(3)连接；密封内衬(2)设置在机器人本体(6)的下底面，位于通孔(19)和密封裙(1)之间；机器人本体(6)左右两侧的前后分别布置四个车轮(7-1、7-2、7-3、7-4)，每个车轮的中心轴与各自车轮舵机的输出轴通过联轴器固定连接，该四个车轮舵机(8-1、8-2、8-3、8-4)通过悬挂装置(9)固定连接到机器人本体(6)上；俯仰机械臂(10)—端垂直固定安装在机械臂舵机(11)输出轴上，另一端与摄像头旋转舵机(14)固定连接，机械臂舵机(11) 的本体固定安装在机器人本体(6)的前进方向一侧；无线微型摄像头(13)的下底面与摄像头支架(15)的上平面连接，该摄像头支架(15)的中心孔固定安装在摄像头旋转舵机(14) 的输出轴上；快速可分离连接装置(12)固定安装在俯仰机械臂(10)上，并向左或右偏置安装；四个车轮舵机(8-1、8-2、8-3、8-4)、机械臂舵机(11)、摄像头旋转舵机(14)、离心泵电机驱动器(5)的控制信号都连接到控制单片机(16)的IO输出脚；离心泵电机驱动器(5)与离心泵电机(4)的电极连接，并设置在机器人本体(6)上，无线数字接收器(17)通过串口与控制单片机(16)连接。
2.根据权利要求1所述的可重构的爬壁机器人，其特征在于自适应密封裙(1)包括弹性支撑材料(1-1 )、密封布(1-2)、连接骨架(1-3)，弹性支撑材料(1-1)采用动物鬃毛，动物鬃毛整齐排列成一排，隔离空气的密封布(1-2)将动物鬃毛密封包裹，鬃毛粗的一端和密封布(1-2)—起固定在连接骨架(1-3)的安装槽(1-4)内。
3.根据权利要求1所述的可重构的爬壁机器人，其特征在于快速可分离连接装置(12) 包括母端和公端，母端包含圆管(20)、旋转支架(21)、拉伸弹簧(22)、止档压块(23)、活动压杆(24)、拉绳(25)、拉绳套管(26);公端包含端头带锥度的圆棒(27)和制动台阶(28)，活动压杆(24) —端与拉伸弹簧(22)连接，另一端与拉绳(25)连接，活动压杆(24)上靠近弹簧(22) —侧设置在可旋转支架(21)上的旋转轴上，拉绳(25)穿过拉绳套管(26)，拉绳套管(26)包裹着拉绳(25)并固定在圆管(20)的一端；圆管(20)上开设方孔(29)，止挡压块 (23)固定安装在活动压杆(24)，并与圆管(20)上下孔的位置上下对齐，旋转支架(21)固定在拉绳(25)与方孔(29)之间；圆棒(27)设置在旋转支架(21)上，在与活动压杆(24)相对应的圆管(20)的另一侧，且与圆管(20)平行，制动台阶(28)与圆管(20)的开孔(28)对齐； 拉绳(25 )和无线微型摄像头(13 )由无线摄像头旋转舵机(14 )共享驱动。
4.根据权利要求2所述的可重构的爬壁机器人，其特征在于可旋转支架(21)固定的最佳位置拉绳(25)在圆管(20)上的固定位置与方孔(29)之间的中心位置到方孔(29)之间。
5.根据权利要求1所述的可重构的爬壁机器人，其特征在于密封内衬(2)采用橡胶材料，结构上呈喇叭形，安装在机器人本体(6)的下底面，位于自适应密封裙(1)和 人本体(6 )的圆孔之间，但高度上密封内衬(2 )相比自适应密封裙(1)短6-12mm。
6.一种利用权利要求1、2或4所述的可重构的爬壁机器人实现协同越障的方法，其特征在于步骤如下(1)首先对同样的两个爬壁机器人进行重构，通过第一爬壁机器人(WRl)的无线数字接收器(17)通知附近的第二爬壁机器人(WR2)移动过来，两个爬壁机器人(WRl、WR2)组合为一个整体，通过各自的俯仰机械臂(10)和快速可分离连接装置(12)实现连接和分离来协同完成越障任务，在两个爬壁机器人(WRl、WR2)连接时(a)操作两个爬壁机器人(WRl 、WR2)的相对位置和俯仰机械臂(10)的角度，带动各自的快速可分离连接装置(12)运动以调整其母端和公端相对位置关系，使其保持在同一个高度；(b)两个爬壁机器人(WRl、 WR2)的摄像头旋转舵机(14)分别顺时针旋转，各自的拉绳(25)拉紧，活动压杆(24)带动止档压块(23)张开，两个爬壁机器人(WRl、WR2)对向运动，将第一爬壁机器人(WRl)的快速可分离连接装置(12)的公端伸入第二爬壁机器人(WR2)的快速可分离连接装置(12)的母端，同时将第二爬壁机器人(WR2)的快速可分离连接装置(12)的公端伸入第一爬壁机器人(WRl)的快速可分离连接装置(12)的母端；(c)两个爬壁机器人(WRl、WR2)的摄像头旋转舵机(14)分别逆时针旋转，各自的拉绳(25)释放，活动压杆(24)在弹簧(22)的拉伸作用下经旋转支架(21)相对运动，带动止档压块(23)压紧公端的制动台阶(28)，止档压块 (23)卡住公端的制动台阶(28)防止公端从母端轴向拉出；(2)两个爬壁机器人(WRl、WR2)配置吸附工作状态，在需要越障的位置，第二爬壁机器人(WR2)切换到重负载模式，第一爬壁机器人(WRl)的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态；(3)两个爬壁机器人(WRl、WR2)协同完成越障任务，即两个爬壁机器人(WRl、WR2)控制各自的俯仰机械臂(10)运动，第二爬壁机器人(WR2)把第一爬壁机器人(WRl)作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方；(4)两个爬壁机器人(WRl、WR2)再次模式切换，各自切换到运动模式；(5)两个爬壁机器人(WRl、WR2)分离时，两个爬壁机器人(WRl、WR2)的摄像头旋转舵机(14)分别顺时针旋转，各自的拉绳(25)拉紧，活动压杆(24)带动止档压块(23)张开，两个爬壁机器人(WRl、WR2)反向运动则快速可分离连接装置(12)的母端和公端彼此分开， 单独执行任务。
7.根据权利要求5所述的可重构的爬壁机器人实现协同越障的方法，其特征在于步骤(2)中的配置吸附工作状态实现过程是(a)正常状态下，称为运动模式，两个爬壁机器人(WRl、WR2)各自的离心泵电机(4)带动离心泵(3)旋转，自适应密封裙(1)与墙壁表面接触达到自适应密封，提供的吸附力支撑单个爬壁机器人自身的吸附力需求并平衡机器人运动机动性的要求；(b)在越障时，称为重负载模式，两个爬壁机器人(WRl、WR2)各自的离心泵电机(4)带动离心泵(3)旋转的速度提高，吸附力增大，作用于悬挂装置(9)，使爬壁机器人本体(6)与墙壁的距离缩短，进而密封内衬(2)与墙壁接触，达到获取更大吸附力的目的；(c)无吸附力状态，即两个爬壁机器人(WRl、WR2)各自的离心泵电机(4)带动离心泵(3)停止旋转，吸附力释放。
8.根据权利要求5所述的可重构的爬壁机器人实现协同越障的方法，其特征在于步骤(3)中的协同完成越障任务为室外墙拐角的越障，即第二爬壁机器人(WR2)协助第一爬壁机器人(WRl)从外墙墙面A运动到外墙的另一面B，具体步骤是(a)调整两个爬壁机器人(WRl、WR2)位置，第二爬壁机器人(WR2)携带第一爬壁机器人(WRl)低速运动到外墙拐角的位置；(b)协同完成越障任务，两个爬壁机器人(WRl、WR2)控制各自的俯仰机械臂(10)运动，第二爬壁机器人(WR2)把第一爬壁机器人(WRl)作为负载，放置到另一面墙壁B。
9.根据权利要求5所述的可重构的爬壁机器人实现协同越障的方法，其特征在于步骤 (3)中的协同完成越障任务为跨越室外墙窄台阶障碍，具体步骤是(a)协同完成越障任务，两个爬壁机器人(WRl、WR2)控制各自的俯仰机械臂(10)运动，第二爬壁机器人(WR2)把第一爬壁机器人(WRl)作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方；(b)两个爬壁机器人(WRl、WR2)吸附工作模式转换，第一爬壁机器人(WRl)工作在重负载模式，第二爬壁机器人(WR2)的离心泵电机停止转动，工作在释放吸附力的无吸附力状态；(c)再次协同越障，两个爬壁机器人(WRl、WR2)控制各自的俯仰机械臂(10)运动，第一爬壁机器人(WRl)把第二爬壁机器人(WR2)作为负载抬起来，放置到越过障碍的地方。
全文摘要
本发明公开了一种可重构的爬壁机器人及其协同越障方法，包括自适应密封裙、密封内衬、离心泵、离心泵电机、离心泵电机驱动器、机器人本体等，密封裙垂直固定安装在机器人本体的下底面四周；机器人本体上开一个通孔，离心泵的进气口与机器人本体的通孔位置对应并固定安装在机器人本体的上面，离心泵电机的输出轴与离心泵连接；密封内衬设置在机器人本体的下底面，位于通孔和密封裙之间。本发明每个可重构爬壁机器人是一个独立的个体，在无障碍时独立完成侦察等任务；在某爬壁机器人需要跨越障碍时，两个独立的可重构爬壁机器人通过组合为一个整体，协同完成越障任务。
文档编号B62D57/024GK102390453SQ20111032255
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者刘永, 杜姗姗, 杨衍舒, 龚毅 申请人:南京理工大学