复合型爬壁机器人及其控制方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种面向复杂环境的具备空中飞行和壁面移动的复合型爬壁机器人及其控制方法。

背景技术：

机器人自问世以来，在生活和生产方面，特别是在危险、恶劣和极限环境下，能够代替人们从事各种各样的工作。负压吸附式爬壁机器人属于特种机器人领域的分支之一，将地面的移动技术和吸附技术相结合，可以在高空壁面上附着爬行，通过携带相应作业装置完成特定作业任务，拓宽了机器人的应用领域。由于壁面环境复杂，壁面存在大量直角、尖角等曲面形状，此外非铁质壁面表面的不一致，使得吸附式爬壁机器人的实际应用过程中，存在两大主要问题难以解决，严重影响爬壁机器人实际应用效果，一是吸附式爬壁机器人针对直角等壁面，很难从一个工作壁面转移到另一工作壁面；二是吸附式爬壁机器人受壁面环境影响，吸附可靠性较差，缺乏有效可靠的安全防护系统，一旦发生坠落，将造成严重的经济甚至人身安全问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面向复杂环境的具备空中飞行和壁面移动的复合型爬壁机器人及其控制方法，正常工作情况，机器人在壁面爬行作业，当需要跨越直角面等需要一个工作壁面转移到另一工作壁面情况时，机器人切换到飞行模式，此外，在恶劣复杂环境工作，并在发生失压情况下，机器人也可切换到飞行模式，防止机器人从高空跌落，充分保护设备，减小经济损失。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：复合型爬壁机器人，包括复合型爬壁机器人主体、用于复合型爬壁机器人行走的履带轮装置，在复合型爬壁机器人主体的底部安装有密封裙，所述密封裙与复合型爬壁机器人主体柔性连接，在密封裙中间设有负压腔，在复合型爬壁机器人主体安装有与负压腔连通的负压发生机构，在复合型爬壁机器人主体的两侧分别设置有推力装置，所述推力装置包括旋转架和涵道风扇，旋转架一端固定在复合型爬壁机器人主体上，另一端连接涵道风扇，所述涵道风扇可绕旋转架进行360°旋转。

进一步地，所述涵道风扇包括涵道、设置在涵道内的桨叶、驱动桨叶旋转的电机、设置在桨叶前侧的防尘罩。

进一步地，所述复合型爬壁机器人主体两侧分别设置有安装台，所述旋转架固定在所述安装台上。

进一步地，所述履带轮装置设有四个，四个所述履带轮装置分别设置在复合型爬壁机器人主体前后两侧，其包括大摩擦系数橡胶履带、主动齿轮、两个从动齿轮和减震固定机构，所述主动齿轮与安装在复合型爬壁机器人主体上的行走电机连接，两个从动齿轮与主动齿轮呈三角形布置，两个从动齿轮分别通过减震固定机构固定在固定架上，所述固定架另一端固定在复合型爬壁机器人主体上，所述大摩擦系数橡胶履带与主动齿轮、从动齿轮间通过轮齿啮合传动。

进一步地，两个所述减震固定机构呈倒“y”型分布，包括减震器和叉型架，所述减震器一端与固定架连接，另一端与叉型架连接，所述从动齿轮通过心轴安装在叉型架的开口处。

进一步地，所述复合型爬壁机器人主体包括内部支架和固定在内部支架上的外层高强度塑料蒙皮。

进一步地，所述复合型爬壁机器人主体内部设有imu惯性测量模块和控制模块，所述imu惯性测量模块用于检测复合型爬壁机器人主体的加速度变化，所述控制模块根据控制指令和/或imu惯性测量模块的信号控制履带轮装置、负压发生机构以及推力装置的工作状态。

本发明还提供了上述复合型爬壁机器人的控制方法，包括：当复合型爬壁机器人需转换到与当前壁面间无平滑过度连接的另一壁面时，控制模块收到指令后启动涵道风扇，并控制旋转座旋转相应角度，依靠涵道风扇产生的升力稳定平衡爬壁机器人自重，然后关闭负压发生机构，使此爬壁机器人从当前工作壁面飞离，通过飞行着落到其他工作壁面。

当复合型爬壁机器人因与壁面间的正压力不够产生下滑时，imu惯性测量模块检测到突然滑动产生的加速度，并触发控制模块启动涵道风扇，使涵道风扇通过调整推力方向及推力大小，将此爬壁机器人压在墙壁上使之不下滑。

当复合型爬壁机器人从高空壁面开始坠落时，imu惯性测量模块检测到加速度的突然增加，并触发控制模块启动涵道风扇，imu惯性测量模块计算出在坠落过程中此复合型爬壁机器人在空中旋转的角度，将此信息传递给控制模块，控制模块控制旋转座旋转相应角度，从而改变推力方向，调整爬壁机器人坠落姿态，降低爬壁机器人的坠落速度，实现缓冲保护作用。

本发明的复合型爬壁机器人,当此复合型爬壁机器人的驱动轮无法提供与墙面之间充足的摩擦力时，可通过涵道风扇调整推力方向来维持爬壁机器人的平稳运行，当此复合型爬壁机器人需转换到其他壁面工作时，可依靠涵道风扇产生的升力使爬壁机器人从当前工作壁面快速飞到其他工作壁面，当此复合型爬壁机器人遇到特殊情况从高空坠落时，可自动触发保护系统，涵道风扇打开，实现缓冲保护作用。综上，本发明使得复合型爬壁机器人能可靠的在恶劣复杂环境工作，并在发生意外时充分保护设备，大大减小经济损失。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是本发明实施例的复合型爬壁机器人主体的结构示意图。

图3是本发明实施例的履带轮装置的结构示意图。

图4是本发明实施例的减震固定机构的结构示意图。

图5是本发明实施例的推力装置的结构示意图。

图6是本发明实施例的爬壁-飞行-爬壁控制模式切换流程图。

图7是本发明实施例的复合型爬壁机器人状态判断示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1-图6所示，本实施例的复合型爬壁机器人，包括复合型爬壁机器人主体1、用于复合型爬壁机器人行走的履带轮装置2。所述复合型爬壁机器人主体1包括内部支架和通过螺钉固定在内部支架上的外层高强度塑料蒙皮101。复合型爬壁机器人主体1内部装有工作所需的各种零部件以及传感控制设备。

在此复合型爬壁机器人主体1的底部安装有密封裙103，所述密封裙103与复合型爬壁机器人主体1柔性连接，在密封裙103中间设有负压腔105，在复合型爬壁机器人主体1内安装有与负压腔105连通的负压发生机构。正常工作时，透过密封裙103进入负压腔105内的气体与负压发生机构抽出的气体量达到动态平衡，从而维持负压腔105内的稳定负压，使此复合型爬壁机器人始终保持与壁面紧密贴合。

在复合型爬壁机器人主体1的两侧分别设置安装台104，所述安装台104上固定安装有推力装置3，所述推力装置3包括旋转架301和涵道风扇303，旋转架301一端固定在安装台104上，另一端连接涵道风扇303，所述涵道风扇303可绕旋转架301进行360°旋转，从而调节推力装置3的推力方向，为复合型爬壁机器人提供矢量推力。所述涵道风扇303包括涵道、设置在涵道内的桨叶304、驱动桨叶旋转的电机、设置在桨叶前侧的防尘罩302。

所述履带轮装置2设有四个，四个所述履带轮装置2分别设置在复合型爬壁机器人主体1前后两侧，其包括大摩擦系数橡胶履带201、主动齿轮204、两个从动齿轮203和减震固定机构，所述主动齿轮204与安装在复合型爬壁机器人主体1上的行走电机102连接，两个从动齿轮203与主动齿轮204呈三角形布置，两个从动齿轮203分别通过减震固定机构固定在固定架205上，所述固定架205另一端固定在复合型爬壁机器人主体1上，所述大摩擦系数橡胶履带201包裹在主动齿轮204、从动齿轮203外围并与主动齿轮204、从动齿轮203间通过轮齿啮合传动。四个主动齿轮204分别与四个行走电机102相连接，通过调节两侧行走电机102的转速来实现复合型爬壁机器人在墙壁上的直线前进、后退和转弯；所述从动齿轮203位于履带靠近壁面的两端，既实现了履带的张紧，同时也承担起复合型爬壁机器人在壁面上的正压力。

两个所述减震固定机构呈倒“y”型分布，包括减震器202和叉型架206，所述减震器202一端与固定架205连接，另一端与叉型架206连接，所述从动齿轮203通过心轴207安装在叉型架206的开口处，减震固定机构将履带通过从动齿轮传递过来的震动进行减小，从而减轻震动对机器人搭载的设备的影响。减震器202正常工作时就有一定的压缩量，因此对叉型架206产生向两边的推力，叉型架206通过心轴207将推力传递到从动齿轮203上，从动齿轮203有向两侧外窜的趋势，从而将大摩擦系数橡胶履带201张紧。大摩擦系数橡胶履带201与主动齿轮204、从动齿轮203间为可拆卸连接，当履带磨损时，压缩减震器202即可将履带取下换上新履带。

所述复合型爬壁机器人主体1内部设有imu惯性测量模块和控制模块，所述imu惯性测量模块用于检测复合型爬壁机器人主体1的加速度变化，所述控制模块根据控制指令和/或imu惯性测量模块的信号控制履带轮装置2、负压发生机构以及推力装置3的工作状态。

本实施例的复合型爬壁机器人的控制方法，包括：

当复合型爬壁机器人需转换到与当前壁面间无平滑过度连接的另一壁面时，可通过控制模块在收到切换指令后控制负压发生机构，涵道风扇303的开闭，并通过控制旋转座301旋转相应角度，调整涵道风扇303产生的升力方向使此复合型爬壁机器人从当前工作壁面飞到其他工作壁面，其具体的爬壁-飞行-爬壁切换控制模式流程如下：当此爬壁机器人接收到操作者发出的转换壁面的工作信号后，控制模块首先启动涵道风扇303，与此同时，位于爬壁机器人主体内部的处理器分析确认是否需要转换工作壁面，如果不需要，则向操作者反馈此错误信号，并关闭涵道风扇303，继续执行爬壁模式，如果分析确认需要转换工作壁面，则处理器进一步分析下一工作壁面的具体位置，通过控制模块调整涵道风扇的矢量推力，然后关闭用于产生负压的叶轮电机，使爬壁机器人与当前壁面脱离吸附，爬壁机器人在涵道风扇303推力的作用下飞向下一工作壁面，待密封裙与目标工作壁面接触后，重新启动叶轮电机，与新壁面实现吸附，再关闭涵道风扇303，在新壁面重新开启爬壁模式。

当此复合型爬壁机器人在凹凸不平壁面工作时，由于工作壁面的不平整，密封裙103无法与壁面紧密接触，即在密封裙103和墙壁面凹下处会留有缝隙，因为外界大气压大于中间负压腔105中的大气压，因此会有少量空气透过此缝隙进入负压腔105中，导致中间负压腔105难以维持足够且恒定的负压，即复合型爬壁机器人与壁面间的正压力不够，使得驱动轮无法提供与墙面之间充足的摩擦力，此复合型爬壁机器人会在墙面上产生下滑的趋势，当imu惯性测量模块检测到有突然滑动产生的加速度时，会触发控制模块启动涵道风扇303，使涵道风扇303通过调整推力方向，将此爬壁机器人压在墙壁上使之不下滑。

当复合型爬壁机器人从高空坠落时，imu惯性测量模块检测到加速度的突然增加，当复合型爬壁机器人正常工作时，其产生的加速度小于重力加速度g，当复合型爬壁机器人遇到特殊情况从高空坠落时，此时的加速度会立刻达到重力加速度g，并触发控制模块启动涵道风扇303，由于imu惯性测量模块提供的是一个相对的定位信息，因此可以计算出在坠落过程中此爬壁机器人在空中旋转的角度，imu惯性测量模块将此信息传递给控制模块，控制模块控制旋转座301旋转相应角度，从而改变推力方向，调整复合型爬壁机器人坠落姿态，使得复合型爬壁机器人落地时为履带着地，并降低坠落速度，保护了机器人主体上的其余精密仪器部分不受撞击，最终实现缓冲保护作用。

当此复合型爬壁机器人由于与壁面摩擦力不足产生滑动或者由于特殊情况从高空坠落时，位于复合型爬壁机器人主体内部的imu惯性测量模块均会检测到突然增加的加速度，为了判断此爬壁机器人究竟处于何种状况，具体地，可以设置多个加速度区间，当imu惯性测量模块检测到的加速度处于不同的加速度区间时，复合型爬壁机器人会有不同的操作，例如：

首先判断当前加速度a是否大于第二预设加速度a2，如果加速度a＜第二预设加速度a2，则位于爬壁机器人主体内部的控制模块判断出此时爬壁机器人处于正常运行状态，与该状态对应的操作是：继续密切观察加速度变化情况。

如果加速度a≥第二预设加速度a2，则继续执行下列操作。

如果加速度a≥第一预设加速度a1，此时位于爬壁机器人主体内部的控制模块判断出此时爬壁机器人处于高空坠落的状态，与该状态控制模块和涵道风扇303对应的操作是：控制模块通过imu惯性测量模块提供的相对的定位信息以及计算出的复合型爬壁机器人在坠落过程中空中翻转的角度，控制涵道风扇303调整推力方向，改变复合型爬壁机器人坠落姿态，使得复合型爬壁机器人落地时为履带着地，并降低坠落速度，保护了机器人主体上的其余精密仪器部分不受撞击，实现缓冲保护作用。

如果第二预设加速度a2≤加速度a＜第一预设加速度a1，此时位于爬壁机器人主体内部的控制模块判断出此时爬壁机器人处于与壁面摩擦力不足产生滑动的状态，与该状态控制模块和涵道风扇对应的操作是：控制模块启动涵道风扇303，并调整涵道风扇303的推力方向，使涵道风扇303产生的推力总体方向为背离壁面向下，即增大了复合型爬壁机器人与壁面间的正压力也平衡了部分重力，使得复合型爬壁机器人能够继续在墙壁面稳定运行。

其中，第二预设加速度a2＜第一预设加速度a1。

需要说明的是，复合型爬壁机器人运行处于与壁面摩擦力不足产生滑动或者由于特殊情况从高空坠落还是正常运行状态，是根据imu惯性测量模块检测到的加速度大小决定的，通过密切监测加速度变化情况，控制模块采取相应措施保障复合型爬壁机器人的稳定运行。

在前述说明书与相关附图中存在的教导的帮助下，本发明所属领域的技术人员将会想到本发明的许多修改和其它实施方案。因此，要理解的是，本发明不限于公开的具体实施方案，修改和其它实施方案被认为包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中使用了特定术语，它们仅以一般和描述性意义使用，而不用于限制。