基於氣流升力的壁面移動機器人的製作方法

2023-12-01 06:05:11

專利名稱：基於氣流升力的壁面移動機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機器人，具體地說是一種基於氣流升力的壁面移動機 器人。屬於機器人技術領域。
技術背景近年來，機器人在國家安全、工業檢測、高空營救和反恐偵察任務中越來 越得到人們的重視，國際上許多成功的機器人平臺已經建立，但是具有爬壁、 在天花板行走和穿越管道能力的機器人還很少。目前，有許多專家對具有爬壁 能力的機器人做了研究，有運用吸附技術設計的連續運動清掃爬壁機器人，有 運用磁性吸附技術設計的六足爬壁機器人，有運用磁性吸附技術設計的步行式 爬壁機器人等。但由於這些機器人都具有體積大、價格昂貴、重量大、轉彎特 性差、控制系統複雜等缺點，極大地限制了這些機器人的應用。隨著科技的發展，反恐偵察、高層建築物壁面檢測、高空營救等領域迫切 需要能實現良好爬壁功能的機器人。傳統爬壁機器人的結構複雜、噪聲大、運 動速度慢的特點限制了機器人技術的發展，爬壁機器人在朝小型化，輕型化的 方向發展，但現有爬壁機器人特別是基於真空吸附原理或者負壓吸附原理的壁 面移動機器人對壁面的適應能力和吸附的可靠性都很難達到實際應用的要求。 在一些粗糙度比較大的壁面上利用真空或負壓吸附原理的機器人很難適應。 發明內容為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種結構簡單、體積小、 重量輕、噪聲低、壁面適應能力強的壁面移動機器人。為實現上述發明目的，本發明是通過以下的技術方案來實現的一種基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於包括升力發生裝置、升 力方向調整機構和沿壁面行走機構；所述的升力發生裝置包括函道風扇和導流葉片，函道風扇由函道管、固定 在函道管內的骨架、固定在骨架上的驅動電機和風機葉片組成，所述的函道風 扇的吸氣口垂直向上放置，函道風扇安裝在氣流方向調整架上，在氣流方向調整架上還安裝有導流葉片，所述的的導流葉片位於函道風扇的出氣口；所述的升力方向調整機構包括升力方向調整環、升力方向調整驅動電機和 升力方向調整驅動齒輪，升力方向調整環與氣流方向調整架通過T形連接件連 接，升力方向調整驅動電機安裝在升力方向調整環上，通過升力方向調整驅動 齒輪與活動安裝在升力方向調整環上的沿壁面行走機構連接。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的導流葉片為水 滴形。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於還包括控制器，在所 述的T形連接件和升力方向調整環之間連接有拉力傳感器，拉力傳感器與控制 器連接。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於在所述的升力方向調 整環與拉力傳感器的連接處還安裝有傾角傳感器，傾角傳感器與控制器連接。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的升力發生裝置 根據拉力傳感器的讀數與拉力設定值之差來控制函道風扇的轉速，實現拉力為設定值，採用的公式為Av-w力-y;)，式中Av為函道風扇轉速的增加量，；t為正的比例係數，力為設定的升力值，與機器人的重力相等，,為拉力傳感器的讀數。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的升力方向調整 機構根據傾角傳感器的讀數與傾角設定值之差來控制驅動電機的位置和轉速，實現升力的方向為設定值，採用的公式為A^-^(^-《)，式中A;;為升力方向調 整驅動電機位移的增加量，、為正的比例係數，^為設定的傾角值，《為傾角 傳感器的讀數。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的驅動電機為外 轉子無刷直流電機。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的沿壁面行走機 構為輪式移動機構、履帶式移動機構或腿足式移動機構。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的沿壁面行走機 構包括底盤、驅動輪和驅動輪支架，底盤活動安裝在升力方向調整環上，在底 盤中安裝有供電電池，在底盤的下方裝有驅動輪支架，在驅動輪支架上安裝有驅動輪。前述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的驅動輪，其上 覆蓋有防滑材料。本發明的有益效果是本發明通過安裝在函道風扇內的電機帶動風機葉片 高速旋轉產生足夠的升力，克服機器人自身的重力，同時風扇下的導流葉片將 部分氣流導向外側，使機器人獲得垂直於壁面的壓力，通過驅動裝置實現機器 人在壁面上的靈活移動。本發明體積小、重量輕、噪音低、壁面適應能力強， 不依賴真空或與壁面之間的負壓，在反恐偵察、高層建築壁面清洗、壁面檢測 等領域有廣泛的應用前景，特別是在壁面較為粗糙不適合採用基於負壓吸附原 理或者真空吸附原理的壁面移動機器人應用的場合。


圖1為本發明實施例的立體圖；圖2為本發明實施例的結構後視圖；圖3為本發明實施例的結構俯視圖；圖4為本發明實施例的結構側視圖；圖5和圖6為本發明附著於牆面沿不同方向行走時函道風扇與驅動輪位置 狀態示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明作更詳細的描述，本實施例的沿壁面行走機構 為輪式移動機構。圖1為本發明實施例的立體圖；圖2為本發明實施例的結構後視圖；圖3為本發明實施例的結構俯視圖；圖4為本發明實施例的結構側視圖。結合圖1至圖4，本發明的基於氣流升力的壁面移動機器人，包括升力發生裝置、升力方向調整機構和沿壁面行走機構。升力發生裝置包括函道風扇1和導流葉片2，函道風扇1由函道管、固定在函道管內的骨架、固定在骨架上的驅動電機和風機葉片12組成，驅動電機採用外轉子直流電機，以便於供電電池的供電。函道風扇1的吸氣口垂直向上放置 (本實施例採用了2臺函道風扇，但並不限定於此，可以根據情況而定)，函道風扇1採用軸流風扇，安裝在氣流方向調整架13上，在氣流方向調整架13上還安裝有導流葉片2，導流葉片2位於函道風扇1的出氣口。導流葉片2採用水 滴形，提高導流效果。升力方向調整機構根據安裝在升力發生裝置上的傾角傳感器5信號來調整 升力的方向，包括升力方向調整環7、升力方向調整驅動電機6和升力方向調整 驅動齒輪ll，氣流方向調整架13通過T形連接件3與拉力傳感器4連接，拉力 傳感器4的另一端連接至升力方向調整環7。在升力方向調整環7與拉力傳感器 4的連接處安裝有傾角傳感器5，拉力傳感器4和傾角傳感器5都與控制器(未 圖示)連接。升力方向調整驅動電機6安裝在升力方向調整環7上，通過升力 方向調整驅動齒輪11與活動安裝在升力方向調整環7上的沿壁面行走機構連 接，升力方向調整驅動電機6通過升力方向調整驅動齒輪11驅動升力發生裝置 作旋轉運動。沿壁面行走機構可以採用輪式移動機構，也可以採用履帶式移動機構或腿 足式移動機構。在本實施例中，採用的是輪式移動機構，包括底盤8、驅動輪 10和驅動輪支架9，底盤8活動安裝在升力方向調整環7上，在底盤8中安裝 有供電電池，給驅動電機和升力方向調整驅動電機6供電。在底盤8的下方裝 有驅動輪支架9，在驅動輪支架9上安裝有驅動輪10，在驅動輪10上覆蓋有防 滑材料，提高移動效果。本發明的升力發生裝置的導流葉片2與壁面之間有一定傾角，具體可根據 實際情況調整，傾角越大機器人獲得的正壓力越大，相應的升力會減小。本發明的升力發生裝置的函道風扇1轉速可通過控制器來調整，其產生的 升力值可通過拉力傳感器4檢測，在工作狀態下升力應近似等於機器人的重力。 為保證升力的穩定性，升力發生裝置根據拉力傳感器4的讀數與升力設定值之 差來控制函道風扇1的轉速，從而實現拉力為設定值，具體為Av4(力-y;)，式 中Av為函道風扇l轉速的增加量，A為正的比例係數，力為設定的升力值，,為 拉力傳感器4的讀數，設定的升力值力應等於機器人所受的重力。該控制方法 亦可視情況採用PID控制或者其他閉環控制算法。本發明的升力方向調整機構實為一個旋轉關節，採用直流電機驅動，通過 升力方向調整驅動齒輪ll傳動實現旋轉關節的轉動。在工作狀態下，升力方向 應與重力方向相反。為保證機器人在壁面轉向過程中升力方向的穩定，根據安裝在升力方向調整機構上的傾角傳感器5信號來控制升力方向調整驅動電機6 的位置和速度輸出，從而實現升力的方向為設定值，具體為 =、(^,-《)，式 中A^為升力方向調整驅動電機6位移的增加量，、為正的比例係數，^為設定 的傾角值，《為傾角傳感器5的讀數，該控制方法亦可視情況採用PID控制或 者其他閉環控制算法。圖5和圖6為本發明附著於牆面沿不同方向行走時函道風扇1與驅動輪10 位置狀態示意圖。上述實施例不以任何方式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式 所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。
權利要求
1、基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於包括升力發生裝置、升力方向調整機構和沿壁面行走機構；所述的升力發生裝置包括函道風扇和導流葉片，函道風扇由函道管、固定在函道管內的骨架、固定在骨架上的驅動電機和風機葉片組成，所述的函道風扇的吸氣口垂直向上放置，函道風扇安裝在氣流方向調整架上，在氣流方向調整架上還安裝有導流葉片，所述的的導流葉片位於函道風扇的出氣口；所述的升力方向調整機構包括升力方向調整環、升力方向調整驅動電機和升力方向調整驅動齒輪，升力方向調整環與氣流方向調整架通過T形連接件連接，升力方向調整驅動電機安裝在升力方向調整環上，通過升力方向調整驅動齒輪與活動安裝在升力方向調整環上的沿壁面行走機構連接。
2、 根據權利要求l所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所 述的導流葉片為水滴形。
3、 根據權利要求l所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於還 包括控制器，在所述的T形連接件和升力方向調整環之間連接有拉力傳感器，拉力傳感器與控制器連接。
4、 根據權利要求3所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於在所述的升力方向調整環與拉力傳感器的連接處還安裝有傾角傳感器，傾角傳感 器與控制器連接。
5、 根據權利要求4所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所 述的升力發生裝置根據拉力傳感器的讀數與拉力設定值之差來控制函道風扇的 轉速，實現拉力為設定值，採用的公式為A;^fc(/d-/,)，式中Av為函道風扇轉 速的增加量，*為正的比例係數，力為設定的升力值，與機器人的重力相等，, 為拉力傳感器的讀數。
6、 根據權利要求4所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所述的升力方向調整機構根據傾角傳感^的讀數與傾角設定值之差來控制驅動電 機的位置和轉速，實現升力的方向為設定值，採用的公式為^ = 、(^-^)，式 中A^為升力方向調整驅動電機位移的增加量，、為正的比例係數，^為設定的 傾角值，《為傾角傳感器的讀數。
7、 根據權利要求l所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所 述的驅動電機為外轉子無刷直流電機。
8、 根據權利要求l所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所 述的沿壁面行走機構為輪式移動機構、履帶式移動機構或腿足式移動機構。
9、 根據權利要求l所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於所 述的沿壁面行走機構包括底盤、驅動輪和驅動輪支架，底盤活動安裝在升力方 向調整環上，在底盤中安裝有供電電池，在底盤的下方裝有驅動輪支架，在驅 動輪支架上安裝有驅動輪。
10、 根據權利要求9所述的基於氣流升力的壁面移動機器人，其特徵在於 所述的驅動輪，其上覆蓋有防滑材料。
全文摘要
本發明涉及一種基於氣流升力的壁面移動機器人，包括升力發生裝置和沿壁面行走機構等，升力發生裝置包括涵道風扇和導流葉片，涵道風扇的吸氣口垂直向上放置，涵道風扇和導流葉片安裝在氣流方向調整架上，導流葉片位於涵道風扇的出氣口；升力方向調整機構的升力方向調整環與氣流方向調整架通過T形連接件連接，升力方向調整驅動電機安裝在升力方向調整環上，通過升力方向調整驅動齒輪與活動安裝在升力方向調整環上的沿壁面行走機構連接。本發明體積小、重量輕、噪聲低、壁面適應能力強，可以在基於真空或者負壓吸附原理的爬壁機器人不能吸附的粗糙壁面上完成可靠吸附和壁面移動，在反恐偵察、高層建築壁面清洗、壁面檢測等領域有廣闊的應用前景。
文檔編號B62D57/024GK101544249SQ200910026468
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者衝 姚, 張建偉, 王魯單, 勝 程, 許少強 申請人:崑山市工業技術研究院有限責任公司