本發(fā)明涉及爬壁機(jī)器人，具體是一種內(nèi)墻角攀爬機(jī)器人。

背景技術(shù)：

爬墻機(jī)器人可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)，爬壁機(jī)器人又稱為壁面機(jī)器人，因為垂直壁面作業(yè)超出人的極限，因此在國外又稱為極限機(jī)器人。

爬壁機(jī)器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，要實現(xiàn)機(jī)器人爬壁的功能，吸附技術(shù)是核心。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三種吸附形式。真空吸附方式具有不受壁面材料限制的優(yōu)點，但當(dāng)壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力和承載能力明顯下降。磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng)，且吸附力遠(yuǎn)大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，因此嚴(yán)重地限制了爬壁機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境。攀援式吸附是通過抓住或勾住壁面的突起實現(xiàn)爬壁，這種方式要求壁面粗糙，對于光滑壁面則不合適。

現(xiàn)有技術(shù)中，對上述這些爬墻機(jī)器人的研究主要集中在垂直墻面的吸附功能上，但一直以來都存在一些運(yùn)用缺陷：采用磁吸附方式的爬墻機(jī)器人對墻面有特殊要求，適用范圍??；采用真空吸附方式的爬墻機(jī)器人需要大功率部件來產(chǎn)生負(fù)壓；采用仿生壁虎腳方式的爬墻機(jī)器人行走效率低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)墻角攀爬機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中爬墻機(jī)器人需要復(fù)雜吸附技術(shù)的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種內(nèi)墻角攀爬機(jī)器人，其包括機(jī)身和驅(qū)動裝置，其還包括對稱設(shè)置在所述機(jī)身兩側(cè)的行動輪，所述驅(qū)動裝置輸出連接有傳動裝置，所述傳動裝置與所述行動輪之間連接有萬向部件；

萬向部件調(diào)節(jié)行動輪的朝向，使行動輪緊貼內(nèi)墻角的兩墻面轉(zhuǎn)動時，行動輪與所述兩墻面之間產(chǎn)生摩擦力F，該摩擦力F具有朝向內(nèi)墻角的陰角線且與陰角線垂直的分量以及豎直向上的分量，當(dāng)所述摩擦力F豎直向上的分量大于機(jī)器人的重力時，機(jī)器人以一定的加速度向上攀爬；當(dāng)摩擦力F豎直向上的分量等于機(jī)器人的重力時，機(jī)器人的狀態(tài)為勻速向上攀爬、勻速下降、懸停在內(nèi)墻角的兩墻面上中的一種；當(dāng)所述摩擦力F豎直向上的分量小于機(jī)器人的重力時，機(jī)器人以一定的加速度沿墻面下降。

進(jìn)一步的，所述內(nèi)墻角為90°，所述機(jī)身兩側(cè)的行動輪沿內(nèi)墻角的陰角線對稱分布；當(dāng)機(jī)器人懸停在內(nèi)墻角的兩墻面上時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線垂直，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量等于機(jī)器人的重力；當(dāng)機(jī)器人沿兩墻面加速向上攀爬時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量大于機(jī)器人的重力；當(dāng)機(jī)器人沿兩墻面勻速向上攀爬或下降時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量等于機(jī)器人的重力；當(dāng)機(jī)器人沿兩墻面加速下降時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量小于機(jī)器人的重力。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動裝置為電機(jī)，所述傳動裝置為傳動軸，所述萬向部件為萬向節(jié)，所述行動輪為兩對且每對行動輪之間采用左右同軸結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，還包括遙控裝置，所述遙控裝置通過萬向節(jié)調(diào)控行動輪的朝向、通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)控行動輪的轉(zhuǎn)速。

本方案利用內(nèi)墻角的特殊結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)行動輪的朝向和轉(zhuǎn)動，使攀爬機(jī)器人與墻面之間產(chǎn)生摩擦力F，利用摩擦力F豎直方向上的分量，來實現(xiàn)攀爬機(jī)器人的運(yùn)動或懸置，實現(xiàn)了無需磁吸附或者負(fù)壓式吸附等吸附技術(shù)就能使攀爬機(jī)器人吸附在墻面上。本攀爬機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕，無需像磁吸式或者負(fù)壓式等復(fù)雜的吸附技術(shù)，便可完成機(jī)體在垂直平面上移動，也無需再加其余的動力裝置，控制簡單并且容易實現(xiàn)。

本方案針對常規(guī)的直角型內(nèi)墻角結(jié)構(gòu)，攀爬機(jī)器人采用對稱結(jié)構(gòu)保證運(yùn)動過程的穩(wěn)定性。對于需要靜止懸停在墻面上的運(yùn)行狀態(tài)，采用行動輪朝向與陰角線垂直的前提下，使攀爬機(jī)器人不具備上行的條件，在此設(shè)置下，只需要調(diào)整行動輪的轉(zhuǎn)速即可保證機(jī)器人“吸附”在墻面上。對于機(jī)器人的其余運(yùn)動狀態(tài)，采用兩側(cè)的行動輪均朝向陰角線且與陰角線的夾角呈銳角，此時，固定所述夾角的角度，只調(diào)控行動輪的轉(zhuǎn)速，即可控制機(jī)器人的上行或下行，控制簡單可靠。

本方案的驅(qū)動裝置采用易受控的電機(jī)來實現(xiàn)，傳動裝置采用傳動軸來傳遞扭矩，萬向部件采用萬向節(jié)來方便調(diào)節(jié)行動輪的朝向，還采用四輪結(jié)構(gòu)，每對行動輪左右同軸連接，使機(jī)器人左右受力均衡，利于保持平穩(wěn)。依靠電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動行動輪轉(zhuǎn)動，行動輪與墻面之間有接觸，使得墻面對機(jī)器人的摩擦力有利于機(jī)器人上下移動，同時機(jī)身的剛性限制增加了行動輪和墻面之間的作用力，增加了摩擦力，實現(xiàn)了機(jī)身“吸附”在墻面上。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，無需復(fù)雜的傳統(tǒng)吸附技術(shù)，就達(dá)到行駛過程中動態(tài)平衡的目的。其不需要像磁吸式吸附對墻面有磁性要求，也不需要像負(fù)壓式吸附方式要求大功率負(fù)壓，具有很高的可靠性和簡潔性；并且運(yùn)動速度快，控制比較簡單，比較容易實施。本發(fā)明效率高、能耗低、應(yīng)用范圍廣，在配合遙控裝置的條件下，能夠廣泛適用于各種特殊的工作環(huán)境中，如高空作業(yè)機(jī)器人，救災(zāi)機(jī)器人，偵測機(jī)器人等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明在內(nèi)墻角上的受力分析圖；

圖3為本發(fā)明一種具體實施例的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3所示攀爬機(jī)器人爬內(nèi)墻角的狀態(tài)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

針對建筑物都有內(nèi)墻角的現(xiàn)象，本發(fā)明提出了一種依靠墻角的爬墻機(jī)器人，其作為一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定爬墻的行走機(jī)構(gòu)，既不使用對墻面有局限的磁吸式也不采用大功率的負(fù)壓式吸附技術(shù)，而是依靠本體的驅(qū)動裝置3和墻面產(chǎn)生摩擦達(dá)到吸附墻面的目的。如圖1所示，本方案的攀爬機(jī)器人除機(jī)身和驅(qū)動裝置3外，還包括對稱設(shè)置在所述機(jī)身兩側(cè)的行動輪，所述驅(qū)動裝置3輸出連接有傳動裝置2，所述傳動裝置2與所述行動輪之間連接有萬向部件4。驅(qū)動裝置3產(chǎn)生動力，傳動裝置2將動力傳遞至行動輪，萬向部件4是實現(xiàn)變角度動力傳遞的機(jī)件，萬向部件4能夠改變行動輪的朝向。

需要爬墻時，在外部壓力作用下，行動輪緊貼內(nèi)墻角的兩墻面轉(zhuǎn)動，行動輪與所述兩墻面α、β之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，由于行動輪與墻面接觸的弧面具有一定的彈性和較大的摩擦系數(shù)，墻面也不是絕對光滑的，因此，兩者之間產(chǎn)生具有豎直向上分量的摩擦力F，摩擦力F是機(jī)器人兩側(cè)的行動輪受到墻面對其摩擦力的矢量和。對機(jī)器人進(jìn)行整體受力分析，可知，當(dāng)所述摩擦力F豎直向上的分量大于機(jī)器人的重力mg時，機(jī)器人以一定的加速度向上攀爬；當(dāng)摩擦力F豎直向上的分量等于機(jī)器人的重力mg時，機(jī)器人的狀態(tài)為勻速向上攀爬、勻速下降、懸停在內(nèi)墻角的兩墻面上中的一種；當(dāng)所述摩擦力F豎直向上的分量小于機(jī)器人的重力mg時，機(jī)器人以一定的加速度沿墻面下降。而摩擦力F朝向陰角線且與陰角線垂直的分量則是提供行動輪與墻面之間壓力的來源。

如圖2受力分析所示，按圖1所示結(jié)構(gòu)，機(jī)身兩側(cè)各有一個行動輪，該兩行動輪且對稱設(shè)置，那么行動輪的圓周表面與內(nèi)墻角的兩個墻面之間對應(yīng)相切，行動輪11的直徑在墻面α上的投影線與兩墻面的交線L的夾角和行動輪12的直徑在墻面β上的投影線與交線L的夾角相等，即是兩行動輪的朝向與內(nèi)墻角的陰角線的夾角相等。

當(dāng)需要機(jī)器人攀爬內(nèi)墻角，為使墻面產(chǎn)生摩擦力“吸附”機(jī)器人不掉落，行動輪按照圖1所示方向轉(zhuǎn)動，行動輪的朝向與陰角線的夾角為銳角，機(jī)器人所受作用力分析如圖2所示，行動輪11受到墻面α的摩擦作用力為F_f，行動輪12受到墻面β的摩擦作用力為F_r。F_f在墻面α上分解為F_f1和F_f2，F(xiàn)_r在墻面β上分解為F_r1和F_r2。其中，F(xiàn)_f2、F_r2為豎直向上，F(xiàn)_f1、F_r1分別位于平面α和平面β上且垂直于交線L(即陰角線)。F_f1、F_r1兩者的矢量和即是機(jī)器人對墻面的壓力(圖2所示方向朝內(nèi))，與墻面對機(jī)器人的FN_r、FN_l的矢量和抵消。F_f2、F_r2兩者的矢量和即是機(jī)器人受到的摩擦力F在豎直向上的分量，當(dāng)F_f2、F_r2兩者的矢量和與機(jī)器人的重力平衡時，將使機(jī)身不下落。機(jī)器人在內(nèi)墻角開始向上攀爬時，調(diào)節(jié)行動輪的朝向與陰角線的夾角，增加行動輪的轉(zhuǎn)速，摩擦力F增大到一定值時，F(xiàn)_f2、F_r2兩者的矢量和大于機(jī)器人的重力mg，機(jī)器人開始向上攀爬。

當(dāng)需要機(jī)器人“吸附”在墻面上時，在豎直方向上應(yīng)無速度矢量，此時，行動輪的朝向與陰角線垂直，行動輪仍按照如圖1所示方向轉(zhuǎn)動，行動輪轉(zhuǎn)動時，對墻面有擠壓產(chǎn)生摩擦力，擠壓力與墻面的支撐力抵消，摩擦力和重力抵消，實現(xiàn)了無需磁吸附或者負(fù)壓式吸附等吸附技術(shù)就能使機(jī)器人“吸附”在墻面上。

機(jī)器人在墻面上加速下降、勻速運(yùn)動時，行動輪的朝向與陰角線的夾角仍為銳角，行動輪仍按照如圖1所示方向轉(zhuǎn)動，受力分析類似，這里不再贅述?？偨Y(jié)起來，維持機(jī)身向上攀升的條件是∑(F_f2，F(xiàn)_r2)≥mg；懸停的條件是∑(F_f2，F(xiàn)_r2)＝mg；下降的條件是∑(F_f2，F(xiàn)_r2)≤mg，可以通過調(diào)控行動輪的朝向與陰角線的夾角以及行動輪的轉(zhuǎn)速以調(diào)控∑(F_f2，F(xiàn)_r2)的大小。

通常，所述內(nèi)墻角為90°，如圖3、4所示，所述機(jī)身兩側(cè)的四個行動輪沿內(nèi)墻角的陰角線對稱分布。由于摩擦力F在豎直方向上的分量大小和行動輪的朝向與陰角線的夾角、行動輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)，為調(diào)控方便，在機(jī)器人同一個運(yùn)動過程中，如向上加速攀爬過程，保持行動輪的朝向與陰角線的夾角為一銳角值不變，甚至機(jī)器人的懸停、下落時，行動輪的轉(zhuǎn)動方向和攀升時相同且與陰角線的夾角一致。當(dāng)夾角一定時，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，機(jī)身受到向上的作用力越大，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不可能無限增大，當(dāng)達(dá)到和重力平衡時便滿足機(jī)身不下落；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速則實現(xiàn)攀升效果，降低轉(zhuǎn)速則實現(xiàn)下落效果，整個過程中行動輪朝向不變。具體來說，控制如下所述：

1、當(dāng)機(jī)器人懸停在內(nèi)墻角的兩墻面上時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線垂直，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量等于機(jī)器人的重力。

2、當(dāng)機(jī)器人沿兩墻面加速向上攀爬時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量大于機(jī)器人的重力。

3、當(dāng)機(jī)器人沿兩墻面勻速向上攀爬或下降時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量等于機(jī)器人的重力。

4、當(dāng)機(jī)器人沿兩墻面加速下降時，其行動輪朝向內(nèi)墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調(diào)節(jié)行動輪的轉(zhuǎn)速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量小于機(jī)器人的重力。

具體實施時，所述驅(qū)動裝置3采用可變速的電機(jī)，所述傳動裝置2采用傳動軸，所述萬向部件4采用萬向節(jié)，所述行動輪為兩對且每對行動輪之間采用左右同軸結(jié)構(gòu)，使得左右受力均衡，保證行動輪具有一定的彈性和較大的摩擦系數(shù)。

為方便控制，采用遙控裝置控制萬向節(jié)，從而調(diào)控行動輪的朝向；遙控裝置也能方便地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)控行動輪的轉(zhuǎn)速。