轮式爬壁机器人及其工作方法与流程

本发明涉及一种轮式爬壁机器人及其工作方法,属于技术人技术领域。

背景技术：

随着城市高层建筑物的日益增多，对高楼玻璃幕墙清洁的需求也越来越多。传统的高楼玻璃幕墙清洁工作需要工作人员通过安全绳将自己吊在高空中，通过清洁工具对高楼玻璃幕墙进行清洁。由于高空作业安全隐患较多，一旦发生意外，必将产生严重的生命财产损失。同时，高楼玻璃幕墙的面积一般比较大，通过人工的方式对高楼玻璃幕墙进行清洁的效率非常的低。为此，需要一种轮式爬壁清洁机器人来代替人工进行高楼玻璃幕墙的清洁。

目前爬壁机器人采用的爬壁方式为真空吸盘吸附，电磁或磁吸附方式。从机器人的运动机构上，分为轮式，履带式以及脚足式。负压吸附式的如专利CN104015831B，CN103723207B，CN103909991B等，公开文献CN104857655A中，北华大学的清洁机器人采用风扇负压吸附的原理将机器人吸附于墙壁上。磁吸附方式的如CN103332232B等。以上这些吸附方式主要受到工作面的限制，如磁吸附方式爬壁机器人必须在钢，铁等具有磁吸附能力的工作表面工作，负压吸附方式的则需要工作表面相对光滑平整。

在粘附吸附方式方面，专利CN103523108B公开了一种带有粘附带的爬壁机器人，其驱动轮采用槽型轮结构，前轮驱动，并在机构尾部加装了弹性可调的尾巴结构，粘附带由橡胶材料制成。该机器人左右两侧的两个轮子驱动，利用了弹性尾巴的支撑，使身体不会从垂直面倾覆。此结构机器人爬壁性能稳定，但适应性差不强。

技术实现要素：

基于上述背景，本发明提出了一种适应性强的轮式爬壁清洁机器人及其工作方法。

一种轮式爬壁机器人，包括机器人运动机构本体、控制模块，其特征在于：上述机器人运动机构本体主要包括机架、N个粘附轮式驱动装置、以及涵道风扇；上述N个粘附轮式驱动装置对称安装于机架上，每个粘附轮式驱动装置均由主动同步轮、诱导轮、拖带同步轮以及同步带组成；同步带外表面粘贴粘附材料组成；上述涵道风扇安装于机架上，提供推力，作为仿生粘附材料的预压力，使机器人粘附于垂直面上。

所述的轮式爬壁机器人的工作方法，其特征在于包括以下过程：机器人贴近运动表面，打开涵道风扇，其产生的推力作为仿生粘附材料的预压力使机器人粘附到运动表面;主动同步轮带动同步带旋转，使机器人根据运动控制信号运动；诱导轮运动过程中随同步带转动，用于支撑同步带使其和运动表面贴合。

本发明采用同步轮驱动，同步轮之间安装同步带，利用同步带外轮廓的平面，增加带与接触面的接触面积。机器人上电后涵道风扇以固定的频率工作，从而提供推力，作为粘附材料的预压力，使机器人粘附于垂直的工作面上。粘附轮式驱动装置采用相同的大功率直流电机驱动，带动机器人上下和左右运动。该机器人具有移动速度快、爬壁可靠、清洁效率高、越障能力强等特点。

所述的轮式爬壁机器人，其特征在于：上述每个粘附轮式驱动装置的诱导轮有两个。由于垂直爬行时，仿生粘附材料与接触面的接触面积直接影响粘附力的大小。两个诱导轮的加入，明显增大了垂直爬行过程中仿生粘附材料与运动接触面的面积，提高了粘附力。主动同步轮和拖带同步轮均为同步轮，从而可以利用同步带的外表面平坦的特征，增加粘附材料与运动接触表面的面积。

所述的轮式爬壁机器人，其特征在于：上述粘附轮式驱动装置为4个，两两均匀布置与机架两侧。每个驱动装置由独立的电机控制，同侧电机利用同一个信号控制，保证了机器人具有强大动力，以满足携带清洁装置等负载的需求。

所述的轮式爬壁机器人，其特征在于：上述粘附材料为仿生粘附材料（比如文献，仿壁虎微纳米刚毛阵列的研究进展. 科学通报， 2010 (6)：409-417；干黏附碳纳米管垂直阵列的转移及其黏附性能评价. 科学通报， 2010，(8)：771-779）。该类材料粘附力大，需要的预压力小，易脱附。

所述轮式爬壁机器人，其特征在于：所述机架上安装有无线通讯模块；所述的控制模块与无线通讯模块连接。机器人的运动通过移动通信设备上安装控制应用软件，通过WIFI、蓝牙等无线通讯方式实现与机器人的通信及机器人的运动控制。机器人的运动通过无线远距离遥控器，利用2.4G频率通信模式，实现与机器人的通信，完成运动控制。

所述轮式爬壁机器人，其特征在于：所述机架上通过弹性合页与安装清洁装置；清洁装置通过一定弹性的合页与机身相连。弹性合页产生一定的预压力，保证清洁装置与工作面形成一定压力的接触，完成清洁作业，又不使由于合页的弹性过高使机器人后端翘起而不能可靠运动。

本发明的优势在于：轮式爬壁机器人是一种能在垂直面爬行的机器人，可进行表面探测，增加清洁装置后可代替人工对高楼玻璃幕墙、大型风机等工作面进行清洁，属于特种机器人领域。本发明利用同步带作为机器人的驱动，增加了同步带外表面所粘贴仿壁虎刚毛粘附材料与工作面的接触面积，有利于增加粘附力。采用4轮驱动的方式，提高了机器人的垂直方向驱动能力，有利于负载的携带。采用涵道风扇提供粘附材料的预压力，避免了电磁吸附装置的运动表面材料的限制，以及真空吸附方式下对工作表面的粗糙度要求。该机器人结构简单，运动灵活，易操作，成本相对低，易于推广。

附图说明：

图1为轮式爬壁清洁机器人；

图2为粘附轮式驱动装置；

图3为涵道风扇安装及工作原理示意图；

图4 为涵道风扇控制信号占空比与推力测试结果；

图5 为机器人切向力与推力的关系曲线；

图中标号名称：1.粘附轮式驱动装置 2. 机架 3. 涵道风扇 4.固定装置 5.机身6.弹性合页 7.清洁装置 8.主动同步轮 9.诱导轮 10.拖带同步轮 11.同步带 12.粘附材料 13.电机 14.驱动风扇 15.涵道。

具体实施方案：

下面结合附图进一步说明本发明专利的轮式爬壁清洁机器人的具体内容及其工作过程。

图1为轮式爬壁清洁机器人总体结构示意图，主要由粘附轮式驱动装置1、涵道风扇3以及清洁装置7组成。所述的粘附轮式驱动装置共有4个，对称分布于机架2的四个角。其中，机器人的同步带外表面粘贴有仿壁虎刚毛机构的粘附材料12，保证机器人爬壁的可靠性。所述的涵道风扇3通过固定装置4安装与机身5上，该涵道风扇提供一定的推力，作用于机器人机身上，使得机器人能够贴合于垂直的工作表面上，同时产生的推力作用于机器人同步带外表面的仿壁虎刚毛机构的粘附材料上，使仿壁虎刚毛机构的粘附材料产生一定的粘附力，从而使得机器人能够可靠的在垂直的工作面上运动。所述的清洁装置7通过弹性合页6与机身相连。由于弹性合页的弹力会在清洁装置上产生一定的预压力，使得清洁装置与工作面形成一定压力的接触，完成清洁作业。当机器人在垂直工作表面进行运动时，会带动清洁装置移动，达到对工作表面清洁的目的。

图2为粘附轮式驱动装置的示意图。粘附轮式驱动装置1由主动同步轮8，诱导轮9，拖带同步轮10以及同步带11组成。同步带11外表面粘贴有仿壁虎刚毛机构的粘附材料12。同步带的使用，增加了同步带外表面所粘贴仿壁虎刚毛粘附材料与工作面的接触面积，有利于增加粘附力。主动同步轮与拖带同步轮均为齿状结构，与同步带内表面相互啮合。主动同步轮通过联轴器与电机相连，通过电机的驱动，使得主动同步轮、诱导轮与拖带同步轮一起带动同步带行走。同步带外表面粘贴有仿壁虎刚毛机构的粘附材料，该材料具有粘附力大，需要的预压力小，易脱附等特点。机身上的涵道风扇为粘附材料提供一定的预压力，使得机器人同步带外表面的粘附材料产生一定的粘附力，保证机器人能够可靠的在垂直的工作面上移动。仿壁虎刚毛机构的粘附材料的使用，提高了机器人在垂直方向上的驱动能力，使得该机器人爬壁可靠，运动灵活，越障性能强，能够满足更大的负载需求。同时，仿壁虎刚毛机构的粘附材料的重复利用性能好，当材料的粘附力下降时，可以通过普通的清水清洗粘附材料，使得粘附材料的粘附力得以恢复。所以，该机器人也具有易操作，成本低，易于推广等优点。

图3为涵道风扇安装及工作原理示意图，涵道风扇3通过装置4安装于机器人机身5上，通过电机13驱动风扇14转动，将机器人机身下的空气吸入涵道15中，并从涵道风扇上部将空气排出。由于涵道风扇将机器人机身底部的空气吸入，使得机器人机身的底部产生短暂的真空，造成机器人机身上下压力不同，使得机器人能够贴附于垂直的工作表面。同时，涵道风扇产生的推力还作为同步带外表面的仿壁虎刚毛机构的粘附材料的预压力，使得粘附材料能够产生一定的粘附力，保证机器人能够可靠的在垂直的工作面上运动。

图4为涵道风扇控制信号占空比与推力测试结果。为测试机器人的实际控制工作状态能否产生所需要的推力，进行了该部分测试。控制信号采用54Hz的信号，通过改变占空比实现电机调速，从而改变涵道风扇的推力。

图5为机器人切向力与推力的关系曲线。该测试的目的为得到涵道风扇运动控制参数下产生的推力，根据图中数据可以看出，在推力为7.4N时，机器人切向力可达到50N，满足机器人实例化后的爬壁运动需求。

以上附图中所述内容均应被理解为实例性的，本发明不受这些实例的限制，尽管本说明书中给出了一套清洁装置的示范性例子，本领域的技术人员可以在本发明的基础上对其进行更改或同等替换。显然，这些更改或替换均应包含在本发明的范围内。