[发明专利]多足式爬壁机器人

说明书

技术领域

本发明属于多足式爬壁机器人装置，是结合机械、计算机、传感、控制技术为一体的机电一体化设备。 

背景技术

越来越多的摩天大楼和高层建筑成为了现代都市的新景观，这些高楼多以瓷砖和玻璃幕墙作为外立面，这些装饰材料美观、漂亮，但是每隔一段时间就需要对其进行清洗。一直以来，都是由人工来进行对高层建筑的清洗工作。然而工作业的效率很低、耗时久，且简单的搭乘吊蓝或腰系绳索等安全措施容易出现事故。 

因此，设计制造出一种可以代替人工完成高层建筑清洗任务的装置，成了相关工作人员的迫切要求。壁面清洗型的爬壁机器人是以清洗高层建筑为主要功能的壁面移动机器人。它的出现将会降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动条件，提高生产效率，推动清洗业的发展。 

发明内容

本发明的目的在于：提出组合式吸盘配置组内铰接的方式，对传统真空吸附系统进行创新设计，建立多足式爬壁机器人的气动回路及机器人气动控制策略，构建机器人移动气动伺服位置控制模型和越障气腱肌肉控制模型。 

结合爬壁机器人在吸盘工作时所面临的几个方面的问题，考虑使用铰接的铰接方式链接吸盘。相比于固定连接的吸盘结构，铰接具有适应能力好，并能补偿制造和安装误差，对复杂壁面的适应情况，吸盘轴线始终能够与壁面的法线保持一致，保证了吸盘良好的吸附在壁面上等优势。本设计中内半铰接的方式，每个吸盘能单独连接角度补偿器，具有±15°的摆动角度，可以更好地适应壁面。 

在本设计中，全部采用气腱肌肉控制，相比于传统气缸驱动方式，初始力最高可到相同缸径传统气缸的10倍。高动态响应，即使在高负载下，依旧保持高动态响应，无移动机械部件相互接触，超慢速移动时，完全没有抖动，非常适合设计中每个脚的姿态动作，保证每个脚动作的标准。使用最简单的技术通过压力控制，无需位移编译码。此外，气腱肌肉质量比起气缸可以减小很多，这对提高机器人的负载能力、稳定性都有积极的意义。 

在该设计中使用了高速开关阀取代伺服阀和比例阀，不仅能有限降低了系统成本，而且使用高速开关阀能够实现快速、精确地气动位置伺服控制。在该爬壁机器人中，使用了36个气腱肌肉，首先比例/伺服阀成本高，其二爬壁机器人的质量对其爬壁性能的影响很大，所以必须尽可能的减小其自身重量，从而提高其负载能力。其三采用比例伺服控制系统复杂，而采用PWM控制相对简单。 

在气动回路设计中，选用的气腱肌肉是采取两端通气结构。一端接一个高速开关阀，控制气腱肌肉的进气流量；另一端接一个相同的开关阀、控制气腱肌肉的排气，气腱肌肉的行程与气压几乎成正比的线性关系，故控制气腱肌肉的行程只需要控制进气端的压力大小即可。 

附图说明

图1是本机器人运动控制流程图； 

图2是机器人腿部平面简图；

图3是机器人腿部传感器布置图；

图3中，31—机架；32—垂直高度传感器；33—障碍高度传感器；34—测距传感器；35—真空吸盘。

具体实施方式

多足式爬壁机器人由机身结构、腿部结构、和脚部结构组成。机身结构由上下地板组成。地板用于连接腿部结构，夹层内部布置气缸。机身上地板安装气动控制阀岛并搭载工作台。腿部机构的转动副固定在机身结构上。腿部采用关节式设计，含三个受控的转动副，固定在机身与腿部的连接处的转动副，实现腿部相对于机身的水平面摆动运动，其余两个转动副用于连接腿的连杆部分，使腿部可以做垂直于机体所在水平面的摆动，以此实现大范围，高灵活性的运动。使用气动人工肌肉实现腿部的摆动运动。脚部结构由吸盘和吸盘固定架组成，采用三吸盘结构，吸盘固定架与腿部末端铰接。因为铰接式的吸盘组对复杂壁面的适应情况，由于铰链的作用，吸盘轴线始终能够与壁面的法向保持一致，保证了吸盘良好地吸附在壁面上。姿态反馈确定机器人本身状态，进而判断是水平运动、竖直运动或者倒立运动，针对不同的运动状态，气缸和肌肉的运动状态有所不同，进入不同的控制算法，完成对机器人的运动控制。在姿态确定后，多传感器环境检测判定机器人运动的方式比如直接垂直前进、抬腿越障、水平前进或者是转弯壁障。