一種全向輪組合式墻面攀爬機器人的制作方法
本發明屬于機器人技術領域，具體是涉及移動機器人的行走機構。
背景技術：
爬墻機器人是幫助人們完場高處作業的有力助手，比如大廈外墻角的清洗、船舶檢測、航天艙外維修等等情況，或者在反恐、救援、首腦保衛、特種偵察等公共和國家安全領域以及狹小空間檢測等在特殊環境下，都需要用到爬墻機器人。
對于爬墻機器人，在技術上主要需要解決兩個關鍵問題：吸附和攀爬。目前，爬墻機器人主要有真空吸附、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點，但當壁面凸凹不平時，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，但要求壁面必須是導磁材料，因此嚴重地限制了爬壁機器人的應用環境。攀援式吸附是通過抓住或勾住壁面的突起實現爬壁，這種方式要求壁面粗糙，對于光滑平面則不合適。
技術實現要素：
本發明針對現有的爬墻機器人主要集中在垂直墻面的吸附功能的研究，磁吸附對墻面有特殊要求，適用范圍小，真空吸附需要大功率產生負壓，仿生壁虎腳行走效率低等問題，提出一種結構簡單，控制方便，能夠在建筑物外墻角、樹干的曲面等等非垂面攀爬的全向輪組合式墻面攀爬機器人。
本發明是通過如下技術方案予以實現的。
一種全向輪組合式墻面攀爬機器人，包括攀爬機構和吸附機構。
所述攀爬機構包括攀爬全向輪、驅動裝置I和夾臂I，驅動裝置I固定在夾臂I的末端，攀爬全向輪安裝在驅動裝置I上，由驅動裝置驅動，攀爬全向輪的中心輪軸軸心線與其夾臂I的兩臂形成的平面平行。
所述吸附機構包括吸附全向輪、驅動裝置II、夾臂II，驅動裝置II固定在夾臂的末端，吸附全向輪安裝在驅動裝置II上，由驅動裝置驅動，吸附全向輪的中心輪軸軸心線與其夾臂II的兩臂形成的平面垂直。
所述攀爬機構的攀爬全向輪、驅動裝置I、夾臂I與所述吸附機構的吸附全向輪、驅動裝置II、夾臂II的結構相同。
所述攀爬機構和吸附機構以夾臂I和夾臂II同向且上下平行的位置關系通過連接件剛性連接成一整體，構成完整的全向輪組合式攀爬機構。
所述全向輪組合式攀爬機構通過夾臂的張緊力的分力垂直指向墻內造成對墻面的壓力，吸附全向輪與攀爬全向輪對墻面擠壓形成豎直向上的摩擦力，豎直向上的摩擦力與重力抵消，當吸附全向輪轉動時產生平行墻面的摩擦力抵消夾臂張緊力的另一個分力，迫使機構貼緊墻面，不讓夾臂后退，實現吸附。通過調節電機的扭矩和轉速，當控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≥0時，實現機器人向上攀爬，當控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≤0時，可實現機器人懸停，當控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≤0時，實現機器人向下移動；所述Ffx是攀爬全向輪轉動時與墻面產生豎直方向的摩擦力。Ff是吸附全向輪受到來自張緊力垂直指向墻內造成對墻面的壓力時與墻面產生的摩擦力，Fmg是全向輪組合式攀爬機構的重力。
進一步，所述攀爬機構設置兩套，分別都過連接件剛性連接在吸附機構的上下。
進一步，所述夾臂I包括彈性件I和兩個臂I，彈性件I連接在兩個臂I之間，形成一個類似夾子的結構。所述夾臂II包括彈性件II和兩個臂II，彈性件II連接在兩個臂II之間，形成一個類似夾子的結構。
進一步，所述驅動裝置I和II為電機，電機軸連接全向輪的中心輪軸。
進一步，連接攀爬機構和吸附機構的連接件包括側板和支架，側板連接在兩者夾臂中間的部位，支架連接在兩者夾臂的末端部位。
本發明的技術要點如下：
1.吸附全向輪在夾臂的作用下對墻面造成壓力，能夠使得機構與墻面產生向上的摩擦力來為維持和重力的平衡，解決機構的懸停問題。
2.吸附全向輪轉動時產生的摩擦阻力fe與彈簧張緊力平行與墻面的分力平衡時候，則可解決夾臂彈出墻面的問題。
3.攀爬全向輪在夾臂壓力的作用下對墻面造成壓力，不僅能夠使得機構與墻面產生向上的摩擦力來為維持和重力的平衡，還能提供向上的摩擦力，使得機構向上攀爬。
4.機構的懸停和下落和上升是通過調控電機的扭矩和轉速實現的，攀爬全向輪和吸附全向輪的轉動方向始終不變。
與現有的技術相比，本發明結構簡單輕巧，控制方便，并且可以在非豎直平面上運動，能夠利用大部分建筑物都有外墻角的特性實現向上攀爬。并且機構完成吸附平衡后，攀爬速度也較快。本發明不僅可靠性也高于大部分傳統吸附技術而且適用范圍廣。對大部分外墻角或者非壁面墻面都可適用，能夠完成特殊情形任務，如搭載不同的傳感器后可實現各種高空作業。
附圖說明
圖1是本發明的攀爬結構示意圖；
圖2是本發明的吸附結構示意圖；
圖3是本發明的一個具體實例整體結構示意圖；
圖4是吸附結構受力分析圖；
圖5是簡化后的攀爬結構受力分析圖；
圖6本發明的另一個具體實例整體結構示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加的清楚明白，以下結合附圖和實施例本發明的基本原理、結構及行走方法做詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明要求保護的范圍。
全向輪組合式墻面攀爬機器人主要由如圖1所示的攀爬機構和如圖2所示的吸附機構剛性連接而成。
如圖1所示，攀爬機構(1)主要包括攀爬全向輪(11)、驅動裝置I(12)、彈性件I(13)、臂I(14)。彈性件I(13)是一個拉簧結構，連接在兩個臂I(14)之間，固定后形成一個類似夾子的結構。驅動裝置I(12)固定在夾臂的末端，攀爬全向輪(11)連接在驅動裝置I(12)上，驅動攀爬全向輪。攀爬全向輪(11)的輪軸軸心線與其夾臂I的兩臂形成的平面平行。
如圖2所示，吸附機構主要包括吸附全向輪(2)、驅動裝置II(22)、彈性件II(23)、臂II(24)，它們的結構和連接關系與攀爬機構(1)一樣，不同之處是吸附全向輪(21)的安裝位置不同，吸附全向輪(21)的中心輪軸軸心線與其夾臂I的兩臂形成的平面垂直。
將攀爬機構(1)和吸附機構(2)以夾臂I和夾臂II同向且上下平行的位置關系通過連接件連接為一體，連接件包括側板(3)和支架(4)，側板連接在兩者的夾臂末端之間，支架連接在兩者的夾臂鉸接端之間，就形成如圖3所示的全向輪組合式攀爬機構，為了便于說明，圖中僅給出與本發明相關的部分。
將機構可以看成一個整體，夾臂的張緊力可以看成水平面的兩個分力Fk1和Fk2。Fk1為張緊力垂直指向墻內造成對墻面的壓力，Fk2為張緊力平行于墻面指向墻角外的分力。全向輪與行動輪對墻面擠壓形成豎直向上的摩擦力，豎直向上的摩擦力與重力抵消，當全向輪轉動時又會產生平行墻面的摩擦力抵消夾臂張緊力的另一個分力，迫使機構貼緊墻面，不讓夾臂后退。當機構整體豎直方向上的摩擦力和重力平衡時候，則可以通過調節控制行動輪電機的扭矩和轉速來使得機構上升，下降和懸停。
具體地，全向輪組合式墻面攀爬機器人的攀爬方法可以拆分為兩個方面：吸附和攀爬。吸附主要依賴于圖2的吸附機構完成。受力分析如圖4，當夾臂分開后，夾臂受彈簧拉力作用會產生張緊力Fk指向墻內。夾臂的張緊力可以看成水平面的兩個分力Fk1和Fk2。Fk1為張緊力垂直指向墻內造成對墻面的壓力，Fk2為張緊力平行于墻面指向墻角外的分力。此時吸附全向輪受到來自Fk1的壓力會與墻面產生摩擦力Ff。而Ff＝μ×Fk1，(μ為吸附全向輪與墻面的摩擦力系數)。當整個機構重力Fmg≥Ff時，會使得機構不往下滑。當吸附全向輪轉動時又會產生摩擦力fe，當fe≥Fk2，則使得夾臂不會彈離墻面。綜上，重力與由夾臂夾張力分力Fk1產生的摩擦力Ff抵消，由夾臂夾張力產生的分力Fk2又小于吸附全向輪轉動產生的摩擦力fe使得夾臂不會外彈。
圖2的結構能夠使得機構吸附在墻面上，攀爬主要依賴于圖1的攀爬機構完成。機構上下夾臂通過側板剛性連接，所以機構的吸附全向輪主要解決了吸附平衡問題后，攀爬全向輪的受力分析就類似平地行駛車輪受到運動方向的摩擦力，因此整個機構的攀爬全向輪輪受力分析可以簡化為如圖5。當∑(Ffx,Ff,Fmg)≥0時可實現整個機構向上攀爬，當∑(Ffx,Ff,Fmg)＝0時可實現機構懸停，當Σ(Ffx,Ff,Fmg)≤0時可實現整個機構向下移動。通過調節電機的扭矩和轉速則可實現對Σ(Ffx,Ff,Fmg)大小的控制。
圖6給出了本發明提供的另一種全向輪組合式攀爬機構，為了便于說明，圖中也僅給出與本發明相關的部分。這種機構在圖3的基礎上又加了一組吸附機構，即中間是一組攀爬機構，上下各連接一組吸附機構。其攀爬方法與圖3所示的機構一樣。
本發明采用的全向輪包括輪轂和從動輪，該輪轂的外圓周處均勻開設有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設有一從動輪，該從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。全向輪在平地轉動時，不僅能實現前進后退方向上的轉動，還能朝著左右方向移動。
本發明實施例提供的攀爬非壁面的方法，結構簡單，體積小、重量輕，控制簡單并且容易實現，主要巧妙利用機構結構使得全向輪和行動輪與墻面的摩擦力有利于機構吸附在非壁面，適用于絕大多數非壁面爬行。
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