本發(fā)明涉及一種輪式爬壁機(jī)器人及其工作方法,屬于技術(shù)人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著城市高層建筑物的日益增多，對(duì)高樓玻璃幕墻清潔的需求也越來(lái)越多。傳統(tǒng)的高樓玻璃幕墻清潔工作需要工作人員通過(guò)安全繩將自己吊在高空中，通過(guò)清潔工具對(duì)高樓玻璃幕墻進(jìn)行清潔。由于高空作業(yè)安全隱患較多，一旦發(fā)生意外，必將產(chǎn)生嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí)，高樓玻璃幕墻的面積一般比較大，通過(guò)人工的方式對(duì)高樓玻璃幕墻進(jìn)行清潔的效率非常的低。為此，需要一種輪式爬壁清潔機(jī)器人來(lái)代替人工進(jìn)行高樓玻璃幕墻的清潔。

目前爬壁機(jī)器人采用的爬壁方式為真空吸盤吸附，電磁或磁吸附方式。從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，分為輪式，履帶式以及腳足式。負(fù)壓吸附式的如專利CN104015831B，CN103723207B，CN103909991B等，公開(kāi)文獻(xiàn)CN104857655A中，北華大學(xué)的清潔機(jī)器人采用風(fēng)扇負(fù)壓吸附的原理將機(jī)器人吸附于墻壁上。磁吸附方式的如CN103332232B等。以上這些吸附方式主要受到工作面的限制，如磁吸附方式爬壁機(jī)器人必須在鋼，鐵等具有磁吸附能力的工作表面工作，負(fù)壓吸附方式的則需要工作表面相對(duì)光滑平整。

在粘附吸附方式方面，專利CN103523108B公開(kāi)了一種帶有粘附帶的爬壁機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)輪采用槽型輪結(jié)構(gòu)，前輪驅(qū)動(dòng)，并在機(jī)構(gòu)尾部加裝了彈性可調(diào)的尾巴結(jié)構(gòu)，粘附帶由橡膠材料制成。該機(jī)器人左右兩側(cè)的兩個(gè)輪子驅(qū)動(dòng)，利用了彈性尾巴的支撐，使身體不會(huì)從垂直面傾覆。此結(jié)構(gòu)機(jī)器人爬壁性能穩(wěn)定，但適應(yīng)性差不強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述背景，本發(fā)明提出了一種適應(yīng)性強(qiáng)的輪式爬壁清潔機(jī)器人及其工作方法。

一種輪式爬壁機(jī)器人，包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本體、控制模塊，其特征在于：上述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本體主要包括機(jī)架、N個(gè)粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置、以及涵道風(fēng)扇；上述N個(gè)粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)稱安裝于機(jī)架上，每個(gè)粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置均由主動(dòng)同步輪、誘導(dǎo)輪、拖帶同步輪以及同步帶組成；同步帶外表面粘貼粘附材料組成；上述涵道風(fēng)扇安裝于機(jī)架上，提供推力，作為仿生粘附材料的預(yù)壓力，使機(jī)器人粘附于垂直面上。

所述的輪式爬壁機(jī)器人的工作方法，其特征在于包括以下過(guò)程：機(jī)器人貼近運(yùn)動(dòng)表面，打開(kāi)涵道風(fēng)扇，其產(chǎn)生的推力作為仿生粘附材料的預(yù)壓力使機(jī)器人粘附到運(yùn)動(dòng)表面;主動(dòng)同步輪帶動(dòng)同步帶旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)運(yùn)動(dòng)；誘導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，用于支撐同步帶使其和運(yùn)動(dòng)表面貼合。

本發(fā)明采用同步輪驅(qū)動(dòng)，同步輪之間安裝同步帶，利用同步帶外輪廓的平面，增加帶與接觸面的接觸面積。機(jī)器人上電后涵道風(fēng)扇以固定的頻率工作，從而提供推力，作為粘附材料的預(yù)壓力，使機(jī)器人粘附于垂直的工作面上。粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置采用相同的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人上下和左右運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人具有移動(dòng)速度快、爬壁可靠、清潔效率高、越障能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

所述的輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于：上述每個(gè)粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置的誘導(dǎo)輪有兩個(gè)。由于垂直爬行時(shí)，仿生粘附材料與接觸面的接觸面積直接影響粘附力的大小。兩個(gè)誘導(dǎo)輪的加入，明顯增大了垂直爬行過(guò)程中仿生粘附材料與運(yùn)動(dòng)接觸面的面積，提高了粘附力。主動(dòng)同步輪和拖帶同步輪均為同步輪，從而可以利用同步帶的外表面平坦的特征，增加粘附材料與運(yùn)動(dòng)接觸表面的面積。

所述的輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于：上述粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置為4個(gè)，兩兩均勻布置與機(jī)架兩側(cè)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置由獨(dú)立的電機(jī)控制，同側(cè)電機(jī)利用同一個(gè)信號(hào)控制，保證了機(jī)器人具有強(qiáng)大動(dòng)力，以滿足攜帶清潔裝置等負(fù)載的需求。

所述的輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于：上述粘附材料為仿生粘附材料（比如文獻(xiàn)，仿壁虎微納米剛毛陣列的研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào)， 2010 (6)：409-417；干黏附碳納米管垂直陣列的轉(zhuǎn)移及其黏附性能評(píng)價(jià). 科學(xué)通報(bào)， 2010，(8)：771-779）。該類材料粘附力大，需要的預(yù)壓力小，易脫附。

所述輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于：所述機(jī)架上安裝有無(wú)線通訊模塊；所述的控制模塊與無(wú)線通訊模塊連接。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)通過(guò)移動(dòng)通信設(shè)備上安裝控制應(yīng)用軟件，通過(guò)WIFI、藍(lán)牙等無(wú)線通訊方式實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的通信及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)距離遙控器，利用2.4G頻率通信模式，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的通信，完成運(yùn)動(dòng)控制。

所述輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于：所述機(jī)架上通過(guò)彈性合頁(yè)與安裝清潔裝置；清潔裝置通過(guò)一定彈性的合頁(yè)與機(jī)身相連。彈性合頁(yè)產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，保證清潔裝置與工作面形成一定壓力的接觸，完成清潔作業(yè)，又不使由于合頁(yè)的彈性過(guò)高使機(jī)器人后端翹起而不能可靠運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：輪式爬壁機(jī)器人是一種能在垂直面爬行的機(jī)器人，可進(jìn)行表面探測(cè)，增加清潔裝置后可代替人工對(duì)高樓玻璃幕墻、大型風(fēng)機(jī)等工作面進(jìn)行清潔，屬于特種機(jī)器人領(lǐng)域。本發(fā)明利用同步帶作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，增加了同步帶外表面所粘貼仿壁虎剛毛粘附材料與工作面的接觸面積，有利于增加粘附力。采用4輪驅(qū)動(dòng)的方式，提高了機(jī)器人的垂直方向驅(qū)動(dòng)能力，有利于負(fù)載的攜帶。采用涵道風(fēng)扇提供粘附材料的預(yù)壓力，避免了電磁吸附裝置的運(yùn)動(dòng)表面材料的限制，以及真空吸附方式下對(duì)工作表面的粗糙度要求。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)靈活，易操作，成本相對(duì)低，易于推廣。

附圖說(shuō)明：

圖1為輪式爬壁清潔機(jī)器人；

圖2為粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置；

圖3為涵道風(fēng)扇安裝及工作原理示意圖；

圖4 為涵道風(fēng)扇控制信號(hào)占空比與推力測(cè)試結(jié)果；

圖5 為機(jī)器人切向力與推力的關(guān)系曲線；

圖中標(biāo)號(hào)名稱：1.粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置 2. 機(jī)架 3. 涵道風(fēng)扇 4.固定裝置 5.機(jī)身6.彈性合頁(yè) 7.清潔裝置 8.主動(dòng)同步輪 9.誘導(dǎo)輪 10.拖帶同步輪 11.同步帶 12.粘附材料 13.電機(jī) 14.驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇 15.涵道。

具體實(shí)施方案：

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明專利的輪式爬壁清潔機(jī)器人的具體內(nèi)容及其工作過(guò)程。

圖1為輪式爬壁清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意圖，主要由粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置1、涵道風(fēng)扇3以及清潔裝置7組成。所述的粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置共有4個(gè)，對(duì)稱分布于機(jī)架2的四個(gè)角。其中，機(jī)器人的同步帶外表面粘貼有仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料12，保證機(jī)器人爬壁的可靠性。所述的涵道風(fēng)扇3通過(guò)固定裝置4安裝與機(jī)身5上，該涵道風(fēng)扇提供一定的推力，作用于機(jī)器人機(jī)身上，使得機(jī)器人能夠貼合于垂直的工作表面上，同時(shí)產(chǎn)生的推力作用于機(jī)器人同步帶外表面的仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料上，使仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料產(chǎn)生一定的粘附力，從而使得機(jī)器人能夠可靠的在垂直的工作面上運(yùn)動(dòng)。所述的清潔裝置7通過(guò)彈性合頁(yè)6與機(jī)身相連。由于彈性合頁(yè)的彈力會(huì)在清潔裝置上產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，使得清潔裝置與工作面形成一定壓力的接觸，完成清潔作業(yè)。當(dāng)機(jī)器人在垂直工作表面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)清潔裝置移動(dòng)，達(dá)到對(duì)工作表面清潔的目的。

圖2為粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置的示意圖。粘附輪式驅(qū)動(dòng)裝置1由主動(dòng)同步輪8，誘導(dǎo)輪9，拖帶同步輪10以及同步帶11組成。同步帶11外表面粘貼有仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料12。同步帶的使用，增加了同步帶外表面所粘貼仿壁虎剛毛粘附材料與工作面的接觸面積，有利于增加粘附力。主動(dòng)同步輪與拖帶同步輪均為齒狀結(jié)構(gòu)，與同步帶內(nèi)表面相互嚙合。主動(dòng)同步輪通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)相連，通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使得主動(dòng)同步輪、誘導(dǎo)輪與拖帶同步輪一起帶動(dòng)同步帶行走。同步帶外表面粘貼有仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料，該材料具有粘附力大，需要的預(yù)壓力小，易脫附等特點(diǎn)。機(jī)身上的涵道風(fēng)扇為粘附材料提供一定的預(yù)壓力，使得機(jī)器人同步帶外表面的粘附材料產(chǎn)生一定的粘附力，保證機(jī)器人能夠可靠的在垂直的工作面上移動(dòng)。仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料的使用，提高了機(jī)器人在垂直方向上的驅(qū)動(dòng)能力，使得該機(jī)器人爬壁可靠，運(yùn)動(dòng)靈活，越障性能強(qiáng)，能夠滿足更大的負(fù)載需求。同時(shí)，仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料的重復(fù)利用性能好，當(dāng)材料的粘附力下降時(shí)，可以通過(guò)普通的清水清洗粘附材料，使得粘附材料的粘附力得以恢復(fù)。所以，該機(jī)器人也具有易操作，成本低，易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。

圖3為涵道風(fēng)扇安裝及工作原理示意圖，涵道風(fēng)扇3通過(guò)裝置4安裝于機(jī)器人機(jī)身5上，通過(guò)電機(jī)13驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇14轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)器人機(jī)身下的空氣吸入涵道15中，并從涵道風(fēng)扇上部將空氣排出。由于涵道風(fēng)扇將機(jī)器人機(jī)身底部的空氣吸入，使得機(jī)器人機(jī)身的底部產(chǎn)生短暫的真空，造成機(jī)器人機(jī)身上下壓力不同，使得機(jī)器人能夠貼附于垂直的工作表面。同時(shí)，涵道風(fēng)扇產(chǎn)生的推力還作為同步帶外表面的仿壁虎剛毛機(jī)構(gòu)的粘附材料的預(yù)壓力，使得粘附材料能夠產(chǎn)生一定的粘附力，保證機(jī)器人能夠可靠的在垂直的工作面上運(yùn)動(dòng)。

圖4為涵道風(fēng)扇控制信號(hào)占空比與推力測(cè)試結(jié)果。為測(cè)試機(jī)器人的實(shí)際控制工作狀態(tài)能否產(chǎn)生所需要的推力，進(jìn)行了該部分測(cè)試?？刂菩盘?hào)采用54Hz的信號(hào)，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，從而改變涵道風(fēng)扇的推力。

圖5為機(jī)器人切向力與推力的關(guān)系曲線。該測(cè)試的目的為得到涵道風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)下產(chǎn)生的推力，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以看出，在推力為7.4N時(shí)，機(jī)器人切向力可達(dá)到50N，滿足機(jī)器人實(shí)例化后的爬壁運(yùn)動(dòng)需求。

以上附圖中所述內(nèi)容均應(yīng)被理解為實(shí)例性的，本發(fā)明不受這些實(shí)例的限制，盡管本說(shuō)明書中給出了一套清潔裝置的示范性例子，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在本發(fā)明的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行更改或同等替換。顯然，這些更改或替換均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。