一种爬壁机器人及爬壁机器人行走方法

技术领域

本发明涉及爬壁机器人技术领域，更具体地说，涉及一种爬壁机器人。此外，本发明还涉及一种用于上述爬壁机器人的爬壁机器人行走方法。

背景技术

爬壁机器人作为特种作业设备，广泛应用石油化工、船舶和核电等行业。

由于作业环境开阔、壁面较为平整，现有的爬壁机器人或是采用遥控操作，不具备路径规划能力，或是采用机器视觉、建模、编码器等对爬壁机器人的位置进行定位。

但在钻爆法施工中，二次衬砌台车作业环境狭窄、钢模呈卧式，目视操作难以从地面观察顶部壁面情况，难以通过遥控操作方式完成二次衬砌台车的除锈涂油作业；隧道内光线较暗，钢模打磨时存在灰尘，极大地影响了机器视觉识别，定位精度差；二次衬砌台车的尺寸大、结构复杂，采用遍历方法进行整体建模操作复杂且无参照物；编码器则易受到钢模表面衬砌窗口、残余油渍等因素的影响，定位误差不断累积，致使定位偏差较大。

综上所述，如何提供一种便于控制、定位精度较高的爬壁机器人，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种爬壁机器人，利用激光传感器测距定位、对行进路线进行纠偏，具有一定的越障能力，定位精度高。

此外，本发明还提供了一种用于上述爬壁机器人的爬壁机器人行进方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种爬壁机器人，包括控制器、可往复运动的直线运动平台以及设有多种作业工具的回转平台，所述直线运动平台包括相互垂直的X轴平台和Y轴平台，所述回转平台的滑台和底座分别与所述X轴平台的滑台、所述Y轴平台的滑台连接；

所述直线运动平台的底座的两端均设有变磁力装置，所述变磁力装置与所述控制器连接，以便所述控制器控制所述变磁力装置吸附或脱离于壁面；

所述直线运动平台的侧面至少设有两个平行设置的、与所述控制器连接的激光传感器，所述激光传感器用于向反射面发射激光以获取所述激光传感器到所述反射面的距离，所述控制器根据所述距离的差值获取偏转角度并控制所述回转平台转动所述偏转角度。

优选的，所述直线运动平台包括所述底座、沿所述底座的长度方向设置的滑轨、与所述滑轨滑动连接的所述滑台、减速机和驱动电机，所述驱动电机与所述控制器信号连接，所述驱动电机的输出轴与所述减速机的输入轴连接，所述减速机的输出轴与所述滑台连接。

优选的，所述滑台设有限位挡板，所述底座的侧面设有至少两个限位开关，当所述限位挡板与所述限位开关接触时，所述驱动电机接收所述限位开关的止动信号并停止转动。

优选的，所述驱动电机设有刹车制动器。

优选的，所述变磁力装置包括滑杆、弹性件、轭铁、连接于所述轭铁的下端面的电永磁铁以及与所述直线运动平台的所述底座连接的固定套筒，所述滑杆的上端套设于所述固定套筒内，所述滑杆的下端与所述轭铁铰接，所述弹性件的一端与所述固定套筒连接，所述弹性件的另一端与所述滑杆连接；

断电时所述电永磁铁通磁并吸附于所述壁面，反向通电时所述电永磁铁消磁、所述弹性件带动所述电永磁铁远离所述壁面。

优选的，所述滑杆设有定位台阶面，所述滑杆在所述固定套筒的下端面与所述定位台阶面之间设有高度调节螺母，当所述电永磁铁吸附于所述壁面时、所述高度调节螺母的上端面与所述固定套筒的下端面不接触。

优选的，所述回转平台设有若干个用于安装所述作业工具的快换装置。

一种爬壁机器人行走方法，用于上述任一项所述的爬壁机器人行走方法，包括，

步骤S：激光传感器向反射面发射激光，以获取所述激光传感器到所述反射面的距离S；

步骤S：控制器计算偏转角度α，α＝arctan(ΔS/L)，其中ΔS为两激光传感器到反射面的距离的差值，L为两激光传感器的距离；

步骤S：若α＝，所述控制器控制直线运动平台步进，并返回步骤S；若α≠，所述控制器控制回转平台转动α，并返回步骤S。

以二次衬砌台车的除锈涂油作业为例，工作前预先在钢模壁面铺设薄钢板，形成XY向的连续反射面；工作时，控制器控制爬壁机器人沿Y轴或X轴方向步进，步进中利用激光传感器检测当前运动方向并在存在偏移时控制回转平台进行纠偏；步进至既定距离后控制爬壁机器人沿与先前运动方向垂直的方向步进，步进中利用激光传感器检测当前运动方向是否存在偏移，并在运动方向存在偏移时控制回转平台进行纠偏。

以沿Y轴方向步进为例，控制器控制X轴平台两端的变磁力装置吸附于壁面、Y轴平台两端的变磁力装置脱离壁面；控制Y轴平台的驱动电机正转，完成Y轴平台的纵向步进；控制X轴平台两端的变磁力装置脱离壁面、Y轴平台两端的变磁力装置吸附于壁面；控制Y轴平台的驱动电机反转，完成X轴平台的跟进。

以行进方向与Y轴方向的偏转角度为β为例，首先控制器控制X轴平台两端的变磁力装置吸附于壁面、Y轴平台两端的变磁力装置脱离壁面；控制回转平台转动-β，使Y轴平台的延伸方向与Y轴方向平行；控制X轴平台两端的变磁力装置脱离壁面、Y轴平台两端的变磁力装置吸附于壁面；控制回转平台转动β，使X轴平台的延伸方向与X轴方向平行，从而实现爬壁机器人的纠偏。

由于在步进过程中至少一个直线运动平台两端的变磁力装置均与壁面吸附，吸附力强，避免了爬壁机器人在行走过程中发生打滑；利用激光传感器测距计算偏转角度，避免了爬壁机器人在行走过程中发生偏移、定位精度高，也使得爬壁机器人具备一定的越障能力，适用性强、应用范围广。

此外，本发明还提供了一种用于上述爬壁机器人的爬壁机器人行走方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的爬壁机器人的具体实施例的结构示意图；

图2为直线运动平台的结构示意图；

图3为变磁力装置的结构示意图；

图4为图3的剖视示意图；

图5为激光传感器的纠偏原理示意图；

图6为爬壁机器人的行走原理示意图。

图1-图6中：

1为控制器、2为直线运动平台、21为底座、22为滑轨、23为滑台、24为驱动电机、25为减速机、26为限位挡板、27为限位开关、3为激光传感器、4为变磁力装置、41为固定套筒、42为滑杆、43为高度调节螺母、44为拉簧、45为轭铁、46为电永磁铁、5为回转平台、6为快换装置、7为反射面、S1和S2分别为两激光传感器到反射面的距离、ΔS为两激光传感器到反射面的距离的差值、L为两激光传感器的距离、α为偏转角度、X和Y为直线坐标系的坐标轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种爬壁机器人，利用激光传感器测距定位、对行进路线进行纠偏，具有一定的越障能力，定位精度高。

此外，本发明还提供了一种用于上述爬壁机器人的爬壁机器人行进方法。

请参考图1-图6。

需要进行说明的是，本申请文件中提供的壁面泛指钢模壁面等导磁性壁面。

本发明提供的爬壁机器人，包括控制器1、可往复运动的直线运动平台2以及设有多种作业工具的回转平台5，直线运动平台2包括相互垂直的X轴平台和Y轴平台，回转平台5的滑台和底座分别与X轴平台的滑台23、Y轴平台的滑台23连接；直线运动平台2的底座21的两端均设有变磁力装置4，变磁力装置4与控制器1连接，以便控制器1控制变磁力装置4吸附或脱离于壁面；直线运动平台2的侧面至少设有两个平行设置的、与控制器1连接的激光传感器3，激光传感器3用于向反射面7发射激光以获取激光传感器3到反射面7的距离，控制器1根据距离的差值获取偏转角度并控制回转平台5转动偏转角度。

控制器1用于控制爬壁机器人的行走和变磁力装置4的通断，控制器1与X轴平台的驱动电机24、Y轴平台的驱动电机24以及回转平台5的驱动电机信号连接。控制器1的种类和型号根据实际生产中的需要确定，在此不再赘述。

直线运动平台2用于带动回转平台5上安装的作业工具在壁面移动，X轴平台和Y轴平台分别用于带动作业工具在X轴方向和Y轴方向上移动。直线运动平台2具体可以设置为导轨滑块机构、齿轮齿条结构和同步带结构等常见的直线位移机构。

变磁力装置4可与壁面吸附或脱离，当变磁力装置4吸附于壁面时，变磁力装置4可通过吸引力克服爬壁机器人自身的重力，避免爬壁机器人下滑；当变磁力装置4与壁面脱离时，爬壁机器人可进行行走。变磁力装置4具体可以是电磁铁或机械磁力开关等结构。

回转平台5用于校正爬壁机器人的运动方向，回转平台5的滑台和底座分别为回转平台5的转动部和固定部，回转平台5的滑台在驱动电机的带动下可绕固定部的轴线圆周转动。

回转平台5上设有除锈组件、喷涂组件等作业工具，作业工具的具体种类与爬壁机器人的工作用途有关，在此不再赘述。

优选的，为了方便快速更换作业工具，回转平台5设有若干个用于安装作业工具的快换装置6。快换装置6与作业工具连接简便，便于作用工具的拆装和更换，也有利于爬壁机器人根据具体工作环境更换作业工作，增强了爬壁机器人的适用性。

反射面7预先设置于工作地面或平面的连续平面，为了方便激光传感器3的测距定位，请参考图6，反射面7设置为相互垂直的两平面，以构建平面直角坐标系。通常设置两个反射面7，两个反射面7分别与X轴平台的运动方向、Y轴平台的运动方向平行。

以二次衬砌台车为例，反射面7为贴附于钢模壁面的扇形薄钢板，扇形薄钢板与钢模壁面通过磁铁吸合。此外，反射面7可以利用链条耳板连接不锈钢薄板和钢模壁面。

请参考图5，平行设置的两激光传感器3到反射面7的距离分别为S1和S2，当爬壁机器人的行走路径未发生偏斜时，S1＝S2；反之，当壁面存在障碍物、壁面弯曲或爬壁机器人打滑时，爬壁机器人的行走路径偏离直线运动平台2的运动方向，两激光传感器3到反射面7的距离的差值为ΔS，利用三角函数可计算得到爬壁机器人的偏转角度α＝arctan(ΔS/L)，其中L为两激光传感器3的距离，而后控制器1控制回转平台5转动上述偏转角度。

激光传感器3可以垂直安装于直线运动平台2的侧面，也可以与直线运动平台2的侧面呈一定夹角，优选的，请参考图1，为了方便安装、保证各激光传感器3的出射激光的平行度，激光传感器3垂直连接于直线运动平台2的侧面。

对应同一反射面7的激光传感器3的数量至少为两个，可以如图1所示仅设有两个，也可以设置为两个以上。当激光传感器3的数量n＞2时，可以以两个激光传感器3为一组，对n-1组数据计算得到的偏转角度α取算数平均值，以减少各激光传感器3方位设置的偏差。

以二次衬砌台车的除锈涂油作业为例，工作前预先在钢模壁面铺设薄钢板，形成XY向的连续反射面；工作时，控制器1控制爬壁机器人沿Y轴或X轴方向步进，步进中利用激光传感器3检测当前运动方向并在存在偏移时控制回转平台5进行纠偏；步进至既定距离后控制爬壁机器人沿与先前运动方向垂直的方向步进，步进中利用激光传感器3检测当前运动方向是否存在偏移，并在运动方向存在偏移时控制回转平台5进行纠偏。

以沿Y轴方向步进为例，控制器1控制X轴平台两端的变磁力装置4吸附于壁面、Y轴平台两端的变磁力装置4脱离壁面；控制Y轴平台的驱动电机24正转，完成Y轴平台的纵向步进；控制X轴平台两端的变磁力装置4脱离壁面、Y轴平台两端的变磁力装置4吸附于壁面；控制Y轴平台的驱动电机24反转，完成X轴平台的跟进。

以行进方向与Y轴方向的偏转角度为β为例，首先控制器1控制X轴平台两端的变磁力装置4吸附于壁面、Y轴平台两端的变磁力装置4脱离壁面；控制回转平台5转动-β，使Y轴平台的延伸方向与Y轴方向平行；控制X轴平台两端的变磁力装置4脱离壁面、Y轴平台两端的变磁力装置4吸附于壁面；控制回转平台5转动β，使X轴平台的延伸方向与X轴方向平行，从而实现爬壁机器人的纠偏。

在本实施例中，至少一个直线运动平台2两端的变磁力装置4在步进过程中与壁面吸附，吸附力强，避免了爬壁机器人在行走过程中发生打滑；利用激光传感器3测距计算偏转角度，避免了爬壁机器人在行走过程中发生偏移、定位精度高，也使得爬壁机器人具备一定的越障能力，适用性强、应用范围广。

在上述实施例的基础上，对直线运动平台2的结构进行限定，直线运动平台2包括底座21、沿底座21的长度方向设置的滑轨22、与滑轨22滑动连接的滑台23、减速机25和驱动电机24，驱动电机24与控制器1信号连接，驱动电机24的输出轴与减速机25的输入轴连接，减速机25的输出轴与滑台23连接。

滑轨22可以如图2所示、沿底座21的内侧面的长度方向设置，也可以垂直连接于底座21的两端面之间；滑轨22的数量可以为一根，可以为两根，也可以为多根；滑轨22的具体数量、截面形状、设置位置以及连接方式根据实际生产的需要参考现有技术确定，在此不再赘述。

以沿Y轴方向步进为例，控制器1控制X轴平台的两端吸附于壁面、Y轴平台的两端脱离壁面；控制器1控制Y轴平台的驱动电机24转动，由于X轴平台相对壁面固定，通过回转平台5与X轴平台连接的Y轴平台的滑台23位置相对壁面，因此Y轴平台的底座21在反作用力的作用下向Y轴正方向滑动，滑台23滑动至底座21相对靠近Y轴负方向的一端；控制器1控制X轴平台两端脱离壁面、Y轴平台的两端吸附于壁面；控制器1控制Y轴平台的驱动电机24转动，滑台23带动X轴平台向Y轴正方向滑动，完成X轴平台的跟进。

需要进行说明的是，驱动电机24驱动滑台23运动，可以通过计时器控制驱动电机24的转动时间的方式调节驱动电机24的通断；也可以在直线运动平台2上设有用于控制滑台23行程的接近开关、限位开关27等行程控制机构。

在本实施例中，直线运动平台2采用直线导轨滑块机构，结构简单、便于装配，有利于简化爬壁机器人的整体结构。

优选的，滑台23设有限位挡板26，底座21的侧面设有至少两个限位开关27，当限位挡板26与限位开关27接触时，驱动电机24接收限位开关27的止动信号并停止转动。相比于驱动电机24内设或外置计时器，利用限位挡板26和限位开关27控制滑台23的行程成本较低，控制方便。

优选的，驱动电机24设有刹车制动器，以避免爬壁机器人在自重的作用下沿壁面下滑。刹车制动器的种类、型号、设置位置以及连接方式根据实际生产的需要参考现有技术确定，在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，对变磁力装置4的结构进行限定，变磁力装置4包括滑杆42、弹性件、轭铁45、连接于轭铁45的下端面的电永磁铁46以及与直线运动平台2的底座21连接的固定套筒41，滑杆42的上端套设于固定套筒41内，滑杆42的下端与轭铁45铰接，弹性件的一端与固定套筒41连接，弹性件的另一端与滑杆42连接；断电时电永磁铁46通磁并吸附于壁面，反向通电时电永磁铁46消磁、弹性件带动电永磁铁46远离壁面。

请参考图3和图4，固定套筒41用于固定变磁力装置4的位置；滑杆42安装于固定套筒41内，可带动电永磁铁46沿固定套筒41的长度方向运动；弹性件的两端分别与固定套筒41、滑杆42连接，其中固定套筒41固定于直线运动平台2的端面，因此弹性件用于利用弹性势能驱动滑杆42运动；轭铁45一方面用于连接滑杆42和电永磁铁46，另一方面可提高电永磁铁46的吸合力。

优选的，为了方便定位弹性件，固定套筒41包括筒体和均匀连接于筒体的圆周面的限位板，限位板用于限制弹性件在筒体的轴线方向的位移。

固定套筒41、滑杆42、弹性件、轭铁45和电永磁铁46的结构、形状、材质和连接方式等根据实际生产的需要确定，在此不再赘述。

当变磁力装置4断电时，电永磁铁46处于通磁状态，电永磁铁46具备磁性并与壁面吸合，由于电永磁铁46与滑杆42的下端连接，滑杆42沿固定套筒41的轴线方向下移，并使得与其连接的弹性件受拉、积蓄弹性势能。

反之，当变磁力装置4反向通电时，电永磁铁46消磁，弹性件不再受到电永磁铁46垂直于壁面的吸合力，弹性件在弹性势能的作用下复位并带动滑杆42沿固定套筒41的轴线方向向上移动，进而带动与滑杆42连接的电永磁铁46脱离壁面，以便直线运动平台2移动并降低运动过程中电永磁铁46与壁面表面的障碍物的碰撞可能。

在本实施例中，利用弹性件带动滑杆42和电永磁铁46沿固定套筒41的轴线方向移动，结构简单、降低了生产成本。

优选的，弹性件可设置为拉簧44，拉簧44的一端与固定套筒41的圆周面连接，另一端与滑杆42的圆周面连接。拉簧44的内径大于或等于滑杆42的外径，拉簧44的丝径、材质和长度等根据实际生产的需要确定，在此不再赘述。

优选的，滑杆42设有定位台阶面，滑杆42在固定套筒41的下端面与定位台阶面之间设有高度调节螺母43，当电永磁铁46吸附于壁面时、高度调节螺母43的上端面与固定套筒41的下端面不接触。

当弹性件带动滑杆42远离壁面时，当高度调节螺母43的上端面与固定套筒41的下端面接触时，滑杆42无法继续向上移动。因此，高度调节螺母43在滑杆42的连接位置可影响滑杆42的行程，滑杆42的行程为电永磁铁46与壁面吸合时高度调节螺母43的上端面到固定套筒41的下端面的距离。

除了上述爬壁机器人，本发明还提供一种用于上述实施例公开的爬壁机器人的爬壁机器人行走方法，包括，

步骤S1：激光传感器3向发射面7发射激光，以获取激光传感器3到反射面7的距离S；

步骤S2：控制器1计算偏转角度α，α＝arctan(ΔS/L)，其中ΔS为两激光传感器到反射面的距离的差值，L为两激光传感器的距离；

步骤S3：若α＝0，控制器1控制所述直线运动平台2步进，并返回步骤S1；若α≠0，控制器1控制回转平台5转动α，并返回步骤S1。

需要对步骤S1说明的是，对应同一反射面7的激光传感器3为一组激光传感器3，同组的激光传感器3平行安装于同一安装平面上，每组激光传感器3的数量至少为两个。

请参考图6，X轴平台靠近X轴反射面的侧面设有两个X轴激光反射器，Y轴平台靠近Y轴反射面的侧面设有两个Y轴激光反射器。

需要对步骤S3进行说明的是，控制器1控制直线运动平台2步进时，控制器1首先将待除锈涂油的工作点转化为以两反射面7为基准的平面直角坐标系内的坐标(x，y)；而后，控制器1或是控制直线运动平台2先沿Y轴运动y再沿X轴运动x，或是控制直线运动平台2先沿X轴运动x在沿Y轴运动y，或是控制直线运动平台2连续Z字形运动，即沿X轴运动Δx、沿Y轴运动Δy交替运动直至到达(x，y)点，其中Δx、Δy分别为X轴平台单次步进的行程和Y轴平台单次步进的行程。

直线运动平台2的具体步进步骤以及回转平台5的具体偏转步骤与直线运动平台2的结构、回转平台5的结构以及二者的连接方式有关，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的爬壁机器人及爬壁机器人行走方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。