一种可自动壁面过渡的行走机构及控制方法

技术领域

本发明涉及机器人的设计技术领域，特别是能吸附在水冷壁壁面上并具有壁面过渡能力的一种爬壁机器人，具体地说是一种具备壁面过渡功能的爬壁机器人及控制方法。

背景技术

目前国内对爬壁机器人的研究较多，并且已经有了一些成熟的产品投入实际应用中。爬壁机器人多采用轮式和履带式，轮式运动效率高，控制简单，但不适用于复杂壁面。履带式机械结构复杂，吸附力大，转向困难，但有较好的越野性，适用于复杂壁面。爬壁机器人的壁面过渡功能实现起来较为困难，相关研究很少，可用于水冷壁的更甚。

东南大学的许天启提出了一种可壁面过渡磁轮爬壁机器人的设计方案，该机器人单侧采用三个轮，三轮成三角结构，上方的轮作为过渡辅助轮，三个磁轮之间采用链条传动。这种结构能够实现壁面过渡，但三个磁轮之间的角度固定，不能随着壁面间的夹角进行调节，并且轮式机构不适用于水冷壁壁面。南京林业大学陈勇，洪晓玮等人发明的具有壁面过渡的爬壁机器人，机器人为履带式，利用电磁吸附，分为前车段和后车段共四条履带,前车段两履带位于后车段内侧，后车段外侧安装传动电机，利用花轴传动，轴上安装内齿轮，花键齿轮，通过两步进电机移动花键齿轮与内齿轮的啮合实现履带的行走，转向，抬升。缺陷在于当前车段抬升时，吸附力与普通履带式相同，但车体自重增加，导致吸附力不足，无法可靠吸附在较为陡峭的壁面上。河海大学的徐林森，吕志明等人发明了一种两段式的爬壁机器人，前后车体相同采用履带式，用连接件连接前后车体，在后车体末端设置磁轮辅助过渡机构。前后车体在壁面过渡时互相辅助，但两段式结构，辅助车体在过渡时需提供较大的吸附力，存在倾覆隐患。

现有的壁面过渡爬壁机器人至少存在以下几个方面的缺陷中的一个：(1)不适用与水冷壁这种复杂的壁面结构；(2)过渡结构夹角固定，不能随着过渡壁面间的夹角调整自身角度，以适用壁面，导致吸附力不足，存在倾覆隐患。(3)采用两段相同结构，一段车体过渡时，另一段车体需提供较大的吸附力，吸附条件苛刻。(4)无法自动进行壁面过渡，现有结构多数都是在过渡前人工进行干预，调整过渡机构夹角契合壁面，达到过渡目的。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种适用于水冷壁的可自动壁面过渡的行走机构，在水冷壁上有良好的行走，转向能力，负载能力和运动灵活性良好，能够自动识别需过渡壁面间的角度，从而自主调节机构，进行过渡，并且采用多段相连的履带，过渡过程，较为稳定。

一种可自动壁面过渡的行走机构，包括：

机器人本体；

设置在所述机器人本体内的主行走履带前驱动轴、主行走履带后驱动轴以及前摆臂履带驱动轴和后摆臂履带驱动轴；

设置在所述主行走履带前驱动轴上的两个主行走履带前链轮；

设置在所述主行走履带后驱动轴上的两个主行走履带后链轮；

设置在所述机器人本体两侧并与所述主行走履带前链轮和主行走履带后链轮连接的主行走履带；

驱动所述前摆臂履带驱动轴转动的前摆臂电机，所述前摆臂履带驱动轴上连接有前摆臂履带链轮；

连接在所述前摆臂履带链轮上的前摆臂和前摆臂履带；

驱动所述后摆臂履带驱动轴转动的后摆臂电机，所述后摆臂履带驱动轴上设置有后摆臂履带链轮；

连接在所述后摆臂履带链轮上的后摆臂和后摆臂履带。

所述的主行走履带设置有压带装置，所述的压带装置包括：

配合的弹簧和压缩杆；

两个摆动杆，所述的摆动杆一端与所述压缩杆的端部连接，所述的摆动杆另一端连接有轴承和压紧链轮。

所述的机器人本体顶部设置有红外阵列支架，所述的红外阵列支架上布置有若干个红外测距传感器，形成红外测距阵列。

一种所述的可自动壁面过渡的行走机构的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、机构行走：将可自动壁面过渡的行走机构放置在壁面上吸附牢固，控制行走电机驱动机构在壁面上移动；

步骤二、数据采集：机构行走至过渡壁面前方处，机器人本体上方不同高度的红外测距阵列对前方的壁面进行检测，将检测到的距离信息传输给控制器，N为安全系数，L为前摆臂的长度；

步骤三、数据分析处理：控制器对接收到的红外测距传感器输出的信号进行分析处理，由于水冷壁的不平度，同一高度上的红外传感器测得的数据取最小值，得到各个高度上红外测距传感器测得的数据，再利用反三角函数求得两壁面间的夹角；

θ

步骤四、自动壁面过渡：根据步骤三中的数据分析处理结果，判得到目前行走壁面与需过渡壁面之前的夹角，根据行走环境的不同输出对前摆臂电机和后摆臂电机的控制信号，将摆臂抬升至相同夹角，契合过渡壁面，进行过渡。

与现有技术相比，本发明具有的优点：

(1)采用履带结构，在两侧主行走履带上增加压紧装置，保证机构行走时履带与壁面的接触面积稳定，使得整体结构适用于水冷壁壁面行走。

(2)采用四摆臂结构，抬升摆臂，可适用于各种夹角的过渡壁面，并且在进行壁面过渡时，后摆臂增强吸附力，辅助过渡，过渡安全性高于两段式行走机构。

(3)通过传感器测量得到行走机构与过渡壁面间的距离以及相交壁面的夹角，实现自动过渡，无需人工干预。

附图说明

图1为本发明机构的立体图。

图2为本发明机构内部结构图。

图3为本发明机构去掉挡板的磁吸附行走装置的示意图。

图4为履带压紧结构图

图5为动力输出机构剖视图。

图6为本发明机构壁面过渡的流程示意图。

图7为本发明的行走机构控制系统硬件结构图

图8为本发明自主过渡流程图。

附图标记说明：

1-上箱体；2-链条；3-前轴螺母；4-摆臂履带挡板；5-端盖；6-主行走履带侧挡板；7-前后箱体；8-摆臂前轴；9-摆臂履带；10-主行走履带；11-红外测距传感器；12-红外阵列支架；13-摆臂履带；14-外轴；15-内轴；16-摆臂锥齿轮；17-行走锥齿轮；18-减速器；19-行走电机；20-轴承；21-锥齿轮；22-传动轴；23-联轴器；24-摆臂电机；25-下箱体，26-摆臂前轮；27-弯耳；28-主履带链轮；29-螺母；30-磁块；31-连接螺栓；32-摆臂履带链轮；33-轭铁；34-链节；35-轴承；36-摆动杆；37-弹簧；38-压缩杆；39-压紧链轮；40-侧箱体；41-轴套。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种可自动壁面过渡的行走机构，包括机器人本体，所述机器人本体包括下箱体25，下箱体25前后两侧各设置前后箱体7，左右两侧也各设置一个侧箱体40，前后箱体7和侧箱体40与下箱体25围成框架结构，两条主行走履带10外侧设置主履带挡板6，四条摆臂履带左右两侧都设置摆臂履带挡板4。

本实施例中，如图1所示，所述红外测距阵列设置在上箱体1上方，在箱体上方不同高度处设置红外测距传感器11，测得在不同高度上传感器与壁面的距离不同，再与红外测距阵列上的高度差进行计算，可自动得出与过渡壁面之间的距离与夹角，自动旋转摆臂角度进行壁面过渡。

本实施例中，如图2和图5所示，所述动力输出机构设置在所述箱体内部，采用同心轴方式传动，共四个电机提供动力，两个行走电机19用以驱动履带行走，两个摆臂电机24用以抬升前后两段履带。电机与内轴15，外轴14之间采用锥齿轮传动，外轴14带动同侧的两个链轮转动，作为主动轮，从而带动履带前行，内轴15连接外侧摆臂挡板4，在过渡时，摆臂电机24将动力传递到内轴15，从而带动摆臂履带9转动成对应的夹角，进行壁面过渡。

如图3所示，所述移动机构包括左右两侧共六条履带，在箱体的两侧，分为前中后三段，前后两段为可抬升摆臂，中间段为主行走履带9。履带由双排带弯耳的链条2，轭铁33和磁块30组成，轭铁33通过连接螺栓31、螺母29安装固定在链条2上，磁块30固定在轭铁33上，由于水冷壁表面存在较多的焊缝以及凹凸不平的表面，可能引起机器人在壁面上爬行时履带与壁面的接触面积减小，因而在两侧主履带部分设置压带机构，确保履带与壁面的接触。

如图4所示，所示压带装置包括弹簧37，压缩杆38，摆动杆36，压紧链轮39和轴承35，摆动杆36通过中间孔安装在侧箱体40，一端连接压缩杆38，一端通过旋转轴连接压紧轮39，遇到凸起障碍物时，压紧轮39上翘压缩弹簧，弹簧37使另侧摆动杆36摆动，压紧后面的压紧轮39。

如图6至图8所示，一种可自动壁面过渡的行走机构控制方法，包括以下步骤：

步骤一、机构行走：将机构放置在水冷壁上吸附牢固，控制两行走电机19驱动机构在水冷壁上移动。

步骤二、数据采集：机构行走至过渡壁面前方NL处，机架上方不同高度的红外测距阵列对前方的壁面进行检测，将检测到的距离信息传输给控制器，N为安全系数，L为前摆臂的长度。

步骤三、数据分析处理：控制器对接收到的红外测距传感器输出的信号进行分析处理，由于水冷壁的不平度，同一高度上的红外传感器测得的数据取最小值，得到各个高度上传感器测得的数据，再利用反三角函数可求得两壁面间的夹角。

其中θ

步骤四、自动壁面过渡：根据步骤三中的数据分析处理结果，判得到目前行走壁面与需过渡壁面之前的夹角，根据行走环境的不同输出对摆臂电机24的控制信号，将摆臂抬升至相同夹角，契合过渡壁面，进行过渡。