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一种轮翼双驱高机动攀爬机器人

专利类型 发明授权 法律事件 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202510230946.5 申请日 2025-02-28
公开(公告)号 CN119705659B 公开(公告)日 2025-04-29
申请人 广东工业大学; 申请人类型 学校
发明人 朱海飞; 莫静仪; 顿利德; 卜永忠; 第一发明人 朱海飞
权利人 广东工业大学 权利人类型 学校
当前权利人 广东工业大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:广东省 城市 当前专利权人所在城市:广东省广州市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:广东省广州市越秀区东风东路729号 邮编 当前专利权人邮编:510090
主IPC国际分类 B62D57/02 所有IPC国际分类 B62D57/02B60B19/00
专利引用数量 2 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 B
专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限公司 专利代理人 黄志铖;
摘要 本 发明 涉及攀爬 机器人 的技术领域,更具体地,涉及一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,包括 基座 、第一驱动部、第二驱动部、惯性测量单元、霍尔 传感器 、 深度相机 和控 制模 块 , 控制模块 能够融合深度相机及惯性测量单元的数据推断攀爬机器人是否存在跨越边 角 结构趋势;当存在跨越边角结构趋势时,基于霍尔 传感器数据 选择是否启用第二驱动部的跨越策略。本方案中的攀爬机器人采用轮式驱动模式难以跨越边角结构时,启用涵道 风 扇形成轮翼双驱动模式,以弥补单一轮式驱动的不足,增强攀爬机器人的机动性,同时大幅降低攀爬机器人通过难跨越边角结构的遥控操作复杂度。
权利要求

1.一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,包括基座(1)、第一驱动部、第二驱动部(9)、惯性测量单元、霍尔传感器(62)、深度相机(61)和控制模(7):
第一驱动部:包括转动安装于所述基座(1)两侧的磁轮模块(2);
第二驱动部:包括安装于所述基座(1)的涵道扇(92)和可控制所述涵道风扇(92)旋转速度及旋转方向的电子调速器(93);
惯性测量单元:用于获取当前攀爬机器人的运动状态信息以及当前攀爬机器人运动平面的法向量与重方向之间的夹,运动状态信息包括攀爬机器人的运动方向和攀爬机器人在跨越边角结构时的运动角速度
深度相机(61):用于获取外部环境信息并判断是否具有边角结构以及结合惯性测量单元数据获取边角结构的位姿信息;
霍尔传感器(62):用于获取边角结构的类型信息;
控制模块(7):基于边角结构与攀爬机器人的位姿信息及攀爬机器人的运动状态信息判断攀爬机器人是否存在跨越边角结构趋势;当存在跨越边角结构趋势时,基于边角结构的类型信息选择跨越策略;
所述跨越策略包括跨越策略一和跨越策略二,所述跨越策略一为:所述第一驱动部工作,所述第二驱动部不工作;所述跨越策略二为:所述第一驱动部与所述第二驱动部同时工作,执行所述跨越策略二时,所述控制模块(7)通过所述电子调速器控制所述涵道风扇(92)的旋转速度及旋转方向。
2.根据权利要求1所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,所述第二驱动部(9)包括还涵道风扇固定架(91),所述涵道风扇固定架(91)可拆卸安装于所述基座(1)的顶部,所述涵道风扇(92)与所述涵道风扇固定架(91)固定连接,所述电子调速器(93)安装于所述基座上。
3.根据权利要求1所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,所述控制模块(7)按照以下步骤判断攀爬机器人是否存在跨越边角结构的趋势:
首先判断攀爬机器人与边角结构边线之间的距离是否小于预设值,如否,则继续检测;
如是,则判断当前攀爬机器人的运动方向与边角结构边线之间的夹角是否位于预设范围内,如否,则继续检测;如是,则存在跨越边角结构的趋势。
4.根据权利要求1所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,所述控制模块(7)在进行跨越策略的选择时,通过如下条件进行选择:
其中, 为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置时受到的磁力; 为重力在向心力方向的分力, 为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面时受到的磁力;
为攀爬机器人在初始位置到两个关键位置质心的距离在重力方向的投影,其中,一个关键位置为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置,另一个关键位置为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面的位置; 为第二平面与重力方向的夹角; 为边角结构两个平面之间的夹角; 为攀爬机器人整体的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量
为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量
如满足上述条件,则选择所述跨越策略一;如不满足上述条件则选择所述跨越策略二。
5.根据权利要求1所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,在执行所述跨越策略二时,所述涵道风扇(92)推力最小值为攀爬机器人使用所述涵道风扇(92)反推时的最小反向推力;所述涵道风扇(92)推力最大值为攀爬机器人使用所述涵道风扇(92)正推时的最大正向推力,
攀爬机器人使用所述涵道风扇(92)反推时的最小反向推力应该满足以下条件:
其中,
为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置时受到的磁力; 为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面时受到的磁力; 为涵道风扇(92)的最小反向推力; 为攀爬机器人整体的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量;为涵道风扇(92)中轴线在攀爬机器人坐标系XOZ平面内与Z轴的夹角; 为第二平面与重力方向的夹角; 为边角结构两个平面之间的夹角; 为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量; 为涵道风扇(92)中心到攀爬机器人与边角结构接触点之间的长度;
攀爬机器人使用所述涵道风扇(92)正推时最大正向推力应该满足以下条件:
其中 ,
是涵道风扇(92)的最大正向推力。
6.根据权利要求2所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,所述涵道风扇(92)的参数按以下步骤进行确定:
步骤一,根据攀爬机器人的自身参数以及应用场景确定选取满足安装条件下推力余量足够的涵道风扇;
步骤二:根据攀爬机器人实际运动情况得到攀爬机器人需要借助涵道风扇(92)完成跨越的边角结构类型,并获取其中的最难跨越场景,分析攀爬机器人的跨越过程并获取所需要涵道风扇(92)提供的推力大小条件;
步骤三:根据攀爬机器人通过最难跨越场景时的攀爬机器人参数、第二驱动部(9)的质量、攀爬机器人需要的涵道风扇(92)推力获取涵道风扇(92)的安装角度 ;
步骤四:根据攀爬机器人通过最难跨越场景时的攀爬机器人参数、第二驱动部(9)的质量、攀爬机器人需要的涵道风扇(92)推力、涵道风扇(92)的安装角度 获取涵道风扇(92)中心到攀爬机器人与边角结构接触点之间的长度 。
7.根据权利要求6所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,在所述步骤一中,涵道风扇的安装条件包括:
根据攀爬机器人的自身参数以及应用场景确定涵道风扇(92)在攀爬机器人上的安装高度范围及涵道风扇(92)的最大体积;
根据攀爬机器人的自身参数及涵道风扇(92)的质心安装高度范围确定第二驱动部(9)质量的容许最大值,其中涵道风扇(92)的质心安装高度小于涵道风扇(92)在攀爬机器人上的安装高度。
8.根据权利要求7所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,第二驱动部(9)的质量 和安装涵道风扇(92)后攀爬机器人整体的质心高度 之间的关系应该满足以下条件:
其中, 为安装涵道风扇(92)后攀爬机器人整体的质心高度;为第二驱动部(9)安装前攀爬机器人的质心高度; 为涵道风扇(92)的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量;
为攀爬机器人在外直角跨越过程中位于45°时磁轮模块(2)的径向磁力大小; 为机器人的质量; 为第二驱动部(9)的质量; 为攀爬机器人初始速度;为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量。
9.根据权利要求6所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,在所述步骤三中,涵道风扇(92)的安装角度 应该满足以下条件:
其中, 为涵道风扇(92)的安装角度,即涵道风扇(92)中轴线在攀爬机器人坐标系XOZ平面内与Z轴的夹角; 为攀爬机器人在板底部受到的磁力; 为攀爬机器人在从上往下跨越水平钢板和竖直钢板到达底部时受到涵道风扇(92)提供的与攀爬机器人运动方向相反的最大推力; 为攀爬机器人整体质量; 为安全裕度角度。
10.根据权利要求6所述的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,其特征在于,在所述步骤四中,涵道风扇(92)的安装高度 应该满以下方程:
其中, 为攀爬机器人在水平钢板底部受到的磁力; 为攀爬机器人在从上往下跨越水平钢板和竖直钢板到达底部时受到涵道风扇(92)提供的与攀爬机器人运动方向相反的最大推力; 为攀爬机器人在竖直钢板底部受到的磁力; 为攀爬机器人在从下往上跨越水平钢板到达其侧面时受到涵道风扇(92)提供的与攀爬机器人运动方向相同的正向推力;
为安装涵道风扇(92)后攀爬机器人整体的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量; 为涵道风扇(92)的安装高度,即涵道风扇(92)中心到攀爬机器人与跨越边角结构接触点之间的长度;为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量。

说明书全文

一种轮翼双驱高机动攀爬机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及攀爬机器人技术领域,更具体地,涉及一种轮翼双驱高机动攀爬机器人。

背景技术

[0002] 轮式磁吸附攀爬机器人通过轮子、磁吸附结构和其他辅助机构实现在结构稳定接触与爬行。现有的轮式磁吸附攀爬机器人可以跨越凹、凸角、钢板边缘和法兰边等结构,但人工微小的遥操作失误就容易使攀爬机器人坠落。此外,现有轮式磁吸附攀爬机器人无法通过难跨越结构,例如从上往下跨越竖直钢板。
[0003] 为了人工遥操作难度,现有的一种高机动轮式攀爬机器人,包括基座、磁轮模、尾轮模块、内角跨越辅助机构和运动辅助轮。尾轮模块展开时可使攀爬机器人在平面爬行和跨越外角或钢板边缘等结构时获得稳定支撑;内角跨越辅助机构使得攀爬机器人可跨越内角结构;运动辅助轮可以和尾轮模块一同作为攀爬机器人运动的支撑轮系,使得攀爬机器人在任意角度平面移动而基座不发生翻滚,并且不会阻碍攀爬机器人跨越各种结构。其通过内角跨越辅助机构、运动辅助机构和尾轮模块的协调配合使攀爬机器人可以在任意角度的平面移动和跨越多种立体复杂结构。但是在实际应用中发现,操作人员难以精准控制攀爬机器人的运动速度使其顺利通过复杂边角结构。当攀爬机器人运动速度过快时,产生的离心过大容易导致攀爬机器人剥落;当攀爬机器人运动速度过慢时,动力不足以使攀爬机器人完成跨越动作。因而,轮式磁吸附攀爬机器人需要更灵活、简便和有效的通过难跨越结构的技术方案。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术操作人员难以精准控制攀爬机器人的运动速度使其顺利跨越复杂结构边角结构的不足,提供一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,本方案中的攀爬机器人在跨越复杂结构边角结构时能够降低对运动速度的要求,使操作人员能够顺利操作攀爬机器人跨越复杂边角结构。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
[0006] 提供一种轮翼双驱高机动攀爬机器人,包括基座、第一驱动部、第二驱动部、惯性测量单元、霍尔传感器深度相机和控制模块,
[0007] 第一驱动部:包括转动安装于所述基座两侧的磁轮模块;
[0008] 第二驱动部:包括安装于所述基座的涵道扇和可控制所述涵道风扇的旋转速度及旋转方向的电子调速器;
[0009] 惯性测量单元:用于获取当前攀爬机器人的运动状态信息以及当前攀爬机器人运动平面的法向量与重力方向之间的夹角,运动状态信息包括攀爬机器人的运动方向和攀爬机器人在跨越边角结构时的运动角速度
[0010] 深度相机:用于获取外部环境信息并判断是否具有边角结构以及结合惯性测量单元数据获取边角结构的位姿信息;
[0011] 霍尔传感器:用于获取边角结构的类型信息;
[0012] 控制模块:基于边角结构与攀爬机器人的位姿信息及攀爬机器人的运动状态信息判断攀爬机器人是否存在跨越边角结构趋势;当存在跨越边角结构趋势时,基于边角结构的类型信息选择跨越策略;
[0013] 所述跨越策略包括跨越策略一和跨越策略二,所述跨越策略一为:所述第一驱动部工作,所述第二驱动部不工作;所述跨越策略二为:所述第一驱动部与所述第二驱动部同时工作,执行所述跨越策略二时,所述控制模块通过所述电子调速器控制所述涵道风扇的旋转速度及旋转方向。
[0014] 本发明的轮翼双驱高机动攀爬机器人在跨越复杂结构的边角结构时,磁轮模块为攀爬机器人提供吸附力以及牵引能力,为攀爬机器人能够顺利跨越边角结构提供动力基础;惯性测量单元能够根据重力方向获取当前攀爬机器人的运动状态信息,并根据攀爬机器人与运动平面之间的几何关系得到当前攀爬机器人运动平面的法向量与重力方向之间的夹角;霍尔传感器可以通过测量霍尔电压的变化来判断磁场的大小,通过判断磁场的强弱可以得到攀爬机器人是否在边角结构区域以及边角结构的类型;深度相机能够获取外部环境信息并判断运动平面是否具有边角结构及边角结构的位置信息,在攀爬机器人获取边角结构信息后能够建立坐标系获取边角结构与攀爬机器人的距离。
[0015] 当检测到攀爬机器人难以顺利跨越边角结构时,控制模块首先判断即将跨越的边角结构类型,然后通过对攀爬机器人运行状态的监控来判断攀爬机器人是运动的速度过快,导致转角时产生的离心力过大会带动攀爬机器人剥落,还是攀爬机器人运动的速度过慢,跨越动力不足使得攀爬机器人无法成功完成跨越动作。当检测到攀爬机器人运动的速度过快,导致转角时产生的离心力过大会带动攀爬机器人剥落时,控制模块控制第二驱动部中的涵道风扇反向旋转,涵道反向旋转时会产生与攀爬机器人前进方向相反的推力,利用涵道风扇所产生的与攀爬机器人前进方向相反的推力抵消部分攀爬机器人跨越边角结构时的离心力,使得攀爬机器人在跨越边角结构时不会因离心力过大而剥落,攀爬机器人能够顺利跨越复杂结构的边角结构。当检测到攀爬机器人的运动速度过慢,导致跨越动力不足使得攀爬机器人无法成功完成跨越动作时,控制模块控制第二驱动部中的涵道正向旋转,涵道风扇正向旋转时会产生与攀爬机器人前进方向相同的推力,进一步加大攀爬机器人在跨越边角结构时的动力,使得攀爬机器人有足够的动力完成边角结构的跨越。
[0016] 本方案中的攀爬机器人采用轮翼双驱动模式,当轮式驱动模式下的攀爬机器人难以精准控制运动速度使其顺利跨越复杂结构的边角结构时,通过涵道风扇的翼式驱动来弥补单一轮式驱动的不足,增强攀爬机器人的机动性,同时大幅降低攀爬机器人通过难跨越边角结构的遥控操作复杂度,使操作人员能够顺利控制攀爬机器人跨越复杂结构的边角结构。
[0017] 进一步地,所述第二驱动部还包括涵道风扇固定架,所述涵道固定架可拆卸安装于所述基座的顶部,所述涵道风扇与所述涵道风扇固定架固定连接,所述电子调速器安装于所述基座上。涵道风扇固定架为与基座贴合的弧形,涵道风扇固定架与基座连接后,涵道风扇和基座分别位于弧形涵道风扇固定架的两侧。通过涵道风扇固定架实现涵道风扇与基座的可拆卸连接,可以根据攀爬机器人在不同工作环境下的不同要求来更换基座上涵道风扇的型号,还能够在不需要涵道风扇时,将第二驱动部从基座上拆卸下来,提高攀爬机器人的续航时间和在平面运动时的灵活性和安全性,让攀爬机器人获得更强的环境适应能力和工作能力。涵道风扇固定架为可贴合基座的弧形,能够进一步增加涵道风扇固定架与基座之间的接触面积,提高涵道风扇在基座上的稳定性。电子调速器主要负责控制涵道风扇转速,进而控制涵道风扇为攀爬机器人提供的作用力大小。
[0018] 进一步地,所述控制模块按照以下步骤判断攀爬机器人是否存在跨越边角结构的趋势:
[0019] 首先判断攀爬机器人与边角结构边线之间的距离是否小于预设值,如否,则继续检测;如是,则判断当前攀爬机器人的运动方向与边角结构边线之间的夹角是否位于预设范围内,如否,则继续检测;如是,则存在跨越边角结构的趋势。攀爬机器人前进方向与边角结构边线所呈夹角的预设范围一般为80°‑100°。
[0020] 进一步地,所述控制模块在进行跨越策略的选择时,通过如下条件进行选择:
[0021]
[0022] 其中, 为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构的中间位置时受到的磁力;为重力在向心力方向的分力, 为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面时受到的磁力; 为攀爬机器人在初始位置到两个关键位置质心的距离在重力方向的投影,其中,一个关键位置为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置,另一个关键位置为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面的位置; 为第二平面与重力方向的夹角; 为边角结构两个平面之间的夹角; 为攀爬机器人整体的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量; 为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量
[0023] 攀爬机器人在实际爬行过程中需要跨越的边角结构的角度是在0°‑360°之间变化的,攀爬机器人的运动方向与重力方向之间的夹角也发生变化,为了判断攀爬机器人在跨越不同的边角结构时是否需要使用涵道风扇,需要建立一个统一的标准来判断攀爬机器人在不使用涵道风扇时是否可以完成跨越运动,在分析过程中主要分析两个关键位置,其一为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构的尖角位置,此时攀爬机器人的磁力最小;其二为攀爬机器人从上往下刚完成跨越运动后位于第二平面的位置,此时攀爬机器人的动能最大,受到的离心力最大,在这两个位置攀爬机器人最容易发生脱落或跨越失败。对这两个位置进行分析后可以得到上述条件,如满足上述条件,则选择所述跨越策略一;如不满足上述条件则选择所述跨越策略二。
[0024] 进一步地,在确定使用涵道风扇跨越边角结构时,需要合理的控制涵道风扇的推力以保持攀爬机器人的动能在合理的范围内,防止攀爬机器人因离心力过大而发生剥离及离心力过小无法完成跨越动作。因此,在执行所述跨越策略二时,所述涵道风扇推力最小值为攀爬机器人使用所述涵道风扇反推时的最小反向推力;所述涵道风扇推力最大值为攀爬机器人使用所述涵道风扇正推时的最大正向推力,
[0025] 攀爬机器人使用所述涵道风扇反推时的最小反向推力应该满足以下条件:
[0026] 其中, 为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置时受到的磁力; 为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面时受到的磁力; 为涵道风扇的最小反向推力; 为攀爬机器人整体的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量;为涵道风扇中轴线在攀爬机器人坐标系XOZ平面内与Z轴的夹角; 为第二平面与重力方向的夹角; 为边角结构两个平面之间的夹角; 为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量; 为涵道风扇中心到攀爬机器人与边角结构接触点之间的长度;
[0027] 攀爬机器人使用所述涵道风扇正推时最大正向推力应该满足以下条件:
[0028] 其中, 是涵道风扇的最大正向推力。
[0029] 进一步地,涵道风扇的参数按以下步骤进行确定:
[0030] 步骤一,根据攀爬机器人的自身参数以及应用场景确定选取满足安装条件下推力余量足够的涵道风扇;
[0031] 步骤二:根据攀爬机器人实际运动情况得到攀爬机器人需要借助涵道风扇完成跨越的边角结构类型,并获取其中的最难跨越场景,分析攀爬机器人的跨越过程并获取所需要涵道风扇提供的推力大小条件;
[0032] 步骤三:根据攀爬机器人通过最难跨越场景时的攀爬机器人参数、第二驱动部的质量、攀爬机器人需要的涵道风扇推力获取涵道风扇的安装角度 ;
[0033] 步骤四:根据攀爬机器人通过最难跨越场景时的攀爬机器人参数、第二驱动部的质量、攀爬机器人需要的涵道风扇推力、涵道风扇的安装角度 获取涵道风扇中心到攀爬机器人与边角结构接触点之间的长度 。
[0034] 采用上述步骤对攀爬机器人的涵道风扇进行设计所得到的攀爬机器人在安装翼式驱动的涵道风扇后,不但对于需要借助涵道风扇跨越的场景能够降低操作人员的操作难度,还不会增加攀爬机器人在跨越不需要借助涵道风扇跨越场景时操作人员的操作难度。
[0035] 优选地,涵道风扇的安装条件包括:
[0036] 根据攀爬机器人的自身参数以及应用场景确定涵道风扇在攀爬机器人上的安装高度范围及涵道风扇的最大体积;
[0037] 根据攀爬机器人的自身参数及涵道风扇的质心安装高度范围确定第二驱动部质量的容许最大值,其中涵道风扇的质心安装高度小于涵道风扇在攀爬机器人上的安装高度。
[0038] 优选地,第二驱动部的质量 和安装涵道风扇后攀爬机器人整体的质心高度 之间的关系应该满足以下条件:
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 其中, 为安装涵道风扇后攀爬机器人整体的质心高度;为第二驱动部安装前攀爬机器人的质心高度; 为涵道风扇的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量; 为攀爬机器人在外直角跨越过程中位于45°时磁轮模块的径向磁力大小; 为机器人的质量;为第二驱动部的质量; 为攀爬机器人初始速度。
[0043] 攀爬机器人若能顺利跨越底面往竖直面的外直角及钢板结构,则其他不需要借助涵道风扇的边角结构攀爬机器人均能顺利跨越,分析该场景下的攀爬机器人跨越过程可以得到第二驱动部的质量 和涵道风扇的质心高度 之间的关系应该满足上述条件即可。
[0044] 优选地,在步骤二中,需要借助涵道风扇跨越的边角结构类型包括:从上往下跨越竖直以及倾斜钢板底部、从下往上翻越平以及倾斜钢板、从上往下翻越水平钢板、连续翻越直角边、从竖直面往上跨越法兰边、其他介于直角和钢板之间的锐角跨越结构,分析得到其中最难跨越的场景有:从上往下跨越竖直钢板底部、从下往上翻越水平钢板、从上往下翻越水平钢板。倾斜钢板是指钢板平面倾斜,同理水平钢板是指钢板平面与水平面平行,竖直钢板是指钢板平面与竖直平面平行。
[0045] 攀爬机器人从上往下跨越到水平钢板底部时,攀爬机器人的受力情况需满足以下条件:
[0046]
[0047] 其中, 是攀爬机器人在水平钢板底部受到的磁力, 攀爬机器人在从上往下跨越水平钢板和竖直钢板达到底部时受到涵道风扇提供的与攀爬机器人运动速度方向相反的最大反向推力, 是攀爬机器人在水平钢板和竖直钢板底部的速度。
[0048] 攀爬机器人从上往下跨越到竖直钢板底部时,攀爬机器人的受力情况需满足以下条件:
[0049]
[0050] 其中, 是攀爬机器人在竖直钢板底部受到的磁力;
[0051] 同时,为了保证攀爬机器人在竖直钢板底部受到涵道风扇的反向推力速度降为0的时候攀爬机器人不发生剥离,攀爬机器人的受力情况需要满足以下条件:
[0052] 。
[0053] 当攀爬机器人从下往上翻越水平钢板并位于其侧面时,此时攀爬机器人需要克服的重力矩最大,涵道风扇提供的与攀爬机器人运动速度方向相同的正向推力在磁轮径向方向的分力容易使攀爬机器人发生剥离,因此,攀爬机器人的受力情况满足以下条件:
[0054]
[0055] 其中, 是攀爬机器人在从下往上跨越水平钢板达到其侧面时受到涵道风扇提供的与攀爬机器人运动方向相同的正向推力。
[0056] 优选地,在步骤三中,对于攀爬机器人在需要借助涵道风扇跨越的边角结构类型中最难跨越的场景下的受力情况进行分析可以得到,涵道风扇安装角度 应该满足以下条件:
[0057]
[0058] 其中, 为涵道风扇的安装角度,即涵道风扇中轴线在攀爬机器人坐标系XOZ平面内与Z轴的夹角; 为攀爬机器人在水平钢板底部受到的磁力; 攀爬机器人在从上往下跨越水平钢板和竖直钢板到达底部时受到涵道风扇提供的与攀爬机器人运动方向相反的最大推力; 为攀爬机器人整体质量; 为安全裕度角度。
[0059] 优选地,在步骤四中,对于攀爬机器人在需要借助涵道风扇跨越的边角结构类型中最难跨越的场景下的受力情况进行分析可以得到,涵道风扇风筒中心到攀爬机器人与跨越的边角结构接触点之间的高度 应该满以下方程:
[0060]
[0061] 其中, 为攀爬机器人在竖直钢板底部受到的磁力; 为攀爬机器人在从下往上跨越水平钢板到达其侧面时受到涵道风扇提供的与攀爬机器人运动方向相同的正向推力;为涵道风扇的安装高度,即涵道风扇中心到攀爬机器人与跨越边角结构接触点之间的长度;为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量。
[0062] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0063] 本发明的轮翼双驱高机动攀爬机器人,采用轮翼双驱动模式,当轮式驱动模式下的攀爬机器人难以精准控制运动速度使其顺利跨越复杂结构的边角结构时,通过涵道风扇的翼式驱动来弥补轮式驱动的不足,降低攀爬机器人在跨越复杂结构边角结构时的对运动速度要求,使操作人员能够顺利控制攀爬机器人跨越复杂结构的边角结构。
[0064] 本发明的轮翼双驱高机动攀爬机器人在确定涵道风扇体积等安装参数后,不但对于需要借助涵道风扇跨越的场景能够降低操作人员的操作难度,还不会增加攀爬机器人在跨越不需要借助涵道风扇跨越场景时操作人员的操作难度。
[0065] 本发明的轮翼双驱高机动攀爬机器人在跨越边角结构的过程中,通过分析攀爬机器人的运动状态,在攀爬机器人即将发生剥离危险或无法完成跨越动作的时候,可以通过涵道风扇模块正向或反向推力,调整攀爬机器人的运动状态,从而使攀爬机器人顺利安全的完成跨越运动。附图说明
[0066] 图1是本发明的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的结构示意图;
[0067] 图2是本发明的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的涵道风扇模块和尾轮模块同时展开时的状态示意图;
[0068] 图3是本发明的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的涵道风扇参数确定步骤的流程图
[0069] 图4是本发明的攀爬机器人跨越外直角结构从下往上跨越在尖角处的受力分析示意图;
[0070] 图5是本发明的攀爬机器人跨越水平钢板结构从上往下跨越在第三平面时的受力分析示意图;
[0071] 图6是本发明的攀爬机器人跨越竖直钢板结构从上往下跨越在第二平面时的受力分析示意图;
[0072] 图7是本发明的攀爬机器人跨越水平钢板结构从下往上跨越在第二平面时的受力分析示意图;
[0073] 图8是本发明的一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的跨越边角结构的流程图;
[0074] 图9是本发明的攀爬机器人跨越不同角度边角结构在尖角处的受力分析示意图;
[0075] 图10是本发明的攀爬机器人跨越不同角度边角结构从上往下跨越在第二平面时的受力分析示意图。
[0076] 其中,1、基座;2、磁轮模块;3、尾轮模块;31、尾轮摆杆;32、尾轮滚轮;4、过渡滚轮;5、运动辅助轮;6、传感模块;61、深度相机;62、霍尔传感器;7、控制模块;8、电池模块;81、电池一;82、电池二;9、第二驱动部;91、涵道风扇固定架;92、涵道风扇;93、电子调速器。

具体实施方式

[0077] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0078] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0079] 实施例一
[0080] 本实施例为一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的第一实施例,如图1‑2所示,包括基座1、第一驱动部、第二驱动部9以及安装于基座1上的电池模块8、控制模块7和传感模块6,第一驱动部包括转动安装于基座1两侧的磁轮模块2,第二驱动部9包括安装于基座1顶部的涵道风扇92和可控制涵道风扇92风筒转速的电子调速器93,电池模块8和控制模块7均与第一驱动部、第二驱动部9和传感模块6电连接,传感模块6包括安装于基座内腔的惯性测量单元和霍尔传感器62,攀爬机器人使用第一驱动部难以对边角结构实现跨越时,第二驱动部中的涵道风扇92开始工作。
[0081] 具体的,第二驱动部9还包括涵道风扇固定架91,涵道风扇92通过涵道风扇固定架91与基座1连接,涵道风扇92与涵道风扇固定架91固定连接,涵道风扇固定架91与基座1可拆卸连接。涵道风扇固定架91为可与基座1贴合的弧形,涵道风扇固定架91与基座1连接后,涵道风扇92和基座1分别位于弧形涵道风扇固定架91的两侧。
[0082] 具体的,电池模块8包括电池一81和电池二82,电池一81与第一驱动部和传感模块6连接;电子调速器93和涵道风扇92与电池二82连接。
[0083] 具体的,第一驱动部还包括活动安装于基座1后侧且可相对基座1活动至基座1内腔的尾轮模块3、安装于基座1后侧的内角跨越辅助机构及转动安装于基座1前侧的运动辅助轮5;磁轮模块2包括驱动电机、连接于驱动电机输出轴的磁轮;内角跨越辅助机构包括若干依序转动安装于基座1的过渡滚轮4,若干过渡滚轮4的轮心与磁轮轮心之间的距离自尾轮模块3向运动辅助轮5方向逐渐增加;尾轮模块3包括尾轮电机、尾轮摆杆31以及尾轮滚轮32,尾轮滚轮32转动安装于尾轮摆杆31,尾轮摆杆31连接于尾轮电机的输出轴,尾轮电机安装于基座1内,基座1开设有可容尾轮滚轮32和尾轮摆杆31转入的开孔,驱动电机和尾轮电机与电池一连接。
[0084] 具体的,传感模块6还包括深度相机61,深度相机61和霍尔传感器62安装在基座1的前侧,深度相机61、IMU惯性测量单元和霍尔传感器62均与电池一电连接。
[0085] 本实施例的工作原理或工作过程如下:
[0086] 攀爬机器人在平面运动时,驱动电机带动磁轮转动,同时运动辅助轮5和尾轮模块3工作,为攀爬机器人提供稳定支撑。当传感模块6通过深度相机61检测到攀爬机器人有跨越边角结构的意图时,通过惯性测量单元和霍尔传感器62判断边角结构类型及是否需要涵道风扇92助力。攀爬机器人在跨越边角结构的过程中,内角跨越辅助机构和尾轮模块3根据边角结构决定是否工作,尾轮模块3使攀爬机器人跨越外角或钢板边缘等结构时获得稳定支撑;内角跨越辅助机构使攀爬机器人在跨越内角时逐渐从第一平面脱离并平顺地跨越到第二平面。当需要涵道风扇92助力时,通过电子调速器93控制涵道风扇92风筒工作,使涵道风扇92在攀爬机器人跨越边角结构的过程中为攀爬机器人提供正向或反向的助力,帮助攀爬机器人顺利跨越复杂结构的边角结构。
[0087] 本实施例的有益效果如下:
[0088] 本方案中的攀爬机器人采用轮翼双驱动模式,当轮式驱动模式下的攀爬机器人难以精准控制运动速度使其顺利跨越复杂结构的边角结构时,通过涵道风扇92的翼式驱动来弥补单一轮式驱动的不足,增强攀爬机器人的机动性,同时大幅降低攀爬机器人通过难跨越边角结构的遥控操作复杂度,使操作人员能够顺利控制攀爬机器人跨越复杂结构的边角结构。
[0089] 惯性测量单元能够获取根据重力方向获取当前攀爬机器人的运动姿态,并根据攀爬机器人与运动平面之间的几何关系得到当前攀爬机器人运动平面的法向量与重力方向之间的夹角。霍尔传感器62可以通过测量霍尔电压的变化来判断磁场的大小,通过判断磁场的强弱可以得到攀爬机器人是否在边角结构区域以及边角结构区域的类型。电子调速器93主要负责控制涵道风扇92的风筒转速,进而控制涵道风扇92为攀爬机器人提供的作用力。
[0090] 通过涵道风扇固定架91实现涵道风扇92与基座1的可拆卸连接,可以根据攀爬机器人在不同工作环境下的不同要求来更换基座1上涵道风扇92的型号,还能够在不需要涵道风扇92时,将第二驱动部9从基座1上拆卸下来,提高攀爬机器人的续航时间和在平面运动时的灵活性和安全性,让攀爬机器人获得更强的环境适应能力和工作能力。涵道风扇固定架91为可贴合基座1的弧形,能够进一步增加涵道风扇固定架91与基座1之间的接触面积,提高涵道风扇92在基座1上的稳定性。
[0091] 两个电源独立供电防止涵道风扇92的过度使用使得攀爬机器人电量不足导致攀爬机器人失去动力无法回到地面,还能避免涵道风扇92在加减速过程中由于电机电感过大而导致控制系统电压波动过大造成攀爬机器人工作异常。
[0092] 磁轮模块2为攀爬机器人提供吸附力以及牵引能力。尾轮模块3展开时可使攀爬机器人在平面爬行和跨越外角或钢板边缘等结构时获得稳定支撑,收纳时则完全置于基座1内而不与环境接触。内角跨越辅助机构使得攀爬机器人可跨越内角结构,使得攀爬机器人逐渐从第一平面脱离并平顺地跨越到第二平面。运动辅助轮5可以和尾轮模块3一同作为攀爬机器人运动的支撑轮系,使得攀爬机器人在任意角度平面移动而基座1不发生翻滚,并且不会阻碍攀爬机器人跨越各种结构。深度相机61能够获取外部环境信息,在攀爬机器人上能够获得边角结构信息并建立坐标系获取边角结构与攀爬机器人的距离。
[0093] 实施例二
[0094] 本实施例为一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的第二实施例,本实施例在实施例一的基础上,对涵道风扇92参数的确定过程进一步限定。
[0095] 具体的,如图3所示,涵道风扇92的参数按以下步骤进行确定:
[0096] 步骤一,根据攀爬机器人的自身参数以及应用场景确定选取满足安装条件下推力余量足够的涵道风扇;
[0097] 步骤二:根据攀爬机器人实际运动情况得到攀爬机器人需要借助涵道风扇92完成跨越的边角结构类型,并获取其中的最难跨越场景,分析攀爬机器人的跨越过程并获取所需要涵道风扇92提供的推力大小条件;
[0098] 步骤三:根据攀爬机器人通过最难跨越场景时的攀爬机器人参数、第二驱动部9的质量、攀爬机器人需要的涵道风扇92推力获取涵道风扇92的安装角度 ;
[0099] 步骤四:根据攀爬机器人通过最难跨越场景时的攀爬机器人参数、第二驱动部9的质量、攀爬机器人需要的涵道风扇92推力、涵道风扇92的安装角度 获取涵道风扇92中心到攀爬机器人与边角结构接触点之间的长度 。
[0100] 具体的,在步骤一中,涵道风扇的安装条件包括:
[0101] 根据攀爬机器人的自身参数以及应用场景确定涵道风扇92在攀爬机器人上的安装高度范围及涵道风扇92的最大体积;
[0102] 根据攀爬机器人的自身参数及涵道风扇92的质心安装高度范围确定第二驱动部9质量的容许最大值,其中涵道风扇92的质心安装高度小于涵道风扇92在攀爬机器人上的安装高度。
[0103] 攀爬机器人若能顺利跨越底面往竖直面的外直角及钢板结构,则其他不需要借助涵道风扇92的边角结构攀爬机器人均能顺利跨越。如图4所示,分析该场景下的攀爬机器人跨越过程可以得到第二驱动部9的质量 和涵道风扇92的质心高度 之间的关系应该满足以下条件:
[0104]
[0105]
[0106]
[0107] 其中, 为安装涵道风扇92后攀爬机器人整体的质心高度;为第二驱动部9安装前攀爬机器人的质心高度; 为涵道风扇92的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量;为攀爬机器人在外直角跨越过程中位于45°时磁轮模块2的径向磁力大小; 为机器人的质量; 为第二驱动部9的质量; 为攀爬机器人初始速度。
[0108] 具体的,在步骤二中,涵道风扇92安装的质心高度范围及涵道风扇92的最大体积的选择应当考虑涵道风扇92与攀爬机器人本体以及环境之间的碰撞约束,避免攀爬机器人在运行时与环境之间发生碰撞。
[0109] 具体的,在步骤二中,需要借助涵道风扇92跨越的边角结构类型包括:从上往下跨越竖直以及倾斜钢板底部、从下往上翻越水平以及倾斜钢板、从上往下翻越水平钢板、连续翻越直角边、从竖直面往上跨越法兰边、其他介于直角和钢板之间的锐角跨越结构,分析得到其中最难跨越的场景有:从上往下跨越竖直钢板底部、从下往上翻越水平钢板、从上往下翻越水平钢板。
[0110] 如图5所示,攀爬机器人从上往下跨越到水平钢板底部时,攀爬机器人的受力情况需满足以下条件:
[0111]
[0112] 其中, 是攀爬机器人在水平钢板底部受到的磁力, 攀爬机器人在从上往下跨越水平钢板和竖直钢板达到底部时受到涵道风扇92提供的与攀爬机器人运动速度方向相反的最大反向推力, 是攀爬机器人在水平钢板和竖直钢板底部的速度。
[0113] 如图6所示,攀爬机器人从上往下跨越到竖直钢板底部时,攀爬机器人的受力情况需满足以下条件:
[0114]
[0115] 其中, 是攀爬机器人在竖直钢板底部受到的磁力;
[0116] 同时,为了保证攀爬机器人在竖直钢板底部受到涵道风扇92的反向推力速度降为0的时候攀爬机器人不发生剥离,攀爬机器人的受力情况需要满足以下条件:
[0117] 。
[0118] 如图7所示,当攀爬机器人从下往上翻越水平钢板并位于其侧面时,此时攀爬机器人需要克服的重力矩最大,涵道风扇92提供的与攀爬机器人运动速度方向相同的正向推力在磁轮径向方向的分力容易使攀爬机器人发生剥离,因此,攀爬机器人的受力情况满足以下条件:
[0119]
[0120] 其中, 是攀爬机器人在从下往上跨越水平钢板达到其侧面时受到涵道风扇92提供的与攀爬机器人运动方向相同的正向推力。
[0121] 具体的,在步骤三中,对于攀爬机器人在需要借助涵道风扇92跨越的边角结构类型中最难跨越的场景下的受力情况进行分析可以得到,涵道风扇92安装角度 应该满足以下条件:
[0122]
[0123] 其中, 为涵道风扇92的安装角度,即涵道风扇92中轴线在攀爬机器人坐标系XOZ平面内与Z轴的夹角; 为攀爬机器人在水平钢板底部受到的磁力; 攀爬机器人在从上往下跨越水平钢板和竖直钢板到达底部时受到涵道风扇92提供的与攀爬机器人运动方向相反的最大推力; 为攀爬机器人整体质量; 为安全裕度角度。
[0124] 具体的,在步骤四中,对于攀爬机器人在需要借助涵道风扇92跨越的边角结构类型中最难跨越的场景下的受力情况进行分析可以得到,涵道风扇92风筒中心到攀爬机器人与跨越的边角结构接触点之间的高度 应该满以下方程:
[0125]
[0126] 其中, 为攀爬机器人在竖直钢板底部受到的磁力; 为攀爬机器人在从下往上跨越水平钢板到达其侧面时受到涵道风扇92提供的与攀爬机器人运动方向相同的正向推力; 为涵道风扇92的安装高度,即涵道风扇92中心到攀爬机器人与跨越边角结构接触点之间的长度;为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量。
[0127] 本实施例的有益效果如下:根据本实施例中的步骤确定了涵道风扇92参数的攀爬机器人在安装翼式驱动的涵道风扇92后,不但对于需要借助涵道风扇92跨越的场景能够降低操作人员的操作难度,还不会增加攀爬机器人在跨越不需要借助涵道风扇92跨越场景时操作人员的操作难度。
[0128] 实施例三
[0129] 本实施例为一种轮翼双驱高机动攀爬机器人的第三实施例,本实施例在实施例一和实施例二的基础上,对攀爬机器人跨越边角结构的过程进一步限定。
[0130] 具体的,如图8所示,攀爬机器人跨越边角结构的过程包括如下步骤:
[0131] 步骤一:边缘检测,根据传感模块6判断攀爬机器人是否存在边角结构跨越意图,如是,则进行步骤二;如否,则继续检测;
[0132] 步骤二:边角结构类型和重力方向识别,根据传感模块6中的惯性测量单元实时测量攀爬机器人的运动姿态,并根据攀爬机器人与运动平面之间的几何关系获取当前攀爬机器人运动平面的法向量与重力方向之间的夹角,再根据传感模块6中的霍尔传感器62获取即将跨越的边角结构信息;
[0133] 步骤三:选择跨越策略,根据攀爬机器人当前运动状态及边角结构信息,计算攀爬机器人跨越当前边角结构是否需要使用涵道风扇92,如是,则进行步骤四;如否,则进行步骤五;
[0134] 步骤四:涵道风扇92推力控制,在攀爬机器人跨越边角结构前根据攀爬机器人当前状态与边角结构信息计算攀爬机器人跨越边角结构时所需的涵道风扇92推力大小范围,在攀爬机器人跨越过程中保持涵道风扇92的推力大小位于该范围内;
[0135] 步骤五:攀爬机器人跨越边角结构。
[0136] 具体的,在步骤一中,传感模块6在判断攀爬机器人是否存在边角结构跨越意图时,首先判断攀爬机器人与边角结构之间的距离,当攀爬机器人与边角结构之间的距离小于预设值时,再判断攀爬机器人前进方向与边角结构攀爬机器人边线所呈夹角是否在预设范围内,当攀爬机器人与边角结构边线所呈夹角在预设范围内时,攀爬机器人有跨越边角结构的意图。攀爬机器人前进方向与边角结构攀爬机器人边线所呈夹角的预设范围为80°‑100°。
[0137] 具体的,在步骤三中,攀爬机器人在实际爬行过程中需要跨越的边角结构的角度是0°‑360°之间变化的,攀爬机器人的运动方向与重力方向之间的夹角也发生变化,为了判断攀爬机器人在跨越边角结构不同的边角结构时是否需要使用涵道风扇92,需要建立一个统一的标准来判断攀爬机器人在不使用涵道风扇92时是否可以完成跨越运动,在分析过程中主要分析两个关键位置,其一为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构的尖角位置,如图9所示,此时攀爬机器人的磁力最小;其二为攀爬机器人从上往下刚完成跨越运动后位于第二平面的位置,如图10所示,此时攀爬机器人的动能最大,受到的离心力最大,在这两个位置攀爬机器人最容易发生脱落或跨越失败。在对攀爬机器人在不同夹角的边角结构的跨越过程进行分析时,通过如下公式计算攀爬机器人跨越当前边角结构是否需要使用涵道风扇92: 其中,为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置时受到的磁力; 为重力在向心力方向的分力, 为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面时受到的磁力; 为攀爬机器人在初始位置到两个关键位置质心的距离在重力方向的投影,其中,一个关键位置为攀爬机器人在跨越过程中位于边角结构中间位置,另一个关键位置为攀爬机器人刚完成跨越运动后位于第二平面的位置; 为第二平面与重力方向的夹角; 为边角结构两个平面之间的夹角; 为攀爬机器人整体的质心高度; 为攀爬机器人的整体质量;为攀爬机器人绕坐标系Y轴的转动惯量。
[0138] 具体的,在步骤四中,在确定使用涵道风扇92跨越边角结构时,需要合理的控制涵道风扇92的推力以保持攀爬机器人的动能在合理的范围内,防止攀爬机器人因离心力过大而发生剥离及离心力过小无法完成跨越动作。涵道风扇92推力大小范围的最小值为攀爬机器人使用涵道风扇92反推时的最小反向推力;涵道风扇92推力大小范围的最大值为攀爬机器人使用涵道风扇92正推时的最大正向推力,
[0139] 最小反向推力应该满足以下条件:
[0140] 其中,为涵道风扇92的最小反向推力; 为涵道风扇92中心到攀爬机器人与边角结构接触点之间的长度;
[0141] 最大正向推力应该满足以下条件:
[0142] 其中,是涵道风扇92的最大正向推力。
[0143] 具体的,在步骤五中,攀爬机器人在跨越边角结构过程中若有剥离的趋势,攀爬机器人可通过调节涵道风扇92的正反推力使其行驶速度保持在安全的区间范围内防止攀爬机器人剥离工作面从而掉落损坏攀爬机器人本体。
[0144] 本实施例的有益效果如下:
[0145] 本实施例中的攀爬机器人控制方法在跨越边角结构的运动过程中,通过分析攀爬机器人的运动状态,在攀爬机器人即将发生剥离危险或无法完成跨越动作的时候,可以通过涵道风扇92模块正向或反向推力,调整攀爬机器人的运动状态,从而使攀爬机器人顺利安全的完成跨越运动。
[0146] 在上述具体实施方式的具体内容中,各技术特征可以进行任意不矛盾的组合,为使描述简洁,未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
[0147] 显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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