阅读说明：本技术 一种可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法 (Flying wall-climbing robot capable of automatically climbing wall and using method thereof ) 是由 张彦 吴优 代海红 占洋 马梓焱 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：一种可自主上壁的飞行爬壁机器人,包括机器人壳体及其上设置的前主旋翼机构、后主旋翼机构、前副旋翼机构与后副旋翼机构,其中,前、后主旋翼机构中主旋翼叶片所在的主旋转区与机器人壳体的顶面相平行,前、后副旋翼机构中副旋翼叶片所在的副旋转区与机器人壳体的顶面相垂直,机器人壳体的四角各经驱动杆、转向舵机与方形履带轮相连接,机器人壳体前端的开口槽经辅助舵机与带伸缩杆的伸缩装置相连接,且在机器人壳体上设置有一个与其余设备进行信号连接的飞行控制器。本设计可以实现地面、自主上壁、壁面转换等爬壁行为,不仅适应性较强,自动化程度高,而且控制的稳定性较强,适合远程操控,具有广阔的应用前景。(The utility model provides a but flight wall climbing robot of wall of autonomy upper wall, including the preceding main rotor mechanism that robot housing and set up on it, back main rotor mechanism, preceding vice rotor mechanism and back vice rotor mechanism, wherein, the main rotation district that main rotor blade place among preceding, back main rotor mechanism parallels with the top surface of robot housing, the vice rotation district that vice rotor blade place among preceding, back vice rotor mechanism is perpendicular with the top surface of robot housing, the four corners of robot housing is respectively through the actuating lever, turn to the steering wheel and be connected with square athey wheel, the open slot of robot housing front end is connected with the telescoping device who takes the telescopic link through auxiliary steering wheel, and be provided with a flight controller who carries out signal connection with other equipment on the robot housing. The wall climbing device can realize wall climbing behaviors such as ground, autonomous wall climbing and wall surface conversion, is high in adaptability and automation degree, high in control stability, suitable for remote control and wide in application prospect.)

一种可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种机器人，属于飞行爬壁装置技术领域，尤其涉及一种可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法。

背景技术

随着移动机器人的迅速发展，壁面爬行机器人得到了各界的高度重视，并在很多领域得到了广泛的应用。根据其爬壁吸附方式，现有的爬壁机器人主要分为磁吸附式和真空吸附式，但由于存在适应性低、壁面转换困难、难以跨越障碍等问题，目前的爬壁机器人距离大规模应用仍存在一定的差距。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的适应性较低的缺陷与问题，提供一种适应性较高的可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种可自主上壁的飞行爬壁机器人，包括机器人壳体及其上设置的旋翼装置；

所述旋翼装置包括与机器人壳体的顶面相连接的前主旋翼机构、后主旋翼机构，以及与机器人壳体的侧面相连接的前副旋翼机构、后副旋翼机构；所述前主旋翼机构、后主旋翼机构的结构一致，均包括主旋翼叶片，所述前副旋翼机构、后副旋翼机构的结构一致，均包括副旋翼叶片，所述主旋翼叶片所在的主旋转区与机器人壳体的顶面相平行，所述副旋翼叶片所在的副旋转区与机器人壳体的顶面相垂直；

所述机器人壳体的四角各经一根驱动杆与转向舵机相连接，转向舵机的输出端与方形履带轮相连接；

所述机器人壳体的前端的两侧各开设有一个开口槽，该开口槽的槽壁与辅助舵机相连接，辅助舵机的输出端与伸缩装置相连接，该伸缩装置包括一根伸缩杆；

所述机器人壳体上设置有一个飞行控制器，该飞行控制器与前主旋翼机构、后主旋翼机构、前副旋翼机构、后副旋翼机构、转向舵机、方形履带轮、辅助舵机、伸缩装置进行信号连接；

前、后主旋翼机构提供与机器人壳体的顶面相垂直的驱动力，前、后副旋翼机构提供与机器人壳体的侧面相平行的驱动力，飞行控制器通过控制前、后主旋翼机构和前、后副旋翼机构的停转和转速，对机器人壳体的姿态进行调整，加上方形履带轮、伸缩装置的转动，进一步调整机器人壳体的姿态。

所述前副旋翼机构包括前左副旋翼机构与前右副旋翼机构，所述后副旋翼机构包括后左副旋翼机构与后右副旋翼机构，所述前左副旋翼机构、前右副旋翼机构、后左副旋翼机构、后右副旋翼机构各经一根副曲连接杆与机器人壳体的侧面相连接，所述前左副旋翼机构、后左副旋翼机构均位于机器人壳体的左侧，所述前右副旋翼机构、后右副旋翼机构均位于机器人壳体的右侧。

所述前左副旋翼机构、前右副旋翼机构、后左副旋翼机构、后右副旋翼机构的结构一致，都包括副旋翼叶片、副无刷电调与副无刷电机，所述副无刷电机的底端经副曲连接杆与机器人壳体的侧面相连接，副无刷电机的侧围与副旋翼叶片的内端相连接，且副无刷电机经副无刷电调与飞行控制器进行信号连接。

所述伸缩装置包括步进电机、伸缩杆、齿轮与辅助轮，所述步进电机的内端与辅助舵机的输出端相连接，步进电机的输出端与齿轮相连接，齿轮与伸缩杆的侧面相啮合，伸缩杆的底端与辅助轮相连接；所述步进电机与飞行控制器进行信号连接。

所述机器人壳体的顶面上开设有前安装洞与后安装洞，前安装洞、后安装洞内各设置有一个安装支架，该安装支架与前主旋翼机构或后主旋翼机构相连接；

所述前主旋翼机构、后主旋翼机构的结构一致，均包括主旋翼叶片、主无刷电调与主无刷电机，所述主无刷电机的底端与安装支架相连接，主无刷电机的侧围与主旋翼叶片的内端相连接，主无刷电机经主无刷电调与飞行控制器进行信号连接。

所述机器人壳体的左、右侧面上位于前安装洞、后安装洞之间的部位各经一根外延杆与外延旋翼机构相连接，该外延旋翼机构中外延旋翼叶片所在的外延旋转区与机器人壳体的顶面相平行。

所述机器人壳体上位于前安装洞、后安装洞之间的部位上设置有设备箱，该设备箱内设置有GPS模块、信号接发器与飞行控制器。

所述方形履带轮包括方形轮板、主动轮、橡胶履带与四个减速电机，所述方形轮板的背面与转向舵机的输出端相连接，方形轮板的正面与减速电机的内端相连接，减速电机的输出端与主动轮相连接，主动轮的侧围上缠绕有橡胶履带；所述减速电机与飞行控制器进行信号连接。

一种上述可自主上壁的飞行爬壁机器人的使用方法，其包括自主上壁工艺，该自主上壁工艺包括以下步骤：先由飞行控制器驱动方形履带轮运行，位于机器人壳体前、后端的方形履带轮分别命名为前履带轮与后履带轮，以驱使本机器人沿地面向竖直墙面前进，直至前履带轮与竖直墙面接触为止，再由飞行控制器经辅助舵机驱动伸缩装置旋转，以使伸缩装置与地面垂直，再驱使伸缩杆持续伸长，直至伸缩杆将前履带轮抬离地面，在抬离的过程中，前履带轮与竖直墙面保持接触，后履带轮与地面保持接触，飞行控制器驱动前主旋翼机构、后主旋翼机构运行，直至后履带轮同时与竖直墙面、地面贴合时，再由飞行控制器经辅助舵机驱动伸缩装置旋转，以将伸缩装置收容在机器人壳体的底部，然后由飞行控制器驱动前主旋翼机构、后主旋翼机构、前副旋翼机构、后副旋翼机构运行，以为本机器人提供上升力与对竖直墙面的压力，直至后履带轮离开地面，至此，所述自主上壁工艺完成。

所述使用方法还包括壁面转换工艺，该壁面转换工艺包括以下步骤：当本机器人爬行至竖直墙面末端时，先由飞行控制器控制前主旋翼机构降低转速，后主旋翼机构停止运行，并提高前副旋翼机构、后副旋翼机构的转速，再由转向舵机驱使前履带轮转动、由辅助舵机驱使伸缩装置转动，以使后履带轮逐渐离开竖直墙面，然后驱使后主旋翼机构旋转，以为本机器人提供一个与其自身转动轨迹相切的指向竖直墙面的力，直至后履带轮转动至与天花板式墙壁贴合后，再由飞行控制器停止前副旋翼机构、后副旋翼机构的运行，并驱使前主旋翼机构、后主旋翼机构运行，以为本机器人提供上升力和垂直于天花板式墙壁的压力，然后由辅助舵机驱动伸缩装置旋转，以将伸缩装置收容在机器人壳体的底部，至此，所述壁面转换工艺完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法中，包括机器人壳体及其上设置的前主旋翼机构、后主旋翼机构、前副旋翼机构、后副旋翼机构、方形履带轮与伸缩装置，应用时，前、后主旋翼机构提供与机器人壳体的顶面相垂直的驱动力，前、后副旋翼机构提供与机器人壳体的侧面相平行的驱动力，通过控制主旋翼机构、副旋翼机构的停转、转速即可对机器人壳体的姿态进行调整，加之方形履带轮、伸缩装置的转动，尤其是伸缩装置中伸缩杆的伸长，能够进一步调整机器人壳体的姿态，无需人工操作即可完成自主上壁、壁面转换等操作，甚至更多角度的爬壁行为，解决了传统爬壁机器人上壁、壁面转换困难的问题，自动化程度高，适合远程控制，大大扩大了本设计的应用范围。因此，本发明不仅适应性较高，而且自动化程度高。

2、本发明一种可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法中，机器人壳体的四角各经一根驱动杆与转向舵机相连接，转向舵机的输出端与方形履带轮相连接，应用时，方形履带轮不仅爬壁时与壁面的接触面积大，而且可以自主转动，尤其可以改变整个履带轮的角度，以调整履带轮与墙壁或地面的贴合角度，使机器人更好地适应壁面和地面的凹陷凸起。因此，本发明不仅爬壁能力较强，而且适用范围较广。

3、本发明一种可自主上壁的飞行爬壁机器人及其使用方法中，采用的旋翼装置包括前主旋翼机构、后主旋翼机构、前副旋翼机构、后副旋翼机构，其中，前、后副旋翼机构各有两个，如此多数量的旋翼机构设计，不仅能提供多个方向的驱动力，以改变本机器人的姿态，而且能提供足够强的驱动力，确保本机器人运行时的稳定，降低控制难度，尤其当有外延旋翼机构时，控制的更为稳定。因此，本发明不仅易于改变机器人的姿态，而且控制的稳定性较强。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是图1中的设备箱盖板打开之后的结构示意图。

图3是本发明进行自主上壁工艺时的示意图。

图4是本发明进行壁面转换工艺时的示意图。

图5是本发明适应凸起壁面时的示意图。

图6是本发明适应凹陷壁面时的示意图。

图中：竖直墙面1、地面11、天花板式墙壁12、机器人壳体2、开口槽21、飞行控制器22、前安装洞23、后安装洞24、安装支架25、设备箱26、设备箱盖板261、GPS模块27、信号接发器28、锂离子蓄电池29、模块化仪器箱291、前主旋翼机构3、后主旋翼机构30、主旋翼叶片31、主旋转区32、主无刷电调33、主无刷电机34、前副旋翼机构4、后副旋翼机构40、前左副旋翼机构401、前右副旋翼机构402、后左副旋翼机构403、后右副旋翼机构404、副旋翼叶片41、副旋转区42、副无刷电调43、副无刷电机44、副曲连接杆45、方形履带轮5、驱动杆51、转向舵机52、方形轮板53、主动轮54、橡胶履带55、减速电机56、前履带轮57、后履带轮58、大扭力舵机59、伸缩装置6、辅助舵机61、伸缩杆62、步进电机63、齿轮64、辅助轮65、外延旋翼机构7、外延旋翼叶片71、外延旋转区72、外延杆73、高清摄像头8、超声波传感器9。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1—图6，一种可自主上壁的飞行爬壁机器人，包括机器人壳体2及其上设置的旋翼装置；

所述旋翼装置包括与机器人壳体2的顶面相连接的前主旋翼机构3、后主旋翼机构30，以及与机器人壳体2的侧面相连接的前副旋翼机构4、后副旋翼机构40；所述前主旋翼机构3、后主旋翼机构30的结构一致，均包括主旋翼叶片31，所述前副旋翼机构4、后副旋翼机构40的结构一致，均包括副旋翼叶片41，所述主旋翼叶片31所在的主旋转区32与机器人壳体2的顶面相平行，所述副旋翼叶片41所在的副旋转区42与机器人壳体2的顶面相垂直；

所述机器人壳体2的四角各经一根驱动杆51与转向舵机52相连接，转向舵机52的输出端与方形履带轮5相连接；

所述机器人壳体2的前端的两侧各开设有一个开口槽21，该开口槽21的槽壁与辅助舵机61相连接，辅助舵机61的输出端与伸缩装置6相连接，该伸缩装置6包括一根伸缩杆62；

所述机器人壳体2上设置有一个飞行控制器22，该飞行控制器22与前主旋翼机构3、后主旋翼机构30、前副旋翼机构4、后副旋翼机构40、转向舵机52、方形履带轮5、辅助舵机61、伸缩装置6进行信号连接。

所述前副旋翼机构4包括前左副旋翼机构401与前右副旋翼机构402，所述后副旋翼机构40包括后左副旋翼机构403与后右副旋翼机构404，所述前左副旋翼机构401、前右副旋翼机构402、后左副旋翼机构403、后右副旋翼机构404各经一根副曲连接杆45与机器人壳体2的侧面相连接，所述前左副旋翼机构401、后左副旋翼机构403均位于机器人壳体2的左侧，所述前右副旋翼机构402、后右副旋翼机构404均位于机器人壳体2的右侧。

所述前左副旋翼机构401、前右副旋翼机构402、后左副旋翼机构403、后右副旋翼机构404的结构一致，都包括副旋翼叶片41、副无刷电调43与副无刷电机44，所述副无刷电机44的底端经副曲连接杆45与机器人壳体2的侧面相连接，副无刷电机44的侧围与副旋翼叶片41的内端相连接，且副无刷电机44经副无刷电调43与飞行控制器22进行信号连接。

所述伸缩装置6包括步进电机63、伸缩杆62、齿轮64与辅助轮65，所述步进电机63的内端与辅助舵机61的输出端相连接，步进电机63的输出端与齿轮64相连接，齿轮64与伸缩杆62的侧面相啮合，伸缩杆62的底端与辅助轮65相连接；所述步进电机63与飞行控制器22进行信号连接。

所述机器人壳体2的顶面上开设有前安装洞23与后安装洞24，前安装洞23、后安装洞24内各设置有一个安装支架25，该安装支架25与前主旋翼机构3或后主旋翼机构30相连接；

所述前主旋翼机构3、后主旋翼机构30的结构一致，均包括主旋翼叶片31、主无刷电调33与主无刷电机34，所述主无刷电机34的底端与安装支架25相连接，主无刷电机34的侧围与主旋翼叶片31的内端相连接，主无刷电机34经主无刷电调33与飞行控制器22进行信号连接。

所述机器人壳体2的左、右侧面上位于前安装洞23、后安装洞24之间的部位各经一根外延杆73与外延旋翼机构7相连接，该外延旋翼机构7中外延旋翼叶片71所在的外延旋转区72与机器人壳体2的顶面相平行。

所述机器人壳体2上位于前安装洞23、后安装洞24之间的部位上设置有设备箱26，该设备箱26内设置有GPS模块27、信号接发器28与飞行控制器22。

所述方形履带轮5包括方形轮板53、主动轮54、橡胶履带55与四个减速电机56，所述方形轮板53的背面与转向舵机52的输出端相连接，方形轮板53的正面与减速电机56的内端相连接，减速电机56的输出端与主动轮54相连接，主动轮54的侧围上缠绕有橡胶履带55；所述减速电机56与飞行控制器22进行信号连接。

一种上述可自主上壁的飞行爬壁机器人的使用方法，其包括自主上壁工艺，该自主上壁工艺包括以下步骤：先由飞行控制器22驱动方形履带轮5运行，位于机器人壳体2前、后端的方形履带轮5分别命名为前履带轮57与后履带轮58，以驱使本机器人沿地面11向竖直墙面1前进，直至前履带轮57与竖直墙面1接触为止，再由飞行控制器22经辅助舵机61驱动伸缩装置6旋转，以使伸缩装置6与地面11垂直，再驱使伸缩杆62持续伸长，直至伸缩杆62将前履带轮57抬离地面11，在抬离的过程中，前履带轮57与竖直墙面1保持接触，后履带轮58与地面11保持接触，飞行控制器22驱动前主旋翼机构3、后主旋翼机构30运行，直至后履带轮58同时与竖直墙面1、地面11贴合时，再由飞行控制器22经辅助舵机61驱动伸缩装置6旋转，以将伸缩装置6收容在机器人壳体2的底部，然后由飞行控制器22驱动前主旋翼机构3、后主旋翼机构30、前副旋翼机构4、后副旋翼机构40运行，以为本机器人提供上升力与对竖直墙面1的压力，直至后履带轮58离开地面11，至此，所述自主上壁工艺完成。

所述使用方法还包括壁面转换工艺，该壁面转换工艺包括以下步骤：当本机器人爬行至竖直墙面1末端时，先由飞行控制器22控制前主旋翼机构3降低转速，后主旋翼机构30停止运行，并提高前副旋翼机构4、后副旋翼机构40的转速，再由转向舵机52驱使前履带轮57转动、由辅助舵机61驱使伸缩装置6转动，以使后履带轮58逐渐离开竖直墙面1，然后驱使后主旋翼机构30旋转，以为本机器人提供一个与其自身转动轨迹相切的指向竖直墙面1的力，直至后履带轮58转动至与天花板式墙壁12贴合后，再由飞行控制器22停止前副旋翼机构4、后副旋翼机构40的运行，并驱使前主旋翼机构3、后主旋翼机构30运行，以为本机器人提供上升力和垂直于天花板式墙壁12的压力，然后由辅助舵机61驱动伸缩装置6旋转，以将伸缩装置6收容在机器人壳体2的底部，至此，所述壁面转换工艺完成。

本发明的原理说明如下：

本发明中的伸缩装置6为一种可帮助本机器人完成上壁工艺的结构，其包括步进电机63、伸缩杆62、齿轮64与辅助轮65。应用时，辅助舵机61负责转动整个伸缩装置6的转动，步进电机63则负责驱动伸缩杆62、齿轮64进行相对啮合运动，以单方向的伸长伸缩杆62，从而完成伸缩杆62的伸缩旋转，并在方形履带轮5的配合下完成本机器人的姿态调整，使其完成自主上壁工艺与壁面转换工艺。在每完成一个工艺之后，伸缩装置6可收容在机器人壳体2的顶部或底部。

本发明在机器人壳体2上设置有设备箱26，设备箱26的上方设置有设备箱盖板261，设备箱26的内部设置有GPS模块27、信号接发器28与飞行控制器22。地面工作人员通过远程控制终端向信号接发器28发出控制信号，信号接发器28将信号解码后发送给飞行控制器22，飞行控制器22根据信号控制旋翼机构、伸缩装置、方形履带轮5，以做出相应运行状态的改变，并相互配合完成地面行走、自主上壁、壁面切换、爬壁行走等动作。

本发明还可在机器人壳体2的前端设置高清摄像头8和超声波传感器9。地面控制人员可通过高清摄像头8完成对本机器人附近环境的观察。超声波传感器9可采集到本机器人前端离墙面的距离，所得到的数据将通过信号接发器28发送至远程控制终端，地面控制人员可根据超声波传感器9采集到的距离信息判断是否发出上壁或壁面转换指令；也可在自动壁面转换模式开启时，飞行控制器22根据距离信息自动发出壁面转换指令，使本机器人自主完成上壁或壁面转换操作。

本发明中的飞行控制器22通过线材与其余设备进行信号连接。

实施例1：

自主上壁工艺，请参见图1至图3，包括以下步骤：

第一步：先驱动本机器人沿地面11行走，直至行进到待爬壁的竖直墙面1附近，再经飞行控制器22控制两个前履带轮57与竖直墙面1相接触；

第二步：飞行控制器22经辅助舵机61驱动伸缩装置6旋转，使伸缩装置6中的伸缩杆62与地面11垂直；

第三步：飞行控制器22经步进电机63带动齿轮64转动，以使带齿的伸缩杆62不断伸长直至其下端的辅助轮65与地面11接触，之后，带齿的伸缩杆62将继续伸长，直至将前履带轮57在接触竖直墙面1的同时抬离地面11，同时，飞行控制器22也将通过控制大扭力舵机59、减速电机56，使前履带轮57与竖直墙面1保持接触，后履带轮58与地面11保持接触，在整个上壁过程中，飞行控制器22将控制前主旋翼机构3、后主旋翼机构30不断加速旋转，为机器人提供爬壁所需的压力；

第四步：最后，当机器人的两个后履带轮58同时与竖直墙面1、地面11贴合时，飞行控制器22经辅助舵机61驱动伸缩装置6旋转，以将伸缩装置6收容在机器人壳体2的底部，同时，飞行控制器22驱动前主旋翼机构3、后主旋翼机构30、前副旋翼机构4、后副旋翼机构40运行，以为本机器人提供上升力与对竖直墙面1的压力，直至后履带轮58离开地面11；

第五步：至此，所述机器人的整个自主上壁工艺完成，机器人将在转向舵机52、方形履带轮5的驱动下完成多角度爬壁工作。

实施例2：

壁面转换工艺，请参见图1至图4，包括以下步骤：

第一步：当机器人爬行至竖直墙面1末端时，可进行竖直墙面1与天花板式墙壁12之间的壁面转换，进行壁面转换时，先由飞行控制器22控制前主旋翼机构3降低转速，后主旋翼机构30停止运行（若有外延旋翼机构7，则其停止运行），同时，提高前副旋翼机构4、后副旋翼机构40的转速，此时，机器人在前主旋翼机构3、前副旋翼机构4、后副旋翼机构40提供的升力的作用下仍能保持稳定；

第二步：接下来，飞行控制器22将控制前履带轮57所对应的大扭力舵机59，以及伸缩装置6所对应的辅助舵机6，以使后履带轮58逐渐离开竖直墙面1，与此同时，后主旋翼机构30开始旋转，为机器人提供一个与其自身转动轨迹相切的指向竖直墙面1的力；

第三步：当后履带轮58转动至与天花板式墙壁12贴合后，飞行控制器22将控制前副旋翼机构4、后副旋翼机构40停止转动，只留前主旋翼机构3、后主旋翼机构30运行，以为本机器人提供升力和垂直于天花板式墙壁12的压力，再由辅助舵机61驱动伸缩装置6旋转，以将伸缩装置6收容在机器人壳体2的底部，最终，本机器人在转向舵机52、方形履带轮5的驱动下完成沿天花板式墙壁12的多角度爬壁。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。