[发明专利]多级串联可扩展式干粘附轮足爬壁机器人及其运动方法

说明书

本发明涉及一种多级串联可扩展式干粘附轮足爬壁机器人及其运动方法，属于机器人应用技术领域。该机器人包括N个轮式爬壁单元通过磁性连接弹簧（B）串联组成。上述轮式爬壁单元包括一个底板（1）、安装于底板（1）前部的摄像头云台，分别安装于底板（1）中部左、右两侧的轮式机构，以及分别安装于底板（1）后部左、右两侧的牛眼轮机构。本发明能够适应地面、倾斜面甚至天花板表面，实现机器人轮足与壁面作用时稳定附着、地壁过渡、转弯等功能。

技术领域

本发明属于机器人应用技术领域，具体涉及一种多级串联可扩展式干粘附轮足爬壁机器人及其运动方法，主要作为自然环境下的地面、壁面等平面移动平台。

技术背景

机器人是传统机构学与近代电子技术相结合、多学科融合的高科技产物，是一种可以根据人工智能技术、预先编程受控于人类的可自动执行工作的机器装置。机器人技术的飞速发展一定程度上对传统工业产生了冲击，推动了科技的发展，与人类的社会生活也产生了紧密的联系，并成为衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标准。

爬壁机器人是移动机器人的一个重要分支，又叫做壁面移动机器人，可在垂直墙壁攀爬并完成工作。根据结构的不同可将爬壁机器人主要分为以下几种：足式爬壁机器人、履带式爬壁机器人、以及轮式爬壁机器人。足式爬壁机器人越障能力较强且环境适应性较好，但其结构相对复杂、速度慢、控制难；履带式爬壁机器人结构简单易操控、负载能力较强，但不易转弯，且能耗高、壁面适应性差；轮式爬壁机器人运动速度快、稳定性好。

国内外较多科研机构都展开了关于轮式爬壁机器人的研究，美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University）研制了一款轮式爬壁机器人Mini-Whegs。该机器人是一款轮式驱动机器人，每个轮子有四个支架用于附着有MSAMS（mushroom-shapedadhesive microstructure）粘附材料，运用轮式结构的转动实现吸附和脱附运动，实现了从水平面到竖直面、从竖直面到负表面的内角过渡，且能够在倒置的光滑面稳定粘附运动。（K. A. Daltorio, A. D. Horchler, S. Gorb, R. E. Ritzmann and R. D. Quinn, Asmall wall-walking robot with compliant, adhesive feet, 2005 IEEE/RSJInternational Conference on Intelligent Robots and Systems, Edmonton, Alta.,2005, pp. 3648-3653）。但由于该机器人爬壁瞬时粘附材料与壁面接触面积较小，因此需大幅减轻自身重量，所能承受负载较小。卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University，CMU）研制了一款名为Waalbot的微小型机器人。该机器人为轮式移动机器人，由两个电机驱动分别驱动一组三脚轮，每个轮子上各有三个圆盘状脚垫，脚垫上带有干粘附材料，可以实现任意角度的快速转弯功能和壁面过渡。（Murphy M P, Sitti M. Waalbot: An agilesmall-scale wall-climbing robot utilizing dry elastomer adhesives[J]. IEEE/ASME transactions on Mechatronics, 2007, 12(3): 330-338.）。但由于该机器人圆盘状的脚垫结构，导致机器人脱附运动较为困难。迪士尼研究中心和苏黎世联邦理工学院联合开发了一款轮式机器人VertiGo，具有轻量级碳纤维框架，两个独立的倾斜推进器以及四个3D打印的轮子。地面运动时，后面支柱和地面垂直，提供足够的水平推力，将机器带入各种地形。壁面运动时，前面的推进器推进并且向上倾斜，将机器人的前端向上推进，后面的支柱持续推进后端向前。（Arigoni M, Simpson R, Fuhrer S, et al. Vehiclesconfigured for navigating surface transitions: U.S. Patent 10,464,620[P].2019-11-5.）。但由于采用推进器提供附着力，噪声较大且稳定性较差。目前为止，轮式爬壁机器人稳定粘/脱附、地壁过渡，快速转弯等功能有限，而一种多级串联可扩展式干粘附轮足爬壁机器人及其运动方法尚未报道过，也并未展开过研究。