一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人的制作方法

2021-02-06 23:02:42|

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[0001]
本发明属于爬壁机器人领域，具体涉及一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人。

背景技术：

[0002]
爬壁机器人把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，可在垂直壁面上附着爬行，并能携带工具完成一定的作业任务。爬壁机器人可以进行一些特殊工作，如高楼壁面清洗，石化储料罐外壁检测和维护，以及高楼事故中抢险救灾等。目前爬壁机器人的吸附方式真空负压吸附、磁吸附、仿生吸附和静电吸附等。但是真空负压吸附对壁面粗糙度要求高，壁面凹凸不平很容易使吸附失效；磁吸附方式只能应用到磁性材料壁面；仿生吸附式对于吸附足的加工精度要求高，难以生产；目前的静电吸附是一种热门的爬壁机器人吸附方式。目前的静电吸附爬壁机器人主要存在以下问题：
[0003]
1、现有的静电吸附式爬壁机器人需要额外设计静电高压发生器，静电高压发生器还要配备相应的锂电池电源，使得爬壁机器人的结构较为复杂，重量较大，削弱了爬壁机器人的负载能力。
[0004]
2、现有的静电吸附式爬壁机器人的柔性电极多采用聚酰亚胺膜(pi膜)作为柔性电极的绝缘层，在两层pi膜中间包夹一层铜箔电极作为柔性电极吸附壁面。但是pi膜自身无粘性，过薄时易被电场击穿，所以无法加过高电压，所以产生的静电吸附力较小。
[0005]
3、现有的静电吸附爬壁机器人多为履带式静电吸附爬壁机器人，可以稳固的在壁面上行走，但是在转弯时履带式静电吸附爬壁机器人电极面会与壁面发生磨蹭现象，破坏静电吸附力，导致机器人掉落壁面。足式的爬壁机器人转弯灵活，但是由于吸附电极与壁面间存在残余吸附力，断电短时间内足与壁面还有吸附力，无法流畅抬足移动。
[0006]
因此研发一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人可以解决上述问题的同时还可以使爬壁机器人可以灵活的完成直行，转弯和停止的功能是很符合实际需要的。

技术实现要素：

[0007]
本发明为了解决现有静电吸附式爬壁机器人由于自身重量较大，削弱了爬壁机器人的负载能力问题；静电式爬壁机器人由于电极过薄容易被电场击穿，丧失吸附力的问题；以及履带式静电吸附爬壁机器人在转弯时履带式静电吸附爬壁机器人电极面会与壁面发生磨蹭现象，破坏静电吸附力，导致机器人掉落壁面的问题，进而提供一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人；
[0008]
一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，所述机器人包括两个足式结构和一个连接组件；
[0009]
所述两个足式结构通过一个连接组件相连，且连接组件的每端与一个足式结构转动连接；
[0010]
所述足式结构包括足板，足板的下表面上贴附有一层柔性电极，柔性电极通过导
线与贴附在连接组件上的高压模块相连，足板的上表面还安装有一号舵机，一号舵机中输出轴的轴线垂直与足板上表面设置，一号舵机中输出轴的端部与连接组件的一端固定连接；
[0011]
进一步地，所述连接组件包括两个连接板和一个连接轴，所述两个连接板通过一个连接轴铰接，每个连接板的下表面加工有一条嵌槽，每个一号舵机中输出轴的端部设置在对应连接板上的一条嵌槽中，且每个一号舵机中输出轴的端部与一个连接板固定连接；
[0012]
进一步地，所述柔性电极为硅胶膜柔性电极，硅胶膜柔性电极包括三层结构，上下两层结构均为硅胶膜，中间层为铜箔；
[0013]
进一步地，所述高压模块为plzt光电高压驱动模块；
[0014]
进一步地，所述足板的上表面加工有若干条条形槽，一号舵机的壳体设置在相邻两条条形槽之间形成的肋板上；
[0015]
进一步地，所所述足式结构还包括抬足机构，抬足机构设置在足板的上表面上，且抬足机构远离一号舵机设置；
[0016]
进一步地，所述抬足机构包括二号舵机、转向盘和支撑单元；
[0017]
所述二号舵机设置在足板中相邻两条条形槽之间形成的肋板上，且二号舵机的壳体与足板固定连接，二号舵机中输出轴的轴线与足板的上表面平行设置，转向盘套装在二号舵机的输出轴上，且二号舵机带动转向盘转动，支撑单元设置在足板上远离二号舵机一侧的边缘处，且转向盘与支撑单元传动连接；
[0018]
进一步地，所述转向盘的端面上加工有一个传动槽，支撑单元设置在传动槽中，转向盘通过传动槽与支撑单元传动连接；
[0019]
进一步地，所述支撑单元包括横杆、n个竖杆和n个定位套筒，n为正整数；
[0020]
所述横杆设置在转向盘上的传动槽内，且横杆的轴线与转向盘的端面垂直设置，n个竖杆沿横杆的长度方向等距套装在横杆上，n个定位套筒沿足板的长度方向的等距嵌装在足板上，且每个竖杆的轴线与横杆的轴线垂直设置，且每个定位套筒的轴线与足板的上表面垂直设置，每个定位套筒与一个竖杆对应设置，每个竖杆的末端插入在一个定位套筒中，且每个定位套筒的内径大于竖杆的端面直径，每个竖杆可沿所在定位套筒的轴线延伸方向进行滑动；
[0021]
进一步地，所述n的取值范围为1-4个。
[0022]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0023]
1、本发明提供了一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，通过利用plzt驱动的高压模块代替传统的电源加高压模块为机器人提供高压静电的组成方式，实现了高压模块的轻质化，简化了机器人的结构，减轻了机器人的质量，增大了机器人的负载能力。
[0024]
2、本发明提供了一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，通过光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人设计解决了目前的足式爬壁机器人抬足移动困难的问题，增大了爬壁机器人的爬壁速度。爬壁机器人运动控制系统设计令爬壁机器人可以灵活的完成直行，转弯和停止功能，并且能够根据目前的舵机状态判断爬壁机器人目前的姿态。
[0025]
3、本发明提供了一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，其中所用的柔性电极为硅胶膜电极，在电场中不易被击穿，保证了爬壁机器人静电吸附墙体过程中的稳定性。
[0026]
4、本发明提供了一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，通过利用舵机来实现爬壁机器人的转向，利用抬足机构在机器人抬足过程中提供有效支撑，以及对机器人整体进行辅助定位，保证了机器人在爬壁运动过程中的稳定性。
附图说明
[0027]
图1为本发明的整体结构的轴侧示意图；
[0028]
图2为本发明的整体结构的主视示意图；
[0029]
图3为本发明的整体结构的侧视示意图；
[0030]
图4为本发明的整体结构的俯视示意图；
[0031]
图5为本发明中连接组件的示意图；
[0032]
图6为本发明中支撑单元的示意图；
[0033]
图7为本发明中所述机器人抬足示意图；
[0034]
图8为本发明所用控制系统硬件工作示意图；
[0035]
图9为本发明工作时的主程序结构框图；
[0036]
图10为本发明工作时姿态判断程序框图；
[0037]
图11为本发明所述机器人迈步模式流程图；
[0038]
图12为本发明所述机器人直行程序框图；
[0039]
图13为本发明所述机器人左转示意图；
[0040]
图14为本发明所述机器人左转程序框图；
[0041]
图15为本发明所述机器人停止程序框图；
[0042]
图16为本发明所述机器人中断程序框图；
[0043]
图17为本发明中plzt高压模块工作原理示意图；
[0044]
图中包括1足板、2一号舵机、3连接组件、31连接板、32连接轴、4支撑单元、41横杆、42竖杆、43定位套筒、5二号舵机、6转向盘、7绝缘层和8电机与壁面之间的空气层。
具体实施方式
[0045]
具体实施方式一：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式提供了一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，所述机器人包括两个足式结构和一个连接组件3；
[0046]
所述两个足式结构通过一个连接组件3相连，且连接组件3的每端与一个足式结构转动连接；
[0047]
所述足式结构包括足板1，足板1的下表面上贴附有一层柔性电极，柔性电极通过导线与贴附在连接组件3上的高压模块相连，足板1的上表面还安装有一号舵机2，一号舵机2中输出轴的轴线垂直与足板1上表面设置，一号舵机2中输出轴的端部与连接组件3的一端固定连接；
[0048]
本实施方式中提供了一种光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人，通过光电混合驱动的足式静电吸附爬壁机器人设计解决了目前的足式爬壁机器人抬足移动困难的问题，增大了爬壁机器人的爬壁速度。爬壁机器人运动控制系统设计令爬壁机器人可以灵活的完成直行，转弯和停止功能，并且能够根据目前的舵机状态判断爬壁机器人目前的姿态。
[0049]
具体实施方式二：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式
一所述的连接组件3作进一步限定，本实施方式中，所述连接组件3包括两个连接板31和一个连接轴32，所述两个连接板31通过一个连接轴32铰接，每个连接板31的下表面加工有一条嵌槽，每个一号舵机2中输出轴的端部设置在对应连接板31上的一条嵌槽中，且每个一号舵机2中输出轴的端部与一个连接板31固定连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
[0050]
本实施方式中，两个连接板31分别与一个足式结构相连，两个连接板31通过连接轴32铰接，实现当一个足式结构通过静电吸附在墙上时，另一个足式结构可以相对于固定的足式结构形成抬足动作，避免了机器人在移动时足式结构中贴附的柔性电极与墙面发生剐蹭，破坏了电极结构，高压模块分为两块分别贴附在一个连接板31的上表面上，且每个高压模块通过导线与对应足式结构上的柔性电极通过导线相连。
[0051]
具体实施方式三：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的柔性电极作进一步限定，本实施方式中，所述柔性电极为硅胶膜柔性电极，硅胶膜柔性电极包括三层结构，上下两层结构均为硅胶膜，中间层为铜箔。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。
[0052]
本实施方式中，为了克服传统的pi膜制成的柔性电极吸附力小的问题，设计了硅胶膜柔性电极，其结构采用三层结构，上下层均为硅胶膜，中间层为铜箔(或铝箔)。吸附电极的设计利用了硅胶膜与壁面间的粘附力减小吸附电极与壁面间空气层厚度，增大机器人的足与壁面间的静电吸附力，并且这种力从壁面平行方向难以破坏，从垂直壁面方向容易破坏，能同时满足爬壁机器人承受更大负载和更容易抬足两个要求。采用铜箔(或铝箔)电极，比起碳涂层电极，减小了电极的内阻，可以增大电极的吸附力。
[0053]
具体实施方式四：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的高压模块作进一步限定，本实施方式中，所述高压模块为plzt光电高压驱动模块。其它组成及连接方式与具体实施方式三相同。
[0054]
本实施方式中，plzt是一种铁电陶瓷光电材料，在近紫外光的照射下，plzt可获得较大的光致伏特效应，在4/56/44plzt试样中，开路状态的电压输出为1.2kv/cm2，闭路状态的最大平衡电流输出值为0.9μa/cm2。由于理论上静电吸附所需的电压高但功率极低，plzt的这种光电特性可以为爬壁机器人提供静电吸附所需的高压静电；
[0055]
本方案具体的plzt光电压驱动高压模块采用上海硅酸盐研究所特制的plzt陶瓷片，plzt陶瓷片经过高温、高压极化后在其两电极表面镀铜，陶瓷片尺寸为20mm
×
20mm
×
1.5mm质量每片约1.8g，可利用光源对其进行远程无线控制。本方案采用紫外光源发出中心波长365nm的紫外光，利用紫外光照射plzt产生光电压，通过导线将plzt的正负两极分别连接至机器人两足底的柔性电极内部的铜箔上，在光电压作用下会使电极上产生大量的静电荷从而形成高压静电场将壁面极化产生与电极表面相反的极化电荷，从而与吸附电极上的电荷通过电场力发生相互作用，达到吸附的效果，其原理如图17所示。实验表明，通过调节光源光照强度可以控制光电压的大小，从而控制吸附电极与壁面间的静电吸附力。此外，将多片plzt并联后再与机械人两足的吸附电极连接可以提高静电吸附力的大小及其响应速度。
[0056]
具体实施方式五：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的足板1作进一步限定，本实施方式中，所述足板1的上表面加工有若干条条形槽，一
号舵机2的壳体设置在相邻两条条形槽之间形成的肋板上。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
[0057]
如此设置，为了减轻足板1本身的重量，其次便于通过条形槽进行走线，使位于足板1上部的高压模块和贴附与足板1下表面上的柔性电极通过导线相连。
[0058]
具体实施方式六：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述足式结构作进一步限定，本实施方式中，所述足式结构还包括抬足机构，抬足机构设置在足板1的上表面上，且抬足机构远离一号舵机2设置。其它组成及连接方式与具体实施方式五相同。
[0059]
本实施方式中，为了避免机器人一只足离开壁面后，另一只足难以保持稳定吸附，每只足加一个抬足机构，机器人一只足离开壁面后，依然有一个支撑，保证机器人平衡。同时，机器人抬足时，吸附电极整体一起脱离壁面，静电吸附力大，需要有足够的动力克服吸附力，支撑杆也是驱动机器人抬脚的支撑点。
[0060]
具体实施方式七：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述抬足机构作进一步限定，本实施方式中，所述抬足机构包括二号舵机5、转向盘6和支撑单元4；
[0061]
所述二号舵机5设置在足板1中相邻两条条形槽之间形成的肋板上，且二号舵机5的壳体与足板1固定连接，二号舵机5中输出轴的轴线与足板1的上表面平行设置，转向盘6套装在二号舵机5的输出轴上，且二号舵机5带动转向盘6转动，支撑单元4设置在足板1上远离二号舵机5一侧的边缘处，且转向盘6与支撑单元4传动连接。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
[0062]
本实施方式中，通过二号舵机6带动转向盘6转动，转向盘6带动支撑单元4沿足板1的厚度方向进行直线升降运动，实现了支撑杆的伸缩。
[0063]
具体实施方式八：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述转向盘6作进一步限定，本实施方式中，所述转向盘6的端面上加工有一个传动槽，支撑单元4设置在传动槽中，转向盘6通过传动槽与支撑单元4传动连接。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。
[0064]
如此设置，参照图1所示，初始是支撑单元4位于传动槽的一端，随着转向盘6的转动，支撑单元4也在传动槽中运动，由于传动槽是做周向运动，因此随着转向盘6的运动，支撑单元4的位置也逐渐升高，使原有的转动变为了直线运动。
[0065]
具体实施方式九：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八所述支撑单元4作进一步限定，本实施方式中，所述支撑单元4包括横杆41、n个竖杆42和n个定位套筒43，n为正整数；
[0066]
所述横杆41设置在转向盘6上的传动槽内，且横杆41的轴线与转向盘6的端面垂直设置，n个竖杆42沿横杆41的长度方向等距套装在横杆41上，且每个竖杆42的轴线与横杆41的轴线垂直设置，n个定位套筒43沿足板1的长度方向的等距嵌装在足板1上，且每个定位套筒43的轴线与足板1的上表面垂直设置，每个定位套筒43与一个竖杆42对应设置，每个竖杆42的末端插入在一个定位套筒43中，且每个定位套筒43的内径大于竖杆42的端面直径，每个竖杆42可沿所在定位套筒43的轴线延伸方向进行滑动。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。
[0067]
如此设置，本实施方中横杆41设置在转向盘6中，并随着转向盘6的转动进行直线运动，n个竖杆42中每个竖杆42的一端依次套装在横杆41上，并随着横杆41的运动而运动，定位套筒43起到导向作用，保证竖杆42在运动时，轴线可以始终与足板1保持垂直。
[0068]
具体实施方式十：参照图1至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式九所述竖杆42和定位套筒43的个数作进一步限定，本实施方式中，所述n的取值范围为1-4个。其它组成及连接方式与具体实施方式九相同。
[0069]
本实施方式中，竖杆42起到支撑作用，设置多个是为了保证支撑的稳定性。
[0070]
工作原理
[0071]
本发明主要由柔性电极、足式结构，抬足机构、连接组件和4个舵机组成。柔性电极位于足式结构下侧，粘贴在足式结构上，两足上吸附电极里面的铜箔分别通过导线与plzt的两电极相连，plzt粘贴在连接组件上，爬行时通过外加紫外光源照射产生光电高压，给柔性电极提供高压静电，产生吸附力。每一侧足式结构上装有两个舵机，一个舵机负责抬足机构的驱动，在爬壁机器人行走前，舵机转动带动支撑杆把足式结构从壁面上抬起，克服残余静电吸附力。另一个舵机与连接板相连，固定在足式结构上，在抬足机构把足抬起后，另一侧足上舵机转动，通过连接板带动要抬起足向前运动，然后抬足机构放下，完成前进一步，反复交替完成爬壁机器人爬行。
[0072]
该爬壁机器人的控制系统的硬件包括上位机和下位机。下位机由于机器人有4个舵机需要pwm信号控制，选择stm32f103单片机，32芯片有以下的优点：1.极高的性能：主流的cortex内核。2.丰富合理的外设，合理的功耗。3.强大的软件支持，编程可采用arm公司提供的库函数，简化了编程难度。上位机采用蓝牙连接手机进行控制，选用hc-06蓝牙芯片进行数据传输。工作流程如图7所示。蓝牙和手机连接，接收手机命令，传送给单片机；单片机通过蓝牙芯片告诉手机“命令接收”，并且调整i/o口输出的pwm信号来控制舵机运动。
[0073]
爬壁机器人的控制系统有直行、转弯和停止功能。开机后，先复位各个舵机，然后等待命令；接收到命令后，进入中断，根据接收的信号决定运动方式，结构框图如图8所示。当运动函数执行完毕后，机器人进入待命状态，等待下一命令。
[0074]
在机器人的中断程序里面会改变机器人的运动状态，为了使机器人能够顺利的在不同的运动状态之间切换，在中断程序里面需要判断当前机器人的姿态。机器人的姿态有以下的七种：
[0075]
1.状态1：正常姿态，各个舵机在原位；
[0076]
2.状态2：左脚抬起，没有迈出；
[0077]
3.状态3：左脚抬起，已经迈出；
[0078]
4.状态4：右脚抬起，没有迈出；
[0079]
5.状态5：右脚抬起，已经迈出；
[0080]
6.状态6：左脚迈出一步，没有抬起；
[0081]
7.状态7：右脚迈出一步，没有抬起。
[0082]
舵机是用pwm信号控制的，在不同的姿态下，四个舵机的角度各不相同，可以通过测量舵机控制信号来判断舵机当前的状态，进而判断当前机器人的姿态。程序框图如图10所示。
[0083]
(1)直行控制设计
[0084]
机器人直行是两足交替向前运动，为了防止舵机走到极限位置处，在迈步之前，需要将那只移动足上的迈步舵机先复位。机器人的走路模式如图11所示。
[0085]
进入直行程序后，对应机器人当前不同的姿态，机器人当前的程序执行也有所区别，姿态的判断在中断程序中已经完成。在判断了机器人当前状态后，机器人要根据机器人的当前状态跳转到相应的动作。综上所述，可以确定直行的程序框图如图12所示。每一个动作命令后都要等待一定时间，使得舵机有时间做出动作，不会出现运动的冲突。直行程序是在不断的循环的，使得机器人可以不断的前进。当机器人在执行直行程序时，收到了其他的命令信号，机器人会结束直行程序，转而去执行其它的命令。
[0086]
(2)转弯控制
[0087]
由于左右转弯相似，以左转为例，机器人左转时，右脚抬起、旋转90
°
、落下；抬起左脚、复位、落下，运动方式图如图13所示。
[0088]
机器人在不同的状态下也要对应不同的起始动作。如图14所示，介绍了原始状态时的左转方式，不同状态下左转程序的开始动作也不同。
[0089]
(3)停止控制设计
[0090]
机器人在直行时，可以通过上位机向其发送停止信号使其进入停止待命状态，根据机器人当前的不同状态，停止程序也会执行不同的动作。框图如图15。
[0091]
机器人执行停止程序时，会将双足放到壁面上，等待吸附力的恢复；然后，会进入待命状态，不再运动，而是等待下一个命令的到来。
[0092]
(4)中断程序设计
[0093]
机器人在接收数据完成后会产生中断信号，机器人会进入中断程序。在中断
[0094]
程序中，机器人会根据接收到的信号来生成一个命令参数，然后机器人判断当前的状态。根据判断的机器人当前状态，改变机器人的状态参数，在退出中断程序进入执行阶段后，机器人要根据状态参数来确定开始时的动作。中断程序框图如图16所示。为了防止受到外界信号的干扰，在中断函数执行前进行一个判定用来确定是否收到了特定的信号，只有在受到特定信号的条件下才能执行下一步的程序。

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