本發明涉及爬壁機器人，具體是一種內墻角攀爬機器人。

背景技術：

爬墻機器人可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業，爬壁機器人又稱為壁面機器人，因為垂直壁面作業超出人的極限，因此在國外又稱為極限機器人。

爬壁機器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，要實現機器人爬壁的功能，吸附技術是核心。傳統爬壁機器人有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三種吸附形式。真空吸附方式具有不受壁面材料限制的優點，但當壁面凸凹不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力和承載能力明顯下降。磁吸附法可分為電磁體和永磁體兩種，電磁體式維持吸附力需要電力，但控制較方便。永磁體式不受斷電的影響，使用中安全可靠，但控制較為麻煩。磁吸附方式對壁面的凸凹適應性強，且吸附力遠大于真空吸附方式，不存在真空漏氣的問題，但要求壁面必須是導磁材料，因此嚴重地限制了爬壁機器人的應用環境。攀援式吸附是通過抓住或勾住壁面的突起實現爬壁，這種方式要求壁面粗糙，對于光滑壁面則不合適。

現有技術中，對上述這些爬墻機器人的研究主要集中在垂直墻面的吸附功能上，但一直以來都存在一些運用缺陷：采用磁吸附方式的爬墻機器人對墻面有特殊要求，適用范圍??；采用真空吸附方式的爬墻機器人需要大功率部件來產生負壓；采用仿生壁虎腳方式的爬墻機器人行走效率低。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種內墻角攀爬機器人，其結構簡單，控制方便，能夠解決現有技術中爬墻機器人需要復雜吸附技術的問題。

本發明的技術方案如下：

一種內墻角攀爬機器人，其包括機身和驅動裝置，其還包括對稱設置在所述機身兩側的行動輪，所述驅動裝置輸出連接有傳動裝置，所述傳動裝置與所述行動輪之間連接有萬向部件；

萬向部件調節行動輪的朝向，使行動輪緊貼內墻角的兩墻面轉動時，行動輪與所述兩墻面之間產生摩擦力F，該摩擦力F具有朝向內墻角的陰角線且與陰角線垂直的分量以及豎直向上的分量，當所述摩擦力F豎直向上的分量大于機器人的重力時，機器人以一定的加速度向上攀爬；當摩擦力F豎直向上的分量等于機器人的重力時，機器人的狀態為勻速向上攀爬、勻速下降、懸停在內墻角的兩墻面上中的一種；當所述摩擦力F豎直向上的分量小于機器人的重力時，機器人以一定的加速度沿墻面下降。

進一步的，所述內墻角為90°，所述機身兩側的行動輪沿內墻角的陰角線對稱分布；當機器人懸停在內墻角的兩墻面上時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線垂直，調節行動輪的轉速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量等于機器人的重力；當機器人沿兩墻面加速向上攀爬時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調節行動輪的轉速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量大于機器人的重力；當機器人沿兩墻面勻速向上攀爬或下降時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調節行動輪的轉速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量等于機器人的重力；當機器人沿兩墻面加速下降時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調節行動輪的轉速，使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F豎直向上的分量小于機器人的重力。

進一步的，所述驅動裝置為電機，所述傳動裝置為傳動軸，所述萬向部件為萬向節，所述行動輪為兩對且每對行動輪之間采用左右同軸結構。

進一步的，還包括遙控裝置，所述遙控裝置通過萬向節調控行動輪的朝向、通過調節電機的轉速調控行動輪的轉速。

本方案利用內墻角的特殊結構，通過調節行動輪的朝向和轉動，使攀爬機器人與墻面之間產生摩擦力F，利用摩擦力F豎直方向上的分量，來實現攀爬機器人的運動或懸置，實現了無需磁吸附或者負壓式吸附等吸附技術就能使攀爬機器人吸附在墻面上。本攀爬機器人結構簡單，體積小、重量輕，無需像磁吸式或者負壓式等復雜的吸附技術，便可完成機體在垂直平面上移動，也無需再加其余的動力裝置，控制簡單并且容易實現。

本方案針對常規的直角型內墻角結構，攀爬機器人采用對稱結構保證運動過程的穩定性。對于需要靜止懸停在墻面上的運行狀態，采用行動輪朝向與陰角線垂直的前提下，使攀爬機器人不具備上行的條件，在此設置下，只需要調整行動輪的轉速即可保證機器人“吸附”在墻面上。對于機器人的其余運動狀態，采用兩側的行動輪均朝向陰角線且與陰角線的夾角呈銳角，此時，固定所述夾角的角度，只調控行動輪的轉速，即可控制機器人的上行或下行，控制簡單可靠。

本方案的驅動裝置采用易受控的電機來實現，傳動裝置采用傳動軸來傳遞扭矩，萬向部件采用萬向節來方便調節行動輪的朝向，還采用四輪結構，每對行動輪左右同軸連接，使機器人左右受力均衡，利于保持平穩。依靠電機的轉動帶動行動輪轉動，行動輪與墻面之間有接觸，使得墻面對機器人的摩擦力有利于機器人上下移動，同時機身的剛性限制增加了行動輪和墻面之間的作用力，增加了摩擦力，實現了機身“吸附”在墻面上。

與現有的技術相比，本發明結構簡單，控制方便，無需復雜的傳統吸附技術，就達到行駛過程中動態平衡的目的。其不需要像磁吸式吸附對墻面有磁性要求，也不需要像負壓式吸附方式要求大功率負壓，具有很高的可靠性和簡潔性；并且運動速度快，控制比較簡單，比較容易實施。本發明效率高、能耗低、應用范圍廣，在配合遙控裝置的條件下，能夠廣泛適用于各種特殊的工作環境中，如高空作業機器人，救災機器人，偵測機器人等。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明在內墻角上的受力分析圖；

圖3為本發明一種具體實施例的正面結構示意圖；

圖4為圖3所示攀爬機器人爬內墻角的狀態示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。

針對建筑物都有內墻角的現象，本發明提出了一種依靠墻角的爬墻機器人，其作為一種結構簡單、穩定爬墻的行走機構，既不使用對墻面有局限的磁吸式也不采用大功率的負壓式吸附技術，而是依靠本體的驅動裝置3和墻面產生摩擦達到吸附墻面的目的。如圖1所示，本方案的攀爬機器人除機身和驅動裝置3外，還包括對稱設置在所述機身兩側的行動輪，所述驅動裝置3輸出連接有傳動裝置2，所述傳動裝置2與所述行動輪之間連接有萬向部件4。驅動裝置3產生動力，傳動裝置2將動力傳遞至行動輪，萬向部件4是實現變角度動力傳遞的機件，萬向部件4能夠改變行動輪的朝向。

需要爬墻時，在外部壓力作用下，行動輪緊貼內墻角的兩墻面轉動，行動輪與所述兩墻面α、β之間產生相對運動，由于行動輪與墻面接觸的弧面具有一定的彈性和較大的摩擦系數，墻面也不是絕對光滑的，因此，兩者之間產生具有豎直向上分量的摩擦力F，摩擦力F是機器人兩側的行動輪受到墻面對其摩擦力的矢量和。對機器人進行整體受力分析，可知，當所述摩擦力F豎直向上的分量大于機器人的重力mg時，機器人以一定的加速度向上攀爬；當摩擦力F豎直向上的分量等于機器人的重力mg時，機器人的狀態為勻速向上攀爬、勻速下降、懸停在內墻角的兩墻面上中的一種；當所述摩擦力F豎直向上的分量小于機器人的重力mg時，機器人以一定的加速度沿墻面下降。而摩擦力F朝向陰角線且與陰角線垂直的分量則是提供行動輪與墻面之間壓力的來源。

如圖2受力分析所示，按圖1所示結構，機身兩側各有一個行動輪，該兩行動輪且對稱設置，那么行動輪的圓周表面與內墻角的兩個墻面之間對應相切，行動輪11的直徑在墻面α上的投影線與兩墻面的交線L的夾角和行動輪12的直徑在墻面β上的投影線與交線L的夾角相等，即是兩行動輪的朝向與內墻角的陰角線的夾角相等。

當需要機器人攀爬內墻角，為使墻面產生摩擦力“吸附”機器人不掉落，行動輪按照圖1所示方向轉動，行動輪的朝向與陰角線的夾角為銳角，機器人所受作用力分析如圖2所示，行動輪11受到墻面α的摩擦作用力為F_f，行動輪12受到墻面β的摩擦作用力為F_r。F_f在墻面α上分解為F_f1和F_f2，F_r在墻面β上分解為F_r1和F_r2。其中，F_f2、F_r2為豎直向上，F_f1、F_r1分別位于平面α和平面β上且垂直于交線L(即陰角線)。F_f1、F_r1兩者的矢量和即是機器人對墻面的壓力(圖2所示方向朝內)，與墻面對機器人的FN_r、FN_l的矢量和抵消。F_f2、F_r2兩者的矢量和即是機器人受到的摩擦力F在豎直向上的分量，當F_f2、F_r2兩者的矢量和與機器人的重力平衡時，將使機身不下落。機器人在內墻角開始向上攀爬時，調節行動輪的朝向與陰角線的夾角，增加行動輪的轉速，摩擦力F增大到一定值時，F_f2、F_r2兩者的矢量和大于機器人的重力mg，機器人開始向上攀爬。

當需要機器人“吸附”在墻面上時，在豎直方向上應無速度矢量，此時，行動輪的朝向與陰角線垂直，行動輪仍按照如圖1所示方向轉動，行動輪轉動時，對墻面有擠壓產生摩擦力，擠壓力與墻面的支撐力抵消，摩擦力和重力抵消，實現了無需磁吸附或者負壓式吸附等吸附技術就能使機器人“吸附”在墻面上。

機器人在墻面上加速下降、勻速運動時，行動輪的朝向與陰角線的夾角仍為銳角，行動輪仍按照如圖1所示方向轉動，受力分析類似，這里不再贅述?？偨Y起來，維持機身向上攀升的條件是∑(F_f2，F_r2)≥mg；懸停的條件是∑(F_f2，F_r2)＝mg；下降的條件是∑(F_f2，F_r2)≤mg，可以通過調控行動輪的朝向與陰角線的夾角以及行動輪的轉速以調控∑(F_f2，F_r2)的大小。

通常，所述內墻角為90°，如圖3、4所示，所述機身兩側的四個行動輪沿內墻角的陰角線對稱分布。由于摩擦力F在豎直方向上的分量大小和行動輪的朝向與陰角線的夾角、行動輪的轉速有關，為調控方便，在機器人同一個運動過程中，如向上加速攀爬過程，保持行動輪的朝向與陰角線的夾角為一銳角值不變，甚至機器人的懸停、下落時，行動輪的轉動方向和攀升時相同且與陰角線的夾角一致。當夾角一定時，電機轉速越大，機身受到向上的作用力越大，但由于機械結構的限制，不可能無限增大，當達到和重力平衡時便滿足機身不下落；繼續增加轉速則實現攀升效果，降低轉速則實現下落效果，整個過程中行動輪朝向不變。具體來說，控制如下所述：

1、當機器人懸停在內墻角的兩墻面上時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線垂直，調節行動輪的轉速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量等于機器人的重力。

2、當機器人沿兩墻面加速向上攀爬時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調節行動輪的轉速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量大于機器人的重力。

3、當機器人沿兩墻面勻速向上攀爬或下降時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調節行動輪的轉速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量等于機器人的重力。

4、當機器人沿兩墻面加速下降時，其行動輪朝向內墻角的陰角線且與該陰角線的夾角呈一定值的銳角，調節行動輪的轉速使行動輪與所述兩墻面之間的摩擦力F在豎直向上的分量小于機器人的重力。

具體實施時，所述驅動裝置3采用可變速的電機，所述傳動裝置2采用傳動軸，所述萬向部件4采用萬向節，所述行動輪為兩對且每對行動輪之間采用左右同軸結構，使得左右受力均衡，保證行動輪具有一定的彈性和較大的摩擦系數。

為方便控制，采用遙控裝置控制萬向節，從而調控行動輪的朝向；遙控裝置也能方便地調節電機的轉速，從而調控行動輪的轉速。