应用于爬壁机器人的反推力与负压力复合吸附方法及其实现技术

本发明专利技术涉及一种应用于爬壁机器人的反推力与负压力复合吸附方法及其实现。当爬壁机器人的吸盘（１）与壁面接触时，导流涵道内高速旋转的螺旋桨（３）使得气流从吸盘（１）与壁面间的缝隙处进入吸盘（１）的腔体（４）内，再通过吸盘（１）的顶部的螺旋桨（３）所处的导流涵道（５）排出，形成吸盘（１）内处于负压状态所产生的吸附力与涵道内的螺旋桨（３）高速旋转所得到的反向推力的叠加效应，使机器人吸盘（１）与壁面的吸附力处在足够的阈值之内。保证机器人既能动态吸附在墙面上，同时也能灵活移动。应用本发明专利技术的原理及其实现方法可使爬壁机器人小型轻量化，低噪音，节能，无需复杂的吸盘密封装置，越障能力强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种爬壁机器人与壁面的吸附方法，尤其是一种采用反推力与负压吸附的爬壁机器人非线性复合吸附方法及其实现。
技术介绍
爬壁机器人是能够代替人类工作在危险的，以及不易达到的垂直壁面等极限环境下作业的机器人，如可用于高楼外墙表面清洁和墙壁表面建筑质量的检测，从高楼外部对楼内可疑房间实施反恐侦察监视等。 爬壁机器人一般依靠某种吸附力而使其可靠地附着在壁面上，并能在壁面上移动，在这里，如何可靠吸附是非常关键的。目前，对于爬壁机器人的吸附方式一般有磁吸附、真空吸附方式、负压吸附方式、螺旋桨旋转产生的推力吸附方式和利用粘性材料吸附方式等。其中磁吸附方式的爬壁机器人只能用于导磁性的壁面，应用局限性大。真空吸附方式适合腿式移动的爬壁机器人，移动速度很慢，并且机器人体积庞大，不利于携带。负压吸附方式虽然移动比较灵活，但是对壁面的要求很高，如果壁面上存在较大沟壑或者较大凸起，那么机器人将无法通过。此外，负压吸附方式的爬壁机器人对吸盘腔的密封条件要求苛刻。利用粘性材料对壁面进行吸附的机器人，还出于研究室阶段，其不足在于无法解决材料的清洁或者自清洁的问题。 在原理上与本专利技术最为接近的是采用螺旋桨旋转产生的推力进行吸附的爬壁机器人(Akira Nishi等人，宫崎大学，1991)，如附图1所示。采用该原理的机器人使用的螺旋桨轴线与壁面须保持一定夹角，螺旋桨推力的垂直分量用于平衡重力，对推力的利用效率高；对机器人的姿态及运动控制方法复杂。 综上所述，爬壁机器人在壁面上吸附可靠性差、灵活移动性差和越障能力弱的问题，实现难度大，可靠性低。
技术实现思路
本专利技术提出一种综合利用负压吸附和反向推力作用的非线性复合吸附方法及其实现，可提高爬壁机器人吸附可靠、灵活移动和越障的能力。 本专利技术的目地在于提供一种结构简单，无需吸盘密封和具有壁面强的适应能力的、应用于爬壁机器人的一种复合吸附方法及其实现。 本专利技术所述吸附方法为利用导流涵道内高速旋转的螺旋桨两侧的相对速度差异造成的静压差，产生反向推力，此时螺旋桨入流处的负压腔内的压力低于吸盘外部的大气压力，使吸盘的负压腔内产生一定的负压，从而得到大气压对吸盘的正压力；反向推力与正压力的复合效应就是对壁面的吸附力；当吸附力处在足够的阈值之内，即不低于吸附力的临界吸附力时(临界情况为在吸附力的作用下，机器人移动装置与壁面之间的摩擦力与系统总重力相平衡)，可吸附于壁面上。 实现本专利技术吸附方法的装置包括吸盘、螺旋桨、负压腔、导流涵道和缝隙调节装置；吸盘与导流涵道无缝连接，吸盘在导流涵道入流处四周将其包围，吸盘与壁面之间形成的空间为负压腔，吸盘与壁面之间装有缝隙调节装置，该装置与壁面接触，可以调节吸盘与壁面的距离；螺旋桨放置于涵道内，且二者轴线重合，螺旋桨轴线与壁面垂直；处于工作状态时，导流涵道内的螺旋桨高速旋转，使得气流从吸盘与壁面的缝隙进入负压腔体内，而通过吸盘中央的导流涵道排出，形成吸盘内处于负压状态所产生的吸附力与导流涵道内的螺旋桨高速旋转所得到的反向推力的叠加效应，从而使机器人吸盘对壁面的总吸附力处在足够的阈值之内。即不会低于吸附力的临界吸附力。再通过合理设置缝隙调节装置，使吸盘与壁面保持最佳距离，可以使该总吸附力达到极大值。当机器人跨越较大障碍时，也能使其在壁面上处于类似“浮动”的状态，保证机器人既能动态吸附在墙面上，同时也能灵活移动。本专利技术技术方案中的螺旋桨可以为一片或多片，即为了提高总吸附力，或者为了取得同样的推力并提高效率，还可以采取螺旋桨级联的方式，既可以在涵道内沿轴向串联多个螺旋桨，也可使多个螺旋桨均布于吸盘平面。 下面对本
技术实现思路
作进一步定量分析。假设作用在吸盘有效面积S上的、对壁面的压力(吸附力)为Fs，因吸盘腔内为由负压状态而产生的、大气压对吸盘的压力为Fp，螺旋桨产生的压力为Ft，那么有下面的方程成立 Fs＝Fp+Ft 其中上面方程中的压力Fs是一个函数，与机器人吸盘与壁面间的气隙、气体流量、流速参数等有关。 本专利技术物理组成包括产生推力的螺旋桨，利用负压效果的吸盘，起导流作用的涵道，承受总吸附力的支撑装置(可以为轮子或履带等)。 对机器人外壳及叶轮在轴向列静力学平衡方程，有 Fs＝Fp+Ft (a) 其中，Fs为总吸附力，Ft为螺旋桨推力，Fp为负压力。负压力为吸盘S2上的分布力为 其中，P0为大气压力，P(x，y)为吸附系统内静压强分布函数。 对系统内流体在轴向列动量方程，则 其中， 为流体轴向速度矢量，ρ为流体密度，认为是常数。S1为吸盘覆盖壁面上表面，S2为吸盘内表面(厚度忽略)，S3为涵道流体出口圆平面。 利用雷诺输运定理展开(c)式等号左项，则 其中， 为流体速度矢量。V为吸附系统流体总量，S为V的边界。由于系统正常工作时，螺旋桨匀速转动，根据对称性，(d)式等号右边第一项为0，又由于仅S3处流体有轴向速度，且S3为圆面，推导(d)式等号右边第二项，则有 其中，i为轴向单位矢量。联立(a—e)得到总吸附力表达式，有 从(f)式可以定性的分析吸盘与壁面缝隙高度h对总吸附力的影响当h过小时，造成流体阻尼增大，影响流量，从而大大限制了S3处的轴向速度ua，故(f)表达式右边第一项受影响，造成总吸附力下降。当h过大时，虽然流量可得到保证，但是由于吸盘横截面积过大而使吸盘下流体速度下降，从而增大S1处的流体静压，故(f)表达式右边第三项过大，亦可造成总吸附力下降。在实际应用中，合理设置h大小，可以得到一个最大的总吸附力，见附图2。 吸盘设计有负压腔和涵道，螺旋桨与安装在吸盘的涵道内。依靠螺旋桨两侧的相对速度差异产生静压差，静压差则造成推力的产生，同时负压腔内的压力也相应低于吸盘外部的大气压力，使吸盘的负压腔内产生一定的负压，从而得到大气压对吸盘的正压力。反向推力与正压力的复合效应就得到爬壁机器人与壁面的吸附力。 本专利技术的有益之处在于将螺旋桨反向推力与负压吸附结合起来，从而使二者优势互补，彼此取长补短，发挥最大效能。与
技术介绍
中的负压吸附方式相比，本专利技术方案不需要复杂的吸盘密封结构，对壁面适应能力强，可大大提高爬壁机器人在壁面上移动时的越障能力；与真空吸附方式相比，在壁面上移动更为灵活；与Akira等人提出的螺旋桨推力吸附方法相比，本专利技术螺旋桨轴线与壁面垂直，便于控制机器人运动姿态，降低设计与制造难度，提高系统可靠性。 附图说明 图1螺旋桨推力吸附方式； 图2是本专利技术的吸附原理分析图； 图3是本专利技术实施例的三维图； 图4是本专利技术实施例的多级螺旋桨片串联实现结构图； 其中1-吸盘，2-壁面，3-螺旋桨，4-负压腔，5-导流涵道，6-缝隙调节装置。 具体实施例方式 当本方法用于爬壁机器人时，结合附图2、附图3和附图4，一种实施方式可以描述为螺旋桨轴线与壁面垂直，用于提供轴向气流和反推力，位于螺旋桨入流处的吸盘用于提供负压吸力，吸盘上带有产生负压的负压腔和导流涵道，螺旋桨位于导流涵道内，与电动机的输出轴配合连接，吸盘与导流涵道口为一体无缝连接。当爬壁机器人的吸盘1在壁面2上处于工作状态时，螺旋桨电动机驱动导流涵道5内安装的螺旋桨3高速旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于爬壁机器人的反推力与负压力复合吸附方法，其特征在于，利用导流涵道内高速旋转的螺旋桨两侧的相对速度差异造成的静压差，产生反向推力，此时螺旋桨入流处的负压腔内的压力低于吸盘外部的大气压力，使吸盘的负压腔内产生负压，从而得到大气压对吸盘的正压力；反向推力与正压力的叠加就是对壁面的吸附力；当吸附力不低于临界吸附力时，可吸附于壁面上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高学山，李军，李科杰，朱炜，范宁军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]