以缆绳机构控制的爬壁机器人及其操控方法技术

本发明专利技术提供以缆绳机构控制的爬壁机器人及其操控方法，包括：以缆绳控制为定位依据，利用推导公式的计算，设计爬壁机器人的操控方法；由推导公式，利用传感器测量缆绳被拉出的长度来控制机器人行动的精度，计算得出机器人相对缆绳绞车原点的x,y,z坐标，该x,y,z坐标依所推导的公式可找出机器人行经路线的表面形状，也可找出机器人任何位置工作路线或区域所经过的曲面及扫描边界，所述扫描边界可提供机器人在行走时的路径规划，以便能将工程作业覆盖到曲面的扫描边界范围内，使工程作业无遗漏。本发明专利技术提供一种以缆绳机构来操控机器人的方法，既提高了爬壁机器人在立面上作业定位精确度，且不易受周围环境干扰，具有重量轻、吸附性强优点。性强优点。性强优点。

【技术实现步骤摘要】
以缆绳机构控制的爬壁机器人及其操控方法


[0001]本专利技术涉及空间定位
，特别地，涉及在立面工作的爬壁机器人的定位工作，具体而言，涉及以缆绳机构控制的爬壁机器人及其操控方法。

技术介绍

[0002]当前在各个工程
里，对于在竖直立面上的工程作业有相当多的需求，比如：大楼墙面清洗、大结构的立面切割和焊接等，都需要进行立面上的作业。
[0003]但是，这些立面上工程作业的最大困难在于定位的困难，定位困难使许多工程作业在自动化作业方面产生很大困难，只能依靠人工来完成，例如：大楼清洗要用吊笼放人下去、用人力清洗，船舶焊接、喷砂(或水刀、激光)清洗需要用脚手架承载工人让工人在高空施工，凡此种种需要立面定位的工程作业都让自动化难以展开。
[0004]自动化的第一步必须要在机器人左右、上下移动做某些加工动作时，能够精确地确定机器人在任何时间所处的位置。而且，也要确定机器人在此位置时所有的加工工具(焊接、喷、水刀或激光清洗头等)的工作区域的位置。
[0005]现阶段最常用到空间定位的作业设备是无人机，无人机除了利用GPS技术进行定位以外，通常为进一步增加定位精度而采用所谓的实时动态技术(RTK:Real Time Kinematic)或动态后处理技术(PPK:post processed kinematic)，来做GPS定位校正技术，可在无人机现场测量和捕获图像时对位置数据进行校正。然而，无论RTK或PPK技术均需要建立一个基准站，基准站将接收到的卫星信号通过无线通信网实时发送给移动站，以测站坐标信息求得基准站和移动站间的位置关系，在户外空旷地区可以取得公分(厘米)等级的定位精度。
[0006]另一种方法是利用室内无线发射器发射无线电，依靠无线电的接收与发送的方式，确定目标对象的位置(例如：工业4.0
‑
UWB精准室内定位系统)，能够将人员、物料、设备、车辆的位置进行定位，以便做各种不同的应用，比如：人员或物体的追踪，智能机器人的操控，定位精度在公分到十公分这样的等级。
[0007]然而，现有的上述操控方法最大的缺点就是无法将定位精度达到毫米(mm)等级，对于需要毫米等级的加工作业采用现有的这些方法是不可行的。并且，周围环境对现有操控方法的精度影响也很大，尤其是在工作场所存在许多目标对象时，各种电波会遭到阻挡。而且，工作机具所发出的电磁波会对外界产生电波干涉，天气状况不佳也会对光电传播形成非常差的影响。凡此种种扰动问题，均会造成较差的定位精度。
[0008]另外，也可利用爬壁机器人本身来定位，因为无论是轮型或足型都要靠马达来驱动机器人，控制及定位的原理是利用爬壁机构的摩擦力来推动爬壁机器人进行精密的操控及定位，增加摩擦力是爬墙机器人吸附在立面工作时能精密移动的重要手段，然而，驱动的马达现阶段都的装在爬壁机器人本体上，使得爬壁机器人的重量沉重，会有因吸附力不足而使得机器人与立面的磨擦力不足产生滑动的情况出现，因而增加了对吸附力的需求，增加对吸附力的需求使得爬壁机器人重量更沉重，控制更加困难。要减轻爬墙机器人的重量
也是立面工作机具的重要工作。
[0009]因此，当前亟需开发一种在立面上做精密工程作业时定位更精确，且不易受到周围环境干扰，并且减轻机器人本体重量的方法。

技术实现思路

[0010]鉴于此，本专利技术的目的在于以缆绳控制为定位依据，利用推导公式的计算，设计爬壁机器人的操控及操控方法；利用传感器测量缆绳被拉出的长度来控制机器人行动的精度，计算得出机器人相对缆绳绞车原点的x,y,z坐标，该x,y,z坐标依所推导的公式可找出机器人行经路线的表面形状，也可找出机器人任何位置工作路线或区域所经过的曲面及扫描边界。
[0011]本专利技术较佳实例为以缆绳机构控制的爬壁机器人，包括：可吸附墙壁的机器人、4根及以上根数的缆绳，其中，所述机器人包括：与墙壁接触的用于爬壁的轮子、爬足或其他攀爬装置；各根缆绳其中的一个端头分别与所述机器人的对应联接点固定连接，各根缆绳的另一个端头分别与绞车绞盘的对应挂点固定连接，所述缆绳的伸出长度随绞盘的转动而改变；
[0012]通过调整缆绳的长度及缆绳与y轴、xy平面的两个夹角，操控机器人的位置及姿态角。
[0013]将爬壁机器人的行走路径的曲面公式设为z＝f(x，y)，4根缆绳的编号分别为L1、L2、R1、R2，4根缆绳和所述机器人的接点分别为a点、b点、k点、n点，c为a点、b点连线的中点，m为k点、n点连线的中点，4根缆绳和绞车的挂点分别为A点、B点、C点、D点，设A点为坐标原点，的长度为L
AB
，的长度为L
AC
，的长度为L
AD
，所述机器人的中心点d的坐标为(x
d
，y
d
，z
d
)，4根缆绳的长度分别为L
L1
、L
L2
、L
R1
、L
R2
，爬壁机器人的高度为H
h
，4根缆绳分别与y轴的夹角为θ
L1
、θ
L2
、θ
R1
及θ
R2
，爬壁机器人的行进方向和x轴的夹角为θ
d
，缆绳L1、L2、R1、R2与xy平面的夹角分别为θ
L13
、θ
L23
、θ
R13
、θ
R23
，；
[0014]爬壁机器人和缆绳连接的a点位置坐标(x
a
，y
a
，z
a
)为：
[0015]x
a
＝L
AB
+L
L1
cosθ
L13
sinθ
L1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0016]y
a
＝L
L1
cosθ
L13
cosθ
L1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]z
a
＝L
L1
sinθ
L13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018]爬壁机器人和缆绳连接的b点位置坐标(x
b
，y
b
，z
b
)为：
[0019]x
b
＝L
AC
‑
L
R1
cosθ
R13
sinθ
R1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]y
b
＝L
R1
cosθ
R13
cosθ
R1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021]z
b
＝L
R1
sinθ
R13...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.以缆绳机构控制的爬壁机器人，其特征在于，包括：可吸附墙壁的机器人、4根及以上根数的缆绳，其中，所述机器人包括：与墙壁接触的用于爬壁的轮子、爬足或其他攀爬装置；各根缆绳其中的一个端头分别与所述机器人的对应联接点固定连接，各根缆绳的另一个端头分别与绞车绞盘的对应挂点固定连接，所述缆绳的伸出长度随绞盘的转动而改变；通过调整缆绳的长度及缆绳与y轴、xy平面的两个夹角，操控机器人的位置及姿态角。2.根据权利要求1所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人的操控方法，其特征在于，将爬壁机器人的行走路径的曲面公式设为z＝f(x，y)，4根缆绳的编号分别为L1、L2、R1、R2，4根缆绳和所述机器人的接点分别为a点、b点、k点、n点，c为a点、b点连线的中点，m为k点、n点连线的中点，4根缆绳和绞车的挂点分别为A点、B点、C点、D点，设A点为坐标原点，的长度为L
AB
，的长度为L
AC
，的长度为L
AD
，所述机器人的中心点d的坐标为(x
d
，y
d
，z
d
)；4根缆绳的长度分别为L
L1
、L
L2
、L
R1
、L
R2
，爬壁机器人的高度为H
h
，4根缆绳分别与y轴的夹角为θ
L1
、θ
L2
、θ
R1
及θ
R2
，爬壁机器人的行进方向和x轴的夹角为θ
d
，缆绳L1、L2、R1、R2与xy平面的夹角分别为θ
L13
、θ
L23
、θ
R13
、θ
R23
；爬壁机器人和缆绳连接的a点位置坐标(x
a
，y
a
，z
a
)为：x
a
＝L
AB
+L
L1
cosθ
L13
sinθ
L1
ꢀꢀꢀꢀ
(1)y
a
＝L
L1
cosθ
L13
cosθ
L1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)z
a
＝L
L1
sinθ
L13
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)爬壁机器人和缆绳连接的b点位置坐标(x
b
，y
b
，z
b
)为：x
b
＝L
AC
‑
L
R1
cosθ
R13
sinθ
R1
ꢀꢀꢀꢀ
(4)y
b
＝L
R1
cosθ
R13
cosθ
R1
ꢀꢀꢀꢀ
(5)z
b
＝L
R1
sinθ
R13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)爬壁机器人和缆绳连接的k点位置坐标(x
k
，y
k
，z
k
)为：x
k
＝L
L2
cosθ
L23
sinθ
L2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)y
k
＝L
L2
cosθ
L23
cosθ
L2
ꢀꢀꢀꢀ
(8)z
k
＝L
L2
sinθ
L23
ꢀꢀꢀꢀ
(9)爬壁机器人和缆绳连接的n点位置坐标(x
n
，y
n
，z
n
)为：x
n
＝L
AD
‑
L
R2
cosθ
R23
sinθ
R2
ꢀꢀꢀꢀ
(10)y
n
＝L
R2
cosθ
R23
cosθ
R2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)z
n
＝L
R2
sinθ
R23
ꢀꢀꢀꢀ
(12)。3.根据权利要求2所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人的操控方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选用轮子数为前后各两轮的四轮爬壁机器人进行工程作业；所述四轮爬壁机器人的前轮轴与机器人的中心点d的垂直距离为M，前后两轮轴之间的距离为F，左右两轮轴之间的距离为B，及的长度为H，爬壁机器人的xz截面和x轴的夹角为α；四个轮子的中心点与爬壁曲面的接触点分别为e点、f点、g点、h点；S2、依据机器人和缆绳的连接位置a点、b点、k点、n点对中心点d的相对位置，联接机器人的4根缆绳的长度，缆绳L1、L2、R1、R2与xy平面的夹角以及与y轴的夹角，求解得到机器人的中心点d的坐标；
S3、由所述中心点d的坐标，中心点d与原点的向量为利用a点、b点、k点、n点的坐标计算得出机器人本体内的单位向量得出e点、f点、g点、h点以中心点d为原点的相对位置，计算得出e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标(x
e
，y
e
，z
e
)，(x
f
，y
f
，z
f
)，(x
g
，y
g
，z<...

【专利技术属性】
技术研发人员：萧德瑛，郭诗坪，马奡麟，
申请(专利权)人：南通唐人电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：