一种仿生侧向移动爬壁机器人及控制方法与流程

本发明属于爬壁机器人，具体涉及一种仿生侧向移动爬壁机器人及控制方法。

背景技术：

1、随着建筑、化工、能源等行业的快速发展，高层幕墙清洗、大型储罐检测以及风电塔筒维护等高空作业的需求日益增长。传统的高空作业主要依赖人工完成，不仅面临着坠落等高危风险，且存在作业效率低下、人工成本高昂以及老龄化带来的劳动力短缺等突出问题。因此，采用高空作业机器人替代人工执行攀爬与检测任务，已成为该领域设备升级的必然趋势。

2、目前，高空作业机器人主要依靠吸附机构和移动机构在垂直或倾斜的工作面上进行攀爬。常见的吸附方式包括磁吸附和负压吸附，其中负压风扇吸附因具有适应非铁磁性壁面（如玻璃幕墙、混凝土等）的优势而被广泛应用。在移动结构方面，多采用轮式、履带式或多足步行式设计。机器人在壁面上执行作业时，需要控制移动机构带动整体设备行进，同时维持吸附机构的负压状态，以确保设备在重力及外部干扰下的附着稳定性。

3、然而，现有的负压吸附爬壁机器人通常采用整体刚性的底盘结构来容纳抽风设备并构建负压腔室。当设备在作业面上遇到凸起障碍物或壁面曲率发生变化时，这种刚性底盘无法顺应形变，会导致负压边缘与壁面之间产生缝隙并引发漏气，造成吸附力下降及脱落风险。此外，机器人在进行转向或侧向平移时，通常依靠整体移动机构强行克服壁面摩擦力，这种强耦合的运动方式使得负压吸附状态严重限制了结构的运动自由度，导致设备转向笨重，难以在保障吸附可靠性的同时兼顾动作的灵活性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的问题，提供了一种仿生侧向移动爬壁机器人及控制方法，以解决上述背景技术中当设备在作业面上遇到凸起障碍物或壁面曲率发生变化时，这种刚性底盘无法顺应形变，会导致负压边缘与壁面之间产生缝隙并引发漏气，造成吸附力下降及脱落风险的问题；同时解决了机器人在进行转向或侧向平移时，通常依靠整体移动机构强行克服壁面摩擦力，这种强耦合的运动方式使得负压吸附状态严重限制了结构的运动自由度，导致设备转向笨重，难以在保障吸附可靠性的同时兼顾动作的灵活性的问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本技术提供了一种仿生侧向移动爬壁机器人，包括：

4、分体式躯干单元，所述分体式躯干单元包括多个独立设置的负压吸附模块，相邻的所述负压吸附模块之间均通过铰接机构机械连接，使相邻的负压吸附模块能够沿所述铰接机构所在轴线发生相对偏转；

5、多个多关节移动分支，分布于所述分体式躯干单元的相对两侧；

6、所述多关节移动分支包括多个依次串接的连杆，以及连接在相邻连杆之间的驱动关节；

7、所述多关节移动分支的最末端连杆处连接有末端吸附执行器。

8、进一步的，所述分体式躯干单元呈层状结构，自下而上依次包括底部的风扇腔室层和顶部的设备布置层；

9、多个所述负压吸附模块呈矩阵式阵列拼接排布，所述铰接机构设置于相邻负压吸附模块的侧壁连接处。

10、进一步的，所述末端吸附执行器包括负压吸盘，以及固定连接在所述最末端连杆与所述负压吸盘顶背侧之间的万向旋转轴承。

11、进一步的，所述分体式躯干单元的底面还设置有全向移动支撑机构；

12、所述全向移动支撑机构的底端支撑面低于所述负压吸附模块的底部吸附面。

13、进一步的，所述全向移动支撑机构包括固定连接于所述分体式躯干单元底面的支撑底盘，以及安装于所述支撑底盘下侧的至少一个独立驱动转向轮组；

14、所述独立驱动转向轮组包括车轮、与所述车轮的水平轮轴传动连接的行走驱动组件，以及与所述车轮的竖直偏航轴传动连接的转向驱动组件。

15、进一步的，所述分体式躯干单元的外侧侧壁上连接有至少一组前置作业臂；

16、所述前置作业臂包括通过旋转驱动件串联的第一臂段和第二臂段，所述第二臂段的最前端安装有机械夹爪机构；

17、所述分体式躯干单元以及所述前置作业臂上均安装有视觉传感器；

18、各所述多关节移动分支的连杆外壁上分别固定贴装有红外位置传感器。

19、进一步的，还包括主控单元，所述主控单元与各所述驱动关节、各所述末端吸附执行器、各所述负压吸附模块、所述行走驱动组件以及所述转向驱动组件电连接。

20、第二方面，本技术提供了一种控制方法，应用于如第一方面的仿生侧向移动爬壁机器人，包括：

21、获取位姿调整指令；

22、基于所述位姿调整指令，控制各所述多关节移动分支的驱动关节动作，并协同切换各所述末端吸附执行器在作业面上的负压吸附或脱离状态，以改变所述分体式躯干单元在所述作业面上的空间位姿。

23、进一步的，所述位姿调整包括侧向平移控制，具体包括以下步骤：

24、控制所述分体式躯干单元两侧的所述多关节移动分支，使其末端吸附执行器均处于表面负压贴合状态；

25、控制位于行进方向侧的多个所述多关节移动分支的末端吸附执行器解除吸附状态，并通过驱动关节旋转伸展，使对应分支的最末端连杆向外侧跨步并重新建立表面负压贴合状态；

26、控制非行进侧的多关节移动分支解除吸附，并同步控制两侧各多关节移动分支的驱动关节旋转，带动所述分体式躯干单元向行进方向发生平移；

27、其中，在整个侧向平移控制期间，始终维持所述分体式躯干单元两侧分别至少有两个末端吸附执行器处于表面负压贴合状态。

28、进一步的，所述位姿调整包括定点回转控制，具体包括以下步骤：

29、控制择一所述多关节移动分支最末端的所述末端吸附执行器处于吸附状态，以形成旋转锚固支点，并控制其余各所述末端吸附执行器均处于脱离面状态；

30、获取所述旋转锚固支点与所述全向移动支撑机构之间的空间直线距离，将其作为回转半径；

31、依据所述回转半径，控制所述转向驱动组件动作，使所述车轮的滚动朝向调节至回转圆周的切线方向；

32、控制所述行走驱动组件输出转矩，驱动所述分体式躯干单元以所述旋转锚固支点为圆心作定轴圆周运动，直至达到目标航向角度。

33、通过以上技术方案可以看出，本发明的优点为：

34、通过采用分体式躯干单元与多关节移动分支相结合的结构，使相邻的负压吸附模块能够沿铰接机构发生相对偏转，实现了机器人底盘对作业面起伏轮廓的自适应包覆，避免了刚性底盘受结构干涉导致的边缘漏气问题，同时能够兼顾吸附稳定性与攀爬动作的灵活性；

35、通过将分体式躯干单元设置为自下而上的风扇腔室层和设备布置层，并对多个负压吸附模块采用矩阵式阵列拼接排布，实现了内部功能器件与底部流道的空间隔离，使得躯干能够在纵横多个方向上沿侧壁铰接处进行折弯，进一步提升了设备应对复杂三维曲面的形变越障能力；

36、通过在最末端连杆与负压吸盘顶背侧之间固定连接万向旋转轴承，实现了吸盘吸附姿态与连杆运动角度的机械解耦，能够避免机器人在肢体移动或躯干转向时对吸盘产生硬性扭拽，保障了单点驻足状态下负压密封面的完好性；

37、通过在分体式躯干单元底面设置底端支撑面低于底部吸附面的全向移动支撑机构，实现了在机器人改变空间位姿时提供稳定的中心滚动支撑，能够有效减小躯干整体与作业面之间的滑动摩擦阻力，并防止负压吸附模块在平移或转动中发生结构磨损；

38、通过在支撑底盘下侧安装配置有水平行走驱动组件和竖直转向驱动组件的独立驱动转向轮组，实现了中心支撑机构的主动行进与主动偏航转向，能够为机器人的轨迹平移和定轴回转提供独立的导向基准与驱动扭矩；

39、通过在躯干单元侧壁连接带有机械夹爪机构的前置作业臂，并在设备相应节点布设视觉传感器与红外位置传感器，实现了机器人对作业面环境特征的图像采集以及对自身多关节空间位置的动态监测，能够为自主路径规划和挂载外部作业工具提供硬件支撑；

40、通过设置与驱动关节、末端吸附执行器、负压吸附模块以及独立驱动转向轮组等部件电连接的主控单元，实现了整机各执行单元之间的信号互联与动作调度，能够为动作步态协同、吸附状态切换以及轮步复合运动提供统一的底层系统中枢；

41、通过获取位姿调整指令，并基于该指令协同控制各多关节移动分支的驱动动作以及末端吸附执行器的负压状态切换，实现了机器人肢体跨越动作与吸附驻足动作的动态解耦，能够以交替步行的模式改变躯干空间位姿，突破了整体连续吸附滑动对运动自由度的限制；

42、通过在侧向平移控制中采用行进侧分支解吸跨步、非行进侧分支拉动躯干平移的时序动作，并严格维持躯干两侧分别至少有两个末端吸附执行器处于负压贴合状态，实现了侧移过程中的多点冗余锚固，能够在保障安全附着的前提下完成平稳连续的侧向行进步态；

43、通过控制单一末端吸附执行器驻足以形成旋转锚固支点，依据计算的回转半径调节转向驱动组件至切线方向并输出行走转矩，实现了以单点吸附为圆心的定轴圆周运动，能够在局部空间内完成设备航向调节，降低了转向时的整机摩擦干涉与吸附失效风险。