以缆绳机构控制的爬壁机器人及其操控方法与流程

1.本发明涉及空间定位技术领域，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。


背景技术：

2.当前在各个工程技术领域里，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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。


技术实现要素：

10.鉴于此，本发明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。
11.本发明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；
12.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。
13.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(xd，yd，zd)，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hh，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θd，缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角分别为θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
，；
14.爬壁机器人和缆绳连接的a点位置坐标(xa，ya，za)为：
15.xa＝l
ab
+l
l1
cosθ
l13
sinθ
l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.ya＝l
l1
cosθ
l13
cosθ
l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
17.za＝l
l1
sinθ
l13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
18.爬壁机器人和缆绳连接的b点位置坐标(xb，yb，zb)为：
19.xb＝l
ac-l
r1
cosθ
r13
sinθ
r1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
20.yb＝l
r1
cosθ
r13
cosθ
r1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
21.zb＝l
r1
sinθ
r13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
22.爬壁机器人和缆绳连接的k点位置坐标(xk，yk，zk)为：
23.xk＝l
l2
cosθ
l23
sinθ
l2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
24.yk＝l
l2
cosθ
l23
cosθ
l2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
25.zk＝l
l2
sinθ
l23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
26.爬壁机器人和缆绳连接的n点位置坐标(xn，yn，zn)为：
27.xn＝l
ad-l
r2
cosθ
r23
sinθ
r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
28.yn＝l
r2
cosθ
r23
cosθ
r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
29.zn＝l
r2
sinθ
r23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
30.所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人的操控方法，包括以下步骤：
31.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；
32.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；
33.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；
[0034][0035][0036][0037]
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，(b、f及h均为己知的设计几何参数)，计算得出e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标(xe，ye，ze)，(xf，yf，zf)，(xg，yg，zg)，(xh，yh，zh)，(xg，yg，zg)；
[0038]
所述计算得出e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标的方法包括：
[0039]
建立e点、f点、g点、h点对应中心点d的坐标，将e，f，g，h四点在机器人本体上的坐标向量表示成为
[0040][0041][0042][0043][0044]
由和x，y，z坐标的单位向量的转换推导出：
[0045][0046]
[0047][0048]
利用式(20)-式(22)将式(16)-式(19)换算成单位向量的表示式：
[0049][0050][0051][0052][0053]
s4、将机器人的作业区域设为直线，设绞车车体内与工作关联的工作线长度为b1，与中心点d的垂直距离为h2，所述作业区域的两个端点i，j的坐标分别为(xi，yi，zi)，(xj，yj，zj)，计算机器人的中心点d的位置及方向；
[0054]
控制机器人沿着方向走直线，将a点、b点、k点、n点的坐标沿着移动，即将a点、b点、k点、n点点的坐标沿着移动dl；
[0055][0056][0057]
分别为从原点到i，j两点的向量：
[0058][0059][0060]
将a点、b点、k点、n点四点移动至新的坐标a’、b’、k’及n’，新坐标与旧坐标的关系表达式为：
[0061][0062][0063][0064][0065]
[0066][0067][0068][0069][0070][0071][0072][0073]
根据式(1)-(3)可知，测量获取l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
的长度，4根缆绳与y轴的夹角θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
角，缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
，即可计算得到机器人的中心点d的位置及方向；
[0074]
由式(31)-(42)及公式(1)-(12)计算获得4根缆绳与y轴的夹角θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
和缆绳的长度l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
，将绞车缆绳的长度调整为新的长度，得到机器人的中心点d的位置及方向；
[0075]
s5、测量缆绳与xy平面的坐标的夹角，与s4步骤计算得出的角度作比较以及相应调整，在测量夹角和计算角度相同后进行步进增量计算；
[0076]
如果测量出来的夹角和计算得出的夹角相同，则不再调整，将dl加到公式内进行第二步的步进增量计算；
[0077]
如果测量出来的夹角和计算得出的角度不相同，则再用测量出来的夹角及dl计算新的a’、b’、k’及n’坐标，重复s4步骤的方法计算角度及长度，直到计算得出的角度与测量出来的夹角相同，停止迭代，进行第二步的步进增量计算。
[0078]
如此就能够将机器人控制并随着需求移动到相应的位置，使爬壁机器人走到控制者期望的路径。
[0079]
进一步地，所述s5步骤之后还包括：
[0080]
计算4根缆绳在不同长度下的e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标，将多个不同长度下的所述x，y，z坐标汇集后输入计算机，以多个不同长度下的e点、f点、g点、h点结合生成作业对象物体的表面形状的网状图，用于建立作业对象物体的数学模型。
[0081]
进一步地，所述s4步骤的缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
的获取方法包括：
[0082]
在a点、b点、c点、d点上设置角测量器，采用角测量器测量得到θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
。
[0083]
进一步地，所述s4步骤的缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
的获
取方法包括：
[0084]
在a点、b点、k点、n点上设置姿态角测量器，采用姿态角测量器测量得到θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
。
[0085]
进一步地，所述缆绳的长度l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
的测量采用长条量尺。
[0086]
进一步地，所述四个轮子替换为能支撑爬壁机器人爬壁的任何装置，不同长度的i，j两点的x，y，z坐标的坐标可由式(1)-(42)的方法得到。
[0087]
进一步地，如所述机器人的作业区域为一个面区域，则各点的坐标由与式(27)-(42)相同的方法得到
[0088]
所述其他攀爬装置包括：由前轮和后轮组成的三个轮子或其他可附在机器人身上且能爬壁的机构。
[0089]
通常缆绳会安装在绞车内部，随着爬壁机器人的上下左右移动，缆绳的长度以及与立面(垂直平面)的夹角随着机器人的移动而改变，可利用传感器测量出缆绳被拉出的长度(必须要有足够的张力以维持缆绳近似直线，若有困难可用静力学的悬链线公式校正)、与重力方向垂直线的夹角角度以及与缆绳和垂直面的夹角角度。
[0090]
因为h1、b、f及h均为己知的设计几何参数，可将这些己知参数换算成机器人与缆绳的连接点的x,y,z坐标，机器人身上附有测量机器人欧拉角的感测器(例如polo的um6 orientation sensor)，也可采用三个角度传感器测量三个维度的角度，再转换成欧拉角；
[0091]
若机器人和立面的接触类型是点接触，则由这些接触点即可得到立面的数学曲面模型。若是工程作业线(例如激光扫描面)或作业区域，则可得到工程作业路径上的工作面及工作边界，可依此将工作面进行清楚地控制以完成完整的工作路径。
[0092]
本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括可读存储介质、存储器、处理器及存储在可读存储介质、存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述程序被所述处理器执行时实现上述所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人的操控方法的步骤。
[0093]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0094]
本发明通过机器人在任何一点的位置坐标与机器人的起始欧拉角以及移动后的欧拉角测量原点的坐标向量相加得到总欧拉角，将该总欧拉角做坐标转换得到机器人任何一点对缆绳连接点的xyz坐标系的坐标，再加上缆绳连接点的x,y,z坐标可得到以绞盘为原点的坐标；由机器人和立面的接触点可得到立面的数学曲面模型；由工程作业线(例如激光扫描面)或区域可得到工程作业路径上的工作面及工作边界，依此将工作面进行清楚地控制从而完成完整的工作路径，很多提高了在立面上作业的定位精确度，并且不易受周围环境干扰。
附图说明
[0095]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
[0096]
在附图中：
[0097]
图1为本发明以缆绳机构控制的爬壁机器人的立面作业上视图和侧视图；
[0098]
图2为本发明实施例计算机设备的构成示意图；
[0099]
图3为本发明实施例的机器人与缆绳的联接点以及中心点示意图；
[0100]
图4为本发明实施例的机器人主体放大图；
[0101]
图5为本发明实施例控制机器人行走路径的流程示意图；
[0102]
图6为本发明实施例的机器人从第1位置移动到第2位置的坐标转换示意图；
[0103]
图7为本发明以缆绳机构控制的爬壁机器人操控及操控方法的流程图。
具体实施方式
[0104]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。
[0105]
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0106]
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在......时”或“当......时”或“响应于确定”。
[0107]
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
[0108]
本发明实施例提供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；
[0109]
所述其他攀爬装置包括：由前轮和后轮组成的三个轮子或其他可附在机器人身上且能爬壁的机构。
[0110]
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。
[0111]
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(xd，yd，zd)，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hh，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θd，缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角分别为θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
(未示于图中，但在xz平面投影为θ2)；
[0112]
爬壁机器人和缆绳连接的a点位置坐标(xa，ya，za)为：
[0113]
xa＝l
ab
+l
l1
cosθ
l13
sinθ
l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0114]
ya＝l
l1
cosθ
l13
cosθ
l1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0115]
za＝l
l1
sinθ
l13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0116]
爬壁机器人和缆绳连接的b点位置坐标(xb，yb，zb)为：
[0117]
xb＝l
ac-l
r1
cosθ
r13
sinθ
r1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0118]
yb＝l
r1
cosθ
r13
cosθ
r1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0119]
zb＝l
r1
sinθ
r13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0120]
爬壁机器人和缆绳连接的k点位置坐标(xk，yk，zk)为：
[0121]
xk＝l
l2
cosθ
l23
sinθ
l2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0122]
yk＝l
l2
cosθ
l23
cosθ
l2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0123]
zk＝l
l2
sinθ
l23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0124]
爬壁机器人和缆绳连接的n点位置坐标(xn，yn，zn)为：
[0125]
xn＝l
ad-l
r2
cosθ
r23
ginθ
r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0126]yn
＝l
r2
cosθ
r23
cosθ
r2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0127]zn
＝l
r2
sintθ
r23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)。
[0128]
所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人的操控方法，参见图7所示，包括以下步骤：
[0129]
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；
[0130]
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；
[0131]
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，(如图3所示)求解得到机器人的中心点d的坐标；
[0132][0133][0134][0135]
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，(因b、f及h均为己知的设计几何参数)，计算得出e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标(xe，ye，ze)，(xf，yf，zf)，(xg，yg，zg)，(xh，yh，zh)，(xg，yg，zg)；
[0136]
所述计算得出e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标的方法包括：
[0137]
建立e点、f点、g点、h点对应中心点d的坐标，将e，f，g，h四点在机器人本体上的坐标向量表示成为
[0138]
[0139][0140][0141][0142]
由和x，y，z坐标的单位向量的转换推导出：
[0143][0144][0145][0146]
利用式(20)-式(22)将式(16)-式(19)换算成单位向量的表示式：
[0147][0148][0149][0150][0151]
s4、将机器人的作业区域设为直线，设绞车车体内与工作关联的工作线长度为b1，与中心点d的垂直距离为h2，所述作业区域的两个端点i，j的坐标分别为(xi，yi，zi)，(xj，yj，zj)，计算机器人的中心点d的位置及方向，如图4所示；
[0152]
控制机器人沿着方向走直线，将a点、b点、k点、n点的坐标沿着移动，即将a点、b点、k点、n点点的坐标沿着移动dl；
[0153][0154][0155]
分别为从原点到i，j两点的向量：
[0156][0157][0158]
将a点、b点、k点、n点四点移动至新的坐标a’、b’、k’及n’，新坐标与旧坐标的关系表达式为：
[0159][0160][0161][0162][0163][0164][0165][0166][0167][0168][0169][0170][0171]
根据式(1)-(3)可知，测量获取l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
的长度，4根缆绳与y轴的夹角θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
角，缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
，即可计算得到机器人的中心点d的位置及方向；
[0172]
由式(31)-(42)及公式(1)-(12)计算获得4根缆绳与y轴的夹角θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
和缆绳的长度l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
，将绞车缆绳的长度调整为新的长度，得到机器人的中心点d的位置及方向；
[0173]
本实施例中，所述4根缆绳与y轴的夹角θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
角的获取方法为：
[0174]
通过在a点、b点、k点、n点使用角度测量器测量得到θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
角。
[0175]
本实施例中，所述缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
的获取方法为：
[0176]
在a点、b点、k点、n点上设置姿态角测量器，采用姿态角测量器测量得到θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
。
[0177]
本实施例中，所述缆绳的长度l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
的测量采用长条量尺。
[0178]
s5、测量缆绳与xy平面的坐标的夹角，与s4步骤计算得出的角度作比较以及相应调整，在测量夹角和计算角度相同后进行步进增量计算；
[0179]
如果测量出来的夹角和计算得出的夹角相同，则不再调整，将dl加到公式内进行第二步的步进增量计算；
[0180]
如果测量出来的夹角和计算得出的角度不相同，则再用测量出来的夹角及dl计算新的a’、b’、k’及n’坐标，重复s4步骤的方法计算角度及长度，直到计算得出的角度与测量出来的夹角相同，停止迭代，进行第二步的步进增量计算。
[0181]
参见图5所示，以如此流程进行控制就能够将机器人控制并随着需求移动到相应的位置，使爬壁机器人走到控制者期望的路径。
[0182]
所述s5步骤之后还包括：
[0183]
计算4根缆绳在不同长度下的e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标，将多个不同长度下的所述x，y，z坐标汇集后输入计算机，以多个不同长度下的e点、f点、g点、h点结合生成作业对象物体的表面形状的网状图，用于建立作业对象物体的数学模型。
[0184]
如所述机器人的作业区域为一个面区域，则各点的坐标由与式(27)-(42)相同的方法得到
[0185]
通常缆绳会安装在绞车内部，随着爬壁机器人的上下左右移动，缆绳的长度以及与立面(垂直平面)的夹角随着机器人的移动而改变，可利用传感器测量出缆绳被拉出的长度(必须要有足够的张力以维持缆绳近似直线，若有困难可用静力学的悬链线公式校正)、与重力方向垂直线的夹角角度以及与缆绳和垂直面的夹角角度。
[0186]
因为h1、b、f及h均为己知的设计几何参数，可将这些己知参数换算成机器人与缆绳的连接点的x,y,z坐标，绞车上可装置角度感测器来量测各角度。机器人身上a,b,k,n点装置姿态角感测器来量测各角度。
[0187]
若机器人和立面的接触类型是点接触，则由这些接触点即可得到立面的数学曲面模型。若是工程作业线(例如激光扫描面)或作业区域，则可得到工程作业路径上的工作面及工作边界，可依此将工作面进行清楚地控制以完成完整的工作路径。
[0188]
参见图6所示，当第1位置的缆绳长度所及的范围走完，可以移动至第2位置将上一次的工作区域的边界做坐标平移，以该边界的新坐标再次规划机器人的行进路径，使得工作范围更大。由于第1位置移动至第2位置时要将绞车位置移动，移动精度可由装在机器人上的传感器寻第一位置加工边界予以校正。
[0189]
本发明实施例还提供了一种计算机设备，图2是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；参见附图图2所示，该计算机设备包括：输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21；所述存储器22，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器21执行，使得所述一个或多个处理器21实现如上述实施例提供的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法；其中输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。
[0190]
存储器22作为一种计算设备可读写存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法对应的程序指令；存储器22可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一
个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等；此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件；在一些实例中，存储器22可进一步包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0191]
输入装置23可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入；输出装置24可包括显示屏等显示设备。
[0192]
处理器21通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法。
[0193]
上述提供的计算机设备可用于执行上述实施例提供的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，具备相应的功能和有益效果。
[0194]
本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述实施例提供的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，存储介质是任何的各种类型的存储器设备或存储设备，存储介质包括：安装介质，例如cd-rom、软盘或磁带装置；计算机系统存储器或随机存取存储器，诸如dram、ddr ram、sram、edo ram，兰巴斯(rambus)ram等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的存储器组件等；存储介质可以还包括其它类型的存储器或其组合；另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的第一计算机系统中，或者可以位于不同的第二计算机系统中，第二计算机系统通过网络(诸如因特网)连接到第一计算机系统；第二计算机系统可以提供程序指令给第一计算机用于执行。存储介质包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机系统中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。
[0195]
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上实施例所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，还可以执行本发明任意实施例所提供的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法中的相关操作。
[0196]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，例如a点、b点、c点、d点四点不在同一直线上，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
[0197]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
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
g
)，(x
h
，y
h
，z
h
)，(x
g
，y
g
，z
g
)；所述计算得出e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标的方法包括：建立e点、f点、g点、h点对应中心点d的坐标，将e，f，g，h四点在机器人本体上的坐标向量表示成为表示成为表示成为表示成为表示成为由和x，y，z坐标的单位向量的转换推导出：的转换推导出：的转换推导出：利用式(20)-式(22)将式(16)-式(19)换算成单位向量的表示式：的表示式：的表示式：的表示式：s4、将机器人的作业区域设为直线，设绞车车体内与工作关联的工作线长度为b1，与中心点d的垂直距离为h2，所述作业区域的两个端点i，j的坐标分别为(x
i
，y
i
，z
i
)，(x
j
，y
j
，
z
j
)，计算机器人的中心点d的位置及方向；控制机器人沿着方向走直线，将a点、b点、k点、n点的坐标沿着移动，即将a点、b点、k点、n点点的坐标沿着移动dl；移动dl；移动dl；分别为从原点到i，j两点的向量：分别为从原点到i，j两点的向量：将a点、b点、k点、n点四点移动至新的坐标a’、b’、k’及n’，新坐标与旧坐标的关系表达式为：式为：式为：式为：式为：式为：式为：式为：式为：式为：式为：式为：由式(31)-(42)及公式(1)-(12)计算获得4根缆绳与y轴的夹角θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
和缆绳的长度l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
，将绞车缆绳的长度调整为新的长度，得到机器人的中心点d的位置及方向；
s5、测量缆绳与xy平面的坐标的夹角，与s4步骤计算得出的角度作比较以及相应调整，在测量夹角和计算角度相同后进行步进增量计算；如果测量出来的夹角和计算得出的夹角相同，则不再调整，将dl加到公式内进行第二步的步进增量计算；如果测量出来的夹角和计算得出的角度不相同，则再用测量出来的夹角及dl计算新的a’、b’、k’及n’坐标，重复s4步骤的方法计算角度及长度，直到计算得出的角度与测量出来的夹角相同，停止迭代，进行第二步的步进增量计算。4.根据权利要求3所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，其特征在于，所述s5步骤之后还包括：计算4根缆绳在不同长度下的e点、f点、g点、h点的x，y，z坐标，将多个不同长度下的所述x，y，z坐标汇集后输入计算机，以多个不同长度下的e点、f点、g点、h点结合生成作业对象物体的表面形状的网状图，用于建立作业对象物体的数学模型。5.根据权利要求3所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，其特征在于，所述s4步骤的缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
的获取方法包括：在a点、b点、c点、d点上设置角测量器，采用角测量器测量得到θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
。6.根据权利要求3所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，其特征在于，所述s4步骤的缆绳l1、l2、r1、r2与xy平面的夹角θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
的获取方法包括：在a点、b点、k点、n点上设置姿态角测量器，采用姿态角测量器测量得到θ
l1
、θ
l2
、θ
r1
、θ
r2
以及θ
l13
、θ
l23
、θ
r13
、θ
r23
。7.根据权利要求3-6任一项所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，其特征在于，所述缆绳的长度l
l1
、l
l2
、l
r1
、l
r2
的测量采用长条量尺。8.根据权利要求3-6任一项所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人操控方法，其特征在于，所述四个轮子替换为能支撑爬壁机器人爬壁的任何装置，不同长度的i，j两点的x，y，z坐标的坐标可由式(1)-(42)的方法得到。9.根据权利要求3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，如所述机器人的作业区域为一个面区域，则各点的坐标由与式(27)-(42)相同的方法得到。10.一种计算机设备，所述计算机设备包括可读存储介质、存储器、处理器及存储在可读存储介质、存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述程序被所述处理器执行时实现权利要求3-9任一项所述的以缆绳机构控制的爬壁机器人的操控方法的步骤。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：萧德瑛 郭诗坪 马奡麟
受保护的技术使用者：南通唐人电子科技有限公司
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/21