CN110001806A - 一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，包括机架以及设置在机架两侧的一对履带行走模块，所述履带行走模块通过连接关节与机架连接，使每个履带行走模块相对于机架有两个互为垂直的转动自由度。履带行走模块包括永磁吸附板，永磁吸附板与行走支撑轮绕摇摆轴的轴线方向有一转动自由度，所述爬壁机器人在变曲率导磁壁面上移动时，上述三个自由度使履带通过永磁吸附板与行走支撑轮贴紧导磁壁面，使得爬壁机器人的永磁吸附板可以根据所行走的导磁壁面状况自动调节其自身的姿态，保证了每个永磁吸附板和导磁壁面之间的工作气隙变化在允许范围内，保证了爬壁机器人在变曲率导磁面上的可靠行走，同时还具备行走的灵活性。

Description

一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人。

背景技术

磁吸附爬壁机器人是一种用来在恶劣、危险、极限情况下，在导磁壁面上进行特定作业如检查、监测、焊接、打磨等的一种自动化机械装置。目前磁吸附爬壁机器人已在核工业、石化工业、建筑工业、消防部门、造船业等铁磁性结构的生产施工中得到了广泛的应用。

在实际应用中，有些导磁壁面是空间曲面，其表面形貌凹凸不平，曲率半经较小，且曲率变化范围较大。对于在这类表面运行的磁吸附爬壁机器人，其吸附装置和导磁壁面之间的气隙会发生变化，磁吸附力的大小与气隙距离的平方成反比，微小的气隙距离变化会造成吸附力的较大的变化，将严重地影响爬壁机器人的负载能力。另外，由于导磁壁面的凹凸不平，也会对爬壁机器人的运动性能产生影响，如壁面的凹凸不平可能会使行走支撑轮悬空，导致驱动失效。因此，对于在复杂的变曲率导磁壁面上运行的爬壁机器人，在要求其具有强负载能力、良好的运动灵活性的同时，还要对变曲率导磁壁面具有较好的自适应能力。对于爬壁机器人来说，保证爬壁机器人在工作负载下，能稳定地在变曲率导磁壁面上吸附爬行，不会发生诸如下滑、坠落等吸附失效，是爬壁机器人的首要要求、也是最基本的要求。

对于在复杂的变曲率导磁壁面上工作的爬壁机器人，其核心是要始终保证磁吸附力的恒定，这是前提，其次要保证行走支撑轮始终与导磁壁面接触。只有恒定的磁吸附力才能使爬壁履带行走模块与导磁壁面接触，只有履带通过行走支撑轮始终与导磁壁面接触并产生足够的压力，才能实现爬壁履带行走模块的行走。现有的技术的爬壁机器人不能兼顾二者。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术在负载能力、曲面自适应性方面上的不足之处，设计一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，使其在具有强负载能力、良好的运动灵活性的同时，对变曲率导磁壁面具有较好的自适应性，从而解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，包括机架以及设置在机架两侧的一对履带行走模块，所述履带行走模块通过连接关节与机架连接，使每个履带行走模块相对于机架有两个互为垂直的转动自由度。

所述履带行走模块包括主动轮、从动轮以及设置于主动轮、从动轮之间的一对摇摆支撑轮组件，通过履带连接传动；在摇摆支撑轮组件上设置有与主动轮、从动轮轴线平行的摇摆轴，在摇摆轴上连接有永磁吸附板，在永磁吸附板的两端安装有一对与摇摆轴平行的行走支撑轮；所述永磁吸附板与一对行走支撑轮绕摇摆轴的轴线方向有一转动自由度。

所述爬壁机器人在变曲率导磁壁面上移动时，所述三个转动自由度使得履带通过永磁吸附板与行走支撑轮贴紧导磁壁面。

优选的，所述机架包括主体梁，主体梁为轴状，轴两端法兰上对称连接有一对连接关节，所述连接关节包括互为垂直的第一转轴和第二转轴，第二转轴绕第一转轴转动，所述履带行走模块连接在第二转轴的法兰上，且绕第二转轴转动。

优选的，在所述主体梁与连接关节之间安装有万向轮主板，万向轮主板为U型槽状，在槽两侧设有槽向长槽孔，在长槽孔上安装有万向轮。

优选的，所述主体梁上安装有监测模块和电器盒本体，所述监测模块包括摄像头和摄像头支架，所述摄像头支架与电器盒本体通过电器盒套环上体与电器盒套环下体扣合紧固在主体梁上。

优选的，所述履带行走模块包括平行设置的内侧履带板和外侧履带板，所述主动轮、从动轮与一对摇摆支撑轮组件连接在内侧履带板与外侧履带板之间，所述内侧履带板连接在第二转轴的法兰上。

优选的，所述主动轮连接有电机模块，所述电机模块包括电机、直角减速器和减速器法兰，所述减速器法兰与内侧履带板连接，直角减速器的输出轴与主动轮连接。

优选的，所述内侧履带板与外侧履带板之间连接有带轮加固板和把手，其中，所述带轮加固板一端固定连接在减速器法兰上，另一端固定连接在主动轮的轴承端盖上。

优选的，所述永磁吸附板包括导磁板和永磁铁，所述导磁板的材质为纯铁或低碳钢，所述永磁铁为长方体永磁铁，且沿高度方向磁化，相邻两块永磁铁沿高度方向以磁极相反的耦合排列方式连接在导磁板上。

优选的，所述主动轮、从动轮与行走支撑轮为同轴双轮结构，双轮在所在轴的两端，所述双轮为同步轮，所述履带为同步带，履带内侧的中间部位设有沉槽，所述永磁吸附板上的永磁铁贴近沉槽。

优选的，所述主动轮、从动轮与行走支撑轮，在其双轮内侧均设置有压带轮内挡板，所述压带轮内挡板位于履带沉槽内侧的槽边部。

本发明所述的爬壁机器人和现有技术相比，具有实质性特点和显著进步：

（1）本发明的爬壁机器人采用对称式履带行走模块，各履带行走模块由自身电机独立驱动，运动灵活性高、工作环境适应性强，能自适应地在变曲率的导磁壁面上行走，且具有良好的负载能力；

（2）每个履带行走模块相对于机架设计了两个互为垂直的转动自由度，履带行走模块内又设计了一个转动自由度，上述三个转动自由度，使得爬壁机器人的永磁吸附板可以根据所行走的导磁壁面状况自动调节其自身的姿态，保证了每个永磁吸附板和导磁壁面之间的工作气隙变化在允许范围内，使得磁吸附力恒定，保证爬壁机器人不会因磁吸附力骤然变小而下滑、坠落。同时，恒定的磁吸附力也为履带行走模块的行走提供了必要的摩擦力，避免了履带行走模块因摩擦力不足而造成的履带打滑，不能行走情况的发生；

（3）本发明的爬壁机器人在复杂的变曲率导磁壁面(如水轮机叶片表面)上具有良好的自适应性能，且具有良好的负载能力和运动灵活性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为机架的结构示意图；

图3为连接关节的结构示意图；

图4为本发明沿圆弧曲面轴向行走时的结构示意图；

图5为本发明沿圆弧曲面周向行走时的结构示意图；

图6为履带行走模块的结构示意图；

图7为履带的结构示意图；

图8为摇摆支撑轮组件的结构示意图；

图9为电机模块的结构示意图；

图10为永磁模块的结构示意图；

图11为本发明沿曲面转向时的结构示意图；

图12为监测模块的结构示意图。

图中：10、机架；101、主体梁；102、连接关节；1021、第一轴基座；1022、第一转轴；1023、第二转轴；1024、第一轴自润滑翻边轴套；1025、第二轴自润滑轴套；1026、轴承轮毂；1027、圆锥滚子轴承；1028、平垫圈；1029、卡簧；103、万向轮主板；104、万向轮；20、监测模块； 201、摄像头；202、摄像头支架；203、电器盒套环上体；204、电器盒套环下体；205、电器盒本体；2051、开关电源；2052、电源模块；2053、网传器；2054、陀螺仪；30、履带行走模块；302、主动轮；303、从动轮；40、摇摆支撑轮组件；401、摇摆轴；402、永磁吸附板；4021、导磁板；4022、永磁铁；403、行走支撑轮；404、压带轮内挡板； 501、履带；502、内侧履带板；503、外侧履带板；504、把手；60、带轮加固板；70、电机模块；701、电机；702、直角减速机；703、减速机法兰。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，根据本发明实施例的爬壁机器人包括机架10以及设置在机架10两侧的一对履带行走模块30，所述履带行走模块30通过连接关节102与机架10连接，机架10起支撑连接履带行走模块30的作用。

如图2-3所示，机架10包括主体梁101，主体梁101为轴状，轴两端法兰上对称连接有一对连接关节102，所述连接关节102包括互为垂直的第一转轴1022和第二转轴1023，第二转轴1023绕第一转轴1022转动，所述履带行走模块30连接在第二转轴1023的法兰上，且绕第二转轴1023转动。所述履带行走模块30通过连接关节102与机架10连接，使每个履带行走模块30相对于机架10有两个互为垂直的转动自由度。

本实施例中，连接关节102中的第二轴1023和第一轴基座1021通过第一轴1022连接，第一轴1022的末端由卡簧1029固定；第一轴1022和第一轴基座1021孔之间设置有第一轴自润滑翻边轴套1024，第二轴1023孔与第一轴1022之间设置有第二轴自润滑轴套1025，第二轴1023可绕着第一轴1022实现自由旋转。该部分结构可以使两侧履带行走模块30以行走方向为转动轴线，向内或向外摆动，实现一个维度的转动自由度，可以适应圆弧曲面的轴向行走，如图4所示。

第二轴1023的圆柱端与一对圆锥滚子轴承1027内圈相配合连接，圆锥滚子轴承1027外圈与轴承轮毂1026配合连接，轴承轮毂1026通过螺栓固定在内侧履带板502上。内侧的圆锥滚子轴承1027内圈与第二轴1023的轴肩接触，外圈与轴承轮毂1026轴肩的一侧接触；外侧的圆锥滚子轴承1027外圈与轴承轮毂1026轴肩的另一侧接触，内圈通过平垫圈1028和螺母固定。该部分结构可以实现履带行走模块30绕第二轴1023自由旋转，此时，两侧履带行走模块30可以实现空间交叉旋转，因此实现二个维度的转动自由度，如图5所示，可以适应圆弧曲面的周向行走，也可以在更为复杂的变曲率面上行走，但在复杂的变曲率面上行走时，永磁吸附板402与行走支撑轮403如果没有第三个转动自由度，永磁吸附板402与变曲率导磁壁面的磁吸附将为局部吸附，吸附力也将大为降低，无法可靠地吸附在变曲率导磁壁面上，也不能实现可靠行走。

为了进一步地改进技术方案，如图6、7、8所示，所述履带行走模块30包括主动轮302、从动轮303以及设置于主动轮302、从动轮303之间的一对摇摆支撑轮组件40。在摇摆支撑轮组件40上设置有与主动轮302、从动轮303轴线平行的摇摆轴401，在摇摆轴401上连接有永磁吸附板402，在永磁吸附板402的两端安装有一对与摇摆轴401平行的行走支撑轮403；所述永磁吸附板402与一对行走支撑轮403绕摇摆轴401的轴线方向有一转动自由度。主动轮302、从动轮303与一对摇摆支撑轮组件40通过履带501连接传动。所述履带行走模块30还包括平行设置的内侧履带板502和外侧履带板503，所述主动轮302、从动轮303与一对摇摆支撑轮组件40连接在内侧履带板502与外侧履带板503之间，内侧履带板502连接在第二转轴1023的法兰上。

本实施例中，摇摆轴401设置在永磁吸附板402的中间部位，永磁吸附板402两端的行走支撑轮403相对于摇摆轴401的轴线等臂摇摆。摇摆轴401不一定非要设置在永磁吸附板402的中间部位，设置在其中的一个行走支撑轮403上，或其他位置都可以，只要满足其中一个行走支撑轮403相对于另一个行走支撑轮403摆动，使得两个行走支撑轮403在复杂曲面上始终能同时接触导磁壁面即可。

由于两个行走支撑轮403在复杂曲面上始终能同时接触导磁壁面，那么，处于两个行走支撑轮403之间的永磁吸附板402始终与两个行走支撑轮403在导磁壁面上的接触点等距，这样就可以保证永磁吸附板402与相对应的导磁壁面间的距离保持基本不变。如果没有这一个转动自由度，两个行走支撑轮403与内侧履带板305、外侧履带板306固定连接，无法保证两个行走支撑轮403始终能同时接触曲面。这样会造成永磁吸附板402与相对应的导磁壁面间的气隙距离在一侧正常，在另一侧气隙距离过大的情况，致使磁吸附力急剧减小，爬壁机器人会因此而下滑、坠落。

由于摇摆支撑轮组件40的磁吸附力能保证基本恒定，磁吸附力通过两个行走支撑轮403对履带501、导磁壁面的压力也基本恒定。爬壁履带行走模块设置了一对摇摆支撑轮组件40，两个摇摆支撑轮组件40上的四个行走支撑轮403都始终与履带501、导磁壁面接触，并对履带501、导磁壁面产生恒定压力，这种恒定压力为爬壁履带行走模块的行走提供了必要的摩擦力，避免了因摩擦力不足而造成的履带501打滑，不能行走的情况发生。

履带501在使用中会出现两个问题，一是因履带501过度拉长而脱离带轮，造成掉带；另一个问题是行走的导磁壁曲面曲率过大，履带501没有足够的长度余量使两个摇摆支撑轮组件40上的永磁吸附板402紧贴导磁壁曲面，造成磁吸力不足，严重者造成爬壁机器人坠落。为了解决上述问题，如图6所示，两个摇摆支撑轮组件40上的摇摆轴401与内侧履带板502、外侧履带板503的连接是可调的，内侧履带板502、外侧履带板503与摇摆轴401相连接的孔为高度方向上的长槽孔，两个摇摆支撑轮组件40可在高度方向上下调整。当履带501过度拉长时，向下调整两个摇摆支撑轮组件40上的摇摆轴401，涨紧履带501，避免履带脱落；当行走的导磁壁曲面曲率过大，而履带501没有足够的长度余量时，向上调整两个摇摆支撑轮组件40上的摇摆轴401，放松履带501，使永磁吸附板402紧贴导磁壁曲面，避免爬壁机器人坠落。

所述主动轮302连接有电机模块70，如图9所示，所述电机模块70包括电机701、直角减速器702和减速器法兰703，电机701设置在机架10内侧，电机701输出端连接直角减速器702，直角减速器702通过减速机法兰703固定在内侧履带板305上，直角减速器702的输出轴与主动轮302连接，为履带行走模块30提供行走动力。

如图10所示，为了提高磁吸附强度，所述永磁吸附板402包括导磁板4021和永磁铁4022，所述导磁板4021的材质为纯铁或低碳钢，所述永磁铁4022为长方体永磁铁，且沿高度方向磁化，相邻两块永磁铁4022沿高度方向以磁极相反的耦合排列方式连接在导磁板4021上。具体的，由前侧磁铁的N级经过导磁板4021到达后侧永磁铁的S级，再经后侧永磁铁的N级通过壁面到达前侧永磁铁的S级构成回路，从而保证机构吸附于导磁壁面上。

永磁吸附板402与行走支撑轮403绕摇摆轴401的轴线自由转动，实现了永磁吸附板402与行走支撑轮403第三个维度的转动自由度，第三个维度的转动自由度，使永磁吸附板402与变曲率面的磁吸附为整体吸附，吸附力也大为提高， 使得履带行走模块30在变曲率导磁壁面上行走时，永磁吸附板402始终能吸附在变曲率导磁壁面上。

如图11所示，以上所述三个转动自由度，使得爬壁机器人的永磁吸附板402可以根据所行走的导磁壁面状况自动调节其自身的姿态，保证了每个永磁吸附板402和导磁壁面之间的工作气隙变化在允许范围内，同时也保证了爬壁机器人的可靠驱动和运动灵活性。

为了防止履带501掉带，所述主动轮302、从动轮303与行走支撑轮403为同轴双轮结构，双轮在所在轴的两端。所述同轴双轮为同步轮，所述履带501为同步带，履带501不与双轮啮合的中间部位设有沉槽，所述永磁吸附板402上的永磁铁4022贴近沉槽。所述主动轮302、从动轮303与行走支撑轮403，在其双轮内侧均设置有压带轮内挡板404，所述压带轮内挡板404位于履带501沉槽的内侧槽边部。这样，可有效保证履带501不脱出带轮。

为了增加爬壁机器人行走的稳定性，在所述主体梁101与连接关节102之间安装有万向轮主板103，万向轮主板103为U型槽状，在槽两侧设有槽向长槽孔，在长槽孔上安装有万向轮104，可以通过长槽孔调节万向轮104的高度。万向轮104在某些情况下可与导磁壁面接触滚动，以保证爬壁机器人行走的稳定性。

为了进一步改进技术方案，所述内侧履带板502与外侧履带板503之间连接有带轮加固板60和把手504，其中，把手504起到方便从墙壁面摘下机器人的作用。所述带轮加固板60一端固定连接在减速器法兰703上，另一端固定连接在主动轮302的轴承端盖上。带轮加固板60用来连接内侧履带板305和外侧履带板306，通过螺栓连接，起到夹紧作用，主动带轮加固板60在履带模块50的前端安装有2处，保证履带行走模块30前端的稳固性。

为了实现本发明的巡查监测功能，如图12所示，监测模块20包括摄像头201、摄像头支架202、电器盒套环上体203、电器盒套环下体204和电器盒本体205，摄像头201由螺栓连接到摄像头支架202上，摄像头201可以由无线控制器遥控控制360度旋转，以达到全方位监测观察。电器盒套环上体203的半圆孔与电器盒套环下体204的半圆孔通过螺栓配合紧固定在主体梁101上，电器盒上、下套环与电器盒本体205上的连接部分采用螺纹连接。摄像头支架202开有长通孔与电器盒上体203通过螺栓连接。所述的摄像头支架202设有加强筋，加固了摄像头支架202，从而保证了在运行过程中摄像头的稳定性和清晰度。监测模块20的作用是捕获前方工作环境、察看表面裂纹。本实施例中，电器盒本体205内包括开关电源2051、24v-12v电源模块2052、网传器2053和陀螺仪2054。开关电源2051的作用是给电机供24v电压；电源模块2052作用是给摄像头供12v电压；网传器2053的作用是接收和传输摄像头数据；陀螺仪2054的作用测量出转动、偏转的角度，保证运行稳定。

本实施例中，本发明可以通过控制电机701的速度差，实现爬壁机器人的转弯、所述的前进、后退、转弯功能，电机701通过电器盒205中的电机驱动器（图中未标出）控制。由于可以控制左右两侧电机701以相反方向转动，因此可实现本发明的原地转弯。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部分的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：包括机架（10）以及设置在机架（10）两侧的一对履带行走模块（30），所述履带行走模块（30）通过连接关节（102）与机架（10）连接，使每个履带行走模块（30）相对于机架（10）有两个互为垂直的转动自由度；

所述履带行走模块（30）包括主动轮（302）、从动轮（303）以及设置于主动轮（302）、从动轮（303）之间的一对摇摆支撑轮组件（40），通过履带（501）连接传动；在摇摆支撑轮组件（40）上设置有与主动轮（302）、从动轮（303）轴线平行的摇摆轴（401），在摇摆轴（401）上连接有永磁吸附板（402），在永磁吸附板（402）的两端安装有一对与摇摆轴（401）平行的行走支撑轮（403）；所述永磁吸附板（402）与一对行走支撑轮（403）绕摇摆轴（401）的轴线方向有一转动自由度；

所述爬壁机器人在变曲率导磁壁面上移动时，所述三个转动自由度使得履带（501）通过永磁吸附板（402）与行走支撑轮（403）贴紧导磁壁面。

2.如权利要求1所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述机架（10）包括主体梁（101），主体梁（101）为轴状，轴两端法兰上对称连接有一对连接关节（102），所述连接关节（102）包括互为垂直的第一转轴（1022）和第二转轴（1023），第二转轴（1023）绕第一转轴（1022）转动，所述履带行走模块（30）连接在第二转轴（1023）的法兰上，且绕第二转轴（1023）转动。

3.如权利要求2所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：在所述主体梁（101）与连接关节（102）之间安装有万向轮主板（103），万向轮主板（103）为U型槽状，在槽两侧设有槽向长槽孔，在长槽孔上安装有万向轮（104）。

4.如权利要求2所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述主体梁（101）上安装有监测模块（20）和电器盒本体（205），所述监测模块（20）包括摄像头（201）和摄像头支架（202），所述摄像头支架（202）与电器盒本体（205）通过电器盒套环上体（203）与电器盒套环下体（204）扣合紧固在主体梁（101）上。

5.如权利要求2所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述履带行走模块（30）包括平行设置的内侧履带板（502）和外侧履带板（503），所述主动轮（302）、从动轮（303）与一对摇摆支撑轮组件（40）连接在内侧履带板（502）与外侧履带板（503）之间，所述内侧履带板（502）连接在第二转轴（1023）的法兰上。

6.如权利要求5所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述主动轮（302）连接有电机模块（70），所述电机模块（70）包括电机（701）、直角减速器（702）和减速器法兰（703），所述减速器法兰（703）与内侧履带板（502）连接，直角减速器（702）的输出轴与主动轮（302）连接。

7.如权利要求5所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述内侧履带板（502）与外侧履带板（503）之间连接有带轮加固板（60）和把手（504），其中，所述带轮加固板（60）一端固定连接在电机的减速器法兰（703）上，另一端固定连接在主动轮（302）的轴承端盖上。

8.如权利要求1所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述永磁吸附板（402）包括导磁板（4021）和永磁铁（4022），所述导磁板（4021）的材质为纯铁或低碳钢，所述永磁铁（4022）为长方体永磁铁，且沿高度方向磁化，相邻两块永磁铁（4022）沿高度方向以磁极相反的耦合排列方式连接在导磁板（4021）上。

9.如权利要求8所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述主动轮（302）、从动轮（303）与行走支撑轮（403）为同轴双轮结构，双轮在所在轴的两端，所述双轮为同步轮，所述履带（501）为同步带，履带（501）内侧的中间部位设有沉槽，所述永磁吸附板（402）上的永磁铁（4022）贴近沉槽。

10.如权利要求9所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁机器人，其特征是：所述主动轮（302）、从动轮（303）与行走支撑轮（403），在其双轮内侧均设置有压带轮内挡板（404），所述压带轮内挡板（404）位于履带（501）沉槽内侧的槽边部。