CN107804384B - 自适应壁面四履带爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应壁面四履带爬壁机器人，其技术特点是：包括一个中间平台和四个相互独立且结构相同的车体模块，四个车体模块以中间平台为中心左右成对称布置，并通过具有两自由度的限位关节与中间平台相连接，所述车体模块为履带式永磁吸附结构的车体模块。本发明设计合理，能够使爬壁机器人实现不同曲率的垂直壁面的行走功能，能够保证机器人灵活运动时机器人的稳定性，为安全高效的作业提供保障，具有稳定的附着力、越障能力及强负载能力，满足了在复杂环境中运动和作业的需求。

Description

自适应壁面四履带爬壁机器人

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，涉及一种爬壁机器人，尤其是一种自适应壁面四履带越障爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人可以在核电工程、化工和风电工程等危险和极限环境下进行作业，在机器人行业有着重要的意义。国内各个领域的大型设备基本采用一些由钢材的导磁性材料加工成的大型装备，比如石油管道、化工储罐、船舶，风电设备等，这些壁面风吹日晒，盐碱侵蚀，砂砾摩擦，表面会出现污垢，脱漆，乃至锈蚀的现象。为了保障设备的安全运转，需要投入大量的人力物力进行定期的清洗检测等维护作业。使用机器人从事一些高强度，高危险的工作已经成为一种必然的趋势，同时，也更需要的是一些稳定性高，附着力大，可以适应各种曲率的导磁性壁面的爬壁机器人。因此，研发可以在各种曲率的导磁面灵活稳定运动的机器人，并且根据作业需求搭载不同作业模块的爬壁作业机器人***成为了趋势。

经对现有技术的检索发现，中国专利申请号201620481051.5记载了“一种可任意转向的履带爬壁机器人”涉及到了履带轮的任意转向,其存在的问题是：履带轮只能在平面进行作业,其中爬壁机器人对壁面形貌及曲率的变化适应性差。同时，由于爬壁机器人主要是吸附在导磁性壁面，应该适应不同曲率的壁面、适度的越障能力并且具有较大的负载能力，但是，目前大多数爬壁机器人在这些方面并不能很好地满足工况的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、能够适应不同曲率的壁面、适度的越障能力并且具有较大的负载能力的自适应壁面四履带爬壁机器人。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种自适应壁面四履带爬壁机器人，包括一个中间平台和四个相互独立且结构相同的车体模块，四个车体模块以中间平台为中心左右成对称布置，并通过具有两自由度的限位关节与中间平台相连接，所述车体模块为履带式永磁吸附结构的车体模块。

进一步，所述具有两自由度的限位关节包括第一旋转轴、第一旋转轴轴肩定位凸台、第一旋转轴角度限位、第二旋转轴、第二旋转轴角度限位卡环、第二旋转轴轴肩定位凸台、限位底座、限位盖和角度限位凸台；所述第一旋转轴、第一旋转轴角度限位、第一旋转轴轴肩定位凸台、第二旋转轴、第二旋转轴轴肩定位凸台为一体结构，第二旋转轴角度限位卡环由第二旋转轴轴肩定位凸台所定位并通过键与第二旋转轴固接，第二旋转轴角度限位卡环与车体内侧的限位槽配合限制旋转角度，第二旋转轴通过车体中心第二旋转轴定位孔与车体外侧固定；所述限位底座通过螺栓固装在中间平台上，所述限位盖安装在限位底座上并在限位盖内设有轴承，轴承外圈顶与限位底座和限位盖相配合，轴承内圈由第一旋转轴轴肩定位凸台固定，第一旋转轴角度限位与角度限位凸台配合起到限位作用。

进一步，所述车体模块包括车架内侧壁板、车架外侧壁板、同步带轮架、磁铁固定板、张紧同步带轮轴、齿轮轴、同步带轮轴、压缩缸、弹簧、压缩杆、减速器固定支架、磁铁块、间隙式永磁吸附机构、驱动机构、传动机构和行走机构；所述磁铁块固定在磁铁固定板上，磁铁固定板两侧与同步带轮架通过销紧固连接；同步带轮架两端通过同步带轮轴连接同步带轮，同步带轮架的一端与车架内侧壁板、车架外侧壁板与同步带轮轴连接，同步带轮架的另一端紧固连接压缩杆，压缩杆通过弹簧连接压缩缸，压缩缸再与车体壁板所连接同步带轮轴、同步带轮连接；车架内侧壁板与车架外侧壁板上均有张紧滑槽，张紧同步带轮轴在滑槽内水平移动实现履带的张紧功能；车架内侧壁板在旋转轴中心有第二旋转轴限位槽；所述间隙式永磁吸附机构由多组结构相同的永磁吸附单元构成，吸附单元分别安装在车架下底板上，对称分布在履带左右两侧；所述驱动机构安装在磁铁底板后端并通过传送机构与行走机构相连接。

进一步，所述驱动机构包括直流有刷电动机、编码器、抱闸制动器、电机驱动器；所述直流有刷电动机、编码器、抱闸制动器为同轴布置，依次螺栓连接为一体，再通过螺栓连接到减速器上；电机驱动器安装在磁铁底板后端位置。

进一步，所述传动机构包括一级减速器、减速器固定支架、扭矩换向器和二级减速器；一级减速器前端通过减速器固定支架固接在车架内侧壁板上，后端连接有驱动机构；减速器输出轴连接扭矩换向器，将电机扭矩传递给扭矩换向器；扭矩换向器为传动比1:1的锥齿轮组，主动锥齿轮连接一级减速器输出轴，从动锥齿轮固定在齿轮轴上，将齿轮轴固定在车架外侧壁板上；二级减速器由主动直齿轮和被动直齿轮构成；主动直齿轮与从动直齿轮标准啮合，且固定在齿轮轴的外端，由此扭矩换向器将电机扭矩传递至二级减速器。

进一步，所述行走机构包括同步带轮、同步带和橡胶构成；同步带由四个同步带轮共同撑起，所述同步带轮通过张紧同步带轮轴，同步带轮轴与壁板连接，所述橡胶裹在同步带外侧。

进一步，所述永磁吸附单元由多块永磁块排列组成。

进一步，所述中间平台由平台主箱体和平台上盖板构成；所述平台主箱体是一个无上盖的长方体，内部空间用于装在机器人所用的电器元件，所述平台上盖安装在平台主箱体的上表面，构成一个封闭的箱体。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明采用模块化设计，通过相互独立的车体模块对称布置在一个中间平台两侧而构成；车体与中间平台由具有两自由度限位结构的关节连接，拆解拼装简便，运输快捷，能够很好适应狭小受限的空间的作业需求，在通过各种变曲率等非连续作业区域方面具有极强的优势，本发明可应用于各类导磁性壁面(例如风电塔桶，船舶外表面等)，能够实现在曲率变化的导磁面上的灵活爬行，并可根据不同的任务需求搭载不同类型的作业模块，在各类导磁壁面上开展相应的极限作业。

2、本发明采用间隙式永磁吸附形式，具有结构简单、吸附力大、不受掉电影响等优点。

3、本发明采用履带式结构，能够保证转弯过程中履带与壁面的接触面积足够大，能够提供机器人壁面运动时足够的摩擦力，即使遇到适当的障碍也可以稳定地行走，能够保证运动的稳定性与壁面极限作业的安全性，更加适合应用在一些极限的工业环境。

4、本发明设计合理，能够使爬壁机器人实现不同曲率的垂直壁面的行走功能，能够保证机器人灵活运动时机器人的稳定性，为安全高效的作业提供保障，具有稳定的附着力、越障能力及强负载能力，满足了在复杂环境中运动和作业的需求。

附图说明

图1是本发明的总装配体等轴侧视图；

图2是本发明的总装配体俯视图；

图3是本发明的中间平台等轴侧视图；

图4是本发明的限位关节装配体等轴侧视图；

图5是本发明的限位底座等轴侧视图；

图6是本发明的限位关节等轴侧视图；

图7是本发明的右车体模块等轴侧视示意图；

图8是本发明的右车体内部结构正视图图；

图9是本发明的右车体内部结构等轴侧视图；

图10是曲面上升适应示意图；

图11是曲面转弯适应示意图；

图中：1-中间平台，2-前右限位关节，3-前右车体模块，4-后右车体模块，5-后右限位关节，6-后左限位关节，7-后左车体模块，8-前左车体模块，9-前左限位关节，101-平台主箱体，102-平台上盖板，201-限位底座，202-限位盖，203-角度限位凸台，204-第一旋转轴角度限位，205-第一旋转轴轴肩定位凸台，206-第一旋转轴，207-第二旋转轴，208-第二旋转轴角度限位卡环，209-第二旋转轴轴肩定位凸台，301-右车架内侧壁板，302-右车架外侧壁板，303-同步带，304-橡胶，305-张紧轴滑槽，306-第二旋转轴限位槽，307-压缩缸，308-弹簧，309-压缩杆，310-磁铁固定板，311-同步带轮架，312-二级减速器，313-一级减速器，314-直流有刷电机，315-抱闸制动器，316-编码器，317-第二旋转轴定位孔，318-同步带轮，319-定位套筒，320-张紧同步带轮轴，321-齿轮轴，322-同步带轮轴，323-扭矩换向器，324-销，325-减速器固定支架，326-永磁块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种自适应壁面四履带爬壁机器人，如图1及图2所示，包括四个相互独立的车体模块和一个中间平台1，所述四个相互独立的车体模块分别为左前车体模块8、左后车体模块7、右前车体模块3、右后车体模块4，四个车体模块结构相同并以中间平台1为中心左右成对称布置，左右两侧的车体模块具有相对于中间平台1的两个旋转自由度。四个车体模块通过四个具有两自由度的限位关节与中间平台1相连接，所述四个限位关节分别为前右限位关节2、后右限位关节5、后左限位关节6、前左限位关节9。

如图3所示，所述中间平台1由平台主箱体101和平台上盖板102构成。平台主箱体101是一个无上盖的长方体，内部空间用于装在机器人所用的电器元件。平台上盖102安装在平台主箱体的上表面，形成一个封闭的箱体。

如图4、图5及图6所示，所述具有两自由度的限位关节包括第一旋转轴206、第一旋转轴轴肩定位凸台205、第一旋转轴角度限位204、第二旋转轴207、第二旋转轴角度限位卡环208和第二旋转轴轴肩定位凸台205。其中第一旋转轴206、第一旋转轴角度限位204、第一旋转轴轴肩定位凸台205、第二旋转轴207、第二旋转轴轴肩定位凸台209一体制成。第二旋转轴角度限位卡环208由第二旋转轴轴肩定位凸台209所定位，通过键与第二旋转轴207固接。第二旋转轴角度限位卡环208与车体内侧的限位槽306配合限制旋转角度，第二旋转轴207通过车体中心第二旋转轴定位孔317与车体外侧壁板302固定。

四个车体模块结构相同，下面以前右车体模块3为例说明车体模块结构。如图7、图8及图9所示，所述前右车体模块3包括右车架内侧壁板301、右车架外侧壁板302、同步带轮架311、磁铁固定板310、张紧同步带轮轴322、齿轮轴321、同步带轮轴322、压缩缸307、弹簧308、压缩杆309、减速器固定支架325、磁铁块326、间隙式永磁吸附机构、驱动机构、传动机构和行走机构。其中磁铁块326固定在磁铁固定板310上，磁铁固定板310两侧与同步带轮架311通过销324紧固连接；同步带轮架311两端通过同步带轮轴322连接同步带轮318，同步带轮架311的一端与右车架内侧壁板301、右车架外侧壁板302通过同步带轮轴322连接，同步带轮架311的另一端紧固连接压缩杆309，压缩缸307通过通过弹簧308连接压缩杆，压缩缸307再与车体壁板所连接同步带轮轴322、同步带轮318连接。右车架内侧壁板301与右车架外侧壁板302上均有张紧滑槽305，张紧同步带轮轴320可以在滑槽内水平移动，移动到适当的位置将其固定，可以实现履带303的张紧，轴间距离的变化可以给同步带施加张紧力，间距越大，张紧力越大。所述间隙式永磁吸附机构由多组永磁吸附单元构成，每组永磁吸附单元结构相同，均是由多块永磁块326排列组成。吸附单元分别安装在右车架磁铁固定板310上，均匀分布在履带左右两侧。右车架内侧壁板301在旋转轴中心有第二旋转轴限位槽306。

所述驱动机构包括直流有刷电动机314、编码器316、抱闸制动器315和电机驱动器。所述直流有刷电动机314、编码器316、抱闸制动器315为同轴布置，依次螺栓连接为一体，再通过螺栓连接到减速器313上；电机驱动器放置在右车架磁铁底板310后端位置。

所述传动机构包括一级减速器313、减速器固定支架325、扭矩换向器323和二级减速器312。一级减速器313前端通过减速器固定支架325固接在右车架内侧壁板301上，后端连接有驱动机构。减速器输出轴连接扭矩换向器323，将电机扭矩传递给扭矩换向器323。扭矩换向器323为传动比1:1的锥齿轮组，主动锥齿轮连接一级减速器输出轴，从动锥齿轮固定在齿轮轴321上，齿轮轴321固定在右车架外侧壁板302上。二级减速器312由主动直齿轮和被动直齿轮构成。主动直齿轮与从动直齿轮标准啮合，且固定在齿轮轴321的外端，由此扭矩换向器323将电机扭矩传递至二级减速器312。

所述行走机构包括同步带轮318、同步带303和橡胶304。同步带303由四个同步带轮319共同撑起，所述的同步带轮通过同步带轮轴322与右车架外侧壁板302连接。这样通过一系列的传动，电机可以驱动同步带运动。同步带外侧裹有一层薄的橡胶，该橡胶的硬度较低，防止履带与壁面直接接触，这样起到保护壁面的作用。

下面对限位关节与中间平台1、车体模块的连接关系进行说明。

以前右限位关节2为例说明限位关节与中间平台1的连接关系。所述具有两自由度的限位关节2与中间平台1是由第一旋转轴轴肩定位凸台205通过轴承连接相配合的，轴承外圈顶与限位底座201和限位盖202相配合，轴承内圈则由第一旋转轴轴肩定位凸台205所固定。这样使得限位关节2以第一旋转轴206为轴，相对于中间平台1做旋转运动。通过第一旋转轴角度限位204与角度限位凸台203配合，二者的相对位置决定了关节的旋转范围，从而起到限位作用，最后限位底座201与平台主箱体101通过螺栓固连。

具有两自由度的前右限位关节2连接了前右车体模块3与中间平台1，使得前右车体模块3具有相对于中间平台1的两个旋转自由度，这样就能够满足机器人对作业面变曲率的适应，以及在转弯的过程中保证履带的接触面积最大，保证机器人在作业过程中，时刻与塔桶壁面的稳定接触，为安全作业提供了足够的保障，如图10及图11所示。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种自适应壁面四履带爬壁机器人，其特征在于：包括一个中间平台和四个相互独立且结构相同的车体模块，四个车体模块以中间平台为中心左右成对称布置，并通过具有两自由度的限位关节与中间平台相连接，所述车体模块为履带式永磁吸附结构的车体模块；

所述具有两自由度的限位关节包括第一旋转轴、第一旋转轴轴肩定位凸台、第一旋转轴角度限位、第二旋转轴、第二旋转轴角度限位卡环、第二旋转轴轴肩定位凸台、限位底座、限位盖和角度限位凸台；所述第一旋转轴、第一旋转轴角度限位、第一旋转轴轴肩定位凸台、第二旋转轴、第二旋转轴轴肩定位凸台为一体结构，第二旋转轴角度限位卡环由第二旋转轴轴肩定位凸台所定位并通过键与第二旋转轴固接，第二旋转轴角度限位卡环与车体内侧的限位槽配合限制旋转角度，第二旋转轴通过车体中心第二旋转轴定位孔与车体外侧固定；所述限位底座通过螺栓固装在中间平台上，所述限位盖安装在限位底座上并在限位盖内设有轴承，轴承外圈顶与限位底座和限位盖相配合，轴承内圈由第一旋转轴轴肩定位凸台固定，第一旋转轴角度限位与角度限位凸台配合起到限位作用；

所述车体模块包括车架内侧壁板、车架外侧壁板、同步带轮架、磁铁固定板、张紧同步带轮轴、齿轮轴、同步带轮轴、压缩缸、弹簧、压缩杆、减速器固定支架、磁铁块、间隙式永磁吸附机构、驱动机构、传动机构和行走机构；所述磁铁块固定在磁铁固定板上，磁铁固定板两侧与同步带轮架通过销紧固连接；同步带轮架两端通过同步带轮轴连接同步带轮，同步带轮架的一端与车架内侧壁板、车架外侧壁板与同步带轮轴连接，同步带轮架的另一端紧固连接压缩杆，压缩杆通过弹簧连接压缩缸，压缩缸再与车体壁板所连接同步带轮轴、同步带轮连接；车架内侧壁板与车架外侧壁板上均有张紧滑槽，张紧同步带轮轴在滑槽内水平移动实现履带的张紧功能；车架内侧壁板在旋转轴中心有第二旋转轴限位槽；所述间隙式永磁吸附机构由多组结构相同的永磁吸附单元构成，吸附单元分别安装在车架下底板上，对称分布在履带左右两侧；所述驱动机构安装在磁铁底板后端并通过传送机构与行走机构相连接。

2.根据权利要求1所述的自适应壁面四履带爬壁机器人，其特征在于：所述驱动机构包括直流有刷电动机、编码器、抱闸制动器、电机驱动器；所述直流有刷电动机、编码器、抱闸制动器为同轴布置，依次螺栓连接为一体，再通过螺栓连接到减速器上；电机驱动器安装在磁铁底板后端位置。

3.根据权利要求1所述的自适应壁面四履带爬壁机器人，其特征在于：所述传动机构包括一级减速器、减速器固定支架、扭矩换向器和二级减速器；一级减速器前端通过减速器固定支架固接在车架内侧壁板上，后端连接有驱动机构；减速器输出轴连接扭矩换向器，将电机扭矩传递给扭矩换向器；扭矩换向器为传动比1:1的锥齿轮组，主动锥齿轮连接一级减速器输出轴，从动锥齿轮固定在齿轮轴上，将齿轮轴固定在车架外侧壁板上；二级减速器由主动直齿轮和被动直齿轮构成；主动直齿轮与从动直齿轮标准啮合，且固定在齿轮轴的外端，由此扭矩换向器将电机扭矩传递至二级减速器。

4.根据权利要求1所述的自适应壁面四履带爬壁机器人，其特征在于：所述行走机构包括同步带轮、同步带和橡胶构成；同步带由四个同步带轮共同撑起，所述同步带轮通过张紧同步带轮轴，同步带轮轴与壁板连接，所述橡胶裹在同步带外侧。

5.根据权利要求1所述的自适应壁面四履带爬壁机器人，其特征在于：所述永磁吸附单元由多块永磁块排列组成。

6.根据权利要求1所述的自适应壁面四履带爬壁机器人，其特征在于：所述中间平台由平台主箱体和平台上盖板构成；所述平台主箱体是一个无上盖的长方体，内部空间用于装在机器人所用的电器元件，所述平台上盖安装在平台主箱体的上表面，构成一个封闭的箱体。