CN109050704A - 一种具有壁面自适应能力的爬壁机器人用轮式越障机构 - Google Patents

Abstract

一种具有壁面自适应能力的爬壁机器人用轮式越障机构，包括两个轮式驱动机构、非接触磁吸附机构、丝杆机构以及两个弹簧机构。轮式驱动机构放置于丝杆机构的两侧并与丝杆机构固定连接，非接触磁吸附机构放置于轮式驱动机构的下方并与丝杆机构底部固定连接，弹簧机构分别固装于轮式驱动机构内部，并与非接触磁吸附机构连接。本发明实现了非接触磁吸附轮式机构的越障以及磁吸附力的调节，克服了现有磁吸附轮式机构越障能力有限以及磁吸附力不可调节的缺点；非接触磁吸附机构磁吸附力的调节发生在轮式驱动机构与壁面接触之后，磁吸附力的调节可以不受壁面条件的限制，具有很强的壁面自适应能力。

Description

一种具有壁面自适应能力的爬壁机器人用轮式越障机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域。

背景技术

爬壁机器人是一种能够携带作业工具在各式各样的壁面上实现特定作业功能的特种机器人，可以替代人在危险、极限等环境下作业，在建筑清洗、船舶焊接、核储罐检测等领域具有广阔的应用前景。

吸附机构和行走机构是爬壁机器人实现壁面安全、高效作业的关键组成部分。常用的吸附方式主要有负压吸附和磁吸附，其中永磁吸附由于具有结构小、吸附力大、无需提供能源等特点，被铁磁环境下工作的爬壁机器人广泛采用。常用的行走方式主要有腿足式、履带式和轮式，其中轮式行走方式由于具有运动灵活、平稳等特点，被从事检测、焊接等作业的爬壁机器人所采用。

现有的永磁吸附轮式爬壁机器人普遍存在磁吸附力不可调节，不具备越障能力或越障能力有限的问题。

中国专利申请号201620441879.8记载了“一种新型轮式永磁吸附爬壁机器人”，涉及了磁吸附轮式爬壁机器人的吸附和移动技术，采用永磁轮和非接触磁吸附机构相配合的方式，提高了机器人壁面适应能力。

该专利虽然在一定程度上提高了机器人的壁面适应能力，但机器人底盘高度决定了其越障能力，其越障能力十分有限；磁吸附机构相对机器人的位置固定，磁吸附力不可调节，在越障或弧形壁面作业时，其磁吸附力将会衰减，增加了机器人的作业风险。

中国专利申请号201010289541.2记载了一种“磁吸附力可调节的爬壁机器人用轮式越障机构”，机构采用非接触式永磁吸附，并利用差动螺旋原理通过丝杆机构实现磁吸附力的调节以及机构的越障。

该专利虽然通过差动螺旋原理实现了磁吸附力的调节和机构的越障，但是丝杆与磁吸附机构、驱动轮组之间均为刚性连接，磁吸附机构与驱动轮组之间的相对位置和驱动轮组升降的高度一一对应，该机构只对于平面或曲率半径大的壁面才有效，而对于小曲率半径的壁面，当驱动轮组与壁面接触时，磁吸附机构会因为未到达预设的位置而失效，从而使机器人存在跌落的风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种具有壁面自适应能力的爬壁机器人用轮式越障机构，解决现有磁吸附机构和轮式移动机构存在的问题，该机构具有越障和磁吸附力的调节的功能，且具有壁面自适应能力，能够适应不同类型的壁面。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种具有壁面自适应能力的爬壁机器人用轮式越障机构，包括两个轮式驱动机构、非接触磁吸附机构、丝杆机构以及两个弹簧机构，两个轮式驱动机构放置于丝杆机构的两侧并与丝杆机构固定连接，非接触磁吸附机构放置于两个轮式驱动机构的下方并与丝杆机构底部固定连接，两个弹簧机构分别固装于两个轮式驱动机构内部，并与非接触磁吸附机构连接，通过驱动丝杆机构能够实现丝杆机构、轮式驱动机构以及非接触磁吸附机构相对于机器人本体的上升与下降。

所述的两个轮式驱动机构的结构完全相同，均包括：驱动轮、箱体、大齿轮、齿轮轴、小齿轮、安装法兰Ⅰ以及驱动电机Ⅰ，其中：驱动轮安装在箱体侧面，大齿轮套装于齿轮轴上，并与小齿轮一同安装在箱体内部，驱动电机Ⅰ通过安装法兰Ⅰ安装于箱体侧面，驱动电机Ⅰ通过驱动小齿轮并带动大齿轮和齿轮轴，最终实现对驱动轮的驱动。

所述的非接触磁吸附机构包括：两个窄永磁体、两个宽永磁体、轭铁、三个隔磁铝块、两个支撑板以及两个限位铝板，两个窄永磁体分别置于轭铁底面两侧，两个宽永磁体分别置于轭铁底面中部，三个隔磁铝块分别置于上述四个永磁体之间，并与轭铁固定连接，两个支撑板置于两个窄永磁体外侧并与轭铁固定连接，两个限位铝板安装在轭铁前后两端面。

所述的丝杆机构包括：丝杆、丝杆支架、两个导轨Ⅰ、两个滑块Ⅰ、滑块Ⅰ连接板、四个光轴支架、两个直线光轴、螺母Ⅰ、螺母连接板、两个直线轴承、两个调节螺母、两个调节螺柱、四个弹簧导套Ⅰ、两个弹簧Ⅰ、两个导轨Ⅱ、两个滑块Ⅱ、滑块Ⅱ连接板、两个直角连接板、驱动机构连接板、螺母Ⅱ、两个吸附机构连接板、主动带轮、从动带轮、张紧带轮、带轮支架、同步带、安装法兰Ⅱ以及驱动电机Ⅱ，其中：丝杆两端套装在丝杆支架上，两个导轨Ⅰ分别固装在丝杆支架正面的两侧，两个滑块Ⅰ分别固装在滑块Ⅰ连接板的两侧并套装在导轨Ⅰ上，四个光轴支架两两套装于两个直线光轴的两端，并固装在滑块Ⅰ连接板的反面，螺母Ⅰ固装在螺母连接板中部，并套装在丝杆上，螺母连接板通过两个直线轴承套装在两个直线光轴上，两个调节螺母与两个调节螺柱通过螺纹啮合在一起，并分别套装在两个直线光轴上，四个弹簧导套Ⅰ两两放置于两个弹簧Ⅰ的两端，并分别套装在两个直线光轴上，两个导轨Ⅱ分别固装在丝杆支架反面的两侧，两个滑块Ⅱ分别固装在滑块Ⅱ连接板的两侧并套装在导轨Ⅱ上，驱动机构连接板通过两个直角连接板与滑块Ⅱ连接板固定连接，螺母Ⅱ套装在丝杆上并与驱动机构连接板固定连接，两个吸附机构连接板固装在丝杆支架底端，从动带轮套装在丝杆顶端，主动带轮和张紧带轮通过带轮支架安装在丝杆支架顶部，同步带套装在主动带轮、从动带轮以及张紧带轮上，驱动电机Ⅱ通过安装法兰Ⅱ固装在丝杆支架顶部。

所述的两个弹簧机构的结构完全相同，均包括两个弹簧导套Ⅱ、固定座、两个弹簧Ⅱ、两个弹簧压板以及两个弹簧压杆，两个弹簧导套Ⅱ分别安装在固定座上，两个弹簧Ⅱ分别放置在两个弹簧导套Ⅱ内，两个弹簧压板分别套装在两个弹簧压杆的一端，并放置在弹簧Ⅱ顶端。

本发明的工作原理是：机构下降初始，处于丝杆底部并与轮式驱动机构形成固定连接的螺母Ⅱ并未与丝杆啮合，轮式驱动机构与固装于丝杆机构底部的非接触磁吸附机构通过弹簧机构压紧在一起，当丝杆旋转时，由于螺母Ⅰ随滑块Ⅰ连接板与机器人机架形成连接，丝杆将带动轮式驱动机构和非接触磁吸附一起下降，在轮式驱动机构与壁面接触后，非接触磁吸附机构将与轮式驱动机构脱离，并随丝杆继续下降，随后丝杆底部螺纹将旋入螺母Ⅱ与之啮合，此时丝杆将与轮式驱动机构形成刚性连接，由于螺母Ⅰ与螺母Ⅱ螺距相同，丝杆可带动非接触磁吸附机构相对螺母Ⅰ、螺母Ⅱ上下调整，而螺母Ⅰ和螺母Ⅱ位置不会改变，从而实现机构的下降和磁吸附力的调节；反向旋转丝杆，丝杆螺纹将逐渐旋出螺母Ⅱ，并带动非接触磁吸附机构上升，随后，非接触磁吸附机构将与轮式驱动机构接触并将其托起，最后随着丝杆一起上升，从而实现了机构的上升；机构的上升、下降、磁吸附力的调节均通过驱动电机Ⅱ实现，且轮式驱动机构与非接触磁吸附机构的相对运动在与壁面接触后出现，磁吸附力的调节可以不受壁面条件的限制，机构具有很强的壁面自适应能力。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明采用双螺旋传动原理实现了非接触磁吸附轮式机构的越障以及磁吸附力的调节，克服了现有磁吸附轮式机构越障能力有限以及磁吸附力不可调节的缺点；非接触磁吸附机构磁吸附力的调节发生在轮式驱动机构与壁面接触之后，磁吸附力的调节可以不受壁面条件的限制，本发明具有很强的壁面自适应能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中轮式驱动轮机构和弹簧机构的结构示意图。

图3是本发明的前视图。

图4是本发明的后视图。

图5是本发明的越障原理示意图。

图6是本发明的磁吸附力调节原理示意图。

其中，1为轮式驱动机构、2为非接触磁吸附机构、3为丝杆机构、4为弹簧机构、5为驱动轮、6为箱体、7为大齿轮、8为齿轮轴、9为小齿轮、10为安装法兰Ⅰ、11为驱动电机Ⅰ、12为窄永磁体、13为宽永磁体、14为轭铁、15为隔磁铝块、16为支撑板、17为限位铝板、18为丝杆、19为丝杆支架、20为导轨Ⅰ、21为滑块Ⅰ、22为滑块Ⅰ连接板、23为光轴支架、24为直线光轴、25为螺母Ⅰ、26为螺母连接板、27为直线轴承、28为导轨Ⅱ、29为滑块Ⅱ、30为滑块Ⅱ连接板、31为直角连接板、32为驱动机构连接板、33为螺母Ⅱ、34为主动带轮、35为从动带轮、36为张紧带轮、37为带轮支架、38为同步带、39为安装法兰Ⅱ、40为驱动电机Ⅱ、41为弹簧导套Ⅰ、42为弹簧Ⅰ、43为吸附机构连接板、44为固定座、45为弹簧导套Ⅱ、46为弹簧Ⅱ、47为弹簧压板、48为弹簧压杆。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括：两个轮式驱动机构1、非接触磁吸附机构2、丝杆机构3以及两个弹簧机构4，其中：两个轮式驱动机构1分别放置于丝杆机构3的两侧，并与丝杆机构3固定连接，非接触磁吸附机构2放置于两个轮式驱动机构1的下方，并与丝杆机构3固定连接，两个弹簧机构4分别固装于轮式驱动机构1的的内部，并与非接触磁吸附机构2连接，驱动丝杆机构3能够实现丝杆机构3、轮式驱动机构1以及非接触磁吸附机构2相对机器人机架上升与下降。

如图1、2所示，两个轮式驱动机构1的结构完全相同，均包括：驱动轮5、箱体6、大齿轮7、齿轮轴8、小齿轮9、安装法兰Ⅰ10以及驱动电机Ⅰ11，其中：所述驱动轮5安装在箱体6的侧面，所述大齿轮7套装在齿轮轴8上，并安装在箱体6内部，所述齿轮轴8一端套装在驱动轮5内部，所述小齿轮9安装在箱体6内部并与大齿轮7啮合，所述驱动电机Ⅰ11通过安装法兰Ⅰ10安装在箱体6的侧面，驱动电机Ⅰ11驱动小齿轮9并带动大齿轮7，使齿轮轴8带动驱动轮5转动，实现机构的驱动。

如图1、图3所示，非接触磁吸附机构2包括：两个窄永磁体12、两个宽永磁体13、轭铁14、三个隔磁铝块15、两个支撑板16以及两个限位铝板17，其中：所述两个窄永磁体12分别放置于轭铁14的底面两侧，所述两个宽永磁体13分别放置于轭铁14的底面中部，所述三个隔磁铝块15分别放置在上述四个永磁体之间，并与轭铁14固定连接，起到隔磁作用，所述两个支撑板16放置在两个窄永磁体12的外侧，并与轭铁14固定连接，所述两个限位铝板17分别固装在轭铁14的前后端面。

所述两个窄永磁体12和两个宽永磁体13均采用钕铁硼N45SH制成，并沿厚度方向充磁，相邻两个永磁体的安装极性相反，所述轭铁14采用导磁性能好的普通碳素结构钢Q235制成，所述支撑板16采用不导磁的304不锈钢制成，在保证承载强度的同时，能够避免对磁路产生干扰。

如图1、图3、图4所示，丝杆机构3包括：丝杆18、丝杆支架19、两个导轨Ⅰ20、两个滑块Ⅰ21、滑块Ⅰ连接板22、四个光轴支架23、两个直线光轴24、螺母Ⅰ25、螺母连接板26、两个直线轴承27、两个导轨Ⅱ28、两个滑块Ⅱ29、滑块Ⅱ连接板30、两个直角连接板31、驱动机构连接板32、螺母Ⅱ33、主动带轮34、从动带轮35、张紧带轮36、带轮支架37、同步带38、安装法兰Ⅱ39、驱动电机Ⅱ40、四个弹簧导套Ⅰ41、两个弹簧Ⅰ42以及两个吸附机构连接板43。

所述丝杆18两端套装在丝杆支架19上，可相对丝杆支架19转动，所述两个导轨Ⅰ20分别固装于丝杆支架19正面的两侧，所述两个滑块Ⅰ21分别固装于滑块Ⅰ连接板22的两侧，并分别套装在两个导轨Ⅰ20上，滑块Ⅰ连接板22可通过滑块Ⅰ21相对导轨Ⅰ20上下滑动。

所述四个光轴支架23两两套装于两个直线光轴24的两端，并固装在滑块Ⅰ连接板22的反面，所述螺母Ⅰ25固装在螺母连接板26的中部，并套装在丝杆18上，所述两个直线轴承27固装在螺母连接板26的两端，并分别套装在两个直线光轴24上，螺母Ⅰ25可随螺母连接板26通过直线轴承27在直线光轴24上相对滑块Ⅰ连接板22上下滑动。

所述两个导轨Ⅱ28分别固装在丝杆支架19反面的两侧，所述两个滑块Ⅱ29分别固装于滑块Ⅱ连接板30的两侧，并分别套装在两个导轨Ⅱ28上，所述驱动机构连接板32通过两个直角连接板31与滑块Ⅱ连接板30固定连接，所述螺母Ⅱ33固装在驱动机构连接板32的中部，所述两个轮式驱动机构1固装在驱动机构连接板32的两侧，驱动机构连接板32、螺母Ⅱ33以及轮式驱动机构1可随滑块Ⅱ连接板30通过滑块Ⅱ29相对导轨Ⅱ28上下滑动。

所述丝杆18、螺母Ⅰ25、螺母Ⅱ33上的螺纹为梯形螺纹，且螺距均为4mm，螺母Ⅰ25始终与丝杆18通过螺纹啮合，丝杆18底部一段为光轴，螺母Ⅱ33在轮式驱动机构1与壁面接触前距离丝杆18的螺纹有一定距离，并未与丝杆18啮合。

所述从动带轮35套装于丝杆18的顶端，所述主动带轮34和张紧带轮36通过带轮支架37安装于丝杆支架19的顶部，所述同步带38套装在主动带轮34、从动带轮35和张紧带轮36上，所述驱动电机Ⅱ40通过安装法兰Ⅱ39固装于丝杆支架19的顶部，驱动电机Ⅱ40通过驱动主动带轮34带动同步带38，使从动带轮35带动丝杆18转动。

所述四个弹簧导套Ⅰ41两两套装在两个弹簧Ⅰ42的两端，并分别套装在两个直线光轴24上且置于螺母连接板26的上方，所述弹簧Ⅰ42为圆柱螺旋弹簧，弹簧Ⅰ42安装时存在预紧力，如此设置，可避免丝杆18的螺纹与螺母Ⅱ33接触时，螺母Ⅰ25和螺母Ⅱ33之间位置不合适，而导致丝杆机构3卡死，从而保证丝杆18的螺纹与螺母Ⅱ33顺利啮合。

所述两个吸附机构连接板43固装于丝杆支架19的底部，并与非接触磁吸附机构2固定连接。

如图1、图2、图3所示，两个弹簧机构4的结构完全相同，均包括：固定座44、两个弹簧导套Ⅱ45、两个弹簧Ⅱ46两个弹簧压板47以及两个弹簧压杆48，所述固定座44固装在轮式驱动机构1中箱体6的底部，所述两个弹簧导套Ⅱ45分别安装在固定座44上，所述两个弹簧Ⅱ46分别套装在两个弹簧导套Ⅱ45内，所述两个弹簧压板47分别套装在两个弹簧Ⅱ46的顶端，所述两个弹簧压杆48分别置于两个弹簧Ⅱ46内部，一端与弹簧压板47固定连接，一端与非接触磁吸附机构2中的支撑板16固定连接。

所述弹簧Ⅱ46为圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ46安装存在预紧力，在轮式驱动机构1未与接触壁面前，弹簧机构4通过预紧力将轮式驱动机构1与非接触磁吸附机构2压紧，使轮式驱动机构1与非接触磁吸附机构2一同随丝杆机构3升降，在轮式驱动机构1与壁面接触后，弹簧机构4用于将非接触磁吸附机构2下降所做的功转化为弹性势能进行存储，以减小非接触磁吸附机构3上升过程所需驱动电机Ⅱ40的驱动力矩。

如图5所示为本发明的越障原理示意图，滑块Ⅰ连接板22与机器人机架固定连接，当驱动电机Ⅱ40驱动丝杆18转动时，由于螺母连接板26受到弹簧Ⅰ42的预紧力，螺母Ⅰ25将随螺母连接板26相对滑块Ⅰ连接板22保持静止，丝杆18、丝杆支架19以及非接触磁吸附机构2将相对螺母Ⅰ25上升或下降，由于螺母Ⅱ33未与丝杆18的螺纹啮合，在弹簧机构4的作用下，轮式驱动机构1也将随非接触磁吸附机构2一同升降，从而实现越障功能。

如图6所示为本发明的磁吸附力调节原理示意图，当轮式驱动机构1随非接触磁吸附机构2下降并与壁面接触后，驱动电机Ⅱ40驱动丝杆18继续转动，非接触磁吸附机构2将随丝杆18、丝杆支架19继续下降，并与轮式驱动机构1脱离，随后丝杆18底部的螺纹将与固定在驱动机构连接板32上的螺母Ⅱ33接触，若此时丝杆18与螺母Ⅱ33的接触点不是螺母Ⅱ33的螺纹入口，丝杆18将抵在螺母Ⅱ33的端面转动，而螺母Ⅰ25将随螺母连接板26相对滑块Ⅰ连接板22向上移动，弹簧Ⅰ42将被压缩，直至丝杆18底部的螺纹与螺母Ⅱ33顺利啮合，此后，由于丝杆18、螺母Ⅰ25以及螺母Ⅱ33的螺距相同，丝杆18可相对螺母Ⅰ25和螺母Ⅱ33上下移动来调整非接触磁吸附机构2与壁面之间的距离，而螺母Ⅰ25与螺母Ⅱ33的位置不会发生改变，从而实现磁吸附力的调节，轮式驱动机构1和非接触磁吸附机构2的相对运动发生在轮式驱动机构1与壁面接触之后，磁吸附力的调节不受壁面条件的限制，因此机构具有很强的壁面自适应能力，非接触磁吸附机构3相对壁面距离的调整范围为3mm-22mm，经仿真计算，对应的磁吸附力为4700N-370N。

Claims (1)

1.一种具有壁面自适应能力的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是包括两个轮式驱动机构、非接触磁吸附机构、丝杆机构以及两个弹簧机构，两个轮式驱动机构放置于丝杆机构的两侧并与丝杆机构固定连接，非接触磁吸附机构放置于两个轮式驱动机构的下方并与丝杆机构底部固定连接，两个弹簧机构分别固装于两个轮式驱动机构内部，并与非接触磁吸附机构连接；

所述的两个轮式驱动机构的结构完全相同，包括驱动轮、箱体、大齿轮、齿轮轴、小齿轮、安装法兰Ⅰ以及驱动电机Ⅰ；驱动轮安装在箱体侧面，大齿轮套装于齿轮轴上，并与小齿轮一同安装在箱体内部，驱动电机Ⅰ通过安装法兰Ⅰ安装于箱体侧面，驱动电机Ⅰ通过驱动小齿轮并带动大齿轮和齿轮轴；

所述的非接触磁吸附机构包括两个窄永磁体、两个宽永磁体、轭铁、三个隔磁铝块、两个支撑板以及两个限位铝板，两个窄永磁体分别置于轭铁底面两侧，两个宽永磁体分别置于轭铁底面中部，三个隔磁铝块分别置于上述四个永磁体之间，并与轭铁固定连接，两个支撑板置于两个窄永磁体外侧并与轭铁固定连接，两个限位铝板安装在轭铁前后两端面；

所述的丝杆机构包括丝杆、丝杆支架、两个导轨Ⅰ、两个滑块Ⅰ、滑块Ⅰ连接板、四个光轴支架、两个直线光轴、螺母Ⅰ、螺母连接板、两个直线轴承、两个调节螺母、两个调节螺柱、四个弹簧导套Ⅰ、两个弹簧Ⅰ、两个导轨Ⅱ、两个滑块Ⅱ、滑块Ⅱ连接板、两个直角连接板、驱动机构连接板、螺母Ⅱ、两个吸附机构连接板、主动带轮、从动带轮、张紧带轮、带轮支架、同步带、安装法兰Ⅱ以及驱动电机Ⅱ，其中：丝杆两端套装在丝杆支架上，两个导轨Ⅰ分别固装在丝杆支架正面的两侧，两个滑块Ⅰ分别固装在滑块Ⅰ连接板的两侧并套装在导轨Ⅰ上，四个光轴支架两两套装于两个直线光轴的两端，并固装在滑块Ⅰ连接板的反面，螺母Ⅰ固装在螺母连接板中部，并套装在丝杆上，螺母连接板通过两个直线轴承套装在两个直线光轴上，两个调节螺母与两个调节螺柱通过螺纹啮合在一起，并分别套装在两个直线光轴上，四个弹簧导套Ⅰ两两放置于两个弹簧Ⅰ的两端，并分别套装在两个直线光轴上，两个导轨Ⅱ分别固装在丝杆支架反面的两侧，两个滑块Ⅱ分别固装在滑块Ⅱ连接板的两侧并套装在导轨Ⅱ上，驱动机构连接板通过两个直角连接板与滑块Ⅱ连接板固定连接，螺母Ⅱ套装在丝杆上并与驱动机构连接板固定连接，两个吸附机构连接板固装在丝杆支架底端，从动带轮套装在丝杆顶端，主动带轮和张紧带轮通过带轮支架安装在丝杆支架顶部，同步带套装在主动带轮、从动带轮以及张紧带轮上，驱动电机Ⅱ通过安装法兰Ⅱ固装在丝杆支架顶部；

所述的两个弹簧机构的结构完全相同，包括两个弹簧导套Ⅱ、固定座、两个弹簧Ⅱ、两个弹簧压板以及两个弹簧压杆，两个弹簧导套Ⅱ分别安装在固定座上，两个弹簧Ⅱ分别放置在两个弹簧导套Ⅱ内，两个弹簧压板分别套装在两个弹簧压杆的一端，并放置在弹簧Ⅱ顶端。