CN110466639A - 一种爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种爬壁机器人，包括车架、设在车架上的驱动***、与驱动机构连接的磁轮，驱动***包括设在车架上的电机、与电机连接并用于驱动磁轮运动的传动机构，传动机构设在车架上，磁轮包括磁体模块、设在磁体模块外侧且外径大于磁体模块的圆环滚动件，磁体模块、圆环滚动件均与传动机构连接。本发明直接通过磁轮机构完成壁面过渡，控制***简单，达到壁面过渡高稳定性的效果。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种爬壁机器人。
背景技术
爬壁机器人是种可以在各式各样壁面上攀爬、携带作业工具及附属设备并完成特定作业的移动机器人，被开发用于探索，检查，墙壁清洁和救援研究领域，主要代替人从事危险、繁重的现场作业，无需安装脚手架，可提高作业效率、提升作业质量并保证作业安全。但目前大多数机器人只能进行平面爬升，没有过渡能力。但在真实工作中，包含各种结构与障碍的环境，平面与平面之间的过渡是必不可少的。为了实现稳定和快速的攀爬，爬壁机器人需要具备壁面过渡能力。
申请号为2017100147777的中国专利“一种吸附在钢铁壁面的爬壁机器人”，该机器人包括前后两个结构相同的爬行车，在两车体之间设计了由电机驱动的转动关节，通过改变前后车体之间的角度完成壁面过渡，控制较为复杂。申请号为2017107478249的中国专利“一种可实现直角壁面过渡的永磁吸附爬壁机器人”，该机器人包括前后相同的移动模块，通过合页式的铰链连接，在直角壁面过渡时，前后车体被动改变夹角，完成壁面过渡，该机构无法提供稳定的壁面过渡能力。申请号为201811312586.X的中国专利“一种具备壁面过渡功能的爬壁机器人”，该机器人包括履带式行走的前车段和后车段，前后车段可以通过一定位机构改变角度，完成壁面过渡。目前具备壁面过渡能力的爬壁机器人大多为多段式的车体结构，通过改变前后车体之间夹角完成壁面过渡，整体车体结构和控制***复杂，缺乏稳定性。
发明内容
本发明的目的在于针对上有技术现状，提出一种爬壁机器人，该机器人直接通过磁轮完成壁面过渡，控制简单，达到壁面过渡高稳定性的效果。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种爬壁机器人，包括车架、设在车架上的驱动***、与驱动机构连接的磁轮，驱动***包括设在车架上的电机、与电机连接并用于驱动磁轮运动的传动机构，传动机构设在车架上，磁轮包括磁体模块、设在磁体模块外侧且外径大于磁体模块的圆环滚动件，磁体模块、圆环滚动件均与传动机构连接；
磁轮通过磁体模块吸附在壁面上，电机控制传动机构转动，传动机构转动从而带动磁体模块和圆环滚动件向前运动；磁轮遇到壁面时，磁体模块相对圆环滚动件做内切运动使磁轮完成壁面过渡。磁体模块能相对所述圆环滚动件做内切运动过程为圆环滚动件由于接触壁面，保持静止，此时磁体模块仍要做旋转运动，磁体模块与圆环滚动件相切面产生较大的摩擦力，使圆环滚动件沿相切面向上运动，同时，磁体模块受到壁面的吸引力作用给圆滚动件向上运动提供动力，使磁轮完成壁面过渡。
作为优选，传动机构包括设在车架上的箱体、设在箱体上的齿轮组件、用于带动齿轮组件和磁轮转动的传动轴组件，传动轴组件分别与电机、齿轮组件、磁轮连接。电机转动带动传动轴组件转动，传动组件转动带动齿轮组件和磁轮转动。
作为优选，传动轴组件包括电机连接轴、磁轮驱动轴，电机连接轴分别与电机、齿轮组件连接，磁轮驱动轴分别与齿轮组件、磁体模块、圆环滚动件连接。电机转动带动电机连接轴转动，电机连接轴转动带动齿轮组件转动，齿轮组件转动带动磁轮驱动轴转动，磁轮驱动轴转动带动磁轮转动。
作为优选，齿轮组件包括与电机连接轴连接的主动齿轮、传动齿轮、与磁轮驱动轴连接的驱动齿轮，传动轴组件还包括与传动齿轮连接的齿轮传动轴。电机转动带动电机连接轴转动，电机连接轴转动带动主动齿轮转动，主动齿轮转动带动传动齿轮转动，传动齿轮转动带动齿轮传动轴和驱动齿轮转动，驱动齿轮转动带动磁轮驱动轴转动，磁轮驱动轴转动带动磁轮转动。
作为优选，磁轮包括前磁轮和后磁轮，传动齿轮包括前传动齿轮和后传动齿轮，驱动齿轮包括前驱动齿轮和后驱动齿轮，齿轮传动轴包括前齿轮传动轴和后齿轮传动轴，磁轮驱动轴包括前磁轮驱动轴和后磁轮驱动轴，前传动齿轮分别与前齿轮传动轴、主动齿轮连接，后传动齿轮分别与后齿轮传动轴、主动齿轮连接，前驱动齿轮分别与前传动齿轮、前磁轮驱动轴连接，后驱动齿轮分别与后传动齿轮、后磁轮驱动轴连接，前磁轮驱动轴与前磁轮连接，后磁轮驱动轴与后磁轮连接。通过一个电机，同时驱动前磁轮和后磁轮转动，使得前磁轮和后磁轮同步工作的同时，还能降低生产成本。
作为优选，磁体模块还包括磁铁、设在磁铁外侧的衔铁、设在衔铁外侧的圆滚动件，磁铁、衔铁、圆滚动件均与磁轮驱动轴连接。磁铁为圆环形，径向充磁；衔铁为圆形，导磁材料；衔铁分布于磁铁两侧，通过磁力吸附连接。设在圆滚动件外侧且外径大于磁体模块的圆环滚动件，圆滚动件、圆环滚动件均与传动机构连接；磁轮通过磁体模块吸附在壁面上，电机控制传动机构转动，传动机构转动从而带动圆滚动件和圆环滚动件向前运动；磁轮遇到壁面时，圆滚动件相对圆环滚动件做内切运动使磁轮完成壁面过渡。圆滚动件能相对所述圆环滚动件做内切运动过程为圆环滚动件由于接触壁面，保持静止，此时圆滚动件仍要做旋转运动，圆滚动件与圆环滚动件相切面产生较大的摩擦力，使圆环滚动件沿相切面向上运动，同时，磁体模块受到壁面的吸引力作用给圆滚动件向上运动提供动力，使磁轮完成壁面过渡。
作为优选，磁轮还包括设在圆环滚动件外侧的挡片。通过挡片的设置，可以防止杂物进入磁轮。
作为优选，磁轮包括左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮、右后磁轮，传动齿轮包括左前传动齿轮、右前传动齿轮、左后传动齿轮、右后传动齿轮，驱动齿轮包括左前驱动齿轮、左后驱动齿轮、右前驱动齿轮、右后驱动齿轮，齿轮传动轴包括左前齿轮传动轴、左后齿轮传动轴、右前齿轮传动轴、右后齿轮传动轴，磁轮驱动轴包括左前磁轮驱动轴、左后磁轮驱动轴、右前磁轮驱动轴、右后磁轮驱动轴，主动齿轮包括左主动齿轮、右主动齿轮，电机包括左驱动电机、右驱动电机，电机连接轴包括左电机连接轴、右电机连接轴，左驱动电机与左电机连接轴连接，左电机连接轴与左主动齿轮连接，左后传动齿轮分别与左后齿轮传动轴、左主动齿轮连接，左前驱动齿轮分别与左前传动齿轮、左前磁轮驱动轴连接，左后驱动齿轮分别与左后传动齿轮、左后磁轮驱动轴连接，左前磁轮驱动轴与左前磁轮连接，左后磁轮驱动轴与左后磁轮连接；右驱动电机与右电机连接轴连接，右电机连接轴与右主动齿轮连接，右后传动齿轮分别与右后齿轮传动轴、右主动齿轮连接，右前驱动齿轮分别与右前传动齿轮、右前磁轮驱动轴连接，右后驱动齿轮分别与右后传动齿轮、右后磁轮驱动轴连接，右前磁轮驱动轴与右前磁轮连接，右后磁轮驱动轴与右后磁轮连接。通过四个磁轮的设置，使得爬壁机器人移动更方便与更稳定。
作为优选，车架包括车底板、用于将电机固定在车底板上的电机连接架，电机与电机连接架连接，电机连接架、箱体均与车底板连接。
作为优选，车底板上设有提升把手。通过提升把手的设置，用户可以方便的提拿和取放爬壁机器人。
本发明具有的有益效果是：
1、通过磁体设计，直接通过磁轮机构完成壁面过渡，控制***简单，达到壁面过渡高稳定性的效果。
2、相比于其他可实现壁面过渡的结构，本设计结构简单易于实现，有很好的应用前景。
3、通过多个磁轮的设计，增加了爬壁机器人的稳定性。
4、爬壁机器人在进行壁面过渡时，由于圆环滚动件的直径大于磁体模块的直径，使磁轮中的磁体模块不会同时接触两个相交壁面，在另一侧壁面的吸力作用与内切面摩擦的共同增益效果下，简单快捷的完成壁面过渡运动。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的另一种整体结构示意图。
图3为本发明驱动结构的示意图。
图4为本发明磁轮结构的示意图。
图5为本发明磁轮壁面过渡的流程示意图。
图中：1、左后磁轮，2、左前磁轮，3、右前磁轮，4、右后磁轮，5、左传动机构，6、右传动机构，7、左驱动电机，8、右驱动电机，9、电机连接架，10、车底板，11、提升把手，101、磁铁，102、左衔铁，103、右衔铁，104、左圆滚动件，105、右圆滚动件，106、左圆环滚动件，107、右圆环滚动件，108、左挡片，109、右挡片，501、箱体，502、电机连接轴，503、后齿轮传动轴，504、后磁轮驱动轴，505、前齿轮传动轴，506、前磁轮驱动轴，507、主动齿轮，508、后传动齿轮，509、后驱动齿轮，510、前传动齿轮，511、前驱动齿轮
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-5所示，本发明一种爬壁机器人，包括车架、设在车架上的驱动***、与驱动机构连接的磁轮，驱动***包括设在车架上的电机、与电机连接并用于驱动磁轮运动的传动机构，传动机构设在车架上，磁轮包括磁体模块、与磁体模块连接的圆滚动件、设在圆滚动件外侧且外径大于磁体模块的圆环滚动件，磁体模块、圆滚动件、圆环滚动件均与传动机构连接。
传动机构包括设在车架上的箱体501、设在箱体501上的齿轮组件、用于带动齿轮组件和磁轮转动的传动轴组件，传动轴组件分别与电机、齿轮组件、磁轮连接。传动机构包括左传动机构5、右传动机构6，左传动机构5、右传动机构6对称设置。
传动轴组件包括电机连接轴502、磁轮驱动轴，电机连接轴502分别与电机、齿轮组件连接，磁轮驱动轴分别与齿轮组件、磁体模块、圆滚动件、圆环滚动件连接。
齿轮组件包括与电机连接轴502连接的主动齿轮507、传动齿轮、与磁轮驱动轴连接的驱动齿轮，传动轴组件还包括与传动齿轮连接的齿轮传动轴。
磁轮包括前磁轮和后磁轮，传动齿轮包括前传动齿轮510和后传动齿轮508，驱动齿轮包括前驱动齿轮511和后驱动齿轮509，齿轮传动轴包括前齿轮传动轴505和后齿轮传动轴503，磁轮驱动轴包括前磁轮驱动轴506和后磁轮驱动轴504，前传动齿轮510分别与前齿轮传动轴505、主动齿轮507连接，后传动齿轮508分别与后齿轮传动轴503、主动齿轮507连接，前驱动齿轮511分别与前传动齿轮510、前磁轮驱动轴506连接，后驱动齿轮509分别与后传动齿轮508、后磁轮驱动轴504连接，前磁轮驱动轴506与前磁轮连接，后磁轮驱动轴504与后磁轮连接。
磁轮包括左前磁轮2、右前磁轮3、左后磁轮1、右后磁轮5，传动齿轮包括左前传动齿轮510、右前传动齿轮510、左后传动齿轮508、右后传动齿轮508，驱动齿轮包括左前驱动齿轮511、左后驱动齿轮509、右前驱动齿轮511、右后驱动齿轮509，齿轮传动轴包括左前齿轮传动轴505、左后齿轮传动轴503、右前齿轮传动轴505、右后齿轮传动轴503，磁轮驱动轴包括左前磁轮驱动轴、左后磁轮驱动轴、右前磁轮驱动轴、右后磁轮驱动轴，主动齿轮507包括左主动齿轮507、右主动齿轮507，电机包括左驱动电机7、右驱动电机8，电机连接轴502包括左电机连接轴502、右电机连接轴502，左驱动电机7与左电机连接轴502连接，左电机连接轴502与左主动齿轮507连接，左后传动齿轮508分别与左后齿轮传动轴503、左主动齿轮507连接，左前驱动齿轮511分别与左前传动齿轮510、左前磁轮驱动轴连接，左后驱动齿轮509分别与左后传动齿轮508、左后磁轮驱动轴连接，左前磁轮驱动轴与左前磁轮2连接，左后磁轮驱动轴与左后磁轮1连接；右驱动电机8与右电机连接轴502连接，右电机连接轴502与右主动齿轮507连接，右后传动齿轮508分别与右后齿轮传动轴503、右主动齿轮507连接，右前驱动齿轮511分别与右前传动齿轮510、右前磁轮驱动轴连接，右后驱动齿轮509分别与右后传动齿轮508、右后磁轮驱动轴连接，右前磁轮驱动轴与右前磁轮3连接，右后磁轮驱动轴与右后磁轮5连接。
左前磁轮2、右前磁轮3、左后磁轮1、右后磁轮5均包括磁铁101、左衔铁102、右衔铁103、左圆滚动件104、右圆滚动件105、左圆环滚动件106、右圆环滚动件107、左挡片108、右挡片109，左挡片108、左圆环滚动件106、左圆滚动件104、左衔铁102、磁铁101、右衔铁103、右圆滚动件105、右圆环滚动件107、右挡片109依次穿过磁轮驱动轴连接。衔铁包括左衔铁102、右衔铁103，圆滚动件包括左圆滚动件104、右圆滚动件105，圆环滚动件包括左圆环滚动件106、右圆环滚动件107，挡片包括左挡片108、右挡片109。
磁铁101，左衔铁102和右衔铁103同轴心，通过磁力吸附连接形成磁体模块，提供磁力，使磁轮能够吸附在壁面上。
圆环滚动件内圆与圆滚动件外圆内切，并且圆环滚动件的外径要大于磁体模块。
两块挡片分别安装在磁轮两侧，限制圆滚动件的轴向位置。
如图5所示，单个磁轮在壁面运动时包括如下步骤：
步骤一，磁轮在位置A，水平面运动时，磁轮通过磁体模块吸附在壁面上，磁轮驱动轴开始转动时，与磁轮驱动轴通过平键连接的磁体模块和圆滚动件随之转动，圆环滚动件在圆滚动件的作用力下向前运动。
步骤二，磁轮在位置B碰到相交壁面，圆环滚动件首先接触另一壁面，保持静止，此时圆滚动件仍要做旋转运动，所以在圆滚动件与圆环滚动件相切面产生较大的摩擦力，使圆环滚动件沿相切面向上运动，同时，磁体模块受到另一壁面的吸引力作用，该作用力也给圆滚动件向上运动提供动力，使磁轮能够较轻松的完成壁面过渡。
步骤三，磁轮完成壁面过渡后在竖直平面运动，此时磁体模块提供足够的吸附力使磁轮与壁面之间产生较大的摩擦力，防止磁轮掉落。
将磁轮安装在爬壁机器人车体上，壁面过渡过程相同，基本工作原理为：由驱动电机产生驱动力矩，电机连接轴通过齿轮传动分别将力矩传动给磁轮驱动轴，由磁轮驱动轴带动磁轮旋转，使爬壁机器人能够在壁面运动。在相交壁面过渡时，两个前磁轮先接触另一壁面，做上述单个磁轮在壁面运动时步骤二的动作，前轮完成壁面过渡后，两个后磁轮接触另一壁面，重复步骤二，完成整车壁面过渡。
通过对磁轮结构的设计，使轮式爬壁机器人在壁面过渡时避免出现磁轮同时被两个方向的壁面强吸附力吸附，无法继续运动的情况。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种爬壁机器人，其特征在于：包括车架、设在车架上的驱动***、与驱动机构连接的磁轮，驱动***包括设在车架上的电机、与电机连接并用于驱动磁轮运动的传动机构，传动机构设在车架上，磁轮包括磁体模块、设在磁体模块外侧且外径大于磁体模块的圆环滚动件，磁体模块、圆环滚动件均与传动机构连接；
磁轮通过磁体模块吸附在壁面上，电机控制传动机构转动，传动机构转动从而带动磁体模块和圆环滚动件向前运动；磁轮遇到壁面时，磁体模块相对圆环滚动件做内切运动使磁轮完成壁面过渡。
2.根据权利要求1所述的爬壁机器人，其特征在于：传动机构包括设在车架上的箱体(501)、设在箱体(501)上的齿轮组件、用于带动齿轮组件和磁轮转动的传动轴组件，传动轴组件分别与电机、齿轮组件、磁轮连接。
3.根据权利要求2所述的爬壁机器人，其特征在于：传动轴组件包括电机连接轴(502)、磁轮驱动轴，电机连接轴(502)分别与电机、齿轮组件连接，磁轮驱动轴分别与齿轮组件、磁体模块、圆环滚动件连接。
4.根据权利要求3所述的爬壁机器人，其特征在于：齿轮组件包括与电机连接轴(502)连接的主动齿轮(507)、传动齿轮、与磁轮驱动轴连接的驱动齿轮，传动轴组件还包括与传动齿轮连接的齿轮传动轴。
5.根据权利要求4所述的爬壁机器人，其特征在于：磁轮包括前磁轮和后磁轮，传动齿轮包括前传动齿轮(510)和后传动齿轮(508)，驱动齿轮包括前驱动齿轮(511)和后驱动齿轮(509)，齿轮传动轴包括前齿轮传动轴(505)和后齿轮传动轴(503)，磁轮驱动轴包括前磁轮驱动轴(506)和后磁轮驱动轴(504)，前传动齿轮(510)分别与前齿轮传动轴(505)、主动齿轮(507)连接，后传动齿轮(508)分别与后齿轮传动轴(503)、主动齿轮(507)连接，前驱动齿轮(511)分别与前传动齿轮(510)、前磁轮驱动轴(506)连接，后驱动齿轮(509)分别与后传动齿轮(508)、后磁轮驱动轴(504)连接，前磁轮驱动轴(506)与前磁轮连接，后磁轮驱动轴(504)与后磁轮连接。
6.根据权利要求5所述的爬壁机器人，其特征在于：磁轮包括左前磁轮(2)、右前磁轮(3)、左后磁轮(1)、右后磁轮(5)，传动齿轮包括左前传动齿轮(510)、右前传动齿轮(510)、左后传动齿轮(508)、右后传动齿轮(508)，驱动齿轮包括左前驱动齿轮(511)、左后驱动齿轮(509)、右前驱动齿轮(511)、右后驱动齿轮(509)，齿轮传动轴包括左前齿轮传动轴(505)、左后齿轮传动轴(503)、右前齿轮传动轴(505)、右后齿轮传动轴(503)，磁轮驱动轴包括左前磁轮驱动轴、左后磁轮驱动轴、右前磁轮驱动轴、右后磁轮驱动轴，主动齿轮(507)包括左主动齿轮(507)、右主动齿轮(507)，电机包括左驱动电机(7)、右驱动电机(8)，电机连接轴(502)包括左电机连接轴(502)、右电机连接轴(502)，左驱动电机(7)与左电机连接轴(502)连接，左电机连接轴(502)与左主动齿轮(507)连接，左后传动齿轮(508)分别与左后齿轮传动轴(503)、左主动齿轮(507)连接，左前驱动齿轮(511)分别与左前传动齿轮(510)、左前磁轮驱动轴连接，左后驱动齿轮(509)分别与左后传动齿轮(508)、左后磁轮驱动轴连接，左前磁轮驱动轴与左前磁轮(2)连接，左后磁轮驱动轴与左后磁轮(1)连接；右驱动电机(8)与右电机连接轴(502)连接，右电机连接轴(502)与右主动齿轮(507)连接，右后传动齿轮(508)分别与右后齿轮传动轴(503)、右主动齿轮(507)连接，右前驱动齿轮(511)分别与右前传动齿轮(510)、右前磁轮驱动轴连接，右后驱动齿轮(509)分别与右后传动齿轮(508)、右后磁轮驱动轴连接，右前磁轮驱动轴与右前磁轮(3)连接，右后磁轮驱动轴与右后磁轮(5)连接。
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的爬壁机器人，其特征在于：磁体模块还包括磁铁(101)、设在磁铁(101)外侧的衔铁、设在衔铁外侧的圆滚动件。
8.根据权利要求7所述的爬壁机器人，其特征在于：磁轮还包括设在圆环滚动件外侧的挡片。
9.根据权利要求2或3或4或5或6或8所述的爬壁机器人，其特征在于：车架包括车底板(10)、用于将电机固定在车底板(10)上的电机连接架(9)，电机与电机连接架(9)连接，电机连接架(9)、箱体(501)均与车底板(10)连接。
10.根据权利要求9所述的爬壁机器人，其特征在于：车底板(10)上设有提升把手(11)。
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