CN114620155B - 一种钢闸门面板分体爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢闸门面板分体爬行机器人，解决现有壁面爬行机器人无法满足钢闸门面板复杂梁体面越障需求的问题。本装置前车体和后车体之间依次通过前合页、阻尼铰链、后合页连接；所述前车体包括横向设置的前连接桥，前连接桥的两端分别通过俯仰调节摆动机构连接有前履带组，前履带使用永磁履带条，后车体与前车体结构一致；前履带组以及后履带组两端外侧分别有朝下设置的距离传感器，各俯仰调节摆动机构上分别设有扭力传感器，前连接桥底面设有前电磁铁，后连接桥底面设有后电磁铁。本发明根据传感器采集的距离信号控制电磁铁的通断，对吸附力进行补偿，使本机器人在钢闸门面板的梁体面工作时，可以翻越各种形式的凸筋、方形梁、T形梁等障碍。

Description

一种钢闸门面板分体爬行机器人

技术领域

本发明属于水利装备领域，涉及一种爬行机器人，涉及一种钢闸门面板分体爬行机器人。

背景技术

钢闸门是给排水工程、水利、水电工程中常用的拦水、止水设备，结构多样。挡水面板是主要工作部件，两侧分别为光面和梁体面，日常养护中，面板、梁体等部分的检测、清洗和除锈等耗费了大量劳动力和成本。现代，越来越多的爬行机器人逐渐作为移动载体应用在船舶、罐体等表面的清洗养护作业上，但主要采用单体结构，在对复杂壁面爬行的适应性、越障能力等方面，还存在较多问题，难以在钢闸门面板上很好的应用。

2021年12月28日公示的中国专利CN113844564A，名称为一种适应多种立面的磁吸附爬壁机器人，采用了前后两个主体梁作为支撑车架，履带行走机构位于支撑车架两侧，并有两个相互垂直的转动自由度，支撑车架前端设有壁面过度磁轮装置，该装置可在变曲率导磁壁面上爬行，可实现在内外直角不同的壁面进行转换功能。该机器人受机械结构影响，沿变曲率壁面斜向爬行时，前后两个主体梁无法扭转而使履带接触壁面面积减小，壁面适应性会降低，同时对于壁面有较大障碍如梁体结构等，无法完全实现爬行翻越，因此在闸门面板特殊的结构条件下，无法很好的适用。

发明内容

本发明的目的在于针对钢闸门面板结构复杂，尤其是钢闸门面板梁体面梁体结构存在的越障需求、且现有爬行机器人无法适用的问题，提供一种钢闸门面板分体爬行机器人，可适用于不同结构形式钢闸门面板的爬行、越障和翻越梁体等，可通过搭载相应的作业设备，提高智能化装备在水工闸门养护作业上的应用效果。

本发明解决其技术问题所采用的一种技术方案是：一种钢闸门面板分体爬行机器人，包括前车体和后车体，前车体和后车体之间依次通过前合页、阻尼铰链、后合页连接，所述前合页和后合页的转轴沿左右横向设置，阻尼铰链转轴沿前后纵向设置；所述前车体包括横向设置的前连接桥，前连接桥的两端分别通过俯仰调节摆动机构连接有前履带组；所述后车体包括横向设置的后连接桥，后连接桥的两端分别通过俯仰调节摆动机构连接有后履带组；前履带组和后履带组均使用永磁履带条；前履带组以及后履带组两端外侧分别有朝下设置的距离传感器，各俯仰调节摆动机构上分别设有扭力传感器，前连接桥底面中心设有前电磁铁，后连接桥底面中心设有后电磁铁。

本装置使用时，以前履带组和后履带组的永磁履带条提供平面行进吸附力。在平面面板和弧面面板爬行时，本装置仅依靠前合页、阻尼铰链、后合页的纵向弯折和横向扭转，即可保持完美贴合。前电磁铁和后电磁铁在常规状态下不启动，以节约电能，并同时减少行进阻力。越障状态时，通过前车体和后车体的总共八个距离传感器和四个扭矩传感器来及时获取越障时履带条与钢闸门面板的贴合信息，并依据传感器信息控制前电磁铁和后电磁铁的通断，在必要时启动对吸附力进行补偿，使本机器人在钢闸门面板的梁体面工作时，可以翻越各种形式的凸筋、方形梁、T形梁等，且在越障过程中避免车体脱落。

作为优选，前履带组的前端设有前驱动轮，前履带组的后端设有前从动轮，前驱动轮的内侧连接有前驱动电机，前驱动轮和前从动轮之间套设履带条，前履带组的左右两侧还分别设置有挡板，前驱动轮和前从动轮转轴架设在两挡板之间，所述距离传感器固定在靠外侧设置的挡板上；后履带组的后端设有后驱动轮，后履带组的前端设有后从动轮，后驱动轮的内侧连接有后驱动电机，后驱动轮和后从动轮之间套设履带条，后履带组的左右两侧还分别设置有挡板，后驱动轮和后从动轮转轴架设在两挡板之间，所述距离传感器固定在靠外侧设置的挡板上。前车体只负责前行，后车体只负责后退。距离传感器设置在固定的挡板的两端，优选为分别于前后驱动轮、前后从动轮的转轴对齐，以确保测量值稳定可靠。

作为优选，所述前履带组的两挡板之间还设置有一组或多组的弹性支撑轮组，弹性支撑轮组均匀设置在前驱动轮和前从动轮之间，弹性支撑轮组包括呈等腰三角形布置的一根上轴和两根下轴，上轴两端架设在挡板上，下轴的两端分别设置支撑轮，支撑轮朝下压设在履带条的内侧面，上轴和两下轴之间分别设置摆动杆，两下轴之间设置拉紧弹簧；所述后履带组设置有与前履带组相同的弹性支撑轮组。弹性支撑轮组的弹性结构使履带条可以形成一定的弧度与弧面钢闸门面板贴合。

作为优选，所述下轴两端的支撑轮分别从挡板下方和履带条的间隙处伸出至挡板的外侧。弹性支撑轮组的上摆动作被挡板限制，避免弹性支撑轮组失效时履带条松垮。

作为优选，所述履带条上等间距固定设置有永磁条。

作为优选，所述前电磁铁的底面高于前履带组的底面，所述后电磁铁的底面高于后履带组的底面。保证前电磁铁和后电磁铁不接触钢闸门面板导致吸住不动。

作为优选，所述前合页为电动合页，所述后合页为普通合页。越障时，保持前车体在前牵引，以便在前车体脱落悬空时，采用电动合页摆动前车体，让前车体重新吸附在钢闸门面板上，同时，电动合页对前车体的摆动控制，可以让前车体在方形梁、T形梁的下方进行90度以及180度的越障。电动合页可以是不通电时固定，通电时定向旋转，此时通过后合页来调节前车体和后车体的纵向弯折；电动合页也可以优选为不通电时为普通的自由合页，通电时定向旋转，不通电时前合页和后合页共同实现纵向弯折，悬空时通电实现前车体翻折贴壁。

作为优选，前车体和后车体平面行走状态时，各距离传感器测量值为D，前电磁铁和后电磁铁常态为断开状态；越障状态时，前车体保持在前且仅向前越障，前车体的四个距离传感器中任意一个测量值超过nD时，前电磁铁通电启动，直至前车体各距离传感器的测量值均小于nD时前电磁铁断开，n为浮动系数，n取值范围1.05～1.2；后车体的四个距离传感器中任意一个测量值超过nD时，后电磁铁通电启动，直至后车体各距离传感器的测量值均小于nD时后电磁铁断开。

作为优选，越障状态时，前车体保持在前且仅向前越障，前车体的任意一个俯仰调节摆动机构上的扭力传感器测量值小于阈值T时，阈值T取值大于0且小于前履带组水平状态的自重扭矩，判断为前车体悬空的紧急状态，此时前电磁铁和后电磁铁同时通电启动，前履带组和后履带组暂停行走，前合页通电驱动前车体摆动，直至前合页无法继续转动且扭力传感器测量值大于T，前合页断电，解除紧急状态。由于前车体和后车体之间通过两个合页连接，当前车体悬空时会自然转动到重力悬吊的位置，此时扭力传感器读数值接近于0，此时前后驱动电机停止以确保安全，后电磁铁启动提高后车体的吸附力，前电磁铁启动以确保前车体摆动到接近钢闸门面板时及时产生吸附力。本机器人通过上述摆动控制的方式，可以完成钢闸门后面板的T形梁的180度倒挂越障。

作为优选，后车体的任意一个俯仰调节摆动机构上的扭力传感器测量值小于阈值T时，前电磁铁和后电磁铁同时通电启动，前履带组继续爬行。后车体不具备电动合页，后车体越障的悬空状态可以通过前车体的向前牵引而重新贴合面板。

本发明通过前车体和后车体的距离传感器和扭矩传感器来监测前车体和后车体与钢闸门面板的贴合信息，并控制前电磁铁和后电磁铁的通断，对吸附力进行补偿，使本机器人在钢闸门面板的梁体面工作时，可以翻越各种形式的凸筋、方形梁、T形梁等障碍，且在越障过程中避免车体脱落。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明的一种弧形钢闸门面板爬行状态示意图。

图3是本发明的一种前履带组结构示意图。

图4是本发明的一种竖直面板上凸筋越障过程示意图。

图5是本发明的一种顶壁上凸筋越障过程示意图。

图6是本发明的一种方形梁越障过程示意图。

图7是本发明的一种T形梁越障过程示意图。

图8是本发明的一种钢闸门面板的梁体面结构示意图。

图中 ：1、前车体，2、后车体，3、前合页，4、阻尼铰链，5、后合页，6、前连接桥，7、后连接桥，8、俯仰调节摆动机构，9、前履带组，10、后履带组，11、距离传感器，12、前电磁铁，13、后电磁铁，14、前驱动电机，15、后驱动电机，16、弹性支撑轮组，17、履带条，18、永磁条，19、前驱动轮，20、前从动轮，21、挡板，22、上轴，23、下轴，24、支撑轮，25、拉紧弹簧，26、凸筋，27、方形梁，28、T形梁。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。

实施例：一种钢闸门面板分体爬行机器人，如图1、2所示。本装置包括前车体1和后车体2，前车体1和后车体2之间依次通过前合页3、阻尼铰链4、后合页5连接，所述前合页和后合页的转轴沿左右横向设置，阻尼铰链转轴沿前后纵向设置，前合页3为电动合页。

所述前车体1包括横向设置的前连接桥6，前连接桥6的两端分别通过俯仰调节摆动机构8连接有前履带组9；所述后车体2包括横向设置的后连接桥7，后连接桥7的两端分别通过俯仰调节摆动机构8连接有后履带组10。前履带组9以及后履带组10两端外侧分别有朝下设置的距离传感器11，各俯仰调节摆动机构上分别设有扭力传感器，前连接桥6底面中心设有前电磁铁12，后连接桥7底面中心设有后电磁铁13。前电磁铁12的底面高于前履带组9的底面，所述后电磁铁3的底面高于后履带组10的底面。

前履带组和后履带组的结构前后对称。以前履带组为例阐述其结构，如图3所示，前履带组9的前端设有前驱动轮19，前履带组的后端设有前从动轮20，前驱动轮的内侧连接有前驱动电机14，前驱动轮19和前从动轮之间套设履带条17，履带条17采用多节前后拼接而成，每一节履带条17上均通过螺钉固定有永磁条18。前履带组9的左右两侧还分别设置有挡板21，前驱动轮和前从动轮转轴架设在两挡板21之间，如图1所示，所述距离传感器11固定在靠外侧设置的挡板21上，且距离传感器11分别与前驱动轮19、前从动轮20的转轴对齐。前履带组9的两挡板21之间还设置有两组的弹性支撑轮组16，弹性支撑轮组16均匀设置在前驱动轮19和前从动轮20之间，弹性支撑轮组16包括呈等腰三角形布置的一根上轴22和两根下轴23，上轴22两端架设在挡板21上，下轴23的两端分别设置支撑轮24，支撑轮24朝下压设在履带条17的内侧面，上轴和两下轴之间分别设置摆动杆，两下轴之间设置拉紧弹簧25。下轴23两端的支撑轮24分别从挡板21下方和履带条17的间隙处伸出至挡板21的外侧。如图1所示，后履带组的结构与前履带组前后对称，因此后履带组为后驱动轮在后，后从动轮在前的结构，后驱动电机15靠后履带组10的后端设置。

钢闸门面板的正面为平面或者弧面。前车体1和后车体2沿平面行走状态时，各距离传感器11测量值为D，D为前履带组高度的一半，前电磁铁和后电磁铁常态为断开状态，依靠履带条上的永磁条提供吸附力，减少爬行阻力。前车体1和后车体2沿弧面行走状态时，如图2所示，依靠前合页、阻尼铰链、后合页的实现前车体1和后车体2的纵向弯折和横向扭转，利用俯仰调节摆动机构8实现两个前履带组和两个后履带组的俯仰调节，弹性支撑轮组16让前履带组和两个后履带组的履带面呈弧形贴合面板，实现机器人在弧面的钢闸门面板上横向、纵向、斜向行走时，履带与面板的有效贴合。

钢闸门面板的背面为梁体面，如图8所示，梁体面分布有凸筋26、方形梁27、T形梁28。当本例中的爬行机器人用于钢闸门面板梁体面的爬行，需要在凸筋、方形梁、T形梁处实现越障。

越障状态时，前车体保持在前且仅向前越障，前车体的四个距离传感器中任意一个测量值超过1.1D时，前电磁铁通电启动，直至前车体各距离传感器的测量值均小于1.1D时前电磁铁断开；后车体的四个距离传感器中任意一个测量值超过1.1D时，后电磁铁通电启动，直至后车体各距离传感器的测量值均小于1.1D时后电磁铁断开。前车体的任意一个俯仰调节摆动机构8上的扭力传感器测量值小于阈值T时，阈值T取值大于0且小于前履带组水平悬空状态产生的自重扭矩，判断为前车体悬空的紧急状态，此时前电磁铁12和后电磁铁13同时通电启动，前履带组和后履带组暂停行走，前合页通电驱动前车体摆动，直至前合页无法继续转动且扭力传感器测量值大于T，前合页断电，解除紧急状态。

竖向面板上的凸筋越障过程如图4所示：如图4a所示，前车体1向前爬行至凸筋26处，前履带组前端翘起架设在凸筋上、脱离面板，此时前电磁铁12启动增加吸附力，避免前车体脱落，后车体2依旧贴合面板，后电磁铁13断电减少爬行阻力；如图4b所示，前车体1翻越凸筋26后前端抵靠面板，此时后车体2前端翘起架设在凸筋上，此时前电磁铁12、后电磁铁13均启动增加吸附力；如图4c所示，前车体1完成越障贴合面板，前电磁铁12断电减少爬行阻力，此时后车体2后端翘起架设在凸筋上，后电磁铁13启动增加吸附力，纸质后车体2完成越障贴合面板，电磁铁13断电。

顶壁上的凸筋26越障过程如图5所示，其越障过程与竖向面板上的凸筋越障过程一致。

竖向面板的方形梁27的越障过程如图6所示：如图6a所示，前车体1在到达方形梁27的90度内拐角时，前车体前端沿方形梁的侧壁爬行，后端沿面板爬行，此时前车体1为三角架空状态，距离传感器测量值必然超过阈值，前电磁铁12通电启动增加吸附力，后车体2沿着面板贴合爬行，后电磁铁13断电减少阻力；如图6b所示，前车体1完成转弯、完全贴合方形梁27，前电磁铁12断电，后车体2即将进入内拐角，当后车体2进入内拐角时后电磁铁13启动；如图6c所示，前车体继续演方形梁27侧壁爬行，前端探出悬空，此时前电磁铁12启动增加吸附力；当方形梁27为竖向的纵梁，此时如图6d-1所示，前车体利用履带条上永磁体的吸力配合持续通电启动的前电磁铁12的吸力，自动翻越方形梁的90度外拐角至方形梁的顶面，进入图6e状态；如图6e所示，当方形梁宽度不足或者前车体1任意一端探出方形梁顶面，前电磁铁12保持启动提供吸附力，后车体2在完全贴合方形梁侧壁时，后电磁铁13断电，如图6f所示，当后车体2翻越外拐角时，后车体任意一端翘起，后电磁铁13启动；如图6g、6h所示，前车体和后车体依次翻越方形梁顶面的第二个外拐角。以上过程中，如方形梁27为横梁，图6d-1状态可能会替换为图6d-2状态，前车体1完全脱离方形梁处于悬空状态，此时前车体1的俯仰调节摆动机构上的扭力传感器测量值小于阈值T，进入紧急状态，前电磁铁12和后电磁铁13同时通电启动，前履带组和后履带组暂停行走，前合页通电驱动前车体1摆动，直至前合页无法继续转动且扭力传感器测量值大于T，此时进入图6e状态，前合页断电，解除紧急状态。

竖向面板的T形梁28的越障过程如图7所示：如图7a、7b、7c、7d所示，前车体1和后车体2翻越T形梁28的90度内拐角的过程与图6中翻越方形梁27内拐角的方式一致；如图7e所示，当机器人爬行到T形梁28的180度朝下的外拐角时，前车体1完全脱离T形梁处于悬空状态，此时前车体1的俯仰调节摆动机构上的扭力传感器测量值小于阈值T，进入紧急状态，前电磁铁12和后电磁铁13同时通电启动，前履带组和后履带组暂停行走，前合页通电驱动前车体1摆动，直至前合页无法继续转动且扭力传感器测量值大于T，此时已经进过图7f进入图7g状态，前车体继续向上爬行，后车体由于完全贴合T形梁内壁，后电磁铁13处于断电状态，如图7h所示，直至前车体牵引力大于后车体2吸附力，后车体脱离T形梁悬空，此时前电磁铁12和后电磁铁13同时通电启动，前车体继续爬行带动后车体重新贴合T形梁表面；如图7i、7j所示，T形梁28的180度朝上的外拐角可以通过前车体1的自重完成翻越。

Claims (7)

1.一种钢闸门面板分体爬行机器人，包括前车体和后车体，其特征在于：前车体和后车体之间依次通过前合页、阻尼铰链、后合页连接，所述前合页和后合页的转轴沿左右横向设置，阻尼铰链转轴沿前后纵向设置；所述前车体包括横向设置的前连接桥，前连接桥的两端分别通过俯仰调节摆动机构连接有前履带组；所述后车体包括横向设置的后连接桥，后连接桥的两端分别通过俯仰调节摆动机构连接有后履带组；前履带组和后履带组均使用永磁履带条；前履带组以及后履带组两端外侧分别有朝下设置的距离传感器，各俯仰调节摆动机构上分别设有扭力传感器，前连接桥底面中心设有前电磁铁，后连接桥底面中心设有后电磁铁；所述前合页为电动合页，所述后合页为普通合页；

前车体和后车体平面行走状态时，各距离传感器测量值为D，前电磁铁和后电磁铁常态为断开状态；越障状态时，前车体保持在前且仅向前越障，前车体的四个距离传感器中任意一个测量值超过nD时，前电磁铁通电启动，直至前车体各距离传感器的测量值均小于nD时前电磁铁断开，n为浮动系数，n取值范围1.05～1.2；后车体的四个距离传感器中任意一个测量值超过nD时，后电磁铁通电启动，直至后车体各距离传感器的测量值均小于nD时后电磁铁断开；

越障状态时，前车体的任意一个俯仰调节摆动机构上的扭力传感器测量值小于阈值T时，阈值T取值大于0且小于前履带组水平状态的自重扭矩，判断为前车体悬空的紧急状态，此时前电磁铁和后电磁铁同时通电启动，前履带组和后履带组暂停行走，前合页通电驱动前车体摆动，直至前合页无法继续转动且扭力传感器测量值大于T，前合页断电，解除紧急状态。

2.根据权利要求1所述的一种钢闸门面板分体爬行机器人，其特征在于：前履带组的前端设有前驱动轮，前履带组的后端设有前从动轮，前驱动轮的内侧连接有前驱动电机，前驱动轮和前从动轮之间套设履带条，前履带组的左右两侧还分别设置有挡板，前驱动轮和前从动轮转轴架设在两挡板之间，所述距离传感器固定在靠外侧设置的挡板上；后履带组的后端设有后驱动轮，后履带组的前端设有后从动轮，后驱动轮的内侧连接有后驱动电机，后驱动轮和后从动轮之间套设履带条，后履带组的左右两侧还分别设置有挡板，后驱动轮和后从动轮转轴架设在两挡板之间，所述距离传感器固定在靠外侧设置的挡板上。

3.根据权利要求2所述的一种钢闸门面板分体爬行机器人，其特征在于：所述前履带组的两挡板之间还设置有一组或多组的弹性支撑轮组，弹性支撑轮组均匀设置在前驱动轮和前从动轮之间，弹性支撑轮组包括呈等腰三角形布置的一根上轴和两根下轴，上轴两端架设在挡板上，下轴的两端分别设置支撑轮，支撑轮朝下压设在履带条的内侧面，上轴和两下轴之间分别设置摆动杆，两下轴之间设置拉紧弹簧；所述后履带组设置有与前履带组相同的弹性支撑轮组。

4.根据权利要求3所述的一种钢闸门面板分体爬行机器人，其特征在于：所述下轴两端的支撑轮分别从挡板下方和履带条的间隙处伸出至挡板的外侧。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种钢闸门面板分体爬行机器人，其特征在于：所述履带条上等间距固定设置有永磁条。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种钢闸门面板分体爬行机器人，其特征在于：所述前电磁铁的底面高于前履带组的底面，所述后电磁铁的底面高于后履带组的底面。

7.根据权利要求1所述的一种钢闸门面板分体爬行机器人，其特征在于：后车体的任意一个俯仰调节摆动机构上的扭力传感器测量值小于阈值T时，前电磁铁和后电磁铁同时通电启动，前履带组继续爬行。

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