CN103009373A - 具有曲面自适应吸附的磁轮式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有曲面自适应吸附的磁轮式爬壁机器人，它包括具有曲面自适应吸附的移动平台、加速度传感器、无线通讯模块、摄像头和上位机；曲面自适应吸附的移动平台由磁性驱动轮单元和曲面自适应车架组成，通过磁性驱动轮中弹性永磁吸附层和车架中活页铰链的共同变形，实现曲面自适应吸附；本发明的磁轮式爬壁机器人具有良好的曲面自适应能力和越障能力，能够在曲率半径较小的曲面上稳定行走，可满足大跨度空间网格结构的无线健康检测等工程应用需求。

Description

具有曲面自适应吸附的磁轮式爬壁机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种机器人，尤其涉及一种具有曲面自适应吸附的磁轮式爬壁机器人。

背景技术

空间网格结构具有跨度大、重量轻、施工安装简便和布置灵活等特点，不仅广泛应用于体育馆、展览馆、车站候车大厅等公共建筑，也大量应用于仓库、飞机库、厂房等工业建筑中。环境侵蚀、材料老化以及复杂荷载等因素的耦合作用，将不可避免地导致空间网格结构的损伤积累和抗力衰减，极端情况下甚至引起结构的整体失效，造成重大安全事故。因此，为保证空间网格结构的安全服役，必须定期对空间网格结构进行检测维护。为此，我们以期发明一种可在空间网格结构上爬行的爬壁机器人，搭载加速度传感器、摄像头等检测设备，为网格结构的健康检测提供先进的仪器设备装置。

空间网格结构主要由圆钢管与球节点所组成。同一网格结构中所采用的钢管直径变化范围较大，与此同时，球节点的直径大于相交钢管的直径。鉴于这样的特点，适合在空间网格结构中爬行作业的机器人必须满足两个基本条件：具有较好的曲面自适应吸附能力；具有逾越球节点的越障能力。

现有的爬壁机器人主要有足式爬壁机器人、轮式爬壁机器人和履带式爬壁机器人等三大类。

足式爬壁机器人是靠足部提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附力必须可调，多采用真空吸附或者电磁铁吸附。申请号200910078568.4的专利文献涉及的“无障碍恒速爬行机器人”，提供一种真空吸附爬壁机器人，可在非铁磁性材料表面进行匀速直线运动、转弯和跨越障碍。但是其只适合在光滑平整表面爬行。另外，足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好，而且产生吸附力需要消耗电能，存在意外断电造成的安全隐患。

轮式爬壁机器人是靠磁轮或者磁性车架的吸附力吸附在导磁面上。申请号200510086382.5的专利文献涉及的“一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人”，其特点是通过细分永磁吸附装置，增加活动铰连接，以适应曲面曲率变化，具有负载能力强、运动灵活和一定的曲面自适应能力等特点。但是由于永磁吸附装置的万向轮较小，决定了其无法逾越如空间球节点这样的具有较大交角范围的相交壁面障碍。

履带式爬壁机器人是靠安装在履带式移动机构上的吸附单元吸附在壁面上的。申请号200410033770.2的专利文献涉及的“一种变结构履带式爬壁机器人”，该履带式爬壁机器人在履带中增加了与带轮活动链接的可伸缩支撑杆，可灵活而大幅度地改变履带的形状，从而能够在曲面半径较小的曲面上稳定行走，以及在具有较大交角范围的相交壁面之间过渡。但是其机构复杂、体型较大、运动灵活性较差，特别是在转向时，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻力和转向半径较大，转向的灵活性差。

综上所述，上述各爬壁机器人均未能满足在空间网格结构上爬行的两个基本条件，因此也未能为空间网格结构健康检测的工程应用提供服务。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足和缺陷，以实现爬行机器人在空间网格结构健康检测的工程应用，提供了一种具有曲面自适应吸附的磁轮式爬壁机器人，使其具有较好的曲面自适应吸附能力和逾越球节点的越障能力，搭载加速度传感器实现无线检测空间网格结构之功用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人，它包括具有曲面自适应吸附的移动平台、加速度传感器、无线通讯模块、摄像头、摄像头支架、电源和上位机；其中，加速度传感器、无线通讯模块和摄像头支架均固定在移动平台上，摄像头安装在摄像头支架上，摄像头、加速度传感器与无线通讯模块相连，无线通讯模块与上位机无线通信；所述具有曲面自适应吸附的移动平台包括两个曲面自适应车架和四个磁性驱动轮单元；每个曲面自适应车架上对称布置固定安装两个磁性驱动轮单元，两个曲面自适应车架由活页铰链铰接。

进一步地，所述磁性驱动轮单元包括电机，由电机驱动的轮毂，安装在轮毂外表面的弹性永磁吸附层。

进一步地，所述弹性永磁吸附层包括弹性铁片基层和弹性铁片基层上均匀粘贴的永磁铁。

进一步地，所述永磁铁可采用钕铁硼稀土永磁铁。

进一步地，所述弹性铁片基层可采用具有弹性的0.1mm铁片加工而成。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）大跨空间结构的健康服役问题一直是备受关注的工程问题。利用无线爬壁机器人进行大跨空间网格结构的健康检测，可以大大减轻监测人员的劳动负荷和劳动危险性，具有明显的经济性。

（2）采用直接接触吸附的磁性轮移动方案，保证了在相交壁面过渡中的不利吸附情况下仍可以提供足够的负载能力；驱动轮具有外层弹性永磁吸附层，针对不同导磁壁面可自适应贴合吸附。

（3）采用带有活页铰链的曲面自适应车架，在网格结构所采用的最小管径（60mm）钢管上，仍能保证爬壁机器人与钢管紧密地贴合，可适应[0，1/60]（单位mm^-1）范围的曲率变化；在逾越球节点障碍时，四轮全驱动为行进中提供充足的动力支持，弹性永磁吸附层的变形吸附保证了在有较大交角范围的相交壁面仍有足够的吸附力，不至打滑。

（4）本发明实用经济，结构简单紧凑，体积小，重量轻，操控简便，负载能力强。

附图说明

图1为本发明一种具有曲面自适应吸附的磁轮式爬壁机器人的组成框图；

图2为图1中具有曲面自适应吸附移动平台的结构图；

图3为图2中磁性驱动轮单元组成图；

图4为图3中弹性永磁吸附层结构图；

图5为图4中弹性铁片基层展开图；

图6为具有曲面自适应吸附移动平台钢管自适应吸附示意图；

图7为具有曲面自适应吸附移动平台在逾越球节点时的工作原理示意图；

图8为爬壁机器人控制电路流程图；

图9为图1中上位机控制程序流程图；

图中，磁性驱动轮单元1、曲面自适应车架2、弹性永磁吸附层10、永磁铁11、弹性铁片基层12、轮毂13、电机14、活页铰链21、钢管100、钢球200。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详述本发明。

如图1所示，本发明一种具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人包括具有曲面自适应吸附的移动平台、加速度传感器、无线通讯模块、摄像头、摄像头支架、电源和上位机。其中，加速度传感器、无线通讯模块和摄像头支架均固定在移动平台上，摄像头安装在摄像头支架上，摄像头、加速度传感器与无线通讯模块相连，无线通讯模块与上位机无线通信。

图2为图1中具有曲面自适应吸附的移动平台的结构图，包括两个曲面自适应车架2和四个磁性驱动轮单元1。每个曲面自适应车架2上对称布置固定安装两个磁性驱动轮单元1，两个曲面自适应车架2由活页铰链21铰接。

图3为图2中磁性驱动轮单元1的组成图，磁性驱动轮单元1包括电机14，由电机14驱动的轮毂13，安装在轮毂13外表面的弹性永磁吸附层10。

图4为图3中弹性永磁吸附层10的结构图，弹性永磁吸附层10包括弹性铁片基层12和弹性铁片基层12上均匀粘贴的永磁铁11。永磁铁11可采用4×4×1mm（长宽高）钕铁硼稀土永磁铁。可根据壁面整洁等情况改变弹性铁片基层12的宽度以及钕铁硼稀土永磁铁11的个数。实际作业时，机器人可以依靠这些弹性永磁吸附层自适应地吸附在壁面上，产生吸附力。

图5为图4中弹性铁片基层12的展开图，可采用具有弹性的0.1mm铁片加工而成。

所述上位机可由普通PC机实现；所述摄像头可采用针孔式工业摄像头。所述加速度传感器，用于采样测量壁面的振动加速度。当到达测量点时，启动测量模式，加速度传感器开始测量当地振动加速度值，转换成数字信号，并将数据通过无线通讯模块传给上位机，实现无线健康检测。

图9为图1中上位机控制程序流程图：系统启动后，操作人员可对机器人工作模式进行选择：直行模式，测量模式，及遥控模式。直行模式下，机器人以恒定速度向前沿直线行驶，直到到达目的地；测量模式下，当机器人到达测量目的地时，上位机发送停止信号，并启动机器人上的加速度传感器测量模块，开始测量，并将测量数据发送回上位机；遥控模式下，操作人员通过上位机屏幕观察机器人前进方向，通过控制机器人左、右轮的转速，调整机器人的运动方向，若机器人行驶时偏离正常轨道，可实现人工修正，使机器人能准确到达目的地。

图6所示为具有曲面自适应吸附移动平台曲面自适应的第一个实施例，移动平台在60mm管径的钢管100上自适应吸附。首先弹性永磁吸附层10沿钢管100圆周方向弹性变形自适应吸附，其次移动平台的车架2中部的活页铰链21由于受到运行阻力会被动地张开或闭合来适应不同的管径。当在不同管径上爬行时，移动平台中的活页铰链21与弹性永磁吸附层10协同变形使移动平台能够自适应钢管曲面，可以在钢管上稳定爬行。

图7所示为具有曲面自适应吸附移动平台曲面自适应的第二个实施例，移动平台在钢管100/钢球200节点相交壁面过渡。在一组磁性驱动轮单元1接触相交壁面时，该组轮的弹性永磁吸附层10会发生变形以适应贴合壁面，从而产生吸附力。在轮组的前拉后推的共同驱动下，爬壁机器人实现相交壁面的过渡。

图8为爬壁机器人控制电路流程图：系统开始工作后，不间断地将摄像头的视频信号发送给上位机，供操作人员实时监控系统运动状态，据此通过上位机对系统发送适当的遥控指令。上位机发来启动命令时，上位机自动开启直行模式，系统四轮以相同方向、相同速度起转，开始直行；需要转向时，上位机切换至遥控模式，对左、右轮转速及转向进行人工设置，系统对上位机发来的命令进行处理，并相应的改变各轮转速及转向，实现左右轮差动转向；当到达测量点时，启动测量模式，加速度传感器开始测量当地振动加速度值，转换成数字信号，并将数据通过无线通讯模块传给上位机，实现空间网格结构的无线健康检测。

Claims (5)

1.一种具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人，其特征在于，它包括具有曲面自适应吸附的移动平台、加速度传感器、无线通讯模块、摄像头、摄像头支架、电源和上位机等；其中，所述加速度传感器、无线通讯模块和摄像头支架均固定在移动平台上，摄像头安装在摄像头支架上，摄像头和加速度传感器均与无线通讯模块相连，无线通讯模块与上位机无线通信；所述具有曲面自适应吸附的移动平台包括两个曲面自适应车架（2）和四个磁性驱动轮单元（1）；每个曲面自适应车架（2）上对称布置固定安装两个磁性驱动轮单元（1），两个曲面自适应车架（2）由活页铰链（21）铰接。

2.根据权利要求（1）所述具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人，其特征在于，所述磁性驱动轮单元（1）包括电机（14），由电机（14）驱动的轮毂（13），安装在轮毂（13）外表面的弹性永磁吸附层（10）。

3.根据权利要求（2）所述具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人，其特征在于，所述弹性永磁吸附层（10）包括弹性铁片基层（12）和弹性铁片基层（12）上均匀粘贴的永磁铁（11）。

4.根据权利要求（3）所述具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人，其特征在于，所述永磁铁（11）可采用钕铁硼稀土永磁铁。

5.根据权利要求（3）所述具有曲面自适应的磁轮式爬壁机器人，其特征在于，所述弹性铁片基层（12）可由具有弹性的0.1mm铁片加工而成。

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