CN104029743A - 一种用于爬壁机器人的履带行走系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于爬壁机器人的履带行走系统，包括：履带、履带轮和吸盘组件，所述吸盘组件离散分布在所述履带的外表面，所述履带轮固定在所述履带的内部，并包括主动轮和若干从动轮，所述履带的内表面设置有若干第一锯齿，所述履带轮的外表面设置有与所述若干第一锯齿相配合的若干第二锯齿，所述若干第一锯齿与所述若干第二锯齿的啮合模数为2。通过上述方式，本发明用于爬壁机器人的履带行走系统具有结构科学、设计新颖、配置合理、功能先进、自动控制、安全可靠、经济实用等优点，在用于爬壁机器人的履带行走系统的普及上有着广泛的市场前景。

Description

一种用于爬壁机器人的履带行走系统

技术领域

本发明涉及机械自动化领域，特别是涉及一种用于爬壁机器人的履带行走系统。

背景技术

随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用，其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。

爬壁机器人在清洁高层建筑壁面上的应用，可以看出随着控制和机电技术的发展，这种可以替代手工劳作的壁面清洗机器人的出现将人从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，降低高层建筑的清洗成本，提高生产效率，同时也推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。但这仅仅是爬壁机器人的一个应用领域，近几年来，随着各式各样的机器人在各个领域中的广泛应用和发展，爬壁机器人作为能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，以其能够成为高空极限作业的一种自动机械装置的优良特性，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要可以应用于以下 ：

(1) 在建筑行业可应用于喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面探伤、壁面修复整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；

(2) 在消防部门可应用于携带消防器械、传递救援物资、进行高空救援工作；

(3) 在核工业可用于对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等危险的工作；

(4) 在石化企业可用于对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；

(5) 在造船业可用于喷涂船体的内外壁、对船体的内外壁进行检查、船体内外壁清洁等；

(6) 在抢险救灾上可应用于向高空被困人员运送逃生器械、传递食物水给养等；

(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空间卫星维修等。

由此可见，爬壁机器人的应用领域广泛涉及民生、核工业、造船工业等，并在这些领域中担任着十分重要的工作，能够促进生产力的提高、改善人民的生活与工作条件。爬壁机器人结构原理的研究与开发能够为壁面机器人的生产制造和升级进步起到指导与促进的作用；另外，爬壁机器人相关技术的研究科研成果可以直接应用于或带动相关链条产业的进步，从整体上促进生产力的发展，提高人民的生活质量。

总之，积极研究与发展爬壁机器人技术，努力开发与设计制造可以转化为实际生产力的爬壁机器人是生产力发展的需要，是人民生活质量和工作条件改善与提高的需要，也是我国科技兴国、技术进步的需要。该项技术的科研与创新必将会产生巨大的经济价值和社会价值。

现有的履带设计方案一般为以下两种：一，驱动轮及导向轮兼作支撑轮，因此增大了支撑面积，改善了稳定性，但是穿越障碍的性能较弱，不适用于有缝隙或者凹凸不平的表面；二，为不作支撑轮的驱动轮与导向轮位置高于地面，链条引入时的角度达50度，其好处是适合于穿越障碍，但是使用时履带磨损大、使用寿命低。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种用于爬壁机器人的履带行走系统，通过采用驱动轮（主动轮）置中、导向轮（从动轮）对称分布、驱动轮及导向轮兼做支撑轮的结构设计，大大地增大了接触面积，并且使得履带上的受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害，进而提升了行走的稳定性并增加了使用寿命，结构新颖、经济实用，在用于爬壁机器人的履带行走系统的普及上有着广泛的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于爬壁机器人的履带行走系统，包括：履带、履带轮和吸盘组件，所述吸盘组件离散分布在所述履带的外表面，所述履带轮固定在所述履带的内部，并包括主动轮和若干从动轮，所述履带的内表面设置有若干第一锯齿，所述履带轮的外表面设置有与所述若干第一锯齿相配合的若干第二锯齿，所述若干第一锯齿与所述若干第二锯齿的啮合模数为2。

在本发明一个较佳实施例中，所述履带连接有动力源系统和控制系统，所述控制系统为PLC控制电路。

在本发明一个较佳实施例中，所述履带包括履带主体和骨架，所述履带主体包覆所述骨架。

在本发明一个较佳实施例中，所述骨架的内部设置有芯金。

在本发明一个较佳实施例中，所述履带主体的材质为橡胶。

在本发明一个较佳实施例中，所述履带轮的侧面的中心线位置均设置有凹槽，所述凹槽的深度大于45mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述吸盘组件的伸进所述履带的内部的最大高度小于所述凹槽的深度。

在本发明一个较佳实施例中，所述吸盘组件均包括吸盘本体和壳体，所述吸盘本体的材质为橡胶，所述壳体的材质为铝合金。

在本发明一个较佳实施例中，所述主动轮设置在所述若干从动轮的中间。

在本发明一个较佳实施例中，所述若干从动轮的数量为2。

本发明的有益效果是：本发明用于爬壁机器人的履带行走系统具有结构科学、设计新颖、配置合理、功能先进、自动控制、安全可靠、经济实用等优点，在用于爬壁机器人的履带行走系统的普及上有着广泛的市场前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的用于爬壁机器人的履带行走系统一较佳实施例的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、履带，10、若干第一锯齿， 20、若干第二锯齿，21、主动轮，22、若干从动轮，3、吸盘组件。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例包括：

一种用于爬壁机器人的履带行走系统，包括：履带1、履带轮和吸盘组件3。

所述吸盘组件3离散分布在所述履带1的外表面，吸盘组件3在履带1上的离散分布特点和履带1自身的柔性使得爬壁机器人能够相对容易的逾越障碍物，如玻璃缝隙、墙面小突起等，另外履带1不直接与壁面接触，减少了不平滑壁面对履带1的损害，从而提高了机器人的工作寿命；所述履带轮固定在所述履带1的内部，并包括主动轮20和若干从动轮21，所述履带1的内表面设置有若干第一锯齿10，所述履带轮的外表面设置有与所述若干第一锯齿10相配合的若干第二锯齿20，即履带1与履带轮之间是联结模拟齿轮与齿条啮合，这使得爬壁机器人能够平稳快速地在壁面上移动，从而大大提高了履带1与履带轮之间的结合紧密度和行走稳定度；所述若干第一锯齿10与所述若干第二锯齿20的啮合模数为2，为了保证在运动时履带1与履带轮不会咬死，把履带1上的若干第一锯齿10的厚度设置得相对薄于所述履带轮上的若干第二锯齿20，使得其保证有足够的啮合空间；另外，履带1上设置有孔，用于装配吸盘组件和导气管通过，履带1上设置有凸起部分，用于与配气盘相联结用以为吸盘组件3供气，结构新颖、性能稳定、运行速度快。

优选地，所述履带1连接有动力源系统和控制系统，所述控制系统为PLC控制电路，智能控制、结构新颖、控制方便、性能优化、方便实用。

优选地，所述履带1包括履带主体和骨架，所述履带主体包覆所述骨架，大大提升了承压力。

优选地，所述骨架的内部设置有芯金，进一步提升了承压能力，方便搬运、提高寿命。

优选地，所述履带主体的材质为橡胶，履带主体采用橡胶履带，通过模压硫化而制成，具有接地比压小、牵引力大、振动小、噪音低、湿田通过性能好、不损伤路面、速度快的优点，履带轮采用的材料为聚碳酸酯注塑而成，抗拉伸强度高、机械性能高、强度大、坚固耐用。

优选地，所述履带轮的侧面的中心线位置均设置有凹槽，所述凹槽的深度大于45mm，用于防止吸盘组件3的尾部与履带轮发生碰撞干涉，设计合理人性、坚固耐用、方便控制。

优选地，所述吸盘组件3的伸进所述履带1的内部的最大高度小于所述凹槽的深度。

优选地，所述吸盘组件3均包括吸盘本体和壳体，所述吸盘本体的材质为橡胶，所述壳体的材质为铝合金，吸盘本体由软塑料经注塑制成，壳体为铝合金件，为了防止在机器人工作过程中吸盘组件3的壳体折断发生危险，吸盘组件3与履带1结合部材料较厚，另外为了减轻整个机器人的总质量，在满足工作和强度要求的情况下，零件均采用塑料、铝合金或其他轻质材料做成。

优选地，所述主动轮21设置在所述若干从动轮22的中间，主动轮21置中、从动轮22对称布置的方式使履带1受力最大处避开了履带1弯曲处，减少了对履带1的损害，提高了履带1的使用寿命。

优选地，所述若干从动轮22的数量为2。

下表所示为橡胶履带基质天然橡胶和顺丁橡胶的主要性能：

下表为履带轮材料聚碳酸酯的主要性能：

上面2张图表可以看出，履带1基质天然橡胶和顺丁橡胶的抗拉强度比履带轮材料聚碳酸酯低。但是履带1是由橡胶主体、芯金、帘线骨架材料组成，碳素弹簧钢丝（如直径为0.08mm）抗拉强度为2059~2452MPa，因此履带轮出现危险的可能性大，下面对履带轮进行校核。

履带轮驱动履带1转动时，根据功率的关系可得：

式中各符号的意义为：

P——驱动轮传递给履带的功率，单位为W；

——主动轮21驱动履带的扭矩，单位为；

——为主动轮21转动的角速度，单位rad/s；

——安全系数，是为了保证有一定的功率裕量和功率损耗，一般取2~3；

——机器人的总质量，单位为；

——重力加速度，单位为；

——机器人在壁面上运行的速度，单位。

设在主动轮21工作中一个齿上的剪力为，则有：

式中，A——主动轮21齿底部的截面积，单位为；

——主动轮21轮齿底部受到的切应力，单位为Pa；

——主动轮21轮齿底部截面的长度，单位为；

——主动轮21轮齿底部截面的宽度，单位为。

对主动轮21中心取矩，由平衡方程，可得：

式中，——主动轮21工作中一个齿上的剪力为；

——主动轮21的直径，单位为mm；

——同时处于工作状态的齿轮数；

对于主动轮21的转动有：

式中，r——主动轮21的半径，单位m；

联立可以得到，主动轮21轮齿底部受到的切应力：

式中，安全系数k取2.5，机器人的总重量m为45Kg，重力加速度g取9.8，机器人工作时同时处于工作状态的轮齿数取2.3，主动轮21轮齿底部宽l为30mm，主动轮21轮齿底部长度b为4.86mm，将以上数据代入可以得到：

对于主动轮21的聚碳酸酯材料可以由其抗拉强度参考其抗切应力的强度，故有：

由上式可知，爬壁机器人的主动轮21强度满足要求，综合以上讨论证明可知爬壁机器人的行走机构满足强度要求，能够保证机器人安全可靠地完成工作任务。

本发明用于爬壁机器人的履带行走系统的有益效果是：

一、通过采用驱动轮（主动轮）置中、导向轮（从动轮）对称分布、驱动轮及导向轮兼做支撑轮的结构设计，大大地增大了接触面积，并且使得履带上的受力集中处远离履带弯曲处，减少了对履带的损害，进而提升了行走的稳定性并增加了使用寿命，结构新颖、经济实用；

二、通过采用履带与履带轮之间联结模拟齿轮与齿条啮合，这使得爬壁机器人能够平稳快速地在壁面上移动，从而大大提高了履带与履带轮之间的结合紧密度和行走稳定度；

三、相对于一般的用于爬壁机器人的履带行走系统，这里的用于爬壁机器人的吸盘组件在履带上的离散分布，这使得爬壁机器人能够相对容易的逾越障碍物，如玻璃缝隙、墙面小突起等，另外履带不直接与壁面接触，减少了不平滑壁面对履带的损害，从而提高了机器人的工作寿命。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，包括：履带、履带轮和吸盘组件，所述吸盘组件离散分布在所述履带的外表面，所述履带轮固定在所述履带的内部，并包括主动轮和若干从动轮，所述履带的内表面设置有若干第一锯齿，所述履带轮的外表面设置有与所述若干第一锯齿相配合的若干第二锯齿，所述若干第一锯齿与所述若干第二锯齿的啮合模数为2。

2.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述履带连接有动力源系统和控制系统，所述控制系统为PLC控制电路。

3.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述履带包括履带主体和骨架，所述履带主体包覆所述骨架。

4.根据权利要求3所述的交替式前行运动系统，其特征在于，所述骨架的内部设置有芯金。

5.根据权利要求3所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述履带主体的材质为橡胶。

6.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述履带轮的侧面的中心线位置均设置有凹槽，所述凹槽的深度大于45mm左右。

7.根据权利要求6所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述吸盘组件的伸进所述履带的内部的最大高度小于所述凹槽的深度。

8.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述吸盘组件均包括吸盘本体和壳体，所述吸盘本体的材质为橡胶，所述壳体的材质为铝合金。

9.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述主动轮设置在所述若干从动轮的中间。

10.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的履带行走系统，其特征在于，所述若干从动轮的数量为2。