CN105835978A - 一种履带式磁吸附爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种履带式磁吸附爬壁机器人，包括扁平的车体，所述车体采用铝合金制作成封闭性的腔体，内部装有控制系统、永磁铁和行走驱动系统。根据本发明所述的履带式磁吸附爬壁机器人，可用于集装箱、厢体及机舱内部，该机器人能灵活转动，可实现障碍避让，获取各个位置的图像信息，协助关员检查、查验。

Description

一种履带式磁吸附爬壁机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别涉及一种履带式磁吸附爬壁机器人。

背景技术

目前，海关在货运通关现场对集装箱类货物除H986外，仍然以依靠人工为主，特别是当箱内货物较多、较满时，搬移货物的人力、物力耗费巨大。

海关查验爬壁机器人是基于海关查验业务需要开发的专用机器人。机器人通过发挥其体积小巧灵活、防腐防毒、适应多种环境等机械特性，实现在人不易完成或较难完成的狭小空间、恶劣环境下的查验工作；通过发挥其智能化、可视化等系统特点，实现远程操控、即时分析等辅助执法功能。

爬壁机器人最主要的一个特点是机器人可以克服重力作用，在一定倾斜度、垂直或者倒立的壁面上具有静止及移动的能力。目前爬壁机器人吸附方式主要包括磁吸附、负压吸附、螺旋桨推压、胶吸附等。海关监管所涉及到的集装箱与厢式货柜车大部分为导磁面材料(例如瓦楞彩钢板)制作，负压吸附无法提供足够的吸力，这种情况适合磁吸附爬壁机器人应用，磁吸附方式能产生很大的吸附力，不受壁面凸凹或裂缝的限制。因此磁吸附爬壁机器人适合海关货箱内部查验。货箱内部经常会有瓦楞式设计，且有可能装有横向加强筋，机器人需要具有一定的越障能力。机器人查验的方式为从货箱入口顶部放入，并以直线路径进入货箱内部，到头后再返回入口处，运行过程中将货箱内部的视频或图像信息以无线传输的方式反馈给控制盒供关员查验。

中国专利申请20041006429.6，记载了一种″磁轮吸附式爬壁机器人”涉及到了这种机器人。其缺点是驱动轮与壁面接触面积小，磁能利用率低和磁吸附力小，磁轮往往需做的比较大,以满足机器人的负载和安全爬壁的要求，但这又增加了机器人的重量和运动的灵活性。

将磁铁嵌入到履带上组成磁吸附移动机构，在导磁壁面上运动时，具有吸附力大，负载能力强的优点，同时因履带与壁面接触面大，转向阻力大，降低了机器人的运动灵活性，致使机器人转向不灵活。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，本发明提出一种磁吸附式履带爬壁机器人，旨在解决现有技术中海关查验车厢爬壁机器人的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种履带式磁吸附爬壁机器人，包括车体，所述车体为扁平的立方体结构，其中上下两个面的面积较大。

所述车体采用铝合金制作成封闭性的腔体，内部装有控制系统、永磁铁和行走驱动系统。

行走驱动系统包括电机和轮履结合的运动结构，车体两侧装有四个轮子和两条履带用于行走和转向，车体前部、后部和顶部的中心位置均装有摄像头，用于摄像侦查。

顶部摄像头旁边均布置有两组光源，两侧轮子中间装有图像传输天线和控制天线。

在车体前后侧设置超声及激光测距传感器，可进行测距，实现自主避障。

在车体上表面还依次设置有保险管、总开关、指示灯、航插。

在车体内部下层设置有多组磁铁组，所述磁铁组包括多个永磁铁，所述永磁铁呈长方体并分为两排并列设置，所述磁铁组包括至少五对并排设置的长方体形的永磁铁。

优选的，作为动力系统，在轮式磁吸附爬壁机器人内部装有两台电机，两台电机分别位于在车体底部的前部和后部，每台电机驱动一侧轮子，前侧电机驱动右侧轮子，后侧电机驱动左侧轮子，所述电机通过传动带驱动轮子。

前侧电机的输出轴连接右侧传动带的主动带轮，主动带轮带动右侧传动带转动，右侧传动带的转动带动位于后部轮轴上的被动带轮，从而实现右侧前后两个轮子的转动；

后侧电机的输出轴连接左侧传动带的主动带轮，主动带轮带动左侧传动带转动，左侧传动带的转动带动位于后部轮轴上的被动带轮，从而实现左侧前后两个轮子的转动；

在两侧轮子的外部套装履带，从而实现轮履结合的运动结构。

优选的，作为控制系统，采用2.4G无线射频信号进行遥控，可将机器人端的数据传回遥控端。

摄像头得到的三路图像均可以通过5.8G射频信号传回到遥控器端。

控制系统主控芯片CPU采用STM32F103VET6，电机驱动采用TI集成芯片DRV8432驱动两个Maxon直流有刷电机，支持电机编码器接口测速实现速度闭环控制，还支持电机电流监测实现电流闭环控制。

附图说明

图1为本发明的履带式磁吸附爬壁机器人的示意图。

图2是本发明的履带式磁吸附爬壁机器人的内部下层结构示意图。

图3是本发明的履带式磁吸附爬壁机器人的侧视图。

图4是本发明一种履带式磁吸附爬壁机器人的内部上层结构示意图。

(注意：附图中的所示结构只是为了说明本发明特征的示意，并非是要依据附图所示结构。)

具体实施方式

如图1、3所示，根据本发明所述的履带式磁吸附爬壁机器人，包括车体，所述车体为扁平的立方体结构，其中上下两个面的面积较大。

所述车体采用铝合金制作成封闭性的腔体，内部装有控制系统、永磁铁和行走驱动系统。

为适应集装箱箱体内部瓦楞彩钢板结构，底盘采用轮履结合的运动结构，车体两侧装有四个轮子和两条履带9用于行走和转向，车体前部、后部和顶部的中心位置均装有摄像头4、6，用于摄像侦查。顶部摄像头6旁边均布置有两组光源7，两侧轮子中间装有图像传输天线15和控制天线16。

此外，还可在车体前后侧设置超声及激光测距传感器(未图示)，可进行测距，实现自主避障。

如图1所示，在车体上表面还依次设置有保险管1、总开关2、指示灯3、航插5。

如图2所示，在履带式磁吸附爬壁机器人的内部下层设置有多组磁铁组，所述磁铁组包括多个永磁铁14，所述永磁铁14呈长方体并分为两排并列设置。所述磁铁组包括至少五对并排设置的长方体形的永磁铁14。

所述磁铁组还配备高度可调装置，能够精确调整磁铁高度，使磁力大小精确可控。

由此一来，使用永磁吸附技术来实现履带式磁吸附爬壁机器人对集装箱箱体内部瓦楞彩钢板等吸附面的附着，由于永磁铁布置在履带式磁吸附爬壁机器人车体底部，因此永磁铁与吸附面不直接接触从而形成悬磁吸附。

如图3所示，根据本发明的履带式磁吸附爬壁机器人的内部结构示意图可知，在履带式磁吸附爬壁机器人内部装有两台电机8，两台电机8分别位于在车体底部的前部和后部，每台电机8驱动一侧轮子。如前侧电机8驱动右侧轮子，后侧电机8驱动左侧轮子。进一步的，所述电机8通过传动带驱动轮子。

如图3所示，前侧电机8的输出轴连接右侧传动带的主动带轮，主动带轮带动右侧传动带转动，右侧传动带的转动带动位于后部轮轴上的被动带轮，从而实现右侧前后两个轮子的转动。

同样的，后侧电机8的输出轴连接左侧传动带的主动带轮，主动带轮带动左侧传动带转动，左侧传动带的转动带动位于后部轮轴上的被动带轮，从而实现左侧前后两个轮子的转动。

如图1、2所示，在两侧轮子的外部套装履带9，从而实现轮履结合的运动结构，这种设计结构扁平，可以降低机器人整体高度。

此外，如图1所示，在车体侧面还设置有履带松紧调整装置11，用于对履带9的松紧度进行调节。所述履带松紧调整装置11可采用张紧轮或靴式张紧器或其他张紧器的形式。

基于以上运动结构，在前进和后退时电机8转向和转速相同，转弯时则通过两侧电机8的速度差来实现，即通过两侧轮系差速运动实现转弯或原地转向。

如图4所示，顶部摄像头6还配备防撞回弹装置13，当机器人不慎掉落时可以有效保护摄像头。

如图4所示，履带式磁吸附爬壁机器人的内部上层设置有控制系统12。

具体的，根据本发明的履带式磁吸附爬壁机器人采用遥控行走方式。采用2.4G无线射频信号进行遥控，并可将机器人端的数据(如测距传感器测得的数据，机器人剩余电量)传回遥控端，供操作员参考。三路图像均可以通过5.8G射频信号传回到遥控器端。控制系统主控芯片CPU采用STM32F103VET6，电机驱动采用TI集成芯片DRV8432驱动两个Maxon直流有刷电机，支持电机编码器接口测速实现速度闭环控制，还支持电机电流监测实现

此外，根据本发明的履带式磁吸附爬壁机器人，还包括程操控端及显示器，其远程操控端及显示器均设置在便携式智能移动平台上，且该机器可根据海关查验需要携带不同的监视、探测设备，以满足海关查验的部分特殊需求。

根据本发明的履带式磁吸附爬壁机器人，形成了爬壁机器人本体、传感器功能模块、人机接口控制盒三大功能模块，具有以下实用性优点：

(1)该机器人适应温度为-40℃-70℃，雨雪天气状况下作业正常，能够适应不平整表面的移动及操作，摄像头平稳作业，采集图像稳定。

(2)轻巧便携，占用空间小，重量轻。机器人本体重量在4kg以内、尺寸为(长×宽×高)395×320×95mm。

(3)操作关员能在固定位置操控机器人，减少关员工作量。远程控制及图像回传距离80米以上。常温环境下续航时间120分钟以上，低温环境下(-40℃)续航时间60分钟以上，移动速度大于0.25米/秒。

(4)回传图像清晰、无死角，扫描图像可通过微波或无线网络实时回传图像到便携式控制终端或用户办公系统，图像分辨率达到800×600以上，可局部放大图像，通过局部图像放大进一步作出判断，具有图像拼接功能，可以整合出厢体内部扫视平面整体的图像。

(5)集装箱、厢体及机舱内部情况复杂，该机器人能灵活转动，可实现障碍避让，获取各个位置的图像信息，协助关员检查、查验。机器人主体采用坚固材质，可抗击一般程度刮蹭、碰撞、跌落等，不影响系统作业。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种履带式磁吸附爬壁机器人，包括车体，所述车体为扁平的立方体结构，其中上下两个面的面积较大，其特征在于：

所述车体采用铝合金制作成封闭性的腔体，内部装有控制系统、永磁铁和行走驱动系统；

行走驱动系统包括电机(8)和轮履结合的运动结构，车体两侧装有四个轮子和两条履带(9)用于行走和转向，车体前部、后部和顶部的中心位置均装有摄像头(4、6)，用于摄像侦查；

顶部摄像头(6)旁边均布置有两组光源(7)，两侧轮子中间装有图像传输天线(15)和控制天线(16)；

在车体前后侧设置超声及激光测距传感器，可进行测距，实现自主避障；

在车体上表面还依次设置有保险管(1)、总开关(2)、指示灯(3)、航插(5)；

在车体内部下层设置有多组磁铁组，所述磁铁组包括多个永磁铁(14)，所述永磁铁(14)呈长方体并分为两排并列设置，所述磁铁组包括至少五对并排设置的长方体形的永磁铁(14)。

2.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

在履带式磁吸附爬壁机器人内部装有两台电机(8)，两台电机(8)分别位于在车体底部的前部和后部，每台电机(8)驱动一侧轮子，前侧电机(8)驱动右侧轮子，后侧电机(8)驱动左侧轮子，所述电机(8)通过传动带驱动轮子。

3.根据权利要求2所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

前侧电机(8)的输出轴连接右侧传动带的主动带轮，主动带轮带动右侧传动带转动，右侧传动带的转动带动位于后部轮轴上的被动带轮，从而实现右侧前后两个轮子的转动；

后侧电机(8)的输出轴连接左侧传动带的主动带轮，主动带轮带动左侧传动带转动，左侧传动带的转动带动位于后部轮轴上的被动带轮，从而实现左侧前后两个轮子的转动；

在两侧轮子的外部套装履带(9)，从而实现轮履结合的运动结构。

4.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

采用2.4G无线射频信号进行遥控，可将机器人端的数据传回遥控端，

摄像头得到的三路图像均可以通过5.8G射频信号传回到遥控器端；

控制系统主控芯片CPU采用STM32F103VET6，电机驱动采用TI集成芯片DRV8432驱动两个Maxon直流有刷电机，支持电机编码器接口测速实现速度闭环控制，还支持电机电流监测实现电流闭环控制。

5.根据权利要求3所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

在前进和后退时电机(8)转向和转速相同，转弯时则通过两侧电机8的速度差来实现，即通过两侧轮系差速运动实现转弯或原地转向。

6.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

所述磁铁组还配备高度可调装置，能够精确调整磁铁高度，使磁力大小精确可控。

7.根据权利要求3所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

在车体侧面还设置有履带松紧调整装置(11)，用于对履带(9)的松紧度进行调节，所述履带松紧调整装置(11)可采用张紧轮或靴式张紧器或其他张紧器的形式。

8.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：

还包括程操控端及显示器，其远程操控端及显示器均设置在便携式智能移动平台上。