CN105923061A - 一种可自由平动的履带式爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种履带式爬壁机器人，它包括机架，在机架的两侧对称设置有一对履带组件，在机架的底部设置有转向组件；转向组件包括转动连接在机架底部的盘式电机，盘式电机的底部同轴紧固连接有伸缩缸，伸缩缸的输出端紧固连接电磁铁；履带组件包括橡胶履带和多个与履带紧固连接的磁吸附单元，磁吸附单元包括圆柱形永磁体、左轭铁、右轭铁、上隔磁块、下隔磁块和舵机，圆柱形永磁体转动设置在由左轭铁、右轭铁、上隔磁块和下隔磁块合围成的空心筒中，空心筒的一端紧固连接有后盖板，舵机的输出端通过联轴器与圆柱形永磁体连接；舵机具有0°和90°两个角度状态；舵机具有0°和90°两个角度状态；舵机处于0°角度状态时，磁吸附单元处于充磁状态；舵机处于90°状态时，磁吸附单元处于消磁状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种可自由平动的履带式爬壁机器人，属于特种机器人技术领域。
背景技术
在核能、船舶、化工、风电等行业，广泛存在导磁体金属外壁。这些壁面经长期风吹日晒、盐碱侵蚀、灰尘粘附、砂砾摩擦，表面会出现污垢、脱漆，乃至锈蚀等现象。这些问题不仅影响美观，而且可能危及壁面本体的安全运行，不能满足安全、清洁的工业管理要求。目前，上述壁面的清洗、除锈、补漆和检修等工作大都采用人工作业方式，存在高危、低效、高成本等问题。爬壁机器人是特种机器人中的一个重要类别，可广泛应用于上述情形中的运维与检修工作，代替人工作业，提高工作效率、降低作业成本。吸附和行走是爬壁机器人的两大基本功能，目前工业中广泛采用的吸附方式有磁力吸附和负压吸附，常用的行走方式包含履带式、轮式和足式。上述吸附方式和行走方式的不同组合，可以形成多种爬壁机器人设计方式。鉴于工况特殊，应用于前述情形下的爬壁机器人，需要具备多方向运动能力和适度越障能力，同时还需有较大负载能力。而现有的大多数爬壁机器人在这些方面并不能很好的满足工况需求。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具备多方向运动能力和适度越障能力的履带式爬壁机器人。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可自由平动的履带式爬壁机器人，其特征在于：它包括机架，所述机架包括第一侧、与第一侧相对的第二侧、第三侧以及与第三侧相对的第四侧；在所述机架的第一侧和第二侧相对设置有第一履带组件，在所述机架的第三侧和第四侧相对设置有第二履带组件；在所述机架的第一侧和第二侧设置有第一悬架结构，所述第一悬架结构通过伸缩缸与第一履带组件连接；在所述机架的第三侧和第四侧设置有第二悬架结构，所述第二悬架结构与所述第二履带组件固定连接；所述第一履带组件和第二履带组件均包括橡胶履带和多个与所述履带紧固连接的磁吸附单元，所述磁吸附单元包括圆柱形永磁体、左轭铁、右轭铁、上隔磁块、下隔磁块和舵机，所述圆柱形永磁体转动设置在由所述左轭铁、右轭铁、上隔磁块和下隔磁块合围成的空心筒中，所述空心筒的一端紧固连接有后盖板，所述舵机的输出端通过联轴器与所述圆柱形永磁体连接；所述舵机具有0°和90°两个角度状态；所述舵机处于0°角度状态时，所述圆柱形永磁体的N极和S极位于与壁面平行的方向；所述舵机处于90°状态时，所述圆柱形永磁体的N极和S极位于与壁面垂直的方向。
所述舵机的控制板上设置有蓝牙通信模块，所述控制板与安装在所述机架上的控制器通过蓝牙连接。
所述舵机设置在与所述空心筒紧固连接的前盖中，在所述前盖上设置正负极两个供电触点，所述供电触点与所述舵机的内部供电电路连接，在所述机架上设置有供电轨道，各所述舵机上的所述供电触点通过所述供电轨道获得供电。
所述第一履带组件和第二履带组件还包括链轨，各所述磁吸附单元紧固连接在所述链轨的外侧；所述橡胶履带的内侧与各所述磁吸附单元紧固连接；所述链轨由主动轮、从动轮和压链轮共同撑起，所述主动轮和从动轮均通过传动轴与所述机架连接，所述压链轮为多个且间隔转动连接在连杆上，所述连杆通过两个伸缩杆与履带部支架连接；所述第一履带组件上的所述履带部支架与所述伸缩缸的输出端连接；所述第二履带组件上的所述履带部支架与所述第二悬架结构连接。
在所述机架上靠近所述主动轮和从动轮的位置分别设置一NFC传感器，在各所述舵机的控制板上均内嵌有NFC芯片；所述NFC传感器与所述控制器电连接，将进入自身探测范围的磁吸附单元的信息实时传输给所述控制器，所述控制器对靠近主动轮的NFC传感器和靠近从动轮的NFC传感器所探测到的磁吸附单元实施充磁或消磁控制。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用四履带组件式结构，其中的两个履带组件用于在壁面上前进及后退，另外两个履带组件用于在壁面上左右行走，从而使本发明具备多方向运动的能力。2、本发明控制器可通过蓝牙信号随时控制磁吸附单元的充、消磁状态，因此可以方便地对本发明的运动方向进行切换，具体地，当本发明沿竖直方向行走时，伸缩缸伸出，此时第一履带组件与壁面贴合，且贴合面处的磁吸附单元全部处于充磁状态，而第二履带组件悬空，第二履带组件的所有磁吸附单元均为消磁状态；当本发明需要沿水平方向行走时，将第二履带组件下方的所有磁吸附单元切换至充磁状态，同时伸缩缸收缩，当第二履带部件与壁面贴合时，将第一履带组件底部的磁吸附单元全部切换为消磁状态，然后伸缩缸继续收缩，从而将第一履带组件悬空抬起；至此，完成本发明从竖直行走状态到水平行走状态的切换，通过第二履带组件的滚动，可以沿水平方向正常行进。3、本发明采用履带组件作为行走部件，可以自适应不同的曲面壁面，并具备很好的越障能力，大大提升了该设备在工业领域的使用场景。4、本发明配置六自由度灵活机械臂，可以实现对壁面的清洗、除锈、喷漆和检测等多个动作。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明机架的结构示意图；
图3是本发明履带组件的示意图；
图4是本发明履带组件平面结构示意图；
图5是本发明磁吸附单元的结构示意图；
图6是图5中A-A截面的剖面示意图；
图7是本发明磁吸附单元省略前盖后的结构示意图；
图8是本发明磁吸附单元处于充磁状态的示意图；
图9是本发明磁吸附单元处于消磁状态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括机架10，机架10为矩形框结构，其包括第一侧、与第一侧相对的第二侧、第三侧以及与第三侧相对的第四侧。在机架10的第一侧和第二侧对称设置有一对第一履带组件20，用于实现本发明在垂直壁面上的吸附及沿竖直方向的行走。在机架10的第三侧和第四侧对称设置有一对第二履带组件40，用于实现本发明在垂直壁面上的吸附以及沿水平方向的行走。在机架10的顶部安装有机械臂50，用于实施对壁面的清洗、除锈、喷漆和检测等动作。
如图2所示，机架10的第一侧和第二侧上设置有悬架结构11，悬架结构11与第一履带组件20之间通过伸缩缸12连接；机架10的第三侧和第四侧上设置有悬架结构13，悬架结构13与第二履带组件40固定连接。
本发明的第一履带组件20和第二履带组件40采用相同的结构，下面仅以第一履带组件20进行说明。如图3、图4所示，第一履带组件20包括链轨21、橡胶履带22和磁吸附单元23，其中，磁吸附单元23为多个，间隔紧固连接在链轨21的外侧；橡胶履带22的内侧与各磁吸附单元23紧固连接。链轨由主动轮24、从动轮25和压链轮26共同撑起，其中，主动轮24和从动轮25均通过传动轴与机架10连接，压链轮26为多个，间隔转动连接在连杆27上，连杆27通过两个伸缩杆28、29与履带部支架30连接。履带部支架30与伸缩缸12的输出端紧固连接。
如图5～7所示，磁吸附单元23包括圆柱形永磁体231、左轭铁232、右轭铁233、上隔磁块234和下隔磁块235，其中，圆柱形永磁体231可转动地设置在由左轭铁232、右轭铁233、上隔磁块234和下隔磁块235合围成的空心筒中，空心筒的一端紧固连接有后盖板236，空心筒的另一端设置有前盖237，在前盖237内设置有舵机238，舵机238的输出端通过联轴器239与圆柱形永磁体231连接。舵机238具有0°和90°两个角度状态，当舵机238处于0°角度状态时，圆柱形永磁体231的N极和S极位于水平方向(如图8所示)，磁力线从N极出发，通过左轭铁232、壁面60以及右轭铁233达到S极，形成闭合；此时，磁吸附单元23为充磁状态，磁吸附单元23在充磁状态下会对壁面产生吸力。当舵机238处于90°角度状态时，圆柱形永磁体231的N极和S极处于垂直方向(如图9所示)，磁力线从N极出发，分别通过左轭铁232和右轭铁233到达S极，形成两个闭合回路；此时，磁吸附单元23为消磁状态，磁力线回路绕开壁面，磁吸附单元23对壁面60不产生吸力。
舵机238的两个角度状态由控制板241发出的控制信号决定，控制板241上设置有蓝牙通信模块，使控制板241能够通过蓝牙信号与安装在机架10上的控制器(图中未示出)传递信号，控制器可根据实际工况需要远程控制各磁吸附单元23在充磁状态和消磁状态之间进行切换。
上述实施例中，在机架10上靠近主动轮24和从动轮25的位置分别安装一个NFC传感器，在每一舵机238的控制板241上内嵌有NFC芯片。在本发明前进过程中，当某一磁吸附单元23向主动轮24靠近得足够近时，NFC传感器通过NFC芯片识别出该磁吸附单元，并将识别信息发送给控制器，控制器收到识别信息后向舵机238的控制板241下达控制指令，使舵机238切换至充磁状态；当某一磁吸附单元23向从动轮25靠近得足够近时，NFC传感器通过NFC芯片识别出该磁吸附单元，并将识别信息发送给控制器，控制器收到识别信息后向舵机238的控制板241下达控制指令，使舵机238切换至消磁状态。而本发明后退过程中则采用相反的控制流程，即：当某一磁吸附单元23向从动轮25靠近得足够近时，NFC传感器通过NFC芯片识别出该磁吸附单元，并将识别信息发送给控制器，控制器收到识别信息后向舵机238的控制板241下达控制指令，使舵机238切换至充磁状态；当某一磁吸附单元23向主动轮24靠近得足够近时，NFC传感器通过NFC芯片识别出该磁吸附单元，并将识别信息发送给控制器，控制器收到识别信息后向舵机238的控制板241下达控制指令，使舵机238切换至消磁状态。
上述实施例中，可以在磁吸附单元23的前盖237上设置正负极两个供电触点240，供电触点240与舵机238的内部供电电路连接，在机架10上设置有供电轨道(图中未示出)，各舵机238上的供电触点240通过供电轨道获得供电。
上述实施例中，机械臂50为六自由度机械臂，可以在六自由度机械臂的末端安装不同的终端执行器，从而完成清洗、除锈、喷漆和检测等工作。
本发明的特点是具备多方向行走的能力，当本发明沿竖直方向行走时，伸缩缸12伸出，此时第一履带组件20与壁面贴合，且贴合面处的磁吸附单元23全部处于充磁状态，而第二履带组件40悬空，第二履带组件40的所有磁吸附单元23均为消磁状态。当本发明需要沿水平方向行走时，将第二履带组件40下方的所有磁吸附单元23切换至充磁状态，同时伸缩缸12收缩，当第二履带部件与壁面贴合时，将第一履带组件20底部的磁吸附单元23全部切换为消磁状态，然后伸缩缸12继续收缩，从而将第一履带组件20悬空抬起。至此，完成了本发明从竖直行走状态到水平行走状态的切换，通过第二履带组件40的滚动，可以沿水平方向正常行进。
需要特别说的是，作为一个等效的替代方案，本发明也可以将伸缩缸设置在悬架结构13与第二履带组件40之间，而第一悬架结构11与第一履带组件20采用直接连接的方式。该替代方案中所能达到的功能与前述方案等效。
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种可自由平动的履带式爬壁机器人，其特征在于：它包括机架，所述机架包括第一侧、与第一侧相对的第二侧、第三侧以及与第三侧相对的第四侧；在所述机架的第一侧和第二侧相对设置有第一履带组件，在所述机架的第三侧和第四侧相对设置有第二履带组件；在所述机架的第一侧和第二侧设置有第一悬架结构，所述第一悬架结构通过伸缩缸与第一履带组件连接；在所述机架的第三侧和第四侧设置有第二悬架结构，所述第二悬架结构与所述第二履带组件固定连接；
所述第一履带组件和第二履带组件均包括橡胶履带和多个与所述履带紧固连接的磁吸附单元，所述磁吸附单元包括圆柱形永磁体、左轭铁、右轭铁、上隔磁块、下隔磁块和舵机，所述圆柱形永磁体转动设置在由所述左轭铁、右轭铁、上隔磁块和下隔磁块合围成的空心筒中，所述空心筒的一端紧固连接有后盖板，所述舵机的输出端通过联轴器与所述圆柱形永磁体连接；所述舵机具有0°和90°两个角度状态；所述舵机处于0°角度状态时，所述圆柱形永磁体的N极和S极位于与壁面平行的方向；所述舵机处于90°状态时，所述圆柱形永磁体的N极和S极位于与壁面垂直的方向。
2.如权利要求1所述的一种可自由平动的履带式爬壁机器人，其特征在于：所述舵机的控制板上设置有蓝牙通信模块，所述控制板与安装在所述机架上的控制器通过蓝牙连接。
3.如权利要求1所述的一种可自由平动的履带式爬壁机器人，其特征在于：所述舵机设置在与所述空心筒紧固连接的前盖中，在所述前盖上设置正负极两个供电触点，所述供电触点与所述舵机的内部供电电路连接，在所述机架上设置有供电轨道，各所述舵机上的所述供电触点通过所述供电轨道获得供电。
4.如权利要求2所述的一种可自由平动的履带式爬壁机器人，其特征在于：所述第一履带组件和第二履带组件还包括链轨，各所述磁吸附单元紧固连接在所述链轨的外侧；所述橡胶履带的内侧与各所述磁吸附单元紧固连接；所述链轨由主动轮、从动轮和压链轮共同撑起，所述主动轮和从动轮均通过传动轴与所述机架连接，所述压链轮为多个且间隔转动连接在连杆上，所述连杆通过两个伸缩杆与履带部支架连接；所述第一履带组件上的所述履带部支架与所述伸缩缸的输出端连接；所述第二履带组件上的所述履带部支架与所述第二悬架结构连接。
5.如权利要求4所述的一种可自由平动的履带式爬壁机器人，其特征在于：在所述机架上靠近所述主动轮和从动轮的位置分别设置一NFC传感器，在各所述舵机的控制板上均内嵌有NFC芯片；所述NFC传感器与所述控制器电连接，将进入自身探测范围的磁吸附单元的信息实时传输给所述控制器，所述控制器对靠近主动轮的NFC传感器和靠近从动轮的NFC传感器所探测到的磁吸附单元实施充磁或消磁控制。
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