CN106275310B - 一种模块化金属壁面工作爬壁机器人 - Google Patents

一种模块化金属壁面工作爬壁机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化金属壁面工作爬壁机器人，包括爬壁机器人单元和搭载平台，所述搭载平台为矩形，四个爬壁机器人单元分别通过连接件与搭载平台的一边相连，搭载平台下表面安装有万向轮。由于单个爬壁机器人单元四个方向均安装有直线导轨机构，每个爬壁机器人单元可以实现两个自由度的行走，支撑架中间安装有直线电机，直线电机伸缩可带动支撑板上下移动使得每个爬壁机器人单元有越障能力，每个爬壁机器人单元行走时有两排电磁铁吸附，工作时可有多排电磁铁吸附，使得机器人吸附可靠、工作安全、吸附结构紧凑。

Description

一种模块化金属壁面工作爬壁机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种模块化金属壁面工作爬壁机器人。
背景技术
为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全航行，船舶必须定期进坞进行修理。而船舶进坞修理过程中必不可少的一大环节就是除锈，即除去船体表面钢板上的铁锈、油污、旧漆皮等，为提高喷涂质量作表面预处理。
目前，国内各大修船企业普遍采用的除锈方法是人工干喷砂除锈，即利用压缩空气，人工手持喷枪运动，将有压钢制容器内的干砂输送至喷枪，使铜矿砂以每秒几十米的高速冲击钢板表面，快速除去铁锈层。但是其存在很多弊端，除锈均为人工持枪高空作业，工人乘用的高架车长期在粉尘恶劣环境中使用也会发生故障，同时由于追求作业速度，就要大排气量动力，喷枪的反冲力很大，直接威胁着工人的生命。同时，喷砂会产生大量的粉尘，对工人身体健康影响很大。这就使得机器人代替人工作业迫在眉睫。
基于吸盘式电磁铁吸附原理，在通电状态下产生强大的电磁吸力，使机器人吸附在金属壁面，断电时，磁性消失，机器人可自由移动。该电磁铁结构合理、紧凑，吸盘式电磁铁线圈置于软磁材料外壳之中并以环氧浇封，具有体积小、吸力大、牢固、可靠、全密封、环境适应性强等特点，该系列电磁铁可进行远程操作，动作简单灵敏，功能稳定可靠。但现有爬壁机器人主要采用的是永磁铁轮式机构，其载重小不适合船舶这种大型表面工作。
发明内容
针对现有爬壁机器人负载能力小，越障能力差的局限性，本发明目的在于提供一种模块式金属壁面工作爬壁机器人。此爬壁机器人的每一个模块采用吸盘式电磁铁产生吸引力吸附于船舶表面，采用齿轮齿条机构实现机器人的行走功能，采用直线电机实现机器人的越障功能，采用球铰机构实现电磁铁与金属壁面的平稳接触，可依据不同使用环境组合模块，使得机器人有更强的环境适应能力。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种模块化金属壁面工作爬壁机器人，包括爬壁机器人单元和搭载平台，所述搭载平台为矩形，四个爬壁机器人单元分别通过连接件与搭载平台的一边相连，搭载平台下表面安装有万向轮。
所述爬壁机器人单元包括框架、固定滑块、直线导轨、支撑架、转轴固定板、齿轮、齿条、直线电机、支撑柱、支撑板、球铰、电磁铁、带轮、皮带、减速器、驱动电机、转轴，在所述框架的四条边框上安装有16个固定滑块，每两个固定滑块为一组，与一条直线导轨相配合，使得直线导轨能够沿固定滑块滑动，框架的每条边框均有两条直线导轨平行安装；在所述框架的每条边框的两条直线导轨之间安装有两根转轴，转轴上端安装有带轮，转轴下端安装有齿轮；在所述框架的每条边框的两条直线导轨之间还安装有转轴固定板，转轴固定板采用六个脚架固定在框架上，用来固定转轴的下端，改善转轴的受力情况；所述直线导轨下部安装有支撑架，支撑架为U型，其水平方向一侧通过螺钉安装有齿条，与齿轮啮合，支撑架底部安装有八根支撑柱，支撑柱上安装有支撑板，支撑板能够沿支撑柱上下移动，在支撑架的空腔中安装有两个直线电机，直线电机活动端与支撑板固定连接，直线电机转动带动支撑板上下移动，多个球铰依次固定在支撑板上，球铰下部安装有电磁铁，球铰带动电磁铁进行小范围的转动，以适应曲线壁面；所述框架正面安装有多个带轮，两根皮带内外分开布置，安装于框架正面，皮带通过带轮转向围成封闭的一圈，两个驱动电机分别通过减速器连接内外圈的两个带轮分别驱动水平和垂直两个运动方向的齿轮转动，在框架的每条边框的相邻两个齿轮中间通过带轮增加皮带的包角。
所述连接件为弹簧，连杆，万向联轴器或合页。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
1.机器人的控制简单，只需要控制电机的正反转，便可实现机器人两个自由度的行走。
2.机器人的负载能力大，通过搭载平台连接多个模块增加了机器人对金属壁面的吸附力，同时搭载平台采用中空式，特别适合搭载打磨机等垂直工作的大型机械。
3.机器人的结构简单，采用模块式结构，每个模块成矩形，模块自身结构对称分布，每一个方向都只有固定滑块、直线导轨、直线电机、支撑板、电磁铁等零件，结构简单。
4.机器人具有优越的越障能力，机器人的支撑板类似于脚掌，可实现上下移动，通过摆动足与支撑足的相互交替运动有利于越过障碍，同时机器人模块与搭载平台间采用弹簧连接，有减震作用。
5.机器人足部采用球铰，能够调整电磁铁位置，使电磁铁很好的与弧度小的曲面贴合，使机器人吸附可靠行走稳定。
6.机器人工作时吸附可靠，行走时机器人每个模块有两排支撑板电磁铁吸附，而在定点工作时，每个模块可有多排支撑板电磁铁吸附，大大增加了吸附力，使机器人吸附性能更好，工作更稳定。
7.本发明立足于负载能力大、工作效率高、吸附性能好、控制简单、驱动灵活，在金属壁面工作等方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是爬壁机器人的整体结构图。
图2是机器人搭载平台结构示意图。
图3是爬壁机器人单元结构图。
图4是爬壁机器人单元底部视图。
图5是爬壁机器人单元腿部足部机构示意图。
图6是爬壁机器人单元齿轮齿条机构。
图7是爬壁机器人单元皮带传动示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例进行进一步的描述。
如图1至图7所示，一种模块化金属壁面工作爬壁机器人，包括爬壁机器人单元和搭载平台19，所述搭载平台19为矩形，四个爬壁机器人单元分别通过连接件18与搭载平台19的一边相连，搭载平台19下表面安装有万向轮20。
所述爬壁机器人单元包括框架1、固定滑块2、直线导轨3、支撑架4、转轴固定板5、齿轮6、齿条7、直线电机8、支撑柱9、支撑板10、球铰11、电磁铁12、带轮13、皮带14、减速器15、驱动电机16、转轴17，在所述框架1的四条边框上安装有16个固定滑块2，每两个固定滑块2为一组，与一条直线导轨3相配合，使得直线导轨3能够沿固定滑块2滑动，框架1的每条边框均有两条直线导轨3平行安装；在所述框架1的每条边框的两条直线导轨3之间安装有两根转轴17，转轴17上端安装有带轮13，转轴17下端安装有齿轮6；在所述框架1的每条边框的两条直线导轨3之间还安装有转轴固定板5，转轴固定板5采用六个脚架固定在框架1上，用来固定转轴17的下端，改善转轴17的受力情况；所述直线导轨3下部安装有支撑架4，支撑架4为U型，其水平方向一侧通过螺钉安装有齿条7，与齿轮6啮合，支撑架4底部安装有八根支撑柱9，支撑柱9上安装有支撑板10，支撑板10能够沿支撑柱9上下移动，在支撑架4的空腔中安装有两个直线电机8，直线电机8活动端与支撑板10固定连接，直线电机8转动带动支撑板10上下移动，多个球铰11依次固定在支撑板10上，球铰11下部安装有电磁铁12，球铰11带动电磁铁12进行小范围的转动，以适应曲线壁面；所述框架1正面安装有多个带轮13，两根皮带14内外分开布置，安装于框架1正面，皮带14通过带轮13转向围成封闭的一圈，两个驱动电机16分别通过减速器15连接内外圈的两个带轮13，分别驱动水平和垂直两个运动方向的齿轮6转动，在框架1的每条边框的相邻两个齿轮6中间通过带轮13增加皮带14的包角。
所述连接件18为弹簧，连杆，万向联轴器或合页等。
所述模块化爬壁机器人的每一个爬壁机器人单元行走状态下工作原理为：
当需要竖直方向上行走时：第一支撑板10-1，第三支撑板10-3上电磁铁通电，机器人吸附于壁面，第一驱动电机16-1正转，带动第一齿轮6-1、第二齿轮6-2、第三齿轮6-3、第四齿轮6-4正转，齿轮转动带动机器人上升，同时第二直线导轨3-2、第四直线导轨3-4上升，第二直线导轨3-2、第四直线导轨3-4上升到极限位置时，第一驱动电机16-1停止转动，第三直线电机8-3、第四直线电机8-4、第七直线电机8-7、第八直线电机8-8伸出，带动第二支撑板10-2、第四支撑板10-4伸出，第二支撑板10-2、第四支撑板10-4上电磁铁通电；第一直线电机8-1、第二直线电机8-2、第五直线电机8-5、第六直线电机8-6缩回，带动第一支撑板10-1，第三支撑板10-3缩回，第一驱动电机16-1反转，机器人上升，同时第一直线导轨3-1、第三直线导轨3-3上升，第一直线导轨3-1、第三直线导轨3-3上升到极限位置后，依次重复上诉过程，爬壁机器人单元在竖直壁面上行走。所有单元采用同步的动作就可以实现机器人的行走。水平方向行走原理与竖直方向行走原理一致，这里不再阐述。
所述模块化爬壁机器人工作状态下工作原理为：
定点工作状态下，机器人行走到工作区后，每一个爬壁机器人单元所有直线电机伸出，带动所有支撑板伸出，然后所有电磁铁通电，机器人牢固的吸附在壁面上，机器人搭载的机械手开始工作；移动工作状态下，机器人正常行走，搭载的机械手工作。

Claims (2)

1.一种模块化金属壁面工作爬壁机器人，其特征在于，包括爬壁机器人单元和搭载平台(19)，所述搭载平台(19)为矩形，四个爬壁机器人单元分别通过连接件(18)与搭载平台(19)的一边相连，搭载平台(19)下表面安装有万向轮(20)；所述爬壁机器人单元包括框架(1)、固定滑块(2)、直线导轨(3)、支撑架(4)、转轴固定板(5)、齿轮(6)、齿条(7)、直线电机(8)、支撑柱(9)、支撑板(10)、球铰(11)、电磁铁(12)、带轮(13)、皮带(14)、减速器(15)、驱动电机(16)、转轴(17)，在所述框架(1)的四条边框上安装有16个固定滑块(2)，每两个固定滑块(2)为一组，与一条直线导轨(3)相配合，使得直线导轨(3)能够沿固定滑块(2)滑动，框架(1)的每条边框均有两条直线导轨(3)平行安装；在所述框架(1)的每条边框的两条直线导轨(3)之间安装有两根转轴(17)，转轴(17)上端安装有带轮(13)，转轴(17)下端安装有齿轮(6)；在所述框架(1)的每条边框的两条直线导轨(3)之间还安装有转轴固定板(5)，转轴固定板(5)采用六个脚架固定在框架(1)上，用来固定转轴(17)的下端，改善转轴(17)的受力情况；所述直线导轨(3)下部安装有支撑架(4)，支撑架(4)为U型，其水平方向一侧通过螺钉安装有齿条(7)，与齿轮(6)啮合，支撑架(4)底部安装有八根支撑柱(9)，支撑柱(9)上安装有支撑板(10)，支撑板(10)能够沿支撑柱(9)上下移动，在支撑架(4)的空腔中安装有两个直线电机(8)，直线电机(8)活动端与支撑板(10)固定连接，直线电机(8)转动带动支撑板(10)上下移动，多个球铰(11)依次固定在支撑板(10)上，球铰(11)下部安装有电磁铁(12)，球铰(11)带动电磁铁(12)进行小范围的转动，以适应曲线壁面；所述框架(1)正面安装有多个带轮(13)，两根皮带(14)内外分开布置，安装于框架(1)正面，皮带(14)通过带轮(13)转向围成封闭的一圈，两个驱动电机(16)分别通过减速器(15)连接内外圈的两个带轮(13)，分别驱动水平和垂直两个运动方向的齿轮(6)转动，在框架(1)的每条边框的相邻两个齿轮(6)中间通过带轮(13)增加皮带(14)的包角。
2.根据权利要求1所述的模块化金属壁面工作爬壁机器人，其特征在于，所述连接件(18)为弹簧，连杆，万向联轴器或合页。
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