CN106428267B - 磁吸附履带机器人传动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种履带式磁吸附机器人的传动机构，属于机器人技术领域。传动机构包括主履带传动机构、越障履带传动机构和履带间传动机构。本发明提供的空化射流清洁船体机器人其稳定性与可靠性高，越障与防倾覆能力高。

Description

磁吸附履带机器人传动机构

技术领域

本发明涉及一种传动机构，尤其涉及一种履带式磁吸附机器人的传动机构， 属于机器人技术领域。

背景技术

海运是国际贸易中的一种重要交通方式，具有货物运载量大，运输费用低等 优点，但海洋中水生物种类繁多，船舶常年在水中航行，大量海生物会附着于船 体之上。对船舶来讲，海洋生物的附着会产生很多不利的影响：1)航行阻力增 加；2)动力输出效率降低；3)船舶运输的无效负荷增加；4)腐蚀船体表面的 防护层。为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全航行，船舶必须定期的进行 船坞检查。但是，船坞数量不足，清理修复时间长等问题，无形之中增加了船舶 的成本损耗和非运营时间。所以开展船体水下清洁作业，提高水下清洁的自动化 水平具有非常重要的实际意义和商业价值。

为克服上述问题，现有技术中公开了一种用于清洁船体的机器人，其传动装 置采用履带，履带式机器人包括左右两条履带，分别由电机整体驱动，这种驱动 方式的机器人稳定性与可靠性差，越障与防倾覆能力差。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺点，本发明的发明目的是提供一种传动机构，其 稳定性与可靠性高，越障与防倾覆能力高。

为实现所述发明目的，本发明提供一种传动机构，其特征在于，包括主履带 传动机构、越障履带传动机构和履带间传动机构。

优选地，主履带传动机构和越障履带传动机构包括主动链轮、从动链轮和用 于链接主动链轮和从动链轮的链条。

优选地，主履带传动机构和越障履带传动机构均包括导向架，导向架两侧面 设置有闭合运动导轨。

优选地，导向架由K段空心体组成。

优选地，第一段和第K段空心体为对称的空心半圆柱形，第二段到第K-1 段为长方体形空心体。

优选地，第一段和第K段空心体沿轴向设置分别设置有链轮通孔，第二段 到第K-1段为长方体形空心体的两端分别设置有定位孔。

优选地，主履带传动机构和越障履带传动机构均包括对称的内导向板和外导 向板；内导向板与内导向板设置在导向架的两侧，并由导向杆通过导向板的定位 定位孔固定。

优选地，导向架还包括设置在导向架内的导向架缓冲连接机构，导向架缓冲 连接机构包括缓冲连接块、对称设置在缓冲连接块两端的第一弹簧轴和第二弹簧 轴、套在第一弹簧轴上的第一弹簧、设置在第一弹簧外的第一弹簧套、套在第二 弹簧轴上的第二弹簧、设置在第二弹簧外的第二弹簧套，第一弹簧和第二弹簧分 别抵在导向架长方形空心体内的上内壁和下内壁上，缓冲连接块穿过导向杆。

优选地，履带传动机构和越障履带传动机构均包括多个链节磁体，多个链节 磁体沿周向设置在导向架上，设置在链节磁体两端的的轴承分别在导向架两侧的 导轨内滚动

与现有技术相比，本发明提供的磁吸附履带机器人传动机构具有如下优点：

(1)双侧履带都分为前后两段——越障履带和主履带，履带间通过链式齿 轮机构传动，增强了机器人的越障与防倾覆能力。

(2)履带导向架机构采用分段-柔性联接的方式及导向架缓冲连接机构的均 布式法向力传递，实现机器人运动及越障过程中履带与船体表面的柔性吸附，极 大地提高机器人履带的有效吸附率，从而提高了机器人的可靠性、越障与防倾覆 能力。

附图说明

图1是本发明提供的空化射流清洁船体水下机器人的整机示意图；

图2是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带及连接结构图；

图3是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带内部结构图；

图4是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带导向架结构示意图；

图5是本发明提供的导向机构装配剖面图；

图6是本发明提供的导向架缓冲连接机构结构示意图；

图7是本发明提供的导向架缓冲机构装配剖面图；

图8是本发明提供的导向架工作过程吸附面变化图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述 的实施例是本发明一部分实施例，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他实施例，都 属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、 “水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件 必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限 制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示 相对重要性。术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方向是以机器人设置清洁 枪的方位为参考的，设置清洁枪的方向为前，与其相反的方向为后，在左为左侧， 在右为右侧。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以 是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况 理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明提供的空化射流清洁船体水下机器人的整机示意图，如图1 所示，本发明提供的空化射流清洁船体机器人包括主体框架1，在主体框架左侧 设置有左侧主履带2A和左侧越障履带3A，在主体框架右侧设置有右侧主履带 2B和右侧越障履带3B；左侧主履带2A和左侧越障履带3A通过左侧履带间传动 机构4A连接，右侧主履带2B和右侧越障履带3B通过右侧履带间传动机构4B 连接。机器人还包括左侧越障俯仰机构5A和右侧越障俯仰机构5B；左侧伺服电 机6A和右侧伺服电机6B；左侧伺服电机6A通过左侧锥形齿轮机构7A驱动左侧 主履带2A，右侧伺服电机6B通过右侧锥形齿轮机构7B驱动右侧主履带2B。主 体框架1内后部设置有电气密封箱8，其内搭载机器人控制系统电路板及其他辅 助电路、接插件等，完成机器人运动控制、清洁设备控制、传感信号接收以及与 远程操控监视终端的数据传输；电气密封箱8通过数据电缆与摄像设备、传感器 设备、动力设备等连接。主体框架1内-前部至少搭载3个空化射流清洁盘(简 称：空化盘)9A、9B、9C，呈“三角型”布置并设置在机器人本体主体框架的 下部；在主体框架1的前端两侧位置设置有2个空化射流清洁枪(简称：空化枪) 10A、10B，实现机器人履带前向区域以及履带与空化盘间隙前向区域的清洁。

本发明提供的空化射流清洁船体机器人主履带、越障履带、履带间传动机构 及履带动力机构、连接结构等呈左右镜像对称布置。因而下文以单侧履带及其内 结构详细介绍本发明传动机构实施过程及有益效果。

图2是本发明提供射流空化船体清洁机器人履带机构及连接结构示意图， 如图2所示，本发明提供的机器人履带机构包括主履带2、越障履带3、以及用 于链接主履带2和越障履带3的履带间传动机构4。主履带2包括主履带内导向 板22、主履带外导向板23和主履带上护板24，它们形成只有下端具有开口的壳 体，用于容纳主履带传动机构。越障履带3包括越障履带内导向板32、越障履 带外导向板33和越障履带上护板34，它们形成只有下端具有开口的壳体，用于 容纳越障履带传动机构。履带间传动结构4包括链轮20A、链轮20B(图2中未 示)和用于链接链轮20A和链轮20B的链条21，其中，链轮20A通过键连接设 置在主履带从动轴18上，链轮20B通过键连接设置在越障履带驱动轴19上，从 而实现主履带2和越障履带3之间的力学传递。

本发明提供的履带机构连接结构包括连接件11、连接件12、连接件13和连 接件35，它们均被焊接在主体框架1上，连接件11、连接件12和连接件13的 左右两壁上分别对称设置有通孔，连接件11用于设置轴承机构14，连接件12 用于设置轴承机构15，连接件13用于设置轴承机构16，连接件35用于设置越 障俯仰机构5A，主履带驱动轴17、主履带从动轴18和越障履带驱动轴19分别 设置在轴承机构14、轴承机构15和轴承机构16上，连接件35与从动轴31连 接。

图3是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带内结构图；如图3所示， 本发明提供的机器人主履带2至少包括主履带传动机构，主履带传动机构包括主 履带驱动轴17、主履带从动轴18、设置在主履带驱动轴17上的主履带驱动链轮 25、设置在主履带从动轴18上的主履带从动链轮26、主履带导向架27、主履带 传动链条29和沿主履带导向架27周向均匀设置的m块封装磁体块30，其中， 主履带驱动轴17和主履带从动轴18分别设置在主履带导向架27的后端和前端。 主履带传动链条29由多节链节组成，用于主履带主动链轮和主履带从动链轮间 的连接和传动。主履带导向架27至少包括K段沿轴向设置有通孔的导向体，每 段导向体设置有穿过通孔的导向架定位杆，如28，导向架定位杆两端分别设置 于内导向板和外导向板上，实现链节磁体块30吸附力的均匀分布与力学传递。

本发明提供的机器人越障履带3至少包括越障履带传动机构，越障履带传动 机构包括越障履带驱动轴19、越障履带驱动轴31、设置在越障履带驱动轴上的 越障履带驱动链轮37、设置在越障履带从动轴31上越障从动轮38、越障履带导 向架、越障履带传动链条和沿越障履带导向架周向均匀设置的N块封装磁体块， 各部件连接方式与主履带相似，更详细地说，越障履带驱动轴19和越障履带从 动轴31分别设置在越障履带导向架的后端和前端。越障履带传动链条由多节链 节组成，用于越障履带主动链轮和越障履带从动链轮间的连接和传动。越障履带 导向架至少包括L段沿轴向设置有定位孔的导向体，每段导向体设置有穿过定位 孔的导向架定位杆，如28，导向架定位杆两端分别固定于内导向板和外导向板， 实现链节磁体块吸附力的均匀分布与力学传递。

图4是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带导向架结构示意图，图5 是本发明提供的导向机构装配剖面图，如图4和图5所示，主履带导向架27包 括设置在两端的D型空心体39、D型空心体40和设置于两端空心体之间的K段 长方形空心体41，两端空心体分别设置有轴孔；每个方形空心体41设置了一个 定位孔43，如此形成一个类似截面为椭圆形的空心柱体。空心柱体的后端的圆 孔用于插入履带主动链轮的轴，前端的圆孔用于插入履带从动链轮的轴，定位孔 用于设置固定装置。D型空心体的弧形端和方形空心体41的下端设置有导轨槽， 组合所有空心体后，在主履带导向架27两端的形成两条对称的“腰型”导轨42。

装配时，使导向架定位杆28穿过导向架的定位孔43，且使导向架定位杆28 的两端分别设置于内导向板22和外导向板23。定位孔具有上平面44和下平面 45，上平面44和下平面45分别起到导向架定位杆28上下运动的上限位和下限 位作用。主履带导向架27两端的导轨皆包括导轨上平面46、导轨下表面47和 导轨内表面49。主履带导向架27还包括磁体块30，导向架左侧的链条的的每节 链节的两个销轴穿过相应的磁体块30的支架的左端并设置一个轴承，如轴承48； 导向架右侧的链条的一节链节的两个销轴穿过磁体块30的支架的右端并设置一 个轴承，磁体块30左侧的轴承设置在导向架左侧的导轨之内，磁体块30右侧的 轴承设置在导向架右侧的导轨之内，导轨内表面限制其横向运动。机器人俯仰姿 态大于-90°小于90°，即机器人与其运动导磁面呈现压力关系时，轴承48接触 导轨上表面46，从而推动导向架方形块向上运动直至定位孔下表面45接触导向 架定位杆28，因而机器人重力与其运动导磁面对磁体块支撑力之间建立力学平 衡；机器人俯仰姿态处于其他角度，即机器人与其运动导磁面呈现“拉力”关系 时，轴承48接触导轨下表面47，从而拉动导向架方向块向下运动直至定位孔上 表面44接触导向架定位杆28，使得机器人重力与其运动导磁面对磁体块的吸附 力之间建立力学平衡。可见该结构能够实现机器人运动过程中导磁面对磁体块支 撑力或吸附力的平衡传导，从而增强了机器人的稳定性。然而该结构为非连续变 化，因而在导向架的每个导向杆上设置了导向架缓冲连接机构。

越障履带的导向架与主履带的导向架的结构类同，这里不再重述。

图6是本发明提供的导向架缓冲连接机构结构示意图，图7是本发明提供的 导向架缓冲机构装配剖面图，如图6、图7所示，导向架缓冲连接机构包括缓冲 连接块51，及镜像分布的弹簧轴52A、弹簧轴52B，弹簧53A、弹簧53B和弹簧 套54A、弹簧套54B；缓冲连接块51穿过导向架定位杆28并与之固连，弹簧53A 与弹簧53B分别套于弹簧轴52A与弹簧轴52B之上并置于弹簧套54A与54B之 内，弹簧套54A与弹簧套54B分别与导向架上端55A和导向架下端55B连接， 装配该缓冲连接结构后，可实现机器人姿态变化时导向架上下连续运动与力学传 动的连续变化。机器人与其运动导磁面呈现压力关系时，磁块上轴承48通过导 轨上平面46推动导向架上移、弹簧53B将机器人运动导磁面对磁体块支撑力传 递给导向定位杆28，从而建立机器人与导磁面对磁体块支撑力的力学平衡；反 之，机器人与其运动导磁面呈现“拉力”关系时，磁体上轴承48通过导轨下平 面47拉动导向架下移、弹簧53A将机器人运动导磁面对磁体块支撑力传递给导 向定位杆28，从而建立机器人与导磁面对磁体块吸附力的力学平衡。通过弹簧 53A、弹簧53B实现机器人压力、吸附力的传递并建立力学平衡，保证了机器人 姿态改变时力学平衡的连续变化，从而机器人运动平稳性大幅度提高。

图8是本发明提供的导向架工作过程吸附面变化图，如图8所示，圆孔62A 与圆孔62B为机器人履带前后轴位置，上直线56A、圆弧56B、圆弧56C及下直 线57、58A、58B、59A、59B共同组成闭合机器人磁体块吸附面50的运动轨迹 线，其中，上直线56A与圆弧56B、圆弧56C为磁体块与机器人运动导磁壁面非 吸附区域；下直线57、58A、58B、59A、59B则为磁体块与机器人运动导磁壁面 吸附区域，且运动轨迹线随着机器人俯仰姿态角变化而变化。按照机器人重力法 向分量大小与方向变化状态划分，磁体块与机器人运动导磁壁面吸附区域重要位 置轨迹线包括下直线57-零压力轨迹线，即机器人处于直立状态，重力方向与其 履带运动导磁面平行时履带磁体吸附面的运动轨迹；直线58A-最大压力轨迹线， 即机器人处于水平面，重力垂直于机器人向下时(正立)履带磁体吸附面的运动 轨迹；直线58B-最大拉力轨迹线，即机器人处于水平面，重力垂直于机器人向 上时(机器人倒立)履带磁体吸附面的运动轨迹；直线59A与直线59B则为机 器人越障时的压力限制线与拉力限制线。直线57与直线58A之间区域60A为机 器人压力状态磁体吸附面运动域；直线57与直线58B之间区域61A为机器人拉 力状态磁体吸附面运动域；区域60B与区域61B分别为越凸起障碍与凹陷障碍 时允许磁体吸附面运动域。

本发明提供的磁吸附履带机器人传动机构，实现了履带吸附区域内每个磁体 块的法向连续运动与吸附力的法向连续传递，保证了机器人任意姿态下履带支撑 力或吸附力的均匀分布于法向均匀传递，极大地增强了机器人运动过程中的稳定 性、越障性和防倾覆性。

以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员 应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说 明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到 的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围 应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种传动机构，其特征在于，包括主履带传动机构、越障履带传动机构和履带间传动机构，主履带传动机构和越障履带传动机构包括主动链轮、从动链轮和用于链接主动链轮和从动链轮的链条，主履带传动机构和越障履带传动机构均包括导向架、对称设置在导向架两侧的内导向板和外导向板，导向架两侧面设置有运动导轨；导向架还包括设置在导向架内的导向架缓冲连接机构。

2.根据权利要求1所述的传动机构，其特征在于，导向架由K段空心导向体组成。

3.根据权利要求2所述的传动机构，其特征在于，第一段和第K段空心导向体为对称的空心半圆柱形，第二段到第K-1段空心导向体为长方体形。

4.根据权利要求3所述的传动机构，其特征在于，第一段和第K段空心导向体沿轴向分别设置有链轮通孔，第二段到第K-1段空心导向体沿轴向分别设置有定位孔。

5.根据权利要求4所述的传动机构，其特征在于，每段长方体形空心导向体分别设置有穿过定位孔的导向架定位杆，导向架定位杆两端分别固定于内导向板和外导向板。

6.根据权利要求5所述的传动机构，其特征在于，导向架缓冲连接机构包括缓冲连接块、对称设置在缓冲连接块两端的第一弹簧轴和第二弹簧轴、套在第一弹簧轴上的第一弹簧、设置在第一弹簧外的第一弹簧套、套在第二弹簧轴上的第二弹簧、设置在第二弹簧外的第二弹簧套，第一弹簧和第二弹簧分别抵在导向架长方形空心导向体内的上内壁和下内壁上，缓冲连接块穿过导向定位杆。

7.根据权利要求1-6任一项所述的传动机构，其特征在于，履带传动机构和越障履带传动机构均包括多个链节磁体，多个链节磁体沿导向架周向设置在导向架上，设置在链节磁体两端的轴承分别在导向架两侧的运动导轨内滚动。