CN106585750B - 一种吸附在钢铁壁面的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸附性和灵活性均较好，可移动到不同的壁面上的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，它适用于港口大型起重机的巡检，其包括前后两个结构相同的爬行车，爬行车包括机架，主动轮，从动轮，履带，行走电机，间隔设置在履带上的多个电磁铁；各电磁铁上固定有位于履带内周的两个电刷，在机架上固定有位于履带内周的电刷滑槽，电刷滑槽内设两根与电源两极相通的通电板；当行走电机驱动主动轮转动带动履带移动，移动到靠近履带一侧的各电磁铁上的两个电刷分别与两根通电板接触，该电磁铁得电从而吸附在钢铁壁面；移动到履带另一侧的各电磁铁失电；前后爬行车的机架相铰接，驱动两个机架相对转动的壁面更换电机的壳体和输出轴分别固定两个机架上。

Description

一种吸附在钢铁壁面的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种爬壁机器人，尤其是一种适用于大型钢结构巡检，能够吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，属于工业技术领域。

背景技术

起重机械是特种设备八大类之一，是现代生产过程中必不可少的生产设备。起重机金属结构主要承受设备的自重及外载荷，并构成必要的工作体系和运动空间，用来完成起重机的各项功能。金属结构的状态直接影响着整台设备的安全性和可靠性，设备的寿命很大程度上决定于金属结构的寿命。

起重机金属结构常用钢材是普通碳素钢，在装配、使用过程中，由于长期的机械载荷、环境温度和各类腐蚀条件的影响，结构件中常常产生裂纹。起重机金属结构在交变应力的作用下，存在缺陷的部位或者应力最大部位往往最先出现疲劳裂纹；随着应力循环次数的增加，裂纹缓慢扩展直至达到临界尺寸而破坏。调查结果显示，裂纹是起重机最为常见的一种故障，占金属结构故障的80%以上。有些裂纹的出现，虽然在一段时间内并不影响设备的功能，但它存在着潜在的危险。

由于起重机金属结构件一般体积较大、造价较高、不可能一发生故障就进行更换，所以尽管起重机结构上存在着裂纹，它们仍然在生产第一线服役。这样给安全生产带来一定的隐患。疲劳裂纹导致的脆性破坏的突然性和灾难性也会使起重机的工作安全失去保障。因此，对起重机结构件出现的裂纹、断裂、变形、锈蚀等缺陷需要及时关注，定期巡检。

起重机例行检查项目包括：整机性能、运行机构、主梁及端梁、电动机、制动器、减速器、卷筒装置与钢丝绳、吊钩与滑轮、车轮、电源引入装置、集点器、机内接线、电磁接触器、手电门、起升限位开关等。这些项目有些可以在地面进行检查，有些则需要检验人员攀爬至几十米甚至上百米的高空进行检测。高空作业不仅耗费体力，也对人身安全造成威胁。

目前国内外在检测传感器、仪器设备与分析软件等方面取得较大研究成果并应用于生产，其中包括若干无损检测设备。但是所有的这些检测基本都是由人工完成。近年，无人机在军事和工农业生产中获得广泛应用。但是，大型起重机巡检却不宜采用无人机携带摄像机进行。大型起重机有时高达上百米，港口码头百米高空的风速较大，无人机对起重机进行“抵近侦察”显得很不安全，而起重机钢结构的缺陷往往需要近距离观察才能发现。而且有些检测项目需要仪器设备与被测表面直接接触才能实现。因此，无人机并不适用于起重机巡检。为了避免高空作业对巡检人员的潜在危险，港口码头亟需能够替代人工进行高空巡检的设备。比较而言，爬壁机器人是一个可行性的选择方案，也是发展趋势。

近年，国内外都在开展爬壁机器人研究。根据工作环境和工作介质不同，爬壁机器人的吸附方式主要有负压吸附、仿生干性粘合剂吸附和磁力吸附等。负压吸附不受工作条件和工作介质限制，但是当吸附壁面有裂纹或凹凸时，吸盘容易漏气。干性粘合剂吸附是利用各种物体接触面之间的分子力进行吸附，该吸附方式不受工作介质和工作环境的影响，可以在任意场合应用。磁力吸附不受吸附壁面凹凸或壁面裂纹的影响，吸附稳定可靠。该吸附方式仅适用于导磁材料的壁面。磁力吸附可以分为电磁铁吸附、永磁体吸附、电磁和永磁混合吸附。磁力吸附方式目前存在的主要问题是磁性阻力与机动性之间的矛盾没有解决好。

检索发现，申请号2010102893277的中国专利提出了“轮式越障爬壁机器人”，永磁铁安装在机器人底盘下，与被吸附面形成面状非接触吸附。由于磁力是恒定的，所以这个磁力既是吸附力，也成为运动的阻力。磁力越大，吸附性越好，但是机动性越差。磁力越小，机动性越好，但是吸附性越差。此外，申请号2015106680094的中国专利提出了“爬壁机器人”，变磁吸附单元轮流与风电塔筒表面吸附与脱离。但是所采用的变磁吸附单元体积笨重，而且该专利采用机械拨杆控制吸附单元的磁力，可靠性低。申请号2010101477382的中国专利提出了“爬壁机器人”，共有两套吸附装置：一套是通过吸盘式电磁铁吸附导磁壁面；另外一套是通过真空吸盘吸附光滑壁面。通过电机驱动履带使吸附套件和壁面形成滑动摩擦而移动。由于吸附力始终存在，因此在移动过程中，吸附力成了阻力，机器人爬行的机动性被严重降低。申请号2013102224430的中国专利提出了“钢板爬壁机器人”采用了直线感应电机原理为移动平台同时提供推进力和吸附力，简化了系统结构。但是该机器人需要通过拖曳电缆供电，不适宜上百米高的港口起重机巡检使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种吸附性和灵活性均较好，能够在在凹凸不平的壁面上行走，且可以移动到不同的壁面上的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，它尤其适用于港口大型起重机的巡检。

本发明所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，包括前后两个结构相同的爬行车、电源、控制器、壁面更换电机；所述爬行车包括机架，转动设置在机架上的主动轮和从动轮，套装在主动轮和从动轮上的履带，设置在机架上的用于驱动主动轮转动的行走电机；爬行车还包括间隔设置在履带上的多个电磁铁，各电磁铁上固定有位于履带内周的、与电磁铁电连接的两个电刷，在机架上固定有位于履带内周并靠近履带一侧的电刷滑槽，电刷滑槽内设置两根与履带平行的、分别与电源的两极相通的通电板；当行走电机驱动主动轮转动带动履带移动，移动到靠近履带一侧的各电磁铁上的两个电刷分别与两根通电板接触，该电磁铁得电从而吸附在钢铁壁面；移动到履带另一侧的各电磁铁上的两个电刷脱离通电板从而失电；

前爬行车的机架后部与后爬行车的机架前部相铰接，驱动两个机架绕铰接处相对转动的壁面更换电机的壳体固定在一个机架上，壁面更换电机的输出轴与另一个机架固定相连；

用于向行走电机、通电板、壁面更换电机供电的电源设置在任一个机架上，控制通电板得失电和控制行走电机、壁面更换电机动作的控制器设置在任一个机架上。

上述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，电刷滑槽和通电板均向两端的主动轮、从动轮方向延伸，形成和主动轮、从动轮同轴弧形部，所述弧形部的圆心角≤90°。这样电磁铁移动到与弧形部相对应的位置时，其电刷也能够通电板的弧形部接触，产生磁性，保证了吸附的可能性。

上述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，前爬行车的从动轮、后爬行车的从动轮、壁面更换电机的输出轴同轴。这样结构更加紧凑，缩小了体积，减轻了重量。

上述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，在前爬行车的机架前部设置有拍摄前方的前摄像头，在后爬行车的机架后部设置有拍摄后方的后摄像头，前摄像头和后摄像头输出接控制器，电源分别向前摄像头和后摄像头供电。

上述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，所述行走电机为步进电机。

上述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，所述电源为电池。

上述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，各电磁铁穿过履带，电磁铁的一部分位于履带的外侧，一部分位于履带内侧。

本发明的有益效果：行走电机驱动主动轮转动，带动履带的移动，实现爬行车前进或后退。当电磁铁随着履带移动到履带与壁面接触的一侧时，其电刷与通电板导通，电磁铁得电产生磁力，吸附在壁面上。当电磁铁随着履带移动到履带远离壁面的另一侧时，其电刷与通电板分离，电磁铁失电，磁力消退。电磁铁的轮流通电保证了爬壁机器人的吸附性和较好的灵活性。

另外，本发明由于具有两个铰接的机架和驱动两个机架相对转动的壁面更换电机，所以本爬壁机器人可以移动到不同的壁面上，或者说，可以更换壁面。

例如，当后爬行车吸附在壁面上，前爬行车悬空时，通过壁面更换电机驱动悬空的前爬行车相对于吸附在壁面上后爬行车转动，直到前爬行车与另外一个壁面接触，然后通过控制器使得前爬行车的通电板得电，前爬行车便吸附在另外的壁面上。接着，通过控制器使得后爬行车的通电板断电，后爬行车的电磁铁失电，不再吸附在之前的壁面上。再通过壁面更换电机驱动后爬行车相对于已经吸附在另外的壁面上前爬行车转动，直到后爬行车的履带转动到与另外的壁面基本平行时停止转动，然后再通过控制器驱动前爬行车的行走电机动作，使得本爬壁机器人前进，等到后爬行车的履带与另外的壁面接触，再通过控制器使得后爬行车的通电板得到，并通过后爬行车的行走电机驱动后爬行车的履带移动。

控制器及其与电源、行走电机、壁面更换电机等连接，以及其控制通电板得失电和控制行走电机、壁面更换电机动作的方法均属于现有技术，不再描述。

附图说明

图1为爬壁机器人整体机构示意图。

图2为履带、电磁铁、电刷、电刷滑槽等示意图。

图3是换壁时的爬壁机器人原理图。

图4是两个机架与壁面更换电机等的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一、港口大型起重机爬壁机器人整体结构

如图1所示，爬壁机器人整体机构示意图。

爬壁机器人由＃1号爬行车和＃2号爬行车组成，＃1号爬行车包括：主动轮1、机架2、步进电机3、摄像头4、控制器5、电池组6、从动轮17、电刷滑槽18、导电板18-1、滑槽支撑架19、电磁铁20、电刷21、履带22和壁面更换电机7。＃2号爬行车包括：机架8、履带9、步进电机10、主动轮11、电刷滑槽12、导电板（未示出）、滑槽支撑架13、电磁铁14、电刷15、从动轮16和摄像头23、铰接轴24。

二.吸附和运动方式

爬壁机器人采用电磁吸附方式，在履带上装有若干个电磁铁，通过使电磁铁通电而具有磁性的方式吸附在钢铁壁面上。爬壁机器人以步进电机3和步进电机10同步驱动各自的主动轮1和主动轮11，带动各自的从动轮前进和后退，而当需要转向时，控制步进电机3和步进电机10同步进行差速转动，就实现了转向运动。

如图2所示，以＃1号爬行车一侧履带为例的电磁吸附装置。在履带22上装有若干个电磁铁20，电磁铁20通过电刷21与电刷滑槽18接触而得电，电刷滑槽中间部分平行与履带，而两端保持与车轮同弧度弯曲（两端的弧形部的圆心角基本为90°），滑槽内装有两根条形通电板，分别与电源正负极连接。随着履带22的旋转，履带上的电磁铁依次与电刷滑槽接触、通电而获得磁性，同时在电刷滑槽的另一侧电磁铁与电刷滑槽脱离而失电从而失去磁性，这样就保证了在同一时间有固定数量的电磁铁（如图所示是6个）吸附在壁面上而其它不与壁面接触的电磁铁不具有吸附性。电磁铁的轮流通电保证了爬壁机器人的吸附性和较好的灵活性。

三．壁面更换

参见图4，铰接轴24分别与机架2、8形成转动连接，从动轮16、从动轮17在周向空套在铰接轴24上。铰接轴24与壁面更换电机7的输出轴同轴。壁面更换电机7的壳体固定在＃1号爬行车的机架2上，壁面更换电机7的输出轴与＃2号爬行车的机架8相连。壁面更换电机7动作，机架2或者机架8绕铰接轴24相对摆动。

如图3所示，初始＃1号爬行车与＃2号爬行车在垂直壁面向上行驶，当＃2号爬行车完全脱离垂直壁面后，停止＃1号爬行车和＃2号爬行车前进，保持＃1号爬行车继续吸附在垂直壁面，控制＃2号爬行车通电板断电使＃2号车电磁铁全部失磁。控制壁面更换电机7使＃2号爬行车按顺时针运动直至＃2号爬行车完全贴在水平壁面后，＃2号爬行车通电板通电使＃2爬行车吸附在水平壁面上。然后控制＃1号爬行车通电板断电使＃1号爬行车电磁铁全部失磁，控制壁面更换电机7使＃1号爬行车按顺时针抬起至水平位置，控制＃1号爬行车通电板通电使底部电磁铁通电吸附。＃1号爬行车和＃2号爬行车车继续向前行驶，直至＃1号爬行车车与＃2号爬行车车全部贴在水平壁面，完成换壁面过程。其它换壁过程与此过程类似。

此爬壁机器人是针对港口起重机表面缺陷检测而设计的一种新型爬壁机器人。一方面由于工作界面的特殊性，选择电磁吸附方式作为吸附力的提供者，磁吸附的吸附能力稳定可靠；另一方面由于是在外部环境下高空作业，故采用履带式结构，履带与壁面的接触面积比较大，容易产生很大的吸附力，并且对壁面的适应性很强，可以在凹凸不平的壁面上行走。同时起重机钢结构外立面形状复杂，远非一般墙壁那样平坦单一，因此，适用于起重机检测的爬壁机器人需要具备比攀爬墙壁的机器人更多的功能，当一个壁面检测完成后，机器人需要移动至另外一个壁面继续进行检测。

本专利的创新点：

1、对电磁铁进行轮流通断电，实现机器人吸附性和机动性的统一。

2、机器人由两段组成，可以更换壁面。而不是只能在一个平面上面爬行。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，包括前后两个结构相同的爬行车、电源、控制器、壁面更换电机；所述爬行车包括机架，转动设置在机架上的主动轮和从动轮，套装在主动轮和从动轮上的履带，设置在机架上的用于驱动主动轮转动的行走电机；特征在于：爬行车还包括间隔设置在履带上的多个电磁铁，各电磁铁上固定有位于履带内周的、与电磁铁电连接的两个电刷，在机架上固定有位于履带内周并靠近履带一侧的电刷滑槽，电刷滑槽内设置两根与履带平行的、分别与电源的两极相通的通电板；当行走电机驱动主动轮转动带动履带移动，移动到靠近履带一侧的各电磁铁上的两个电刷分别与两根通电板接触，该电磁铁得电从而吸附在钢铁壁面；移动到履带另一侧的各电磁铁上的两个电刷脱离通电板从而失电；

前爬行车的机架后部与后爬行车的机架前部相铰接，驱动两个机架绕铰接处相对转动的壁面更换电机的壳体固定在一个机架上，壁面更换电机的输出轴与另一个机架固定相连；

用于向行走电机、通电板、壁面更换电机供电的电源设置在任一个机架上，控制通电板得失电和控制行走电机、壁面更换电机动作的控制器设置在任一个机架上。

2.如权利要求1所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，其特征在于：电刷滑槽和通电板均向两端的主动轮、从动轮方向延伸，形成和主动轮、从动轮同轴弧形部，所述弧形部的圆心角≤90°。

3.如权利要求1所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，其特征在于：前爬行车的从动轮、后爬行车的从动轮、 壁面更换电机的输出轴同轴。

4.如权利要求1所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，其特征在于：在前爬行车的机架前部设置有拍摄前方的前摄像头，在后爬行车的机架后部设置有拍摄后方的后摄像头，前摄像头和后摄像头输出接控制器，电源分别向前摄像头和后摄像头供电。

5.如权利要求1所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，其特征在于：所述行走电机为步进电机。

6.如权利要求1所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，其特征在于：所述电源为电池。

7.如权利要求1所述的吸附在钢铁壁面的爬壁机器人，其特征在于：各电磁铁穿过履带，电磁铁的一部分位于履带的外侧，一部分位于履带内侧。