CN107128389A - 一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人，其特征在于该机器人包括四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块、基于平行四边形机构的车体模块和直角坐标系式喷漆机械臂模块；所述四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块对称布置于车体模块的两侧，在车体模块的上部安装直角坐标系式喷漆机械臂模块；每个履带轮模块均包括导磁板、隔磁板、钕铁硼永磁体、履带轮驱动电机、两个主动轮、同步带、两个同步带轮、两个从动轮、履带轮轴承外端盖、履带轮轴承、履带轮轴承内端盖、履带、主动轮轴、套筒和从动轮轴；所述导磁板围绕在履带的外表面，刚性连接，在导磁板的中部沿导磁板长度方向均匀布置若干数量的隔磁板。

Description

一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，尤其涉及一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人。

背景技术

在工业生产生活中随处可见由钢铁等导磁性材料构建的各类大型设备(如大型船舶、石化储罐等)，为保障设备的安全运转，需定期进行喷漆防腐作业。目前，世界范围内广泛采用传统的人工方式开展喷漆作业，喷漆作业需事先搭建脚手架，不仅劳动强度大、作业效率低、经济投入大，而且鉴于喷漆毒害环境常伴有安全事故发生。随着机器人技术的快速发展，将机器人应用于喷漆作业已成为现代化喷漆防腐作业研究的热点与发展趋势。专利文献“一种曲面自适应磁吸附爬壁机器人(CN103303387A)”涉及一种磁吸附爬壁机器人，该机器人采用履带式移动机构，靠安装在履带式移动机构上的吸附单元吸附在壁面上，采用在车体与履带连接架下设置导柱和弹簧的形式，使机器人具有曲面自适应的能力，但是其机构复杂、运动灵活性欠佳，尤其在转向过程中，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻力和转向半径较大，以致转向灵活性较差。专利文献“一种爬壁机器人(CN104925158A)”涉及一种爬壁机器人，该机器人采用四个履带轮驱动，因而具有运动灵活，负载能力强等优点，但该机器人履带轮与车体间刚性固定连接，二者间缺乏相对运动柔性，在一定程度上限制了曲面自适应能力，因此难以在圆弧曲面上作业，大大减小了其应用范围。

综上所述，现有的爬壁喷漆机器人虽能初步实现在导磁性壁面的作业任务，但存在结构复杂，运动灵活性差，不能实现曲面作业，在非连续作业区域内工作时不易拆装等缺点。因此，亟需研发一款结构简单，运动灵活，具有曲面自适应能力，并且在非连续作业区域内工作时能够实现快速拆装的模块化爬壁喷漆机器人。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人。该机器人结构简单，运动灵活，具有曲面自适应能力，并且采用模块化设计，拆装方便。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人，其特征在于该机器人包括四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块、基于平行四边形机构的车体模块和直角坐标系式喷漆机械臂模块；所述四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块对称布置于车体模块的两侧，在车体模块的上部安装直角坐标系式喷漆机械臂模块；

每个履带轮模块均包括导磁板、隔磁板、钕铁硼永磁体、履带轮驱动电机、两个主动轮、同步带、两个同步带轮、两个从动轮、履带轮轴承外端盖、履带轮轴承、履带轮轴承内端盖、履带、主动轮轴、套筒和从动轮轴；

所述导磁板围绕在履带的外表面，刚性连接，在导磁板的中部沿导磁板长度方向均匀布置若干数量的隔磁板，在每个隔磁板的左右两侧对称嵌入两块充磁方向相反的钕铁硼永磁体，且沿导磁板长度方向上相邻的两块钕铁硼永磁体的极性相反；所述履带的内表面通过齿啮合的形式与主动轮和从动轮相连接；

所述主动轮和从动轮按照前后位置布置在履带内部，两个主动轮固定在主动轮轴的两端，在主动轮轴的中部固定连接一个同步带轮，主动轮轴内侧端面穿过一个主动轮与固定于履带轮轴承外端盖的履带轮轴承配合，实现履带轮轴承外端盖对主动轮轴的支撑，并且该端通过键连接与履带轮驱动电机输出轴刚性连接；所述履带轮驱动电机固定安装在车体模块上；所述履带轮轴承的内圈通过履带轮轴承内端盖与主动轮轴固定连接；履带轮轴承的外圈与履带轮轴承外端盖一端连接，实现履带轮轴承外端盖与主动轮的配合，履带轮轴承外端盖的另一端通过螺纹连接与车体模块相固定；

两个从动轮固定安装在从动轮轴的两端，在从动轮轴中部固定另一个同步带轮，两个同步带轮之间安装同步带，每个同步带轮的两端均通过相应轴的轴肩和套装在轴上的套筒进行定位；且从动轮轴靠近车体模块的一端与车体模块连接；

所述车体模块的上表面固定安装云台摄像机；车体模块的左右侧面分别对称安装有两个第一连接板和两个第二连接板；两个第二连接板位于两个第一连接板之间，每个第二连接板和相邻的第一连接板之间的距离相等，且与主动轮轴和从动轮轴的中心距相匹配；所述第一连接板和第二连接板的一端均通过相应的销轴与车体模块的左右侧面连接，第一连接板和第二连接板与车体模块的左右侧面构成转动副；第一连接板的另一端布置有与履带轮轴承外端盖上的安装法兰相配合的法兰，通过螺纹连接与履带轮模块上的履带轮轴承外端盖固定；所述第二连接板的另一端设有轴承孔，通过该轴承孔安装连接板轴承，连接板轴承的内侧通过连接板轴承端盖进行定位；第一连接板的销轴孔轴心与法兰中心距离和第二连接板的销轴孔轴心与轴承孔中心距离相等；在与第一连接板固定的销轴上同轴安装扭簧，所述扭簧一端固定在车体模块的左右侧面上，另一端固定在第一连接板的内侧上。

与现有技术相比，本发明的创新之处是：

1、本发明采用模块化设计：包括4个对称布置的履带轮模块，基于平行四边形机构的车体模块，以及直角坐标系式喷漆机械臂模块。模块化设计使得该爬壁喷漆机器人在非连续作业区域内工作时能够实现快速拆装，提高机器人的工作效率。

2、本发明履带轮模块采用履带内加同步带传动的形式：当喷漆机器人在圆弧壁面工作时，由于履带转动需要克服强大的吸附力，以及圆弧壁面曲率的影响使得履带在转动过程中产生小范围的滑移，本发明采用履带内加同步带传动的形式，电机的驱动力由主动轮轴通过同步带传递给从动轮轴，进而经主动轮和从动轮同步驱动履带运动，减小了履带转动过程中的部分阻力矩，从而在一定程度上防止了履带旋转过程中滑移现象产生，提高履带运动的平稳性与可靠性。

3、本发明车体模块基于平行四边形机构，具有曲面自适应能力：第一连接板销轴孔轴心与法兰中心距离和第二连接板销轴孔轴心与轴承孔中心距离相等，履带轮模块上主动轮轴与从动轮轴的中心距与第一连接板和第二连接板的销轴孔中心距相等，因此，第一连接板、第二连接板、履带轮模块、车体模块的左右侧面构成一平四边形机构，可使第一连接板与第二连接板绕着车体模块的左右侧面同步转动，进而带动履带轮模块保持与车体模块主体框架平行姿态上下浮动，实现曲面自适应功能，同时扭簧与销轴同轴配合，扭簧一端固定在车体模块的左右侧面上，另一端固定在第一连接板上，使得第一连接板相对于车体模块的左右侧面的转动需克服较大外力，以大幅提高了平行四边形机构的刚性，进而保证喷漆机器人运动的平稳性。

附图说明

图1为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人的结构示意图；

图2为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人履带轮模块1的俯视图；

图3为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人履带轮模块1的内部结构示意图；

图4为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人履带轮模块1的主动轮部分的剖面结构示意图；

图5为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人履带轮模块的从动轮部分的剖面结构示意图；

图6为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人车体模块2的主视结构示意图；

图7为本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人直角坐标系式喷漆机械臂模块3的立体结构示意图；

图中，1-履带轮模块，101-导磁板，102-隔磁板，103-钕铁硼永磁体，104-履带轮驱动电机，105-主动轮，106-同步带，107-同步带轮，108-从动轮，109-履带轮轴承外端盖，110-履带轮轴承，111-履带轮轴承内端盖，112-履带，113-主动轮轴，114-套筒，115-从动轮轴；2-车体模块，201-第一连接板，202-扭簧，203-连接板轴承，204-长支撑板，205-第二连接板，206-连接板轴承端盖，207-销轴，208-云台摄像机，209-上盖板，210-短支撑板；3-直角坐标系式喷漆机械臂模块，301-喷枪、302喷枪支架、303-前后伸缩导轨、304-固定导轨、305-竖直伸缩导轨、306-左右滑动导轨、307-导轨支架。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本发明做进一步描述。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人(参见图1-7)包括四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块1、基于平行四边形机构的车体模块2和直角坐标系式喷漆机械臂模块3；所述四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块1对称布置于车体模块2的两侧，在车体模块2的上部安装直角坐标系式喷漆机械臂模块3；

每个履带轮模块1(参见图2，图3，图4，图5)均包括导磁板101、隔磁板102、钕铁硼永磁体103、履带轮驱动电机104、两个主动轮105、同步带106、两个同步带轮107、两个从动轮108、履带轮轴承外端盖109、履带轮轴承110、履带轮轴承内端盖111、履带112、主动轮轴113、套筒114和从动轮轴115；

所述导磁板101围绕在履带112的外表面，刚性连接，在导磁板101的中部沿导磁板长度方向均匀布置若干数量的隔磁板102，在每个隔磁板102的左右两侧对称嵌入两块充磁方向相反的钕铁硼永磁体103，且沿导磁板长度方向上相邻的两块钕铁硼永磁体的极性相反；所述履带的内表面通过齿啮合的形式与主动轮105和从动轮108相连接；上述特殊设计的永磁吸附式履带可大幅提高磁吸附效率，增大吸附力，尤其适用于大型导磁性壁面，能够大幅提高爬壁喷漆机器人的负载能力和可靠性；

所述主动轮105和从动轮108按照前后位置布置在履带内部，两个主动轮固定在主动轮轴113的两端，在主动轮轴113的中部固定连接一个同步带轮107，主动轮轴113内侧端面穿过一个主动轮与固定于履带轮轴承外端盖109的履带轮轴承110配合，实现履带轮轴承外端盖109对主动轮轴113的支撑，并且该端通过键连接与履带轮驱动电机104输出轴刚性连接；所述履带轮驱动电机104固定安装在车体模块2上；所述履带轮轴承110的内圈通过履带轮轴承内端盖111与主动轮轴113固定连接，实现履带轮轴承110的定位；履带轮轴承110的外圈与履带轮轴承外端盖109一端连接，实现履带轮轴承外端盖109与主动轮105的配合，履带轮轴承外端盖109的另一端通过螺纹连接与车体模块2相固定，从而实现履带轮模块1与车体模块2的连接；

两个从动轮108固定安装在从动轮轴115的两端，在从动轮轴115中部固定另一个同步带轮107，两个同步带轮107之间安装同步带106，每个同步带轮的两端均通过相应轴的轴肩和套装在轴上的套筒114进行定位；且从动轮轴115靠近车体模块的一端与车体模块2连接；

履带轮驱动电机104的输出轴与主动轮轴113刚性连接，用于将驱动力传递到主动轮轴113上，经与主动轮轴113和从动轮轴115上的同步带轮107相配合的同步带106，同步驱动从动轮轴115转动，进而在主动轮105和从动轮108的同步驱动下驱动包裹在主动轮105和从动轮108外表面的履带112运动，实现履带轮模块1的运动；

所述车体模块2(参见图6)的上表面固定安装云台摄像机208，所述云台摄像机208用于观测机器人工作环境以及喷漆作业效果；车体模块2的左右侧面分别对称安装有两个第一连接板201和两个第二连接板205；两个第二连接板205位于两个第一连接板201之间，每个第二连接板205和相邻的第一连接板201之间的距离相等，且与主动轮轴114和从动轮轴116的中心距相匹配；所述第一连接板201和第二连接板205的一端均通过相应的销轴207与车体模块的左右侧面连接，第一连接板201和第二连接板205与车体模块的左右侧面构成转动副；第一连接板的另一端布置有与履带轮轴承外端盖109上的安装法兰相配合的法兰，通过螺纹连接与履带轮模块1上的履带轮轴承外端盖109固定；所述第二连接板205的另一端设有轴承孔，通过该轴承孔安装连接板轴承203，连接板轴承203的内侧通过连接板轴承端盖206进行定位；第一连接板201的销轴孔轴心与法兰中心距离和第二连接板205的销轴孔轴心与轴承孔中心距离相等；在与第一连接板固定的销轴207上同轴安装扭簧202，所述扭簧202一端固定在车体模块的左右侧面上，另一端固定在第一连接板201的内侧上，使得第一连接板201相对于车体模块的左右侧面的转动需克服较大外力，大幅提高了平行四边形机构刚性，进而保证机器人运动的平稳性；

第一连接板201、第二连接板205、履带轮模块1、车体模块左(右)侧面构成平四边形机构，可使第一连接板201与第二连接板205绕着车体模块左(右)侧面同步转动，进而带动履带轮模块1保持与车体模块2主体平行姿态上下浮动，实现曲面自适应功能。

所述直角坐标系式喷漆机械臂模块3(参见图7)包括喷枪301、喷枪支架302、前后伸缩导轨303、固定导轨304、竖直伸缩导轨305、左右滑动导轨306和导轨支架307；

所述固定导轨304通过导轨支架307固定在车体模块2的上表面，所述左右滑动导轨306的底部与固定导轨304上的滑块固定连接；所述左右滑动导轨306的顶部固定连接前后伸缩导轨303上的滑块，前后伸缩导轨303的前部与竖直伸缩导轨305上的滑块固定连接；所述喷枪301通过喷枪支架302固定在竖直伸缩导轨305的底部；所述前后伸缩导轨303、固定导轨304和竖直伸缩导轨305的一端均通过电机安装板固定有导轨电机，固定导轨304上的滑块在导轨电机的驱动下在固定导轨上左右移动，前后伸缩导轨303和竖直伸缩导轨305在相应的导轨电机的驱动下自身分别前后移动和上下移动，左右滑动导轨306、前后伸缩导轨303、竖直伸缩导轨305三者相互配合，完成整个喷漆作业。

在相应的导轨电机的驱动下，经皮带传动或者齿轮传动或者涡轮蜗杆传动，固定导轨上的滑块在固定导轨上左右移动，从而带动左右滑动导轨306发生左右移动。

所述前后伸缩导轨303在相应的导轨电机的驱动下，使前后伸缩导轨303发生前后移动，左右滑动导轨306与前后伸缩导轨发生前后相对移动。

竖直伸缩导轨305在相应的导轨电机的驱动下，使竖直伸缩导轨305发生上下移动，竖直伸缩导轨305与前后伸缩导轨303发生上下相对移动，进而带动喷枪301实现上下、前后、左右位置的变化，左右滑动导轨306、前后伸缩导轨303、竖直伸缩导轨305三者相互配合，完成整个喷漆作业。

本发明的进一步特征在于所述车体模块2为长方体形结构，包括两个长支撑板204、两个短支撑板210和上盖板209，两个长支撑板204和两个短支撑板210围成长方体车体框架，上盖板209通过螺纹连接固定在该车体框架上，用于安装固定直角坐标系式喷漆机械臂模块3和云台摄像机208；两个长支撑板204构成车体模块的左右侧面，两个短支撑板构成车体模块的前后侧面，两个长支撑板上固定第二连接板205和第一连接板201。

本发明曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人的工作原理：履带轮驱动电机104驱动主动轮轴113旋转，经与主动轮轴113和从动轮轴115上的同步带轮107相配合的同步带106，同步驱动从动轮轴115转动，在主动轮105和从动轮108的同步驱动下使包裹于主动轮105和从动轮108上的履带113运动，实现履带轮模块1的运动，进而带动整个机器人移动。该喷漆机器人越过焊缝以及在圆弧形壁面工作时，第一连接板201与第二连接板205绕着车体模块的左右侧面同步转动，进而带动履带轮模块1保持与车体模块2的主体框架平行姿态上下浮动，实现曲面自适应功能。扭簧202的刚性使得第一连接板201相对于车体模块的左右侧面的转动需克服较大外力，大幅提高了平行四边形机构刚性，进而保证机器人运动的平稳性。该喷漆机器人进行喷漆作业时，首先机器人在云台摄像机208的指引下到达指定的工作区域，根据喷漆作业距离要求，以及云台摄像机208的观测结果，调节竖直伸缩导轨305、前后伸缩导轨303，将喷枪301调整到合适高度，通过左右滑动导轨306的左右移动完成大面积的喷漆作业；在喷漆机器人遇到障碍时，通过云台摄像机208观测，根据障碍物的形状和大小，实时调节竖直伸缩导轨305和前后伸缩导轨303的位置，从而完成障碍物区域的喷漆作业。在整个喷漆作业过程中，云台摄像机208实时观测机器人工作环境，以及喷涂作业效果，防止漏喷和重复喷涂，提高了喷漆作业的可靠性。

本发明中所提到的前、后、左、右等方位词语是一个相对概念，以图1中喷枪所在方向为前。

本发明未尽之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人，其特征在于该机器人包括四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块、基于平行四边形机构的车体模块和直角坐标系式喷漆机械臂模块；所述四个结构相同的永磁吸附式履带轮模块对称布置于车体模块的两侧，在车体模块的上部安装直角坐标系式喷漆机械臂模块；

每个履带轮模块均包括导磁板、隔磁板、钕铁硼永磁体、履带轮驱动电机、两个主动轮、同步带、两个同步带轮、两个从动轮、履带轮轴承外端盖、履带轮轴承、履带轮轴承内端盖、履带、主动轮轴、套筒和从动轮轴；

所述导磁板围绕在履带的外表面，刚性连接，在导磁板的中部沿导磁板长度方向均匀布置若干数量的隔磁板，在每个隔磁板的左右两侧对称嵌入两块充磁方向相反的钕铁硼永磁体，且沿导磁板长度方向上相邻的两块钕铁硼永磁体的极性相反；所述履带的内表面通过齿啮合的形式与主动轮和从动轮相连接；

所述主动轮和从动轮按照前后位置布置在履带内部，两个主动轮固定在主动轮轴的两端，在主动轮轴的中部固定连接一个同步带轮，主动轮轴内侧端面穿过一个主动轮与固定于履带轮轴承外端盖的履带轮轴承配合，实现履带轮轴承外端盖对主动轮轴的支撑，并且该端通过键连接与履带轮驱动电机输出轴刚性连接；所述履带轮驱动电机固定安装在车体模块上；所述履带轮轴承的内圈通过履带轮轴承内端盖与主动轮轴固定连接；履带轮轴承的外圈与履带轮轴承外端盖一端连接，实现履带轮轴承外端盖与主动轮的配合，履带轮轴承外端盖的另一端通过螺纹连接与车体模块相固定；

两个从动轮固定安装在从动轮轴的两端，在从动轮轴中部固定另一个同步带轮，两个同步带轮之间安装同步带，每个同步带轮的两端均通过相应轴的轴肩和套装在轴上的套筒进行定位；且从动轮轴靠近车体模块的一端与车体模块连接；

所述车体模块的上表面固定安装云台摄像机；车体模块的左右侧面分别对称安装有两个第一连接板和两个第二连接板；两个第二连接板位于两个第一连接板之间，每个第二连接板和相邻的第一连接板之间的距离相等，且与主动轮轴和从动轮轴的中心距相匹配；所述第一连接板和第二连接板的一端均通过相应的销轴与车体模块的左右侧面连接，第一连接板和第二连接板与车体模块的左右侧面构成转动副；第一连接板的另一端布置有与履带轮轴承外端盖上的安装法兰相配合的法兰，通过螺纹连接与履带轮模块上的履带轮轴承外端盖固定；所述第二连接板的另一端设有轴承孔，通过该轴承孔安装连接板轴承，连接板轴承的内侧通过连接板轴承端盖进行定位；第一连接板的销轴孔轴心与法兰中心距离和第二连接板的销轴孔轴心与轴承孔中心距离相等；在与第一连接板固定的销轴上同轴安装扭簧，所述扭簧一端固定在车体模块的左右侧面上，另一端固定在第一连接板的内侧上。

2.根据权利要求1所述的曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人，其特征在于所述直角坐标系式喷漆机械臂模块包括喷枪、喷枪支架、前后伸缩导轨、固定导轨、竖直伸缩导轨、左右滑动导轨和导轨支架；

所述固定导轨通过导轨支架固定在车体模块的上表面，所述左右滑动导轨的底部与固定导轨上的滑块固定连接；所述左右滑动导轨的顶部固定连接前后伸缩导轨上的滑块，前后伸缩导轨的前部与竖直伸缩导轨上的滑块固定连接；所述喷枪通过喷枪支架固定在竖直伸缩导轨的底部；所述前后伸缩导轨、固定导轨和竖直伸缩导轨的一端均通过电机安装板固定有导轨电机，固定导轨上的滑块在导轨电机的驱动下在固定导轨上左右移动，前后伸缩导轨和竖直伸缩导轨在相应的导轨电机的驱动下自身分别前后移动和上下移动。

3.根据权利要求1所述的曲面自适应磁吸附爬壁喷漆机器人，其特征在于所述车体模块为长方体形结构，包括两个长支撑板、两个短支撑板和上盖板，两个长支撑板和两个短支撑板围成长方体车体框架，上盖板通过螺纹连接固定在该车体框架上，用于安装固定直角坐标系式喷漆机械臂模块和云台摄像机；两个长支撑板构成车体模块的左右侧面，两个短支撑板构成车体模块的前后侧面，两个长支撑板上固定第二连接板和第一连接板。