CN107600214B - 一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于该机器人包括两个相互独立的移动模块和一个车体中间平台，所述两个相互独立的移动模块结构完全相同，以车体中间平台为中心呈对称布置，并分别通过具有两自由度的限位连接关节与车体中间平台相连接，两个相互独立的移动模块包括右移动模块和左移动模块，每个移动模块均包括固定在车架上的驱动结构、传动结构、行走结构、张紧结构以及间隙式永磁吸附结构；通过限位连接关节的连接使得两移动模块相对于车体中间平台具有两个旋转自由度，以满足机器人对导磁结构体表面曲率变化的适应。

Description

一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，具体涉及为一种爬壁机器人，特别是涉及一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人。

背景技术

国内经济和国防建设等领域随处可见由钢铁等导磁性材料构建成的各类大型复杂装备(石油管道、化工储罐、船舶，风电设备等)，为了保障设备的安全运转，需要投入大量的人力物力进行定期的清洗检测等维护作业。目前，世界范围内广泛采用的是传统的人工作业方式，不仅存在劳动强度大、工作周期长、维护成本高等问题，而且作业环境多为极限高危环境，极易发生安全事故。因此，研发一种可在各类导磁面灵活运动，根据作业需求搭载不同作业模块的爬壁作业机器人系统，成为了趋势。

爬壁机器人壁面作业系统需要重点解决吸附形式和行走机构及如何适应曲率多变的作业面环境，成为设计此类爬壁机器人的新问题。类似于石油管道、化工储罐、船舶，风电设备等导磁结构，作业面为单一曲率或变曲率壁面(是类似于石化储罐这类圆柱形的壁面为单一曲率作业面，整个曲面的曲率为固定值；类似于风电塔桶这类圆锥形壁面为变曲率作业面，由下而上曲面曲率为变化值；类似于船舶外表面这类，不规则的壁面，有平面有曲面，曲面还是变曲率的)，机器人必须能够在运动过程中适应曲率的变化，才能安全高效地完成作业任务。而现有的爬壁机器人多为平面作业，在实际工业应用中，例如石化行业，船舶行业，风电行业，不具有变曲率适应能力。

目前的爬壁机器人均缺乏一定的灵活性，本体结构位置相对固定，无法灵活适应曲面的变化，例如专利号为ZL201620506528.0的中国专利，公开了一种履带式磁吸附爬壁机器人，采用了履带移动，永磁吸附的方式，申请号为201610364096.9的中国专利公开了一种轮式磁吸附爬壁机器人，采用了轮式移动，永磁吸附的方式。二者虽然采用了不同的移动方式，但都是将驱动传动系统均安置于车体内部，通过传动轴与车体两侧的移动结构相连接，这就使得移动结构与车体位置相对固定，如遇到变曲率壁面时，由于壁面不平整存在高低起伏，容易发生机器人车体托底或者两侧移动结构无法与壁面有效接触，从而产生机器人运动失效的情况。

发明内容

本发明提出一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，本发明立足于爬壁机器人可根据不同的任务需求搭载不同类型作业模块，在各类曲率多变的导磁结构表面上开展除锈，检测，喷漆等相应的极限作业。该爬壁机器人采用间隙式永磁吸附形式与履带移动方式，采用模块化连接方式，主要由两个结构相同、完全独立的移动模块对称布置在一个车体中间平台两侧而构成。移动模块与车体中间平台由具有两自由度限位结构的关节连接，通过限位连接关节的连接使得两移动模块相对于车体中间平台具有两个旋转自由度，以满足机器人结构对曲面及变曲率的适应；同时本发明机器人能够根据作业需求实现机器人的快速拆解、运输与安装，便于通过非连续作业区域或狭窄运输空间。

为实现以上发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于该机器人包括两个相互独立的移动模块和一个车体中间平台，所述两个相互独立的移动模块结构完全相同，以车体中间平台为中心呈对称布置，并分别通过具有两自由度的限位连接关节与车体中间平台相连接，两个相互独立的移动模块包括右移动模块和左移动模块，每个移动模块均包括固定在车架上的驱动结构、传动结构、行走结构、张紧结构以及间隙式永磁吸附结构；

所述车体中间平台包括平台主箱体、平台上盖板和万向球，所述平台主箱体和平台上盖板构成密闭箱体，平台主箱体内部空间用于装载机器人所用的电器元件；平台主箱体下部安装有万向球；平台主箱体两侧设有用于限位连接关节的安装以及关节旋转角度的限制的突出结构；所述突出结构包括限位凸台和依次布置的轴承座；

所述具有两自由度的限位连接关节包括第一旋转轴、第二旋转轴、第二旋转轴角度限位卡环、第二旋转轴套筒和第二旋转轴轴端固定端盖；其中第一旋转轴和第二旋转轴呈T字形垂直连接，以第一旋转轴和第二旋转轴垂直连接处为中心在第一旋转轴上设有第一旋转轴轴肩定位凸台，第一旋转轴的两端对称设有第一旋转轴角度限位孔，第一旋转轴穿过突出结构的轴承座并通过轴承固定，第一旋转轴角度限位孔与突出结构上的限位凸台相配合；在第二旋转轴中部设有第二旋转轴轴肩定位凸台，在第二旋转轴前端设有螺纹孔；所述第二旋转轴角度限位卡环固定在第二旋转轴轴肩定位凸台的位置，由第二旋转轴轴肩定位凸台定位，同时通过键与第二旋转轴固接；在第二旋转轴角度限位卡环前方的第二旋转轴上套有第二旋转轴套筒，所述第二旋转轴轴端固定端盖与第二旋转轴前端的螺纹孔相配合，由第二旋转轴轴端固定端盖将第二旋转轴套筒进行固定；所述第一旋转轴、第二旋转轴、第一旋转轴轴肩定位凸台、第二旋转轴轴肩定位凸台、第一旋转轴角度限位孔为一体化设计；

所述车架包括车架上盖板、车架内侧壁板、车架外侧壁板、三块车架下底板、主动同步带轮轴、从动同步带轮轴；所述车架上盖板、车架内侧壁板、车架外侧壁板、车架下底板通过螺钉固接，围成一体；三块车架下底板呈中心对称分布；主动同步带轮轴和从动同步带轮轴对称分布在车架内侧壁板的两端，并处于车架内侧壁板中心高度位置，用于连接行走结构；在车架内侧壁板的上部对称布置有两组张紧轴固定孔及张紧轴滑槽，用于连接张紧结构；在车架内侧壁板中间位置设置限位连接关节连接孔，且处于中心高度位置，用于连接限位连接关节，在限位连接关节连接孔两侧对称位置开有第二旋转轴角度限位卡环限位槽，第二旋转轴角度限位卡环能在第二旋转轴角度限位卡环限位槽内转动；车架内侧壁板中心高度位置开有用于固接驱动结构的螺纹孔；每块车架下底板的左右两侧均有用于固接永磁吸附结构的螺纹开孔；位于一端的一块车架下底板上固接接传动结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该发明基于模块化设计思想，爬壁机器人由两个完全独立的移动模块、限位连接关节及车体中间平台所构成，使得爬壁机器人在进入狭小空间作业时，能够方便快速地实现拆卸、运输与安装。

2.新式的模块化连接方式，连接独立的移动模块和车体中间平台，使得移动模块在不影响机器人正常运作的情况下，具有相对于车体中间平台的两个旋转自由度，这就保证了爬壁机器人在变曲率曲面运动时，移动模块能够很好地适应曲面的起伏，避免了机器人托底或者移动失效的可能性。

3.新型限位连接关节不仅实现相邻模块间的连接，同时使连接模块具有一定自由度。采用将第一旋转轴与第二旋转轴一体化设计的思想，不不仅节省安装空间，同时能够保证连接强度，有利于爬壁机器人小型化。同时，限位连接关节与相邻模块之间的限位结构，能够有效的限制移动模块相对于车体中间平台旋转的角度，这也有利于爬壁机器人整体的稳定性。

4.将驱动结构、传动结构布置在履带中轴线位置上，这样的纵向布局设计，能够有效地利用移动模块的内部空间，整体结构简单紧凑。

5.新型张紧结构在充分利用有限空间的前提下，能够均衡地给履带前后端施加张紧力，

保证运动过程中履带受力平衡，运动平稳。

本发明采用永磁吸附与履带式结构相结合的方式，与真空吸附相比，永磁吸附具有结构简单，吸附力大，不受掉电影响等优点；采用履带式结构，接触面积大，能够提供机器人壁面运动时足够的摩擦力，能够保证运动的稳定性与壁面极限作业的安全性，更加适合应用在一些极限的工业环境，能克服轮式结构摩擦力不足，避免在一些变曲率等非连续性壁面作业时极易脱离壁面，产生坠落风险的问题。

本发明能够在具有不规则曲面导磁结构体的外表面开展去污清洁，除锈，检测，喷漆等相应极限作业，能够快速拆解、运输与安装，其移动转弯操控简便，机动性高，适于推广应用。

附图说明

图1本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的整机等轴测示意图；

图2本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的整机主视结构示意图；图3本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的车体中间平台1的等轴测示意图；

图4本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的限位连接关节2的等轴测示意图；

图5本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的限位连接关节2的剖面结构示意图；

图6本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的右移动模块3的等轴测示意图；

图7本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的右移动模块内部细节等轴测示意图；

图8本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的右移动模块内部细节主视结构示意图；

图9本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人一种实施例的右移动模块内部细节俯视结构示意图；

图10本发明机器人曲面适应示意图；

图11本发明机器人曲面转弯示意图。

图中：1车体中间平台，2限位连接关节，3右移动模块，4左移动模块，101平台主箱体，102平台上盖板，103万向球，104突出结构，105限位凸台，201第一旋转轴，202第二旋转轴，203第一旋转轴轴肩定位凸台，204第二旋转轴轴肩定位凸台，205第一旋转轴角度限位孔，206第二旋转轴角度限位卡环，207第二旋转轴套筒，208第二旋转轴轴端固定端盖，301车架上盖板，302车架内侧壁板，303车架外侧壁板，304车架下底板，305主动同步带轮轴，306从动同步带轮轴，307张紧轴固定孔，308张紧轴滑槽，309限位连接关节连接孔，310直流有刷电机，311编码器，312抱闸制动器，313第二旋转轴角度限位卡环限位槽，320一级减速器，321减速器固定支架，322扭矩换向器，323扭矩换向器支架，324二级减速器，330主动同步带轮，331同步带，332橡胶，333从动同步带轮，334压带轮，340固定张紧轴，341移动张紧轴，342轴间距可调节螺栓，350永磁块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人(简称机器人，参见图1-10)包括两个相互独立的移动模块和一个车体中间平台1，所述两个相互独立的移动模块结构完全相同，以车体中间平台1为中心呈对称布置，并分别通过具有两自由度的限位连接关节2与车体中间平台1相连接，两个相互独立的移动模块包括右移动模块3和左移动模块4，每个移动模块均包括固定在车架上的驱动结构、传动结构、行走结构、张紧结构以及间隙式永磁吸附结构；

所述车体中间平台1(参见图3)包括平台主箱体101、平台上盖板102和万向球103，所述平台主箱体101和平台上盖板102构成密闭箱体，平台主箱体101内部空间用于装载机器人所用的主要电器元件；平台主箱体101下部安装有万向球103，用于给平台主箱体提供支撑并方便移动；平台主箱体两侧设有用于限位连接关节2的安装以及关节旋转角度的限制的突出结构104；所述突出结构包括限位凸台105和依次布置的轴承座；

所述具有两自由度的限位连接关节2(参见图4和图5)包括第一旋转轴201、第二旋转轴202、第二旋转轴角度限位卡环206、第二旋转轴套筒207和第二旋转轴轴端固定端盖208；其中第一旋转轴201和第二旋转轴202呈T字形垂直连接，以第一旋转轴201和第二旋转轴202垂直连接处为中心在第一旋转轴上设有第一旋转轴轴肩定位凸台203，第一旋转轴201的两端对称设有第一旋转轴角度限位孔205，第一旋转轴穿过突出结构104的轴承座并通过轴承固定，第一旋转轴角度限位孔205与突出结构104上的限位凸台105相配合；在第二旋转轴202中部设有第二旋转轴轴肩定位凸台204，在第二旋转轴202前端设有螺纹孔；所述第二旋转轴角度限位卡环206固定在第二旋转轴轴肩定位凸台的位置，由第二旋转轴轴肩定位凸台204定位，同时通过键与第二旋转轴202固接；在第二旋转轴角度限位卡环206前方的第二旋转轴上套有第二旋转轴套筒207，所述第二旋转轴轴端固定端盖208与第二旋转轴前端的螺纹孔相配合，由第二旋转轴轴端固定端盖208将第二旋转轴套筒207进行固定；所述第一旋转轴201、第二旋转轴202、第一旋转轴轴肩定位凸台203、第二旋转轴轴肩定位凸台204、第一旋转轴角度限位孔205为一体化设计；

所述具有两自由度的限位连接关节2同车体中间平台1的配合，是平台主箱体两侧的突出结构104与第一旋转轴轴肩定位凸台203通过轴承连接相配合的，轴承外圈顶在平台主箱体101两侧的突出结构104上，轴承内圈则由第一旋转轴轴肩定位凸台203所固定。这样便使得限位连接关节2以第一旋转轴201为轴，相对于车体中间平台1做旋转运动。同时，平台主箱体两侧的突出结构上的限位凸台105，刚好与第一旋转轴角度限位孔205配合，二者的相对位置决定了关节的旋转范围，从而起到限位的作用。

所述车架包括车架上盖板301、车架内侧壁板302、车架外侧壁板303、三块车架下底板304、主动同步带轮轴305、从动同步带轮轴306；所述车架上盖板301、车架内侧壁板302、车架外侧壁板303、车架下底板304通过螺钉固接，围成一体，各板均有固定位置开孔，用于固接相应的结构；三块车架下底板304呈中心对称分布；主动同步带轮轴305和从动同步带轮轴306对称分布在车架内侧壁板302的两端，并处于车架内侧壁板302中心高度位置，用于连接行走结构；在车架内侧壁板302的上部对称布置有两组张紧轴固定孔307及张紧轴滑槽308，用于连接张紧结构；在车架内侧壁板302中间位置设置限位连接关节连接孔309，且处于中心高度位置，用于连接限位连接关节2，在限位连接关节连接孔309两侧对称位置开有第二旋转轴角度限位卡环限位槽313，第二旋转轴角度限位卡环206能在第二旋转轴角度限位卡环限位槽313内转动；车架内侧壁板302中心高度位置开有四个螺纹孔，成矩形分布，用于固接驱动结构；每块车架下底板304的左右两侧均有螺纹开孔，用于固接永磁吸附结构；位于一端的一块车架下底板304上设有通孔，用于固接传动结构。

所述具有两自由度的限位连接关节2同车架的配合，是车架内侧壁板302上的限位连接关节连接孔309与限位连接关节2的第二旋转轴202通过轴承连接相配合的。具体实施方式是轴承置于限位连接关节连接孔309中，轴承外圈顶在限位连接关节连接孔309内壁，轴承内圈顶在第二旋转轴角度限位卡环206的端面。第二旋转轴202轴端固定端盖与第二旋转轴的固接将第二旋转轴202与轴承轴向相对位置固定。这样就将车架相对于限位连接关节2的自由度限制为一个旋转自由度。同时，第二旋转轴角度限位卡环206与第二旋转轴角度限位卡环限位槽313相配合，二者的相对位置限制了车架相对于限位连接关节的旋转范围。

所述车架与车体中间平台1通过具有两个自由度的限位连接关节2连接，根据上述实施方法，使得车架可以相对于车体中间平台做两个方向的旋转运动。这样就能够满足机器人对变曲率壁面移动的适应。

所述驱动结构包括直流有刷电动机310、编码器311、抱闸制动器312和电机驱动器(图中未标出)；所述直流有刷电动机310、编码器311、抱闸制动器312为同轴布置，依次螺栓连接为一体，再通过螺栓连接到一级减速器320上；电机驱动器放置在车架上盖板301后端位置。

所述传动结构包括一级减速器320、减速器固定支架321、扭矩换向器322、扭矩换向器支架323和二级减速器324；一级减速器320前端通过减速器固定支架321固接在车架内侧壁板302上，一级减速器320后端连接直流有刷电动机310的输出端(驱动结构)；一级减速器输出轴通过键连接扭矩换向器322，将扭矩传递给扭矩换向器322；扭矩换向器322为传动比1:1的锥齿轮组，主动锥齿轮通过键连接在一级减速器320的输出轴上，从动锥齿轮固定在扭矩换向器传动轴上，所述扭矩换向器传动轴通过扭矩换向器支架固定在位于一端的车架下底板304上，扭矩换向器传动轴的位置由固定在该车架下底板304的扭矩换向器支架323确定；二级减速器324由主动直齿轮和从动直齿轮构成，主动直齿轮与从动直齿轮标准啮合，且主动直齿轮固定在扭矩换向器322传动轴的外端，从动直齿轮固定在主动同步带轮轴305的外端，由此扭矩换向器322将直流有刷电动机310扭矩传递至二级减速器324；

所述行走结构包括主动同步带轮330、同步带331、同步带外层橡胶332、从动同步带轮333和压带轮334；主动同步带轮330通过键连接与主动同步带轮轴305固接，二级减速器324的从动直齿轮固定在主动同步带轮轴305的外侧，将电机扭矩通过主动同步带轮轴305传递至主动同步带轮330；主动同步带轮330、同步带331及从动同步带轮333以标准传动方式相配合，从动同步带轮333固定在从动同步带轮轴306上，主动同步带轮330和从动同步带轮333通过同步带331连接；所述压带轮334共有4组，固接在车架内侧壁板302上，如图8的方式分布在三块车架下底板304之间的空间内，且位于同步带331的内侧，起到压紧同步带331的作用；同步带331外侧裹有一层较厚的同步带外层橡胶332，同步带外层橡胶332即为履带，该橡胶的硬度较低，粗糙度较大，利用其柔性变形可以增加与壁面的接触面积，增大附壁移动做需要的摩擦力，实现履带移动的功能。

所述张紧结构包括固定张紧轴340、移动张紧轴341和轴间距可调节螺栓342，固定张紧轴340固定在张紧轴固定孔307上，移动张紧轴341放置在张紧轴滑槽308内，移动张紧轴341只能沿张紧轴滑槽内左右移动；轴间距可调节螺栓342同时穿过固定张紧轴340和移动张紧轴341，两端有拧紧放松螺母，由于螺栓在固定张紧轴340的一端被防松螺母所固定，通过调节移动张紧轴一端的螺母，即可调节两轴的轴间间距。固定张紧轴340和移动张紧轴341处于同一水平位置，且均与同步带外层橡胶332上表面接触，轴间距离的变化可以给同步带施加张紧力，间距越大，张紧力越大。轴间距可调节也使得同步带331的安装与拆卸更加方便。相应的可调节张紧力来满足行走结构的具体需求。

所述间隙式永磁吸附结构由多组永磁吸附单元构成，每组永磁吸附单元结构相同，均是由多块永磁体350排列组成。多组永磁吸附单元呈左右对称安装在三块车架下底板304上，且左右对称分布在同步带331的两侧，呈间隙式分布，如图8所示，每侧有四组永磁吸附单元，每个移动模块上有八组永磁吸附单元提供吸附力。

车体中间平台作为机器人本体的中心，可以搭载电源控制器等电气模块。限位连接关节是模块化连接方式的核心，其结构为创新设计，具体结构设计见技术方案与配图(图4、图5)。两侧的移动模块中，驱动传动结构都经过重新设计，为了布置在同一模块上，且不影响移动结构，驱动传动结构采用沿履带方向的纵向布局设计，利用履带内部的有限空间，将驱动传动结构布置在履带的中轴线位置(见图8)，由于这样的设计使得驱动电机的输出轴与移动结构的主动轮传动轴处于空间九十度交错位置，于是在传动结构中设计了锥齿轮扭矩换向器(见图9)，配合两级减速器，将动力传递至主动轮传动轴。行走结构就是传统的履带通过同步带轮和同步带实现；张紧结构可以说有一定的创新，并不是传统的履带张紧轮，而是从原理上，改变主被动张紧轴间距，通过使履带形变提供张紧力，且张紧结构是在履带的前后端对称布置，在有限的空间内实现给履带施加张紧力的目的(见图8)。

本发明适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人的工作原理及过程：

一是附壁原理及过程：本发明提及的爬壁机器人采用永磁吸附的方式实现在竖直的导磁类壁面上的吸附。具体过程如下，由多块永磁体350排列组合而成的间隙式永磁吸附单元，安装在移动模块的三块车架下底板304上。永磁体与竖直的导磁性壁面之间产生的吸引力就使得移动模块产生了垂直于导磁性壁面的正压力，再通过固接在车架内侧壁板302上的4组压带轮334，将正压力施加在同步带331的内侧，压力方向指向导磁性壁面。这样就使得包裹在同步带331外侧的同步带外侧橡胶332与壁面接触。由于同步带外侧橡胶332的硬度较低，粗糙度较大，在正压力的作用下会产生竖直摩擦力，与重力相平衡，从而实现在竖直导磁类壁面上的吸附。

二是移动原理及过程：本发明提及的爬壁机器人采用履带式的移动方式，在实现前面所述的壁面吸附之后，再能实现在竖直的导磁类壁面上的移动。本机器人的移动主要是通过车体中间平台1两侧的右移动模块3与左移动模块4实现，两个移动模块相互独立，结构相同。每个移动模块均包括固定在车架上的驱动结构、传动结构、行走结构、张紧结构以及间隙式永磁吸附结构。

具体过程如下：首先，由安放在车体中间平台1的平台主箱体101内的电器元件蓄电池和电机控制器提供移动所需的能量和移动信号。通过走线的方式传递至固定在车架上的驱动结构，直流有刷电动机310接受信号，输出转速与扭矩；其次，依次通过传动结构的一级减速器320，扭矩换向器322以及二级减速器324的调速与扭矩放大，将驱动结构输出的转速与扭矩传递至行走结构的主动同步带轮轴305。再次，主动同步带轮轴305将转速与扭矩传递至与其固接的主动同步带轮330，从而带动行走结构的同步带331运动。同步带331外侧裹有一层较厚的同步带外层橡胶332，在上述的吸附过程中，同步带外层橡胶332与壁面接触，存在摩擦力，在同步带331的带动下可产生相对于壁面的位移。最后，右移动模块3与左移动模块4在收到电机驱动器不同的控制信号，相应的行走结构产生不同的转速，由此实现爬壁机器人在竖直的导磁类壁面上的直行与转弯等移动。

三是变曲率移动的原理及过程：在实际的工业应用中，类似于化工储罐、船舶、风电设备等导磁壁面，多是曲面，甚至是变曲率的曲面，壁面具有高低起伏，不平整的特性。由此本发明提及的爬壁机器人采用模块化的连接方式，通过限位连接关节2将右移动模块3、左移动模块4与车体中间平台1相连接。使得移动模块在不影响机器人运作的情况下，具备相对于车体中间平台的两个旋转自由度，使得在机器人在变曲率壁面移动时，移动模块能够很好的适应曲面的起伏。

具体过程如下：所述的限位连接关节2同车体中间平台1的配合，是指平台主箱体两侧的突出结构104与第一旋转轴轴肩定位凸台203通过轴承连接相配合，轴承外圈顶在平台主箱体101两侧的突出结构104上，轴承内圈则由第一旋转轴轴肩定位凸台203所固定。这样便使得限位连接关节2以第一旋转轴201为轴，相对于车体中间平台1做旋转运动。同时，平台主箱体两侧的突出结构上的限位凸台105刚好与第一旋转轴角度限位孔205配合，二者的相对位置决定了关节的旋转范围，从而起到限位的作用。

所述的限位连接关节2同移动模块的配合，是指车架内侧壁板302上的限位连接关节连接孔309与限位连接关节2的第二旋转轴202通过轴承连接相配合。轴承置于限位连接关节连接孔309中，轴承外圈顶在限位连接关节连接孔309内壁，轴承内圈顶在第二旋转轴角度限位卡环206的端面。第二旋转轴202轴端固定端盖与第二旋转轴的固接将第二旋转轴202与轴承轴向的相对位置固定。这样就将车架相对于限位连接关节2的自由度限制为一个旋转自由度。同时，第二旋转轴角度限位卡环206与第二旋转轴角度限位卡环限位槽313相配合，二者的相对位置限制了车架相对于限位连接关节的旋转范围。

至此，通过限位连接关节2将移动模块与车体中间平台1连接在一起，同时使得左、右移动模块具备了相对于车体中间平台1的两个旋转自由度，实现了爬壁机器人在变曲率壁面移动过程中对壁面起伏变化的适应。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于该机器人包括两个相互独立的移动模块和一个车体中间平台，所述两个相互独立的移动模块结构完全相同，以车体中间平台为中心呈对称布置，并分别通过具有两自由度的限位连接关节与车体中间平台相连接，两个相互独立的移动模块包括右移动模块和左移动模块，每个移动模块均包括固定在车架上的驱动结构、传动结构、行走结构、张紧结构以及间隙式永磁吸附结构；

所述车体中间平台包括平台主箱体、平台上盖板和万向球，所述平台主箱体和平台上盖板构成密闭箱体，平台主箱体内部空间用于装载机器人所用的电器元件；平台主箱体下部安装有万向球；平台主箱体两侧设有用于限位连接关节的安装以及关节旋转角度的限制的突出结构；所述突出结构包括限位凸台和依次布置的轴承座；

所述具有两自由度的限位连接关节包括第一旋转轴、第二旋转轴、第二旋转轴角度限位卡环、第二旋转轴套筒和第二旋转轴轴端固定端盖；其中第一旋转轴和第二旋转轴呈T字形垂直连接，以第一旋转轴和第二旋转轴垂直连接处为中心在第一旋转轴上设有第一旋转轴轴肩定位凸台，第一旋转轴的两端对称设有第一旋转轴角度限位孔，第一旋转轴穿过突出结构的轴承座并通过轴承固定，第一旋转轴角度限位孔与突出结构上的限位凸台相配合；在第二旋转轴中部设有第二旋转轴轴肩定位凸台，在第二旋转轴前端设有螺纹孔；所述第二旋转轴角度限位卡环固定在第二旋转轴轴肩定位凸台的位置，由第二旋转轴轴肩定位凸台定位，同时通过键与第二旋转轴固接；在第二旋转轴角度限位卡环前方的第二旋转轴上套有第二旋转轴套筒，所述第二旋转轴轴端固定端盖与第二旋转轴前端的螺纹孔相配合，由第二旋转轴轴端固定端盖将第二旋转轴套筒进行固定；所述第一旋转轴、第二旋转轴、第一旋转轴轴肩定位凸台、第二旋转轴轴肩定位凸台、第一旋转轴角度限位孔为一体化设计；

所述车架包括车架上盖板、车架内侧壁板、车架外侧壁板、三块车架下底板、主动同步带轮轴、从动同步带轮轴；所述车架上盖板、车架内侧壁板、车架外侧壁板、车架下底板通过螺钉固接，围成一体；三块车架下底板呈中心对称分布；主动同步带轮轴和从动同步带轮轴对称分布在车架内侧壁板的两端，并处于车架内侧壁板中心高度位置，用于连接行走结构；在车架内侧壁板的上部对称布置有两组张紧轴固定孔及张紧轴滑槽，用于连接张紧结构；在车架内侧壁板中间位置设置限位连接关节连接孔，且处于中心高度位置，用于连接限位连接关节，在限位连接关节连接孔两侧对称位置开有第二旋转轴角度限位卡环限位槽，第二旋转轴角度限位卡环能在第二旋转轴角度限位卡环限位槽内转动；车架内侧壁板中心高度位置开有用于固接驱动结构的螺纹孔；每块车架下底板的左右两侧均有用于固接永磁吸附结构的螺纹开孔；位于一端的一块车架下底板上固接接传动结构。

2.根据权利要求1所述的适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于所述驱动结构包括直流有刷电动机、编码器、抱闸制动器和电机驱动器；所述直流有刷电动机、编码器、抱闸制动器为同轴布置，依次螺栓连接为一体，再通过螺栓连接到一级减速器上；电机驱动器放置在车架上盖板后端位置。

3.根据权利要求2所述的适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于所述传动结构包括一级减速器、减速器固定支架、扭矩换向器、扭矩换向器支架和二级减速器；一级减速器前端通过减速器固定支架固接在车架内侧壁板上，一级减速器后端连接直流有刷电动机的输出端；一级减速器输出轴通过键连接扭矩换向器，将扭矩传递给扭矩换向器；扭矩换向器为传动比1:1的锥齿轮组，主动锥齿轮通过键连接在一级减速器的输出轴上，从动锥齿轮固定在扭矩换向器传动轴上，所述扭矩换向器传动轴通过扭矩换向器支架固定在位于一端的一块车架下底板上，扭矩换向器传动轴的位置由固定在该车架下底板的扭矩换向器支架确定；二级减速器由主动直齿轮和从动直齿轮构成，主动直齿轮与从动直齿轮标准啮合，且主动直齿轮固定在扭矩换向器传动轴的外端，从动直齿轮固定在主动同步带轮轴的外端。

4.根据权利要求3所述的适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于所述行走结构包括主动同步带轮、同步带、同步带外层橡胶、从动同步带轮和压带轮；主动同步带轮通过键连接与主动同步带轮轴固接，二级减速器的从动直齿轮固定在主动同步带轮轴的外侧，将电机扭矩通过主动同步带轮轴传递至主动同步带轮；主动同步带轮、同步带及从动同步带轮以标准传动方式相配合，从动同步带轮固定在从动同步带轮轴上，主动同步带轮和从动同步带轮通过同步带连接；所述压带轮固接在车架内侧壁板上，且分布在三块车架下底板之间的空间内，紧贴同步带的内侧；同步带外侧裹有同步带外层橡胶，同步带外层橡胶即为履带。

5.根据权利要求4所述的适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于所述张紧结构包括固定张紧轴、移动张紧轴和轴间距可调节螺栓，固定张紧轴固定在张紧轴固定孔上，移动张紧轴放置在张紧轴滑槽内，移动张紧轴只能沿张紧轴滑槽内左右移动；轴间距可调节螺栓同时穿过固定张紧轴和移动张紧轴，两端有拧紧放松螺母；固定张紧轴和移动张紧轴处于同一水平位置，且均与同步带外层橡胶上表面接触。

6.根据权利要求4所述的适用于变曲率壁面移动的爬壁作业机器人，其特征在于所述间隙式永磁吸附结构由多组永磁吸附单元构成，每组永磁吸附单元结构相同，均是由多块永磁体排列组成；多组永磁吸附单元呈左右对称安装在三块车架下底板上，且分布在同步带的两侧。

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