CN109278891B - 一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，该机构包括悬架装置和具有磁性的辅助轮，所述辅助轮的输出轴连接悬架装置，悬架装置同时与磁吸附爬壁机器人的车体和驱动轮连接；所述悬架装置包括连杆结构和滑块结构，滑块结构分别与机器人车体和连杆结构连接，连杆结构一方面连接辅助轮，另一方面连接机器人的驱动轮；所述滑块结构包括滑块、固定板、连接轴一和轴承一，连杆结构包括连杆一、弹簧、连杆二和连杆三；连杆一、连杆二和滑块结构与通过连接轴一连接在一起。该机构能够被动自适应壁面而发生变形，使得磁铁受到切向力作用下，易于使磁铁随着机器人爬行角度变化而发生位置变化，可以使得机器人顺利地爬上具有一定钝角角度的拼接面。

Description

一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构

技术领域

本发明涉及特种机器人技术领域，具体为一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，该机构用于在具有一定钝角角度拼接面的金属立面进行作业。

背景技术

爬壁机器人作为一种能够用于特殊环境的特种机器人，可以替代人工在高空垂直壁面进行作业。现有磁吸附机器人多采用轮式吸附，可以提高机器人的速度及运动地灵活性。在具有一定钝角角度拼接面的金属立面进行作业时，不能够自适应于壁面，需要加入一个自适应壁面的机构，调整弧形磁铁的位置，防止在一定钝角角度拼接面的拐角处，由于磁铁吸附处于镂空状态，出现机器人坠落到地面。若通过增加磁铁的体积和重量来增加磁力，不仅要加大电机的功率，还会导致整个机器人的体积和质量变大。

采用自适应机构，可以更好地适应地形，在一定程度上可以缓冲震动；申请号为201710853261.1的专利公开了一种主被动变刚度独立悬架支撑机构，通过自身驱动主动调整弹簧的刚度，平稳地在地面上行走，其不足之处在于该机构同时涉及主动自适应机构，由主动带动被动，增加电机控制，增加了机构的重量和控制的复杂性，不方便安装。专利CN204527388U公开了自适应飞行吸附式爬壁机构，吸附机构设置有旋转机构，在电机的驱动下，可灵活切换的飞行、爬壁、栖息三种状态，其不足之处在于采用大功率的电机驱动旋转机构，旋转机构的结构复杂，三种状态的变换使得控制系统复杂，操作困难，也使得整体机构重量变大。

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：在磁铁体积、重量尽量小的前提下，提出了一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，该机构能够被动自适应壁面而发生变形，使得磁铁受到切向力作用下，易于使磁铁随着机器人爬行角度变化而发生位置变化，可以使得机器人顺利地爬上具有一定钝角角度的拼接面。该被动自适应机构重量和体积较小，结构简单，无需控制，能够被动的自适应壁面，解决越过爬坡障碍问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供了一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，其特征在于，该机构包括悬架装置和具有磁性的辅助轮，所述辅助轮的输出轴连接悬架装置，悬架装置同时与磁吸附爬壁机器人的车体和驱动轮连接；

所述悬架装置包括连杆结构和滑块结构，滑块结构分别与机器人车体和连杆结构连接，连杆结构一方面连接辅助轮，另一方面连接机器人的驱动轮；

所述滑块结构包括滑块、固定板、连接轴一和轴承一，连杆结构包括连杆一、弹簧、连杆二和连杆三；连杆一、连杆二和滑块通过连接轴一连接在一起，连杆一、连杆二均与连接轴一连接，滑块固定在连接轴一上；连杆一和连杆二相接处的下部通过弹簧连接在一起；所述连杆二的下端垂直连接连杆三的一端，所述连杆三为L形杆，上部为圆柱体，下部为长方体，圆柱体和长方体相互垂直连接，呈L形；长方体的下端连接机器人驱动轮上的磁铁，圆柱体与连杆二连接的一端连接在驱动轮的轮毂外侧端面；

所述滑块一端连接机器人车体侧面的弧槽，滑块能在弧槽内滑动，滑块的另一端安装固定板；所述连接轴一一端与滑块连接在一起，另一端通过轴承一连接连杆一和连杆二。

一种磁吸附爬壁机器人，该机器人应用上述的被动自适应机构，具有三个磁性车轮，前面两个左右对称的车轮采用驱动轮，后面一个车轮为万向轮；每个驱动轮连接一个被动自适应机构，两个被动自适应机构围绕车体呈左右对称布置；所述车体上安装驱动轮的两个侧面均设置有弧槽。

与现有技术相比，本发明的有益的效果是：

1.本发明被动自适应机构设计能够被动的自适应壁面的变化，尤其是对于具有一定钝角角度的拼接面。辅助轮采用重量轻，体积小的原理设计，当上坡或者下坡时，辅助轮根据壁面的变化发生转动，带动着悬架装置转动，弧形磁铁受到切向力的作用下，位置发生慢慢地变化，使得相应的机器人在过渡过程中，弧形磁铁能够贴合壁面发生变化的坡度角处，成功地过渡到另一个壁面上，可以防止普通轮式磁吸附爬壁机器人弧形磁铁与坡度角处出现镂空的状态或者贴合面积较小，提高整体的安全性和稳定性。

2.本发明实现了机构的模块化设计，对于轮式磁吸附爬壁机器人能够实现快速组合、安装方便，便于维修和运输。

3.本发明机器人的车轮结构设计采用了密封设置，车轮两端安装有挡板可以防止尘土和杂物进入车轮；被动自适应机构设计采用结构简单、结构紧凑、可靠性较高，无需控制以及电机数量的增加，使得整体的体积和质量不会发生较大的变化。

附图说明

图1是本发明磁吸附爬壁机器人的整体结构轴测示意图；

图2是本发明磁吸附爬壁机器人的整体结构的左视图示意图；

图3是本发明磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构的辅助轮的俯视结构示意图；

图4是图3中A-A面的剖视结构示意图；

图5是本发明中磁吸附爬壁机器人的驱动轮与被动自适应机构的悬架装置相连接的轴测示意图；

图6是本发明磁吸附爬壁机器人的驱动轮的俯视结构示意图；

图7是图6中B-B面的剖视结构示意图；

图8是本发明磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构的悬架装置的轴测示意图；

图9是图8中I的局部放大示意图；

图10是本发明磁吸附爬壁机器人在平坦的壁面运动示意图；

图11是本发明磁吸附爬壁机器人在上坡度角处的壁面运动示意图；

图12是本发明磁吸附爬壁机器人爬上上坡度的壁面运动示意图；

图13是本发明磁吸附爬壁机器人在下坡度角处的壁面运动示意图；

图14是本发明磁吸附爬壁机器人爬上下坡度的壁面运动示意图；

图中：1-被动自适应机构，2-驱动轮，3-车体，4-万向轮，300-弧槽，11-辅助轮，12-悬架装置，110-小螺钉，111-连接轴二，112-小挡板，113-小套筒，114-环形磁铁，115-小轴承，116-小轮，117-小螺纹孔，118-小挡圈，200-螺钉，201-弧形磁铁，202-空心轴，203-挡圈，204-轴承二，205-套筒，206-挡板，207-轮毂，208-螺纹孔，121-连杆结构，122-滑块结构，1210-连杆Ⅰ，1211-螺钉一，1212-弹簧，1213-连杆二，1214-螺钉二，1215-连杆三，122-滑块结构，1220-滑块，1221-固定板，1222-螺钉三，1223-连接轴一，1224-轴承一；

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构(参见图1-2)，该机构包括悬架装置和具有磁性的辅助轮，所述辅助轮11的输出轴连接悬架装置12，悬架装置同时与磁吸附爬壁机器人的车体和驱动轮连接；辅助轮自适应壁面，在外力的作用下使得悬架装置发生变形，进而调整驱动轮中弧形磁铁的位置变化，被动自适应机构重量尽量轻，体积较小，方便于安装到机器人车体上。

所述辅助轮11(参见图3和图4)包括小轮116、连接轴二111、小轴承115、小挡圈118、小套筒113、小挡板112和环形磁铁114，环形磁铁与小轮116的内孔过盈配合，小轮的两端均通过小螺钉110穿过相应的小螺钉孔117安装有小挡板，在环形磁铁114的内孔里由内向外依次安装有小套筒113和小轴承115，连接轴二111依次穿过小套筒113、小轴承115、小挡圈118与外侧的小挡板112连接；小套筒与连接轴二通过轴肩定位，小轴承115的外侧安装小挡圈118，小轴承与环形磁铁内壁接触，小轴承起到定位和辅助支撑作用，小套筒与环形磁铁内壁接触，环形磁铁外壁与小轮之间采用过盈配合；连接轴二同时与悬架装置连接；

所述悬架装置(参见图8和图9)包括连杆结构121和滑块结构122，滑块结构分别与机器人车体和连杆结构连接，连杆结构一方面连接辅助轮，另一方面连接机器人的驱动轮；

所述滑块结构122包括滑块1220、固定板1221、螺钉三1222、连接轴一1223和轴承一1224，连杆结构121包括连杆一1210、螺钉一1211、弹簧1212、连杆二1213、螺钉二1214和连杆三1215；连杆一1210、连杆二1213和滑块1220通过连接轴一1223连接在一起，连杆一1210、连杆二1213均与连接轴一1223连接，滑块固定在连接轴一1223上；连杆一1210和连杆二1213相接处的下部通过弹簧1212连接在一起；所述连杆二的下端垂直连接连杆三1215的一端，所述连杆三1215为L形杆，上部为圆柱体，下部为长方体，圆柱体和长方体相互垂直连接，呈L形；长方体的下端连接机器人驱动轮上的弧形磁铁，圆柱体与连杆二连接的一端连接在驱动轮的轮毂外侧端面，起到方便安装的作用；悬架装置采用的三个连杆，方便安装于驱动轮；

所述滑块一端连接机器人车体侧面的弧槽300，滑块能在弧槽内滑动，滑块的另一端安装固定板1221，并通过螺钉三1222进行固定，使滑块能限定在弧槽内，而不与车体脱离；所述连接轴一1223一端与滑块连接在一起，另一端通过轴承一连接连杆一和连杆二。

在外力的作用下，连杆一1210绕着连接轴一1223发生转动，根据作用力的大小，连杆一1210和连杆二1213之间的弹簧1212发生不同长度的伸缩；连杆一1210在受到外力的作用下，使得连接轴一1223受到径向力的作用，带动滑块结构122在弧槽300内发生滑动；两杆之间的角度具有可调性和滑块结构122位置的变化，能够使被动自适应机构1更好地调整弧形磁铁的位置，适应于壁面情况。

所述连杆三的圆柱体的长度为驱动轮的轮毂厚度的一半。

本发明还保护应用上述被动自适应机构的磁吸附爬壁机器人，该机器人采用三个车轮设计，前面两个左右对称的车轮采用驱动轮，后面一个车轮为万向轮，三个车轮均采用磁性设计，重量较轻，能够吸附到壁面；每个驱动轮连接一个上述的被动自适应机构，两个被动自适应机构围绕车体呈左右对称布置；所述车体上安装驱动轮的两个侧面均设置有弧槽300；

所述驱动轮(参见图6和图7)包括弧形磁铁201、空心轴202、挡圈203、轴承二204、套筒205、挡板206和轮毂207；弧形磁铁201安装于轮毂内部，弧面完全地贴合于轮毂上；轮毂的两端分别安装挡板206，并通过螺钉连接固定在一起，在轮毂两端的内孔里均依次穿过挡圈203、轴承二204、套筒205与空心轴202连接在一起，轴承二、挡圈和套筒均安装于轮毂的内孔里，套筒靠近轮毂的中心，轴承二位于轮毂一端处；

被动自适应机构的连杆三1215的圆柱体穿过空心轴202，与轮毂207一端固定，此时连杆三1215的长方体下端与弧形磁铁的平面垂直固定在一起，与连杆三连接的连杆二1213伸出轮毂与连接轴一1223连接；

滑块1220安装在车体4上的弧槽300内并与固定板1221通过螺钉三1222连接在一起，并保持在弧槽300内滑动；连杆三1215在外力的作用下，绕着空心轴转动，带动弧形磁铁发生转动；在机器人电机的驱动下，空心轴带动驱动轮毂转动。

本发明中所述小挡板或挡板上可以设置观察孔，用于观测辅助轮或驱动轮的运动情况或是否有部件损坏等。

实施例1

本实施例磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，该机构包括悬架装置和具有磁性的辅助轮，所述辅助轮11的输出轴连接悬架装置12，悬架装置同时与磁吸附爬壁机器人的车体和驱动轮连接；辅助轮自适应壁面，在外力的作用下使得悬架装置发生变形，进而调整驱动轮中弧形磁铁的位置变化，

辅助轮11(参考图3-4)包括连接轴二111、小挡板112、小套筒113、环形磁铁114、小轴承115、小轮116和小挡圈118，环形磁铁114与小轮116的内孔过盈配合，小轮116的两端安装有小挡板112，并通过小螺钉110连接在一起，连接轴二111穿过小轴承115、小挡圈118和小轮116，小轴承115、小挡圈118和小套筒113安装于环形磁铁114的内孔里，小挡圈用于固定小轴承115，起辅助支撑作用，小轮116在摩擦力的作用下发生转动，小轮116受到外力的作用并将力传递到连接轴二111，连接轴二111位于辅助轮11外侧的一端固定连接悬架装置12，连接轴二111在力的作用下带动悬架装置动作。(连接轴二与悬架装置固定连接(过盈配合)，只有力的传递，只有辅助轮转动)

悬架装置12主要由连杆结构121和滑块结构122组成，滑块结构122包括滑块1220、固定板1221、螺钉三1222、连接轴一1223和轴承一1224，连杆结构121包括连杆一1210、螺钉一1211、弹簧1212、连杆二1213、螺钉二1214和连杆三1215；连杆一1210、连杆二1213和滑块1220通过连接轴一1223连接在一起，连杆一和连杆二通过插接的方式连接在连接轴一上，且与连接轴一通过轴承一转动连接，连杆一1210的内孔里安装轴承一1224，连杆一1210和连杆二1213之间安装一个弹簧1212，分别通过两个螺钉一1211将弹簧固定在两杆上；在外力的作用下，连杆一1210绕着连接轴一1223发生转动，根据作用力的大小，连杆一1210和连杆二1213之间的弹簧1212发生不同长度的伸缩；连杆一1210在受到外力的作用下，使得连接轴一1223受到径向力的作用，带动滑块结构122在弧槽300内发生滑动；两杆之间的角度具有可调性和滑块结构122位置的变化，能够被动自适应机构1更好地调整弧形磁铁的位置，适应于壁面情况；连杆二通过螺钉二1214与连杆三1215垂直地连接一起，连杆三1215为L形杆，一端是圆柱体、另一端是长方体，两端相互垂直；

被动自适应机构1可以适用于轮式的磁吸附爬壁机器人，要求车体上安装(加工)弧槽，滑块结构122可安装于弧槽上，弧形磁铁201贴合于轮毂207，可以自由地发生位置转动。适用范围较广，可以快速地安装于一种轮式的磁吸附爬壁机器人，被动自适应机构1的结构简单、体积小和重量轻，通过两个悬架装置12，可以缓慢地调节弧形磁铁201的位置转动，使得弧形磁铁201贴合于坡度角处，防止在过渡过程中出现接触面积小，即吸附力小的问题；

本实施例一种新的磁吸附爬壁机器人，驱动轮2主要包括弧形磁铁201、空心轴202、挡圈203、轴承二204、套筒205、挡板206和轮毂207；连杆三1215的一端圆柱体穿过轮毂207内孔的内部，在外力的作用下，可自由地绕着空心轴202转动，在电机的驱动下，空心轴202带动轮毂转动；弧形磁铁201安装于轮毂内部，弧面完全地贴合于轮毂207上，连杆三1215的一端长方体与弧形磁铁201的平面处垂直地固定一起；轮毂207的两端分别安装挡板，并通过螺钉连接固定在一起，空心轴202穿过轴承二204、挡圈203和轮毂207，轴承、挡圈和套筒安装于轮毂的内孔里；滑块1220安装在车体4上的弧槽300内并与固定板1221通过螺钉三1222连接在一起，并保持在弧槽300内滑动；

本发明一种磁吸附爬壁机器人被动自适应机构的工作原理和工作流程(参考图10-14)是：机器人能够通过磁铁吸附在竖直的壁面，该壁面是具有一定角角度的拼接面，但该壁面必须为铁磁性表面，每个轮子贴合壁面，在两个电机的驱动下，机器人往上爬，被动自适应机构1不发生任何地变化；当遇到坡度时，被动自适应机构1发生变形，使得该机器人更好地适应地形，辅助轮11能够识别出壁面地形的变化，顺着坡度往上爬，该辅助轮11往上慢慢地抬起，贴合于另一个拼接面，这时连杆结构121受外力的作用下，使得滑块结构122沿着弧槽300滑动，连杆三1215发生转动，弧形磁铁201在受到径向力的作用下，也发生了微微地转动一定角度；当驱动轮2到达坡度角处，在径向力的作用下，弧形磁铁201贴合于坡度角处，增大了贴合面积，吸附力也增大；连杆一1210和连杆二1213之间安装于一个弹簧1212，悬架装置12的摆动角度具有可调性，在不同坡度的壁面，悬架装置12可以自我调整，更好地适应于壁面地形的变化，使得当驱动轮2到达坡度角处，在外力的作用下，弧形磁铁201贴合于坡度角处，防止弧形磁铁201与坡度角处出现镂空状态或者贴合面积较小，保证机器人的正常行驶；当磁吸附爬壁机器人过渡到另一个壁面，被动自适应机构1根据外力的作用下，调整弧形磁铁201的位置，使得贴合于壁面，这时该机器人和在平整的壁面运动效果一样；同理(图13-14)，该机器人下坡时与上坡的运动过程类似，不再一一说明，请参考该机器人上坡的运动过程。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，其特征在于，该机构包括悬架装置和具有磁性的辅助轮，所述辅助轮的输出轴连接悬架装置，悬架装置同时与磁吸附爬壁机器人的车体和驱动轮连接；

所述悬架装置包括连杆结构和滑块结构，滑块结构分别与机器人车体和连杆结构连接，连杆结构一方面连接辅助轮，另一方面连接机器人的驱动轮；

所述滑块结构包括滑块、固定板、连接轴一和轴承一，连杆结构包括连杆一、弹簧、连杆二和连杆三；连杆一、连杆二和滑块通过连接轴一连接在一起，连杆一、连杆二均与连接轴一连接，滑块固定在连接轴一上；连杆一和连杆二相接处的下部通过弹簧连接在一起；所述连杆二的下端垂直连接连杆三的一端，所述连杆三为L形杆，上部为圆柱体，下部为长方体，圆柱体和长方体相互垂直连接，呈L形；长方体的下端连接机器人驱动轮上的弧形磁铁，圆柱体与连杆二连接的一端连接在驱动轮的轮毂外侧端面；

所述滑块一端连接机器人车体侧面的弧槽，滑块能在弧槽内滑动，滑块的另一端安装固定板；所述连接轴一一端与滑块连接在一起，另一端通过轴承一连接连杆一和连杆二。

2.根据权利要求1所述的磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，其特征在于，所述连杆三的圆柱体的长度为机器人驱动轮的轮毂厚度的一半。

3.根据权利要求1所述的磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，其特征在于，连杆一和连杆二通过插接的方式连接在连接轴一上。

4.根据权利要求1所述的磁吸附爬壁机器人的被动自适应机构，其特征在于，所述辅助轮包括小轮、连接轴二、小轴承、小挡圈、小套筒、小挡板和环形磁铁，环形磁铁与小轮的内孔过盈配合，小轮的两端均通过小螺钉穿过相应的小螺钉孔安装有小挡板，在环形磁铁的内孔里由内向外依次安装有小套筒和小轴承，连接轴二依次穿过小套筒、小轴承、小挡圈与外侧的小挡板连接；小套筒与连接轴二通过轴肩定位，小轴承的外侧安装小挡圈，小轴承与环形磁铁内壁接触，小套筒与环形磁铁内壁接触，环形磁铁外壁与小轮之间采用过盈配合；连接轴二同时与悬架装置连接。

5.一种磁吸附爬壁机器人，该机器人应用权利要求1-4任一所述的被动自适应机构，具有三个磁性车轮，前面两个左右对称的车轮采用驱动轮，后面一个车轮为万向轮；每个驱动轮连接一个被动自适应机构，两个被动自适应机构围绕车体呈左右对称布置；所述车体上安装驱动轮的两个侧面均设置有弧槽。

6.根据权利要求5所述的磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述驱动轮包括弧形磁铁、空心轴、挡圈、轴承二、套筒、挡板和轮毂；弧形磁铁安装于轮毂内部，弧面完全地贴合于轮毂上；轮毂的两端分别安装挡板，并通过螺钉连接固定在一起；在轮毂两端的内孔里均依次穿过轴承二、挡圈、套筒，与空心轴连接在一起；套筒靠近轮毂的中心，轴承二位于轮毂的一端处。

7.根据权利要求5所述的磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述挡板上设置有观察孔。

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