CN109436119A - 一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置，涉及爬壁机器人领域，该装置采用差速转向式驱动结构，两只驱动轮、从动轮均为对角布置，使得整车驱动力分布更加平衡，提高了爬壁行走时的平稳性和可靠性，采用非接触式吸附单元，全部永磁铁均同时提供吸附力，避免了传统履带吸附和磁轮吸附方案中磁铁利用率不足的问题，将履带式底盘和磁轮式底盘的优势相结合，有效克服了现有的爬壁机器人底盘的吸附能力与行走阻力之间互斥的矛盾，有效减小了总体重量，降低了行走阻力，达到节能提效的效果。

Description

一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置

技术领域

本发明涉及爬壁机器人领域，尤其是一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置。

背景技术

爬壁机器人将吸附技术和移动机器人技术相结合，能够在倾斜、垂直或者倒立壁面上灵活运动，并携带一定的设备自动完成移动、转向、检测、洗刷等任务，可代替人工在极限条件下完成危险的任务，实现智能作业，提高生产效率，降低劳动风险。随着技术的进步和研究的深入，爬壁机器人已逐步在船舶、石化、核电、建筑和消防安全等领域开始应用。

爬壁机器人必须具备壁面吸附、行走和作业三个基本功能，据吸附方式的不同，爬壁机器人主要可分为两类：磁吸附型爬壁机器人和负压吸附型爬壁机器人。鉴于磁铁的可靠性高、体积小等优势，基于磁吸附原理的爬壁机器人逐步成为未来的主要发展方向。目前多数磁吸附爬壁机器人均采用履带式或磁轮式的底盘，履带式底盘的磁吸附爬壁机器人可以产生很大的吸附力，使得机器人不易脱落或者倾覆，但是其转向能力很差，翻越障碍能力不足，对工作壁面要求较高；磁轮式底盘的爬壁机器人转向性能较好，但是由于磁轮尺度的限制，导致吸附能力不足，不能承担较大载荷。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置，有效地克服了现有的爬壁机器人底盘的吸附能力与行走阻力之间互斥的矛盾，避免了传统履带吸附和磁轮吸附方案中磁铁利用率不足的问题，使得底盘更轻，吸附力更大，行走阻力更小，达到节能提效的效果。

本发明的技术方案如下：

一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置，该底盘装置包括车架、驱动系统和两组永磁吸附组件；车架包括位于爬壁机器人两侧的两个纵梁以及位于爬壁机器人两端的两个下横梁，每个下横梁分别与两侧的两个纵梁焊接在一起；驱动系统包括两个驱动电机、两个驱动轮以及两个可调式万向轮，两个驱动轮设置在车架的一个对角、两个可调式万向轮设置在车架的另一个对角；两个驱动电机固定在车架上，每个驱动电机分别连接并驱动一个驱动轮；两组永磁吸附组件分别设置在车架的两端的下横梁上，每组永磁吸附组件中分别包括永磁铁，永磁铁与工作壁面之间间隔预定距离，工作壁面为驱动轮和可调式万向轮所确定的平面。

其进一步的技术方案为，可调式万向轮包括转座、连接板、调节板、弹簧和轮体；连接板的顶端连接转座、底部连接调节板，转座与连接板通过第一转动轴转动连接，连接板与调节板的一端通过第二转动轴转动连接，调节板的第二端连接轮体，弹簧的一端固定在连接板上、另一端固定在连接板与调节板相连处；可调式万向轮通过转座固定在车架上，第一转动轴垂直于工作壁面，第二转动轴平行于工作壁面，连接板通过调节板带动轮体绕着第一转动轴转动实现转向，调节板带动轮体绕着第二转动轴转动实现相对于工作壁面的升降。

其进一步的技术方案为，每个永磁吸附组件中包括至少两个吸附单元，每个吸附单元包括磁座、永磁铁、至少两个万向球以及连接组件，磁座的一侧通过连接组件连接车架的下横梁，磁座的另一侧设置有永磁铁和至少两个万向球，至少两个万向球均布于永磁铁的四周，至少两个万向球相对于永磁铁所在的平面凸出预定距离，至少两个万向球与工作壁面相接触使得永磁铁与工作壁面之间间隔预定距离。

其进一步的技术方案为，永磁铁的表面封装有橡胶垫，封装有橡胶垫的永磁铁通过磁支架固定在磁座上，磁座采用导磁性材料制成，磁支架和万向球分别采用防磁性材料制成。

其进一步的技术方案为，连接组件采用弹簧连杆结构，连接组件与磁座之间通过球头关节连接，球头关节采用防磁性材料制成。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置，将履带式底盘和磁轮式底盘的优势相结合，有效克服了现有的爬壁机器人底盘的吸附能力与行走阻力之间互斥的矛盾，采用非接触式吸附单元，全部永磁铁均同时提供吸附力，避免了传统履带吸附和磁轮吸附方案中磁铁利用率不足的问题，有效减小了总体重量，降低了行走阻力，达到节能提效的效果。

本申请采用差速转向式驱动结构，两只驱动轮、从动轮均为对角布置，使得整车驱动力分布更加平衡，提高了爬壁行走时的平稳性和可靠性。高低可调式万向轮以及角度可调式吸附单元有效组成了底盘的自适应系统，提高了爬壁机器人的过曲、过障能力。

附图说明

图1是本申请公开的非接触轮式爬壁机器人底盘装置的转配结构图。

图2是底盘装置的车架的结构图。

图3是驱动轮和可调式万向轮的安装示意图。

图4是驱动轮的结构示意图。

图5是驱动轮的剖面示意图。

图6是可调式万向轮的结构示意图。

图7是吸附单元的结构示意图。

图8是吸附单元的剖面示意图。

图9是爬壁机器人沿柱形工件的圆柱壳轴线行走时的磁铁间隙示意图。

图10是爬壁机器人沿柱形工件的圆柱壳轴线行走时的调整角的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置，该底盘装置的装配结构图请参考图1，该底盘装置主要包括车架10、驱动系统20和两组永磁吸附组件30。车架10是整个底盘装置的承载平台，其结构图请参考图2，车架10包括位于爬壁机器人两侧的两个纵梁11、位于爬壁机器人两端的两个下横梁12以及位于底盘装置顶部的两个上横梁13，下横梁12和上横梁13分别与两侧的两个纵梁11焊接在一起，构成H型结构，下横梁12用于布置永磁吸附组件30，同时与上横梁13一起起到加强车架10的作用。

驱动系统20包括两个驱动电机21、两个驱动轮22以及两个可调式万向轮23。本申请中的驱动系统20采用四轮差速转向式驱动结构，如图3所示，两个驱动轮22设置在车架10的一个对角、两个可调式万向轮23设置在车架10的另一个对角，箭头指向爬壁机器人的车头方向，2个黑色区块表示两个驱动轮22，两个白色区块表示两个可调式万向轮23。驱动轮22的结构请参考图4和图5，驱动轮22包括胶轮221、轴承222、轮轴223、轴承座224和链轮225，胶轮221与轮轴223通过平键连接，轴承座224安装于内侧，通过双列轴承222与轮轴223连接，轴承座224两端通过螺栓固联车架10。每个驱动轮22分别通过链轮和链条与一个驱动电机21连接，驱动电机21驱动对应的驱动轮22。两个驱动电机21均固定在车架10上，当两台驱动电机21的速度相同时，爬壁机器人保持直线行驶，当两台电机速度不同时，即存在差速，爬壁机器人实现转向。可调式万向轮23作为驱动系统20中的从动轮，具备转向和高低自适应功能，其结构请参考图6，可调式万向轮23包括转座231、连接板232、调节板233、弹簧234和轮体235。连接板232的顶端连接转座231、底部连接调节板233，转座231与连接板232通过第一转动轴236转动连接，转座231与连接板232通常是采用销轴连接并安装轴承，使得连接板232可以绕着第一转动轴236自动转动。连接板232与调节板233的一端通过第二转动轴237转动连接，调节板233的第二端连接轮体235，弹簧234的一端固定在连接板232上、另一端固定在连接板232与调节板233相连处，轮体235的结构与驱动轮22类似，主要包括胶轮、轮轴和轴承，胶轮通过轴承与轮轴相连。转座231通过螺栓固联车架10，第一转动轴236垂直于工作壁面，第二转动轴237平行于工作壁面，工作壁面为驱动轮22和可调式万向轮23所确定的平面，也即爬壁机器人所要行走的壁面。转座231与连接板232实现了可调式万向轮23的转向功能，连接板232通过调节板233带动轮体235绕着第一转动轴236转动实现转向，连接板232、调节板233和弹簧234实现了可调式万向轮23的高低自适应功能，调节板233带动轮体235绕着第二转动轴237转动实现相对于工作壁面的升降，则当爬壁机器人在曲面或存在凹坑的壁面行走时，弹簧234自动伸长或缩短，确保可调式万向轮23始终与工作壁面接触。

两组永磁吸附组件30分别设置在车架10的两端的下横梁12上，每组永磁吸附组件30中分别包括永磁铁，在本申请中，每组永磁吸附组件30包括至少两个吸附单元31，每个吸附单元31中分别包括永磁铁，图1示出了每组永磁吸附组件30中包括3个吸附单元31的示意图。本申请每个吸附单元31的结构图请参考图7和图8，每个吸附单元31包括磁座311、永磁铁312、至少两个万向球313以及连接组件314。磁座311采用导磁性材料制成，具备轭铁的功能，永磁铁312和万向球313均安装在磁座311上且安装在磁座311的同一侧，具体的，永磁铁312的表面封装有橡胶垫315，封装有橡胶垫315的永磁铁312通过磁支架316利用螺栓固定在磁座311上，用以保护永磁铁312、防止磕碰，磁支架316采用防磁性材料制成。万向球313也采用防磁性材料制成，其均布于永磁铁312的四周且安装在磁座311上，可以通过上部螺杆与磁座311连接，本申请以包括四个设置在永磁铁312周围的万向球313为例，万向球313相对于永磁铁312所在的平面凸出预定距离，通过调节上部螺杆可以调节该凸出的预定距离，万向球313主要用于支承磁座311，其与工作壁面相接触使得永磁铁与工作壁面之间间隔预定距离，保证永磁铁312与工作壁面之间的间距。磁座311相对于永磁铁312和万向球313的另一侧通过连接组件314连接车架10的下横梁12，连接组件314采用弹簧连杆结构，为一套设有弹簧的连杆，连接组件314与磁座311之间通过球头关节317连接，具备万向功能，球头关节317采用防磁性材料制成，可承受径向、轴向载荷，主要用于磁座311自适应调节动作。如图7所示，磁座311与车架10之间除了由连接组件314连接之外，还通过连接组件314两侧的限位杆318相连，限位杆318可以防止磁座311在爬壁机器人运动过程旋转摆动。正常工作时，弹簧连杆结构中弹簧呈压缩状态，确保永磁铁312始终与被吸附的工作壁面保持恒定间距，当爬壁机器人在曲面上行走时，磁座311通过弹簧连杆结构上的球头关节317自由转向，适应曲面形状，保证吸附力大小。

该底盘装置是爬壁机器人的重要组件，在实际应用时，需要根据具体设计要求，进行磁铁间隙、调整角计算并确定磁铁安装高度等参数，本申请还给出了上述各种参数的确定思路：

(1)、磁铁间隙的确定。磁铁间隙是指永磁铁与工作壁面之间的距离，它直接决定了爬壁机器人的过曲能力，需要根据爬壁机器人曲面适应要求进行计算确定。间隙确定的原则是：在保证不干涉的情况下，间隙尽可能的小，且不大于磁铁气隙设计值。具体计算时，可选取最危险工况进行分析，也即爬壁机器人沿柱形工件的圆柱壳轴线行走时的工况，请参考图9，则计算公式为：

其中，d_c为基于壁面干涉前提下的永磁铁下表面与工件最小距离，R为柱形工件的半径，w为爬壁机器人的宽度。

(2)、调整角的确定。爬壁机器人沿曲面行走时，吸附单元需要不断地调整角度，适应曲面形状，确保自身处于最大吸附力状态。永磁铁的调整角度范围需要计算确定，既不能太大也不能太小：角度范围过大会导致永磁铁与工件表面接触，大幅增大摩擦阻力，超出电机驱动能力，使爬壁机器人行走困难；角度过小则难以达到调整要求。具体计算时，可选取最危险工况进行分析，也即爬壁机器人沿柱形工件的圆柱壳轴线行走时的工况，请参考图10，则计算公式为：θ＝arcsin(b/2R)，式中，b为永磁铁宽度，R为柱形工件半径。

(3)、安装高度的确定。考虑到永磁铁角度调整的工况后，安装高度最小值为d＝d_c+d_θ，d_θ为永磁铁高度差，d_θ＝b·sinθ。也即永磁铁离地高度不得小于该标准，以确保本发明在工作壁面行走时，无干涉现象。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非接触轮式爬壁机器人底盘装置，其特征在于，所述底盘装置包括车架、驱动系统和两组永磁吸附组件；所述车架包括位于爬壁机器人两侧的两个纵梁以及位于所述爬壁机器人两端的两个下横梁，每个所述下横梁分别与两侧的两个所述纵梁焊接在一起；所述驱动系统包括两个驱动电机、两个驱动轮以及两个可调式万向轮，所述两个驱动轮设置在所述车架的一个对角、所述两个可调式万向轮设置在所述车架的另一个对角；所述两个驱动电机固定在所述车架上，每个所述驱动电机分别连接并驱动一个驱动轮；所述两组永磁吸附组件分别设置在所述车架的两端的下横梁上，每组永磁吸附组件中分别包括永磁铁，所述永磁铁与工作壁面之间间隔预定距离，所述工作壁面为所述驱动轮和可调式万向轮所确定的平面。

2.根据权利要求1所述的爬壁机器人底盘装置，其特征在于，所述可调式万向轮包括转座、连接板、调节板、弹簧和轮体；所述连接板的顶端连接所述转座、底部连接所述调节板，所述转座与所述连接板通过第一转动轴转动连接，所述连接板与所述调节板的一端通过第二转动轴转动连接，所述调节板的第二端连接所述轮体，所述弹簧的一端固定在所述连接板上、另一端固定在所述连接板与所述调节板相连处；所述可调式万向轮通过所述转座固定在所述车架上，所述第一转动轴垂直于所述工作壁面，所述第二转动轴平行于所述工作壁面，所述连接板通过所述调节板带动所述轮体绕着所述第一转动轴转动实现转向，所述调节板带动所述轮体绕着所述第二转动轴转动实现相对于所述工作壁面的升降。

3.根据权利要求1所述的爬壁机器人底盘装置，其特征在于，每个所述永磁吸附组件中包括至少两个吸附单元，每个所述吸附单元包括磁座、永磁铁、至少两个万向球以及连接组件，所述磁座的一侧通过所述连接组件连接所述车架的下横梁，所述磁座的另一侧设置有所述永磁铁和所述至少两个万向球，所述至少两个万向球均布于所述永磁铁的四周，所述至少两个万向球相对于所述永磁铁所在的平面凸出所述预定距离，所述至少两个万向球与所述工作壁面相接触使得所述永磁铁与所述工作壁面之间间隔所述预定距离。

4.根据权利要求3所述的爬壁机器人底盘装置，其特征在于，所述永磁铁的表面封装有橡胶垫，封装有所述橡胶垫的所述永磁铁通过磁支架固定在所述磁座上，所述磁座采用导磁性材料制成，所述磁支架和所述万向球分别采用防磁性材料制成。

5.根据权利要求3或4所述的爬壁机器人底盘装置，其特征在于，所述连接组件采用弹簧连杆结构，所述连接组件与所述磁座之间通过球头关节连接，所述球头关节采用防磁性材料制成。