CN109436121B - 一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，包括躯干和两条机械腿；每条机械腿包括进给机构、旋转机构和至少三个自适应曲率吸附机构。电推杆的伸缩性配合旋转机构的旋转自由度使机械腿能够在直线滑台驱动下实现前后无干扰连续往返运动。能够被动自适应各种作业表面的曲率变化，具备运动灵活性与通过性，实现在复杂变曲率作业表面上全方位运动与障碍跨越。基于离散固定接触形式实现与作业表面无相对滑移，有效避免机器人对作业表面漆膜等的损伤。采用电磁与永磁相结合的吸附形式，能够实现机器人运动过程中的可靠吸附与灵活抬起。通过永磁铁确保机器人失电状态下在作业表面的可靠吸附性，大幅提高安全系数。

Description

一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人

技术领域

本发明涉及行走机器人领域，具体为一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人。

背景技术

石化储罐、大型船舶和油气管道等设备是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的关键装备。我国的石化储罐、大型船舶和油气管道等设备多以金属材料制成，为确保安全生产、设备安全运行，提高设备的使用寿命和劳动生产效率，需定期对石化储罐、大型船舶和油气管道等设备表面开展检测与防腐作业，以防机械故障而影响生产，或机械事故造成人员伤亡。因此，将爬壁机器人用于石化储罐、大型船舶和油气管道等设备表面检测与防腐作业，可以为上述作业过程提供有力的作业安全保障。

为此，国内外针对爬壁机器人开展了广泛深入研究，研制出了多种爬壁机器人。申请号为201210130261.6的文献公开了一种爬壁机器人，通过吸附装置将整个机器人依附于储油罐壁面，并利用与吸附装置直接相连的连杆机构带动驱动轮滚动，节约了储油罐壁的检测成本并提高了效率，但由于采用驱动轮的形式需要一直与储油罐壁接触，在作业过程中对储油罐壁的损害极大，而且越障性较差。申请号为201710558963.7的文献公开了一种爬壁除锈机器人，通过永磁铁组成的吸附机构将机器人垂直吸附于作业表面，采用电机驱动的驱动轮作为机器人行走机构实现除锈作业，但是由于该机器人将吸附装置与驱动轮作为一体，导致结构较为复杂，而且采用驱动轮的行走机构，机器人在除锈作业过程中的灵活性欠佳。

综上所述，现有爬壁机器人普遍存在结构复杂、安全性较差、曲率适应性欠佳、运动灵活性不足、无法实现复杂变曲率作业表面的全方位灵活运动与障碍跨越等问题，而且机器人在作业中会对船舶、大型储油罐表面漆膜等表面造成损伤。因此，亟需研发提供一种结构紧凑、安装方便、作业安全高效可靠、能够被动自适应各种曲率变化下的作业表面、具备极强的运动灵活性与通过性、可实现复杂变曲率作业表面下的全方位灵活运动与障碍跨越的爬壁机器人。

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，提供一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，包括躯干和两条机械腿，两条机械腿安装在躯干上；每条机械腿包括进给机构、旋转机构和至少三个自适应曲率吸附机构；其特征在于所述躯干包括动平台和直线滑台；所述进给机构包括进给座、电推杆、导套和导柱；所述旋转机构包括下固定板、连接板、蜗轮蜗杆减速机和上固定板；所述自适应曲率吸附机构包括球副座、球副套、电磁外壳、柔性底板、球副杆、永磁铁和线圈；

两个直线滑台固定于动平台左右两端上；所述直线滑台包括电机、导轨和底部滑块，电机安装在导轨一端，电机驱动底部滑块沿导轨滑动，底部滑块与导轨构成移动副；所述进给座上部固定于直线滑台的底部滑块上；所述电推杆的一端固定于进给座内部，另一端与导柱的顶部连接；所述导套固定于进给座的底部上，导套与导柱通过花键连接构成移动副；

导柱的底部与上固定板连接，底部设置有凸台，凸台穿过上固定板与下固定板连接；所述蜗轮蜗杆减速机固定于上固定板和下固定板上；蜗轮蜗杆减速机的旋转法兰盘穿过固定板的通孔与连接板连接；所述球副座的一端与连接板连接，另一端与球副套连接，形成球形空间；所述球副座均匀布置在连接板上；所述球副杆由球部和杆部组成，球部位于球副座和球副套形成的球形空间中，与球形空间组成球副；球副杆的杆部伸出球副套的底部通孔与电磁外壳的上端面连接；电磁外壳的下端面与柔性底板连接；柔性底板与作业表面柔性接触；所述永磁铁与柔性底板连接，位于电磁外壳内部；所述线圈绕置于永磁铁外表面，与永磁铁和外部电源配合。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、本机器人能够在复杂变曲率作业表面上全方位灵活运动，具备极强的运动灵活性与通过性。直线滑台包括电机、导轨和底部滑块，一端安装电机，底部滑块与导轨构成移动副，机械腿在移动副的作用下实现机器人滑移驱动。导柱与导套通过花键构成移动副实现进给运动。两机械腿在进给机构和直线滑台的作用下实现连续运动，同时配合旋转机构能够实现自适应曲率吸附机构与躯干间旋转，实现机器人沿任意方向的转弯运动，达到全方位旋转以实现机器人在复杂变曲率作业表面上全方位灵活运动，使机器人具备极强的运动灵活性与通过性。

2、本机器人具备极强曲面适应性，能够被动自适应各种作业表面的曲率变化。球副座、球副套与球副杆配合构成球副，配合球副杆与球副套的轴和孔的间隙，保证球副杆在一定空间内移动，通过球副保证球副杆的三个旋转自由度，同时利用至少三个柔性底板形成的面与被测表面的共面原理，在进给机构的驱动下，使柔性底板自适应柔性贴合各种变曲率作业表面。

3、本机器人能够在复杂变曲率作业表面上障碍跨越与行走，大幅提高作业效率。本机器人有实现滑移驱动的躯干和两条由进给机构、旋转机构和自适应曲率吸附机构组成的机械腿。机械腿以进给机构和旋转机构构成L型机构的长边和短边，由电推杆的伸缩性能以达到L型机构的长边变化，使左右两个机械腿能够在滑移驱动机构的直线滑台驱动下实现前后无机械干涉的连续往返运动，实现障碍跨越与行走。

4、本机器人采用电磁与永磁相结合的吸附形式，能够实现机器人运动过程中的可靠吸附与灵活抬起。电推杆进给时，线圈通正向电流，实现电磁场与永磁场正向叠加，使柔性底板与作业表面的吸附力更大，达到可靠吸附的目的。电推杆缩回时，线圈通反向电流，实现电磁场与永磁场反向叠加，以抵消永磁铁产生的磁场，达到灵活抬起的目的，通过调整线圈电流大小和方向控制电磁与永磁耦合磁场强度，能够实现机器人运动过程中的可靠吸附与灵活抬起，同时永磁铁能够确保机器人在失电状态下与作业表面贴合吸附固定，满足机器人的安全可靠性要求。

5、本机器人基于离散固定接触形式实现与作业表面无相对滑移，有效避免机器人对作业表面漆膜等表面状态的损伤。采用电磁与永磁相结合的吸附形式，并能够在直线滑台驱动下前进，达到与作业表面离散固定接触，实现机器人与作业表面无相对滑移，可有效避免机器人作业过程中对作业表面漆膜等表面状态的损伤，以提高机器人的作业安全性能。

6、本机器人结构简单紧凑，安装方便，作业安全高效可靠。进给机构、旋转机构和自适应曲率吸附机构串联组装成机械腿，较外设吸附装置的驱动轮结构简单紧凑，大幅简化装置结构，减小装置体积，便于安装使用。电推杆的伸缩性能配合旋转机构的旋转自由度使机械腿能够在直线滑台驱动下实现前后无干扰连续往返运动，有效提高作业效率。永磁铁能够确保机器人在失电状态下的可靠吸附，大幅提高安全系数。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构主视示意图；

图2为本发明一种实施例的整体结构左视剖视示意图；

图3为本发明图2中A区域的局部放大示意图；

图4为本发明一种实施例的整体结构立体示意图；

图5为本发明一种实施例的自适应曲率吸附机构剖视示意图；

图6为本发明一种实施例的电推杆示意图；

图7为本发明一种实施例的机器人爬行过程示意图；

图8为本发明一种实施例的机器人转向过程示意图；

(图中：1、动平台；2、直线滑台；3、进给座；4、电推杆；5、导套；6、导柱；7、球副座；8、球副套；9、电磁外壳；10、柔性底板；11、下固定板；12、连接板；13、蜗轮蜗杆减速机；14、上固定板；15、球副杆；16、永磁铁；17、线圈)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人(简称机器人，参见图1-6)，包括躯干和两条机械腿；两条机械腿安装在躯干上，所述躯干用于实现两条机械腿的滑移驱动；每条机械腿包括进给机构、旋转机构和至少三个自适应曲率吸附机构；自适应曲率吸附机构与作业表面柔性接触，旋转机构驱动躯干转弯，进给机构使得两条机械腿交替前行；其特征在于所述躯干包括动平台1和直线滑台2；所述进给机构包括进给座3、电推杆4、导套5和导柱6；所述旋转机构包括下固定板11、连接板12、蜗轮蜗杆减速机13和上固定板14；所述自适应曲率吸附机构包括球副座7、球副套8、电磁外壳9、柔性底板10、球副杆15、永磁铁16和线圈17；

两个直线滑台2通过螺钉固定于动平台1左右两端上；所述直线滑台2包括电机、导轨和底部滑块，电机安装在导轨一端，底部滑块与导轨构成移动副，电机驱动底部滑块沿导轨滑动；所述进给座3上部通过螺钉固定于直线滑台2的底部滑块上；所述电推杆4的一端通过螺钉固定于进给座3内部，另一端通过螺钉与导柱6的顶部固定连接；所述导套5通过螺钉固定于进给座3的底部上，内部开设花键槽，与导柱6外表面的花键配合，导套5与导柱6通过花键连接构成移动副，实现对导柱6的径向固定和轴向移动；

导柱6的底部通过螺钉与上固定板14固定连接，底部设置有圆柱体凸台，凸台穿过上固定板14通过螺钉与下固定板11固定连接；所述蜗轮蜗杆减速机13的两面通过螺钉固定于上固定板14和下固定板11上；下固定板11上开设圆形通孔，用于蜗轮蜗杆减速机13的旋转法兰盘通过；蜗轮蜗杆减速机13的旋转法兰盘穿过固定板11的通孔通过螺钉与连接板12固定连接；所述球副座7的一端通过螺钉与连接板12固定连接，另一端通过螺纹与球副套8连接，形成球形空间；所述球副座7均匀布置在连接板12上；所述球副杆15由球部和杆部组成，球部位于球副座7和球副套8形成的球形空间中，与球形空间组成球副；球副杆15的杆部伸出球副套8的底部通孔通过螺钉与电磁外壳9的上端面固定连接；电磁外壳9的下端面通过螺钉与柔性底板10固定连接；柔性底板10与作业表面柔性接触；所述永磁铁16通过螺钉与柔性底板10固定连接，位于电磁外壳9内部；所述线圈17绕置于永磁铁16外表面，与永磁铁16和外部电源配合使用形成电磁场。

本实施例中，连接板12采用三角板，三个球副座7均匀布置在连接板12的三个角上；同理，正方形板，四个球副座7均匀布置在连接板12的四个角上；以此类推。

所述动平台1为带加强筋的板状结构，左右两端底面设置有与直线滑台2连接的沉头孔；

所述直线滑台2为一端带电机的直线滑移组模块，其底部滑块设置有用于与进给座3连接的螺纹孔，上端表面设置有与动平台1左右两端底面沉头孔相配合的螺纹孔；

所述进给座3为一无底长方体结构，上部配置有用于连接直线滑台2底部滑块的法兰盘，上部外表面设置有与直线滑台2底部滑块配合的方形槽，用于实现进给座3与底部滑块间的定位，上部内表面设置有用于连接电推杆4的螺纹孔，底面框体设置有与导套5顶部法兰盘相配合的螺纹孔；

所述电推杆4为法兰盘式圆柱阶梯形结构，上端配置有用于与进给座3固定的法兰盘，下端面设置有用于与导柱6连接的螺纹孔；

所述导套5为中空式圆筒形结构，顶部配置有与进给座3底部螺纹孔连接的方形法兰盘；内部开设花键槽，与导柱6外表面的花键配合；导套5与导柱6通过花键连接构成移动副，实现对导柱6的径向固定和轴向移动；

所述导柱6为中空式柱形结构，底部端面开设法兰盘，用于与电推杆4下端面的螺纹孔相配合，底部端面圆周边缘设置法兰盘，用于与上固定板14的沉头孔相配合，底部端面上设置有一端带法兰盘的圆柱体凸台，用于与下固定板11连接，外表面配置有与导套5内表面花键槽配合的花键；

所述蜗轮蜗杆减速机13为一带电机式方形组件，蜗轮蜗杆减速机13上下表面均配置有法兰盘，内部配置旋转法兰盘，旋转法兰盘上开设有沉头孔，用于与连接板12的法兰盘连接；

所述上固定板14为长板状结构，一端开设用于连接蜗轮蜗杆减速机13的上法兰盘的沉头孔，另一端开设用于连接导柱6的沉头孔，上固定板14与导柱6固定一端开设圆形通孔，用于导柱6的圆柱体凸台通过；

所述下固定板11为长板状结构，一端开设用于连接蜗轮蜗杆减速机13的下法兰盘的沉头孔，另一端开设用于连接导柱6的圆柱体凸台法兰盘的沉头孔，下固定板11与蜗轮蜗杆减速机13固定一端开设圆形通孔，用于蜗轮蜗杆减速机13的旋转法兰盘通过；

所述连接板12为板状结构，中心开设圆形定位槽用于蜗轮蜗杆减速机13旋转法兰盘的定位，圆形定位槽内均布螺纹孔用于连接蜗轮蜗杆减速机13，底部均匀配置有用于与球副座7的螺纹孔连接的沉头孔；

所述球副座7为一柱体结构，一端开设螺纹孔用于与连接板12连接，另一端内部有球形安装座，外表面设置有与球副套8连接的外螺纹；

所述球副套8为半球形结构，底部开设有一个大于球副杆15的杆部直径的通孔，保证球副杆15具有移动量，中心开设有与球副杆15配合的空心球槽，顶部内表面开设有与球副座7配合的内螺纹；

所述电磁外壳9为无底圆筒结构，上端面中心配置有用于与球副杆15杆部连接的沉头孔，下端面配置有用于与柔性底板10连接的沉头孔；

所述柔性底板10为以柔性材料制成的圆盘形结构，配置有法兰盘用于连接电磁外壳9下端面的沉头孔，中间配置有一圆形小平台且底部中间开设沉头孔，用于连接永磁铁16；

所述球副杆15由球部(球体)与杆部(圆柱体)组成；杆部配置有用于与电磁外壳9连接的螺纹孔；

所述永磁铁16为由永磁材料制成的柱形结构，一端开设螺纹孔，用于连接柔性底板10中间的沉头孔；

所述线圈17为绕于永磁铁16外表面的导线，用于与永磁铁16配合使用，通过调整线圈电流大小和方向控制电磁场与永磁场的耦合磁场强度，能够实现爬壁机器人运动过程中自适应曲率吸附机构的可靠吸附与灵活抬起。

本发明的工作原理和工作流程是：

在机器人作业前，左、右机械腿的自适应曲率吸附机构与作业表面贴合吸附固定。当左机械腿开始作业，左机械腿在电推杆4与通反向电流的线圈17共同作用下灵活抬起(图7a)，并利用直线滑台2的直线驱动使左机械腿运动到指定位置，同时右机械腿的直线滑台2在电机驱动下作业，实现躯干前进运动(图7b)。两直线滑台2同时驱动使左机械腿和右机械腿达到极限位置时(图7c)，左机械腿在电推杆4与通正向电流的线圈17共同作用下贴合吸附固定时，右机械腿在电推杆4与通反向电流的线圈17共同作用下灵活抬起(图7d)，并利用直线滑台2驱动使左机械腿和右机械腿达到指定位置，两机械腿配合运动使机器人能够连续运动。

机械腿吸附时，球副座7、球副套8与球副杆15配合构成球副，配合球副杆15与球副套8的轴和孔的间隙，保证球副杆15在一定空间内移动，通过球副保证球副杆15的三个旋转自由度，利用至少三个柔性底板10形成的面与被测表面的共面原理，在进给机构的驱动下，使柔性底板10自适应柔性贴合变曲率作业表面，再通过永磁体16和线圈17的配合，调整线圈电流大小和方向控制电磁与永磁耦合磁场强度，能够实现爬壁机器人运动过程中自适应曲率吸附机构的可靠吸附。

需要机器人转向时，自适应曲率吸附机构吸附在作业表面(图8a)，此时蜗轮蜗杆减速机13启动，实现自适应曲率吸附机构与躯干间的旋转，实现爬壁机器人沿任意方向的转弯运动(图8b)，达到全方位旋转以实现爬壁机器人在复杂变曲率作业表面上全方位灵活运动。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，包括躯干和两条机械腿，两条机械腿安装在躯干上；每条机械腿包括进给机构、旋转机构和至少三个自适应曲率吸附机构；其特征在于所述躯干包括动平台和直线滑台；所述进给机构包括进给座、电推杆、导套和导柱；所述旋转机构包括下固定板、连接板、蜗轮蜗杆减速机和上固定板；所述自适应曲率吸附机构包括球副座、球副套、电磁外壳、柔性底板、球副杆、永磁铁和线圈；

两个直线滑台固定于动平台左右两端上；所述直线滑台包括电机、导轨和底部滑块，电机安装在导轨一端，电机驱动底部滑块沿导轨滑动，底部滑块与导轨构成移动副；所述进给座上部固定于直线滑台的底部滑块上；所述电推杆的一端固定于进给座内部，另一端与导柱的顶部连接；所述导套固定于进给座的底部上；所述导套为中空式圆筒形结构，内部开设花键槽，与导柱外表面的花键配合；导套与导柱通过花键连接构成移动副，实现对导柱的径向固定和轴向移动；

导柱的底部与上固定板连接，底部设置有凸台，凸台穿过上固定板与下固定板连接；所述蜗轮蜗杆减速机固定于上固定板和下固定板上；蜗轮蜗杆减速机的旋转法兰盘穿过固定板的通孔与连接板连接；所述球副座的一端与连接板连接，另一端与球副套连接，形成球形空间；所述球副座均匀布置在连接板上；所述球副杆由球部和杆部组成，球部位于球副座和球副套形成的球形空间中，与球形空间组成球副；球副套为半球形结构，底部开设有一个大于球副杆的杆部直径的通孔，保证球副杆具有移动量；球副杆的杆部伸出球副套的底部通孔与电磁外壳的上端面连接；电磁外壳的下端面与柔性底板连接；柔性底板与作业表面柔性接触；所述永磁铁与柔性底板连接，位于电磁外壳内部；所述线圈绕置于永磁铁外表面，与永磁铁和外部电源配合。

2.根据权利要求1所述的基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，其特征在于所述进给座为一无底长方体结构，上部外表面设置有与直线滑台底部滑块配合的方形槽，用于实现进给座与底部滑块间的定位。

3.根据权利要求1所述的基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，其特征在于所述导柱为中空式柱形结构，底部端面上设置有一端带法兰盘的圆柱体凸台，用于与下固定板连接，外表面配置有与导套内表面花键槽配合的花键。

4.根据权利要求1所述的基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，其特征在于所述柔性底板为以柔性材料制成的圆盘形结构。

5.根据权利要求1所述的基于滑移驱动的曲面自适应全方位爬壁机器人，其特征在于所述球副杆由球部的球体与杆部的圆柱体组成。