CN109606495A - 磁吸附攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁吸附攀爬机器人，包括磁性车轮、驱动车体和转向车体，所述驱动车体包括驱动车体主体和动力驱动装置，两个磁性车轮安装在驱动车体主体上，通过动力驱动装置驱动，作为驱动后轮；所述转向车体包括转向车体主体和转向装置，两个磁性车轮安装在转向车体主体上，通过转向装置控制转向，作为转向前轮，所述驱动车体主体和转向车体主体之间通过一个具体转动自由度的悬挂装置相连。本发明将永磁体创新的与车轮结合，实现了车轮的稳定吸附，为后面的图像传输部件、机械臂部件、超声波探伤部件的正常工作创造了可能。

Description

磁吸附攀爬机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种攀爬机器人，具体涉及一种磁吸附攀爬机器人，可以携带机械臂、高清图传设备、超声波探伤设备的多功能机器检测平台。

背景技术

我国在港口起重机领域占有重要地位，以上海振华为代表中国企业世界起重机板块牢牢占据着一席之地。起重机，尤其是大型岸桥起重机的监控与检修也变得越来越重要。

金属设备的无损检测主要有X射线无损探伤、电磁超声、超声波、涡流探伤、漏磁探伤、渗透探伤、磁粉探伤等，本发明携带的检测设备为超声无损探伤仪，可以不需要工人携带探伤头到起重机上进行检测，简化起重机安全评价和寿命评估，间接提高起重机的安全性，具有较大的研究意义和应用前景。由于起重机体积较大、结构复杂，检测人员工作量大，安全性低，而且起重机有些部分难以检测。起重机的超声波探伤交由机器人完成将能够大大提高工人的安全性与生产效率。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201710367820.8，该技术公开了一种自适应接触的磁性履带攀爬机器人。其结构包括两条履带、驱动电机、自适应摇臂以及其他必要结构。该机器人可以利用摇臂的伸缩实现履带与接触面的自适应，提高可靠性。但该机构过于庞大笨重，并且越障性能不足，无法适应在起重机上全方位攀爬的要求。

中国发明专利申请号201810275240.0，该技术公开了一种多功能消防灭火机器人。其工作机构包括可调节高度的高压喷头、摄像头、用于驱散浓烟的大功率电扇以及用于移动的普通履带。该机构搭载了很多工作部件，结构紧凑，灭火效果好，在平面上具有较好的移动性能，但是无法胜任金属壁面的攀爬要求。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术的不足，开发一种可以携带相关设备在港口起重机上全方位工作的攀爬机器人。本发明利用永磁体吸附原理，巧妙地与车轮联系起来，使小车可以在金属壁面上正常行驶，达到全方位移动的目的。与传统履带机器人相比，本发明转向灵活，控制简便，功能完善，并且具有低成本与高可靠性的优点。本发明攀爬机器人能在起重机结构表面移动攀爬，并能承载相机等图传设备进行图像信息回传，配备有机械臂与超声波探伤仪，降低工人的劳动强度，提高生产效率。

同时，本机器人采用单片机进行控制，该单片机控制两台各自独立的驱动器，每台驱动器分别控制一个步进电机，配备有行星轮减速器；单片机还控制一个转向舵机，用于控制车辆转向。图传设备、机械臂和WiFi无线控制模块也由这台单片机集中控制。控制模块简单可靠。

另外，本发明采用后轮各自独立驱动的方式，既可以提供强大的驱动力，又可以取消差速器，简化机械结构，提高可靠性。考虑到应对起重机全方位攀爬的要求，本机器人车轮沿圆周布置有矩形钕铁硼永磁体，做到了小车在任何工况下都能提供足够的吸附力，确保稳定性与安全性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种磁吸附攀爬机器人，其特征在于：包括磁性车轮、驱动车体和转向车体，所述驱动车体包括驱动车体主体和动力驱动装置，两个磁性车轮安装在驱动车体主体上，通过动力驱动装置驱动，作为驱动后轮；所述转向车体包括转向车体主体和转向装置，两个磁性车轮安装在转向车体主体上，通过转向装置控制转向，作为转向前轮，所述驱动车体主体和转向车体主体之间通过一个具体转动自由度的悬挂装置相连。

优选的，所述驱动装置包括两个步进电机、电机输出轴、电机减速器和与步进电机对应的步进电机驱动器，所述电机输出轴、电机减速器和步进电机依次相连为一体化结构，两个步进电机分别通过两个步进电机支架安装在驱动车体主体后端两侧底部，所述步进电机驱动器通过步进电机驱动器支架安装在相应步进电机侧方的驱动车体主体上，两个磁性车轮安装在相应步进电机的电机输出轴上。

优选的，所述悬挂装置包括两个转动副轴承和一个悬挂中轴，两个转动副轴承分别固定安装在驱动车体主体和转向车体主体的底部，悬挂中轴穿过两个转动副轴承相连。

优选的，所述转向装置包括两个转向块、平行四边形拉杆机构和转向舵机，两个转向块分别通过两个竖直方向的转动副安装在转向车体主体两侧底部，两个磁性车轮分别通过两个车轮轴安装在两个转向块上，所述平行四边形拉杆机构将两个转向块相连，并通过转动连杆连接到转向舵机的输出轴上，所述转向舵机固定安装在转向车体主体底部，所述转动转向舵机通过转动连杆和平行四边形拉杆机构拉动两个转向块转动，从而实现车轮转向。

优选的，所述车轮轴一端通过轴锁紧环和双轴承法兰座安装在转向块上，另一端与磁性车轮相连。

优选的，所述平行四边形拉杆机构包括依次通过鱼眼轴承铰接相连的杆一、杆二、杆三和杆四，其中杆一固定在一个转向块上，杆三穿过并固定在另一个转向块上，杆三一端与杆二铰接相连，另一端与转动连杆一端铰接相连，转动连杆另一端固定在转动转向舵机的输出轴上。

优选的，安装转向块的转动副包括转向板、两个球头轴承和转向轴，两个球头轴承在竖直方向同心的安装在转向板上，所述转向板通过转向板支架安装在转向车体主体两侧底部，转向块通过两个转向轴安装在两个球头轴承之间。

优选的，所述转向车体主体前端顶部设有超声波探测装置，所述超声波探测装置包括直流电机、超声波探头和超声波探头支架，所述超声波探头固定安装在超声波探头支架底部，超声波探头支架顶部通过摆杆与直流电机的输出轴固定相连，通过直流电机可以驱动超声波探头在转向车体主体前方摆动。

优选的，所述磁吸车轮包括两个车轮支架、两个永磁体支架、永磁体和法兰联轴器，所述两个车轮支架之间通过连接柱固定相连，两个永磁体支架分别固定安装在相应的车轮支架上，所述永磁体支架四周设有多个用于安装永磁体的固定片，车轮轴通过法兰联轴器与其中一个车轮支架固定相连。

优选的，所述车轮支架为塑料制成的圆盘，法兰联轴器与圆盘通过螺栓相连，所述永磁体支架为环形支架，固定片上设有安装永磁体的螺孔，所述永磁体为矩形永磁体，矩形永磁体通过螺栓固定安装在两个永磁体支架之间对应的固定片上。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明改进的磁性车轮更适用于港口起重机的全方位攀爬，本发明将永磁体创新的与车轮结合，实现了车轮的稳定吸附，为后面的图像传输部件、机械臂部件、超声波探伤部件的正常工作创造了可能。转向车体与驱动车体采用分体式设计，在不影响刚度的情况下改善了四个车轮与金属壁面的接触状况，间接提高了永磁体吸附力。转向装置利用转向杆的平行四边形原理实现转向，互换性高，可调性好，可以根据不同的工况要求调节合适的力矩与转向角度。本发明的工作部件具有互换性，可以根据不同的需求选配合适的部件，适应能力强。

附图说明

图1是本发明磁吸附攀爬机器人的整体示意图；

图2是驱动车体俯视图；

图3是驱动车体底部示意图；

图4是转向车体底部示意图；

图5是转向车体俯视图；

图6是转向块系统爆炸示意图；

图7是驱动车体和转向车体连接分解示意图

图8是驱动车体和转向车体连接示意图；

图9是磁性车轮爆炸示意图；

图10是磁性车轮组装示意图；

图11是磁性车轮加永磁铁装配示意图；

图12是固定在磁性车轮外圆面上的防滑硅胶垫。

图中，Ⅰ-磁性车轮，Ⅱ-驱动车体，Ⅲ-转向车体，1-动力电池，2-驱动车体主体，3-步进电机，4-电机减速器，5-输出轴套，6-电机输出轴，7-步进电机支架，8-电机驱动器，9-电机驱动器支架，10-悬挂中轴，11-转动副轴承，12-转向车体主体，13-转向板支架，14-转向板，15-上球头轴承，16-转向块，17-轴锁紧环，18-车轮轴，19-平行四边形拉杆机构，20-下球头轴承，21-转向舵机，22-双轴承法兰座，23-太阳形永磁体支架甲，24-车轮主体甲，25-六角铜柱，26-法兰联轴器，27-车轮主体乙，28-太阳形永磁体支架乙，29-矩形永磁体，30-超声波探头支架，31-超声波探头，32-转向轴，33-转动连杆，34-杆一，35-杆二，36-杆三，37-杆四，38-摆杆，39-直流电机，40-固定片，41-防滑硅胶垫。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的机器人包括：磁性车轮Ⅰ，驱动车体Ⅱ，转向车体Ⅲ。

如图2所示，本发明的驱动车体Ⅱ包括：车体支撑结构，动力驱动装置。

车体支撑结构包括驱动车体主体2、步进电机驱动器支架9和步进电机支架7。动力驱动装置包括步进电机驱动器8、步进电机3、步进电机减速器4和输出轴套5。如图3所示，每个步进电机驱动器8一侧设置有螺栓孔，与两个驱动器支架9通过螺栓稳固连接，驱动器支架9为L型支架，驱动器支架9通过其另一边的螺栓孔与驱动车体主体2稳固连接，可以限制住步进电机驱动器8的所有自由度。步进电机支架7也为L型支架，步进电机支架7通过一边的螺栓孔与驱动车体主体2稳固连接，另一边也通过螺栓和电机减速器4固定。所述步进电机3的电机输出轴6中部固定有输出轴套5，避免磁性车轮Ⅰ与步进电机支架7摩擦。

如图4所示，本发明的转向车体Ⅲ包括：转向装置、转向车体主体12和悬挂装置。

本发明的转向装置分为车轮旋转系统和平行四边形拉杆机构，转向板支架13为L型支架，转向板支架13一边通过螺栓和转向车体主体12稳固连接，另一边通过螺栓固定转向板14。转向板14上下端部均设置有螺栓孔，上球头轴承15和下球头轴承20固定在该螺栓孔上。

其中，转向块16上下设置有螺栓孔，螺栓孔内设有转向轴3232，转向轴3232与上球头轴承15和下球头轴承20的内圈稳固连接。双轴承法兰座22的中心孔与转向块16的中间通孔重合，内嵌式安装在一起。双轴承法兰座22内设有两个轴承，车轮轴18从双轴承法兰座22中部伸出，且与其内轴承的内圈固定相连，车轮轴18其一端是大头扁圆，起到定位作用，另一边设置有轴锁紧环17，固定住车轮轴18，防止车轮轴18与转向块16在轴向相对运动。车轮轴18伸出端与磁性车轮Ⅰ的法兰联轴器26固定连接。

另外，平行四边形拉杆机构的构成方式如下：所述平行四边形拉杆机构包括依次通过鱼眼轴承铰接相连的杆一34、杆二35、杆三36和杆四37，转向块16前后两侧均设置有螺纹孔，其中杆一34通过螺纹固定在一个转向块16上，杆三36穿过并通过螺纹固定在另一个转向块16上，平行四边形拉杆机构19各自端部的通孔同心，用螺栓连接形成铰接，杆三36一端与杆二35铰接相连，另一端与转动连杆33一端铰接相连，转动连杆33另一端固定在转动转向舵机的输出轴上，实现转向舵机动力的传输，达到转向目的。转向块上下支架选用球头轴承，不仅可以保证转向块转向时沿Z轴的自由度，还可以抵抗一定的安装及加工误差，并且润滑方便，便于维护。转向块内嵌的车轮轴一端直径增大，大于双轴承法兰座，另一部分设置有柱端卡紧装置。转向装置的平行四边形拉杆机构各个连杆之间采用鱼眼轴承链接，不仅可以保证转向杆转向时沿Z轴的自由度，还可以抵抗转向装置的上下波动与一定的安装及加工误差，并且润滑方便，便于维护。

如图6所示，本发明转向系统里的车轮旋转系统爆炸图详细展示了上球头轴承15、下球头轴承20、双轴承法兰座22、车轮轴18、轴锁紧环17与转向块16的连接方式。

如图7所示，悬挂装置由固定在驱动车体主体2前端底部的转动副轴承11、固定在转向车体主体12后端底部的转动副轴承11以及悬挂中轴10构成，悬挂中轴10穿过两个转动副轴承11，与转动副轴承11的内圈固定相连。

如图8所示，两个转动副轴承11通过螺栓固定在两块车体主体端部，悬挂中轴10穿过转动副轴承11的中心孔将前后车体连接在一起，使车辆的前后轮具有一定的适应不平路面的能力，起到悬挂的作用，增强车辆的越障能力，提高可靠性。

如图9所示，磁性车轮Ⅰ由太阳形永磁体支架甲23、车轮主体甲24、六角铜柱25、法兰联轴器26、车轮主体乙27、太阳形永磁体支架28以及矩形永磁体29构成。由双轴承法兰座22中伸出的车轮轴18的一端固定在法兰联轴器26上。法兰联轴器26的大圆面通过螺栓与车轮主体乙27固定相连。车轮主体乙27的外侧通过螺栓安装有太阳形永磁体支架乙28，车轮主体甲24与车轮主体乙27之间通过六角铜柱25刚性连接。车轮主体甲24左侧通过螺栓固定有太阳形永磁体支架23，太阳形永磁体支架甲23和太阳形永磁体支架乙28四周均设有呈太阳形分别的固定片40，固定片40上设有螺栓孔。通过六角铜柱与太阳形车轮支架的结合，极大地提高了磁性车轮的稳固性与可靠性。另外，车轮主体甲嵌套在法兰联轴器的中轴空心处，提高了磁性车轮的承载能力，使车轮主体乙仅承受扭矩，承弯矩较小，减小了车轮的变形。

沿磁性车轮圆周均布的永磁体外圆包裹一层防滑硅胶垫41，额外增加了防滑耐磨材料。由于永磁体对钢铁的摩擦因数很小，无法提供足够的摩擦力；永磁体由粉末烧结加工而成，耐冲击能力差，容易受损。增设耐磨防滑材料后，不仅可以提高摩擦力，还可以减轻永磁体所受到的冲击，提高使用寿命。

本发明车体采用大量镂空设计，在不影响刚度的情况下减轻重量，也提供了足够数量的螺栓固定孔位。

如图10所示为尚未安装矩形永磁体29的车轮装配示意图，它展示了磁性车轮Ⅰ的内部结构，矩形永磁体29通过螺钉安装在太阳形永磁体支架甲23和太阳形永磁体支架乙28四周的固定片40上，通过上述结构设计可以大大减轻磁性车轮Ⅰ本身的自重，增加磁性车轮Ⅰ在行走面的吸附能力。

如图11所示为完整的车轮转配图，它展示了工作状态下车轮的姿态。

如图5所示，所述转向车体主体12前端顶部设有超声波探测装置，所述超声波探测装置包括直流电机39、超声波探头31和超声波探头支架30，所述超声波探头31固定安装在超声波探头支架30底部，超声波探头支架30顶部通过摆杆38与直流电机39的输出轴固定相连，通过直流电机39可以驱动超声波探头31在转向车体主体前方摆动。

如图1所示，驱动车体主体2上还设有给整个磁吸附攀爬机器人供电的动力电池1。

本磁吸附攀爬机器人工作时：首先将超声波探头31回正，将转向舵机21回正，用做驱动的步进电机3对位归零。当两侧的步进电机3同步运动时，机器人实现前后运动。当转向舵机21旋转并锁定时，机器人实现转向运动。当超声波探头31旋转时，机器人对车辆前方的区域进行探伤作业。

具体的驱动工作为：当驱动车体上的步进电机驱动器8控制步进电机3以相同速度向前旋转时，机器人将沿直线前进，此时如果转向舵机21控制平行四边形连杆机构转向，就可以实现向前左右转向。当驱动车体上的步进电机驱动器8控制步进电机3以相同速度向后旋转时，机器人将沿直线后退，此时如果转向舵机21控制平行四边形连杆机构转向，且就可以实现向后左右转向。

超声波探头支架30与转向车体12连接的地方安装有扁圆柱形的直流电机39，通过这个直流电机39的旋转，可以精确控制超声波探头31在一定范围内进行检测。探头接收到的反馈信号会被机器人搭载的单片机收集，并通过机器人上的WiFi模块实时传输到地点人员的处理设备中，进行后期的分析处理。

本发明的一种基于永磁体吸附原理设计的金属壁攀爬机器人，其磁性车轮Ⅰ可以让它在港口岸桥起重机的外表面进行自由爬行，在任意的空间位置下机器人都可以稳定吸附在金属壁表面。搭载的超声波探头31具备金属裂纹检测功能，并能通过WiFi模块实时回传数据进行分析。本机器人同样适用于船体侧面等平面或大曲面金属壁的裂纹检测，具备极强的自适应性，适合在各类金属壁面上应用推广。

Claims (10)

1.一种磁吸附攀爬机器人，其特征在于：包括磁性车轮、驱动车体和转向车体，所述驱动车体包括驱动车体主体和动力驱动装置，两个磁性车轮安装在驱动车体主体上，通过动力驱动装置驱动，作为驱动后轮；所述转向车体包括转向车体主体和转向装置，两个磁性车轮安装在转向车体主体上，通过转向装置控制转向，作为转向前轮，所述驱动车体主体和转向车体主体之间通过一个具体转动自由度的悬挂装置相连。

2.如权利要求1所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述驱动装置包括两个步进电机、电机输出轴、电机减速器和与步进电机对应的步进电机驱动器，所述电机输出轴、电机减速器和步进电机依次相连为一体化结构，两个步进电机分别通过两个步进电机支架安装在驱动车体主体后端两侧底部，所述步进电机驱动器通过步进电机驱动器支架安装在相应步进电机侧方的驱动车体主体上，两个磁性车轮安装在相应步进电机的电机输出轴上。

3.如权利要求2所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述悬挂装置包括两个转动副轴承和一个悬挂中轴，两个转动副轴承分别固定安装在驱动车体主体和转向车体主体的底部，悬挂中轴穿过两个转动副轴承相连。

4.如权利要求3所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述转向装置包括两个转向块、平行四边形拉杆机构和转向舵机，两个转向块分别通过两个竖直方向的转动副安装在转向车体主体两侧底部，两个磁性车轮分别通过两个车轮轴安装在两个转向块上，所述平行四边形拉杆机构将两个转向块相连，并通过转动连杆连接到转向舵机的输出轴上，所述转向舵机固定安装在转向车体主体底部，所述转动转向舵机通过转动连杆和平行四边形拉杆机构拉动两个转向块转动，从而实现车轮转向。

5.如权利要求4所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述车轮轴一端通过轴锁紧环和双轴承法兰座安装在转向块上，另一端与磁性车轮相连。

6.如权利要求4所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述平行四边形拉杆机构包括依次通过鱼眼轴承铰接相连的杆一、杆二、杆三和杆四，其中杆一固定在一个转向块上，杆三穿过并固定在另一个转向块上，杆三一端与杆二铰接相连，另一端与转动连杆一端铰接相连，转动连杆另一端固定在转动转向舵机的输出轴上。

7.如权利要求4所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：安装转向块的转动副包括转向板、两个球头轴承和转向轴，两个球头轴承在竖直方向同心的安装在转向板上，所述转向板通过转向板支架安装在转向车体主体两侧底部，转向块通过两个转向轴安装在两个球头轴承之间。

8.如权利要求1至7任意一项所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述转向车体主体前端顶部设有超声波探测装置，所述超声波探测装置包括直流电机、超声波探头和超声波探头支架，所述超声波探头固定安装在超声波探头支架底部，超声波探头支架顶部通过摆杆与直流电机的输出轴固定相连，通过直流电机可以驱动超声波探头在转向车体主体前方摆动。

9.如权利要求4至7任意一项所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述磁吸车轮包括两个车轮支架、两个永磁体支架、永磁体和法兰联轴器，所述两个车轮支架之间通过连接柱固定相连，两个永磁体支架分别固定安装在相应的车轮支架上，所述永磁体支架四周设有多个用于安装永磁体的固定片，车轮轴通过法兰联轴器与其中一个车轮支架固定相连。

10.如权利要求9所述的磁吸附攀爬机器人，其特征在于：所述车轮支架为塑料制成的圆盘，法兰联轴器与圆盘通过螺栓相连，所述永磁体支架为环形支架，固定片上设有安装永磁体的螺孔，所述永磁体为矩形永磁体，矩形永磁体通过螺栓固定安装在两个永磁体支架之间对应的固定片上。