CN109649517B - 一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人及使用方法，它包括用于产生负压的负压吸附系统，所述负压吸附系统与滚动密封机构相配合，并使滚动密封机构产生负压吸附在流道的侧壁上，所述滚动密封机构通过传动系统与驱动系统相连，所述驱动系统固定安装在负压吸附系统上。该机器人能够用于水电站混凝土流道壁的辅助检修和清理使用，进而大大的提高了其检修效率，保证了施工的安全性，降低了检修成本。

Description

一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人及使用方法

技术领域

本发明涉及一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人，属于水电站混凝土流道检修设备领域。

背景技术

水电站混凝土流道壁面因长期受水流冲击和日晒雨淋会产生麻面、裂缝、凹坑等缺陷，这些缺陷因存在一定的安全隐患，需要进行定期地检查维护。传统检测方式是人工搭建脚手架检修平台登台检测，由于流道尺寸大，该方式存在危险性高、检修工期长、检修范围有限、成本高的缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人及使用方法，该机器人能够用于水电站混凝土流道壁的辅助检修和清理使用，进而大大的提高了其检修效率，保证了施工的安全性，降低了检修成本。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人，它包括用于产生负压的负压吸附系统，所述负压吸附系统与滚动密封机构相配合，并使滚动密封机构产生负压吸附在流道的侧壁上，所述滚动密封机构通过传动系统与驱动系统相连，所述驱动系统固定安装在负压吸附系统上。

所述负压吸附系统包括用于抽负压的吸附电机，所述吸附电机通过电机固定座安装在底板上，所述底板的两侧对称布置有弧形板，所述弧形板之间通过连接板固定相连，所述底板上并与弧形板相邻侧固定安装有多块支撑板，所述底板、弧形板、和滚动密封机构的驱动履带以及密封履带相配合形成负压腔，所述底板上安装有用于监测负压的差压变送器。

所述支撑板上固定安装有箱体，所述箱体内部安装有用于对流道侧壁进行检测的视觉检测系统，在箱体内部还安装有用于对机器人进行位置监测的定位导航系统以及相应的电源模块。

所述驱动系统采用两个直流伺服电机，所述直流伺服电机与电机驱动器相连。

所述传动系统包括减速器，所述减速器的输入轴与驱动系统的直流伺服电机输出轴相连，所述减速器固定安装在减速器安装板上，所述减速器的输出轴安装有主动端同步带轮，所述主动端同步带轮通过第一同步带与从动端同步带轮啮合传动，所述从动端同步带轮通过安装在传动轴上。

所述滚动密封机构包括驱动履带轮、从动履带轮、被动轮和密封履带机构，所述驱动履带轮、从动履带轮和被动轮都通过键配合安装在传动系统的传动轴上，并传递扭矩，所述驱动履带轮通过驱动履带与另一根传动轴上的从动履带轮啮合传动，所述从动履带轮通过密封履带机构的密封履带与支撑轴上的配合从动履带轮啮合传动，所述被动轮通过第一轴端定位元件固定在传动轴上；所述驱动履带采用双层结构，外层采用泡棉材料，并对负压腔左右进行密封，内层粘有一层同步带与驱动履带轮啮合传动，将动力从驱动履带轮传到驱动履带，使机器人在壁面运动。

所述密封履带机构包括多个安装在传动轴上的多个第二同步带轮，相邻两个第二同步带轮之间通过连接件固定相连，所述第二同步带轮之间安装有滚筒，所述滚筒上配合安装有密封履带，所述密封履带对负压腔前后进行密封，所述第二同步带轮通过第二轴端定位元件安装在传动轴上。

所述密封履带采用双层结构，外层采用泡棉材料，并对负压腔前后进行密封，内层两端粘有第二同步带轮与第二同步带轮啮合传动，将动力从第二同步带轮传到密封履带，并给机器人移动提供辅助的驱动力。

所述传动系统与滚动密封机构之间安装有履带张紧装置，所述履带张紧装置包括固定块，所述固定块的一端安装有第一张紧螺杆，另一端安装有第二张紧螺杆，所述第一张紧螺杆的另一端安装有关节轴承，所述关节轴承套装在传动系统的传动轴上，所述固定块套装在滚动密封机构的支撑轴上，所述第二张紧螺杆的另一端安装有连接板，所述连接板与传动系统的减速器安装板固定相连。

任意一项所述基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人对流道侧壁进行检测的使用方法，它包括以下步骤：

Step1：启动负压吸附系统的吸附电机，通过吸附电机对负压腔进行抽真空，通过负压腔使得滚动密封机构的驱动履带以及密封履带与流道侧壁之间产生负压吸附；

Step2：启动驱动系统，通过驱动系统的直流伺服电机驱动传动系统，再由传动系统的减速器驱动主动端同步带轮，再由主动端同步带轮和第一同步带驱动从动端同步带轮，进而通过从动端同步带轮驱动传动轴；

Step3：再由传动轴驱动滚动密封机构，通过滚动密封机构的驱动履带轮带动驱动履带，再由驱动履带与流道侧壁产生负压，在吸附流道侧壁的同时实现整个机器人沿着流道侧壁行走移动；

Step4：在驱动履带行走的同时，通过传动轴驱动从动履带轮，进而通过从动履带轮带动密封履带移动，进而对机器人产生辅助驱动力，同时通过负压吸附系统在密封履带与流道侧壁之间产生负压，使其吸附在流道侧壁上；

Step5：在机器人移动过程中，通过安装在支撑板上的定位导向系统，对机器人进行定位，并远程控制其在流道内壁上移动；

Step6：通过安装在底板上的视觉检测系统对流道内壁进行视觉检测。

本发明有如下有益效果：

1、本发明采用滚动摩擦的密封方式，由于负压腔四周均采用厚履带进行密封，具有密封效果好、直线运动时摩擦阻力小、密封装置不易磨损的优点。

2、本发明履带接地面积大，履带所用泡棉材料回弹性好，使机器人在壁面运动稳定，且对于不平整壁面的适应性好。

3、通过采用上述结构的滚动密封机构能够保证驱动履带与负压吸附系统之间配合形成负压，使履带在运动的同时维持对负压腔的密封，负压腔产生的稳定的吸附力使机器人吸附在壁面上。

4、通过传动系统能够将动力从直流伺服电机传至驱动轮，并起到增加电机输出转矩、减小输出转速的作用。

5、通过密封履带机构用于对负压腔前后进行密封，内层两端粘有一层同步带，用于将动力从同步带轮传至密封履带，为机器人移动提供辅助的驱动力。连接件连接密封履带两侧的同步带轮，并支撑滚筒，滚筒支撑密封履带。

6、通过履带张紧装置能够方便的对履带进行张紧，其结构紧凑，轴间距调节方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1 为本发明爬壁机器人机构简图。

图2 为本发明负压吸附系统机构简图。

图3 为本发明传动系统机构简图。

图4 为本发明滚动密封机构简图。

图5为本发明密封履带传动示意图。

图6为本发明履带张紧装置三维图。

图中：负压吸附系统1、驱动系统2、传动系统3、滚动密封机构4、履带张紧装置5、密封履带机构6；

吸附电机101、电机固定座102、差压变送器103、底板104、弧形板105、连接板106、支撑板107；

减速器301、减速器安装板302、主动端同步带轮303、第一同步带304、从动端同步带轮305、传动轴306；

驱动履带轮401、驱动履带402、从动履带轮403、支撑轴404、被动轮405、第一轴端定位元件406；

第二同步带轮601、第二同步带602、滚筒603、连接件604、密封履带605、第二轴端定位元件606；

关节轴承501、第一张紧螺杆502、固定块503、第二张紧螺杆504、连接板505。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

请参阅图1-6，一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人，它包括用于产生负压的负压吸附系统1，所述负压吸附系统1与滚动密封机构4相配合，并使滚动密封机构4产生负压吸附在流道的侧壁上，所述滚动密封机构4通过传动系统3与驱动系统2相连，所述驱动系统2固定安装在负压吸附系统1上。通过采用上述结构，其利用履带在运动的同时维持对负压腔的密封效果，具有吸附能力强、负载大、运动阻力小、密封装置不易磨损、对壁面凹槽和凸起的适应能力较强等特点；本发明能够携带视觉检测系统完成壁面缺陷检测任务，相比于人工检测，可以提高检测效率，降低人工检测的风险，增大建筑物外表面的检测范围，准确完整地记录检测结果。

进一步的，所述负压吸附系统1包括用于抽负压的吸附电机101，所述吸附电机101通过电机固定座102安装在底板104上，所述底板104的两侧对称布置有弧形板105，所述弧形板105之间通过连接板106固定相连，所述底板104上并与弧形板105相邻侧固定安装有多块支撑板107，所述底板104、弧形板105、和滚动密封机构4的驱动履带402以及密封履带605相配合形成负压腔，所述底板104上安装有用于监测负压的差压变送器103。通过负压吸附系统1主要用于产生负压，进而使得整个机器人能够吸附在流道侧壁上，以方便其行走。工作过程中，利用吸附电机101抽出负压腔内的空气，并通过四周履带维持腔内负压值，使爬壁机器人吸附在壁面上，所述连接板可提高弧形板刚度。

进一步的，所述支撑板107上固定安装有箱体，所述箱体内部安装有用于对流道侧壁进行检测的视觉检测系统，在箱体内部还安装有用于对机器人进行位置监测的定位导航系统以及相应的电源模块。通过上述的视觉检测系统能够对流道侧壁进行视觉检测，通过导航系统能够实现其定位和导航，进而实现其自动化行走操作。

进一步的，所述驱动系统2采用两个直流伺服电机，所述直流伺服电机与电机驱动器相连。通过直流伺服电机为两驱动轮提供动力。

进一步的，所述传动系统3包括减速器301，所述减速器301的输入轴与驱动系统2的直流伺服电机输出轴相连，所述减速器301固定安装在减速器安装板302上，所述减速器301的输出轴安装有主动端同步带轮303，所述主动端同步带轮303通过第一同步带304与从动端同步带轮305啮合传动，所述从动端同步带轮305通过安装在传动轴306上。通过上述的传动系统3，工作过程中，通过减速器301驱动主动端同步带轮303，再由主动端同步带轮303和第一同步带304驱动从动端同步带轮305，进而通过从动端同步带轮305驱动传动轴306

进一步的，所述滚动密封机构4包括驱动履带轮401、从动履带轮403、被动轮405和密封履带机构6，所述驱动履带轮401、从动履带轮403和被动轮405都通过键配合安装在传动系统3的传动轴306上，并传递扭矩，所述驱动履带轮401通过驱动履带402与另一根传动轴306上的从动履带轮401啮合传动，所述从动履带轮403通过密封履带机构6的密封履带605与支撑轴404上的配合从动履带轮啮合传动，所述被动轮405通过第一轴端定位元件406固定在传动轴306上；所述驱动履带401采用双层结构，外层采用泡棉材料，并对负压腔左右进行密封，内层粘有一层同步带与驱动履带轮401啮合传动，将动力从驱动履带轮401传到驱动履带402，使机器人在壁面运动。

进一步的，所述密封履带机构6包括多个安装在传动轴306上的多个第二同步带轮601，相邻两个第二同步带轮601之间通过连接件604固定相连，所述第二同步带轮601之间安装有滚筒603，所述滚筒603上配合安装有密封履带605，所述密封履带605对负压腔前后进行密封，所述第二同步带轮601通过第二轴端定位元件606安装在传动轴306上。

进一步的，所述密封履带605采用双层结构，外层采用泡棉材料，并对负压腔前后进行密封，内层两端粘有第二同步带轮601与第二同步带轮601啮合传动，将动力从第二同步带轮601传到密封履带605，并给机器人移动提供辅助的驱动力。

进一步的，所述传动系统3与滚动密封机构4之间安装有履带张紧装置5，所述履带张紧装置5包括固定块503，所述固定块503的一端安装有第一张紧螺杆502，另一端安装有第二张紧螺杆504，所述第一张紧螺杆502的另一端安装有关节轴承501，所述关节轴承501套装在传动系统3的传动轴306上，所述固定块503套装在滚动密封机构4的支撑轴404上，所述第二张紧螺杆504的另一端安装有连接板505，所述连接板505与传动系统3的减速器安装板302固定相连。在使用过程中，可以通过调节第二张紧螺杆504和第一张紧螺杆502进而对密封履带605之间的间距进行调节。

实施例2：

任意一项所述基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人对流道侧壁进行检测的使用方法，它包括以下步骤：

Step1：启动负压吸附系统1的吸附电机101，通过吸附电机101对负压腔进行抽真空，通过负压腔使得滚动密封机构4的驱动履带402以及密封履带605与流道侧壁之间产生负压吸附；

Step2：启动驱动系统2，通过驱动系统2的直流伺服电机驱动传动系统3，再由传动系统3的减速器301驱动主动端同步带轮303，再由主动端同步带轮303和第一同步带304驱动从动端同步带轮305，进而通过从动端同步带轮305驱动传动轴306；

Step3：再由传动轴306驱动滚动密封机构4，通过滚动密封机构4的驱动履带轮401带动驱动履带402，再由驱动履带402与流道侧壁产生负压，在吸附流道侧壁的同时实现整个机器人沿着流道侧壁行走移动；

Step4：在驱动履带402行走的同时，通过传动轴306驱动从动履带轮403，进而通过从动履带轮403带动密封履带605移动，进而对机器人产生辅助驱动力，同时通过负压吸附系统1在密封履带605与流道侧壁之间产生负压，使其吸附在流道侧壁上；

Step5：在机器人移动过程中，通过安装在支撑板107上的定位导向系统，对机器人进行定位，并远程控制其在流道内壁上移动；

Step6：通过安装在底板2上的视觉检测系统对流道内壁进行视觉检测。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人，其特征在于：它包括用于产生负压的负压吸附系统（1），所述负压吸附系统（1）与滚动密封机构（4）相配合，并使滚动密封机构（4）产生负压吸附在流道的侧壁上，所述滚动密封机构（4）通过传动系统（3）与驱动系统（2）相连，所述驱动系统（2）固定安装在负压吸附系统（1）上；

所述负压吸附系统（1）包括用于抽负压的吸附电机（101），所述吸附电机（101）通过电机固定座（102）安装在底板（104）上，所述底板（104）的两侧对称布置有弧形板（105），所述弧形板（105）之间通过连接板（106）固定相连，所述底板（104）上并与弧形板（105）相邻侧固定安装有多块支撑板（107），所述底板（104）、弧形板（105）、和滚动密封机构（4）的驱动履带（402）以及密封履带（605）相配合形成负压腔，所述底板（104）上安装有用于监测负压的差压变送器（103）；

所述滚动密封机构（4）包括驱动履带轮（401）、从动履带轮（403）、被动轮（405）和密封履带机构（6），所述驱动履带轮（401）、从动履带轮（403）和被动轮（405）都通过键配合安装在传动系统（3）的传动轴（306）上，并传递扭矩，所述驱动履带轮（401）通过驱动履带（402）与另一根传动轴（306）上的从动履带轮（403）啮合传动，所述从动履带轮（403）通过密封履带机构（6）的密封履带（605）与支撑轴（404）上的配合从动履带轮啮合传动，所述被动轮（405）通过第一轴端定位元件（406）固定在传动轴（306）上；所述驱动履带（402）采用双层结构，外层采用泡棉材料，并对负压腔左右进行密封，内层粘有一层同步带与驱动履带轮（401）啮合传动，将动力从驱动履带轮（401）传到驱动履带（402），使机器人在壁面运动；

所述密封履带机构（6）包括多个安装在传动轴（306）上的多个第二同步带轮（601），相邻两个第二同步带轮（601）之间通过连接件（604）固定相连，所述第二同步带轮（601）之间安装有滚筒（603），所述滚筒（603）上配合安装有密封履带（605），所述密封履带（605）对负压腔前后进行密封，所述第二同步带轮（601）通过第二轴端定位元件（606）安装在传动轴（306）上；

所述密封履带（605）采用双层结构，外层采用泡棉材料，并对负压腔前后进行密封，内层两端粘有第二同步带轮（601）与第二同步带轮（601）啮合传动，将动力从第二同步带轮（601）传到密封履带（605），并给机器人移动提供辅助的驱动力；

所述传动系统（3）包括减速器（301），所述减速器（301）的输入轴与驱动系统（2）的直流伺服电机输出轴相连，所述减速器（301）固定安装在减速器安装板（302）上，所述减速器（301）的输出轴安装有主动端同步带轮（303），所述主动端同步带轮（303）通过第一同步带（304）与从动端同步带轮（305）啮合传动，所述从动端同步带轮（305）通过安装在传动轴（306）上；

所述传动系统（3）与滚动密封机构（4）之间安装有履带张紧装置（5），所述履带张紧装置（5）包括固定块（503），所述固定块（503）的一端安装有第一张紧螺杆（502），另一端安装有第二张紧螺杆（504），所述第一张紧螺杆（502）的另一端安装有关节轴承（501），所述关节轴承（501）套装在传动系统（3）的传动轴（306）上，所述固定块（503）套装在滚动密封机构（4）的支撑轴（404）上，所述第二张紧螺杆（504）的另一端安装有连接板，所述连接板与传动系统（3）的减速器安装板（302）固定相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人，其特征在于：所述支撑板（107）上固定安装有箱体，所述箱体内部安装有用于对流道侧壁进行检测的视觉检测系统，在箱体内部还安装有用于对机器人进行位置监测的定位导航系统以及相应的电源模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人，其特征在于：所述驱动系统（2）采用两个直流伺服电机，所述直流伺服电机与电机驱动器相连。

4.采用权利要求1-3任意一项所述基于滚动密封的负压吸附履带式爬壁机器人对流道侧壁进行检测的使用方法，其特征在于它包括以下步骤：

Step1：启动负压吸附系统（1）的吸附电机（101），通过吸附电机（101）对负压腔进行抽真空，通过负压腔使得滚动密封机构（4）的驱动履带（402）以及密封履带（605）与流道侧壁之间产生负压吸附；

Step2：启动驱动系统（2），通过驱动系统（2）的直流伺服电机驱动传动系统（3），再由传动系统（3）的减速器（301）驱动主动端同步带轮（303），再由主动端同步带轮（303）和第一同步带（304）驱动从动端同步带轮（305），进而通过从动端同步带轮（305）驱动传动轴（306）；

Step3：再由传动轴（306）驱动滚动密封机构（4），通过滚动密封机构（4）的驱动履带轮（401）带动驱动履带（402），再由驱动履带（402）与流道侧壁产生负压，在吸附流道侧壁的同时实现整个机器人沿着流道侧壁行走移动；

Step4：在驱动履带（402）行走的同时，通过传动轴（306）驱动从动履带轮（403），进而通过从动履带轮（403）带动密封履带（605）移动，进而对机器人产生辅助驱动力，同时通过负压吸附系统（1）在密封履带（605）与流道侧壁之间产生负压，使其吸附在流道侧壁上；

Step5：在机器人移动过程中，通过安装在支撑板（107）上的定位导向系统，对机器人进行定位，并远程控制其在流道内壁上移动；

Step6：通过安装在底板上的视觉检测系统对流道内壁进行视觉检测。

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