CN109677497B - 一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，动力驱动模块的前、后端分别连接前端、尾部支撑横梁，前端和/或尾部支撑横梁上设有摄像及传感器按安装模块；动力驱动模块的驱动模块骨架上设有可旋转的前、后皮带轮，皮带张紧于前、后皮带轮上，马达和编码器均连接前皮带轮；驱动模块骨架的底层镶嵌永磁体，永磁体固定于磁体固定和调节模块上，且与驱动模块骨架的距离可以调节。本发明可在不抽出发电机转子的情况下进入发电机定子膛内，对发电机的性能进行检测；使用永磁体提供磁吸力，并可根据吸附面的材质和机器人所需携带的设备的重量调节吸附力的大小，从而使爬壁机器人牢固的吸附于发电机定子膛内，执行各种不同的任务。

Description

一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及爬壁机器人，更具体的说，涉及一种在不抽转子的情况下能够进入发电机/电动机内部并牢固吸附于定子膛内壁执行各种检测任务的爬壁机器人。

背景技术

目前，在工业生产和日常生活中，需要经常对一些大型罐体、管壁或大型机械设备等具有垂直或倾斜面的物体进行检测或探伤，而进行这些工作的环境往往比较恶劣，或者高度受限，不能或不适宜进行直接的人为检测。爬壁机器人是一种特殊的机器人，具有在倾斜、垂直壁面等恶劣环境下进行特种作业的功能，能够从事危险、繁重及人力所不及的工作。例如：石化企业中油罐罐壁检测的清理爬壁机器人，核工业中核设备检测的探伤爬壁机器人，建筑业中高层幕墙清洗爬壁机器人，造船业中焊接、除锈、喷涂爬壁机器人。

在电力行业中，电站设备通常使用年限都比较长。大型发电机组在长期运行中由于老化、振动、磨损等原因导致定子槽楔松动、绝缘损坏和铁心磨损。这些问题如果不被及时发现，将威胁发电机的安全运行，甚至导致电机运行事故。因此，定期对发电机定子膛内部的槽楔松紧状态、绝缘状态和铁心磨损情况进行检测，对电机正常运行具有重要意义。传统的检测方法需要抽出发电机转子，由人携带检测设备进入发电机内部进行检测，需要耗费大量的人力物力，并且检测周期长，检修期间造成的停产损失较大。

美国专利US6889783介绍了一种遥控检测车，该车辆包括至少一个框架模块，框架模块两侧具有一对驱动模块，每个驱动模块包括围绕永磁铁的连续轨道。驱动模块可绕其纵向轴线旋转。框架模块可以安装其他框架模块或装有传感器的末端执行器。每个驱动模块被配置为安装在前横梁和后横梁之间支撑的框架的一侧，电机位于履带一侧，通过齿轮箱与履带驱动轮连接。每个驱动模块的两端具有将其固定到框架前梁或后梁上的装置，在框架和安装托架上都开多个孔，从而驱动模块与框架纵向构件之间的距离可以根据需要通过排列适当的孔并将支架螺栓固定到框架上来选择。托架还包括枢轴，驱动模块可绕枢轴的纵向轴线枢转。该装置中，由于使用框架结构使得车身的灵活性受限，不便于进行放置操作。电机纵向放置通过齿轮箱挂在履带一侧的结构使得驱动模块结构复杂，不便于维护。固定的磁吸力限制了车辆运行灵活性和可携带装置的种类。在携带重量较大的设备时有坠落的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在不抽转子的情况下，能够进入发电机/电动机内部，并牢固吸附于定子膛内壁，执行各种检测任务的爬壁机器人。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：包括动力驱动模块，动力驱动模块的前、后端分别连接前端支撑横梁、尾部支撑横梁，前端支撑横梁和/或尾部支撑横梁上设有摄像及传感器安装模块；

所述动力驱动模块包括驱动模块骨架，驱动模块骨架的前后两端均设有转轴和顶紧螺栓，且驱动模块骨架可以绕转轴旋转；

驱动模块骨架上设有可旋转的前皮带轮和后皮带轮，皮带张紧于前皮带轮和后皮带轮上，马达和编码器均连接前皮带轮；

驱动模块骨架的底层镶嵌永磁体，永磁体固定于磁体固定和调节模块上，磁体固定和调节模块镶嵌于驱动模块骨架的上层，且磁体固定和调节模块与驱动模块骨架的距离可以调节。

优选地，所述动力驱动模块为成对设置，两个动力驱动模块平行设置。

优选地，所述动力驱动模块包括两对或两对以上，相邻对动力驱动模块之间通过中端铰接横梁连接。

优选地，所述中端铰接横梁包括齿型横梁和凹槽横梁，齿型横梁和凹槽横梁嵌套连接并通过轴销固定；齿型横梁和凹槽横梁均可绕轴销转动。

优选地，所述尾部支撑横梁上设有用于辅助将爬壁机器人放入所需环境中的尾部把手。

优选地，所述驱动模块骨架通过前、后两个转轴插入爬壁机器人的相邻装配部件中，根据发电机定子膛内曲率调节驱动模块骨架绕转轴旋转的弧度，待弧度确定后，使用顶紧螺栓将驱动模块骨架与爬壁机器人的装配部件顶紧，使驱动模块骨架的弧度不变。

更优选地，所述转轴嵌入驱动模块骨架中，驱动模块骨架的弧度确定后，通过销子将转轴与驱动模块骨架紧固。

优选地，所述驱动模块骨架中间设有镂空部分，前皮带轮和后皮带轮通过轴承和轴可旋转地设于镂空部分内的两端。

更优选地，所述轴承两侧均设有止动垫圈和挡圈，止动垫圈和挡圈用于固定轴承，保证前后两个轴承的同心度。

更优选地，所述前皮带轮使用的是“D”型中空圆轴，所述马达的轴插入前皮带轮一侧的“D”型中空圆轴内，所述编码器的轴插入前皮带轮另一侧的“D”型中空圆轴内，所述马达和编码器均固定于驱动模块骨架上；所述后皮带轮使用的是带螺纹孔的两端为方形的实心轴，所述螺纹孔内设有螺栓。

优选地，所述马达外部设有马达保护罩。

优选地，所述磁体固定和调节模块通过螺栓镶嵌在驱动模块骨架的中部上层，所述螺栓插入磁体固定和调节模块上的带有螺纹的安装固定孔内，通过调节螺栓插入的深度调节磁体调节和固定模块距驱动模块骨架的距离，进而调节永磁体据吸附面的间距，从而起到调节吸附力大小的作用。

优选地，所述磁体固定和调节模块使用磁屏蔽材质制作，所述驱动模块骨架上镶嵌永磁体的四周涂有磁屏蔽材料。

优选地，所述驱动模块骨架底部设有使用耐磨材料制作的封盖板。

优选地，所述摄像及传感器安装模块包括铝板，铝板前部设有三个摄像模组，三个摄像模组分别为向前方设置、向斜下方设置、向上方设置，且均可在设定的角度范围内旋转；铝板后部设有用于安装传感器的传感器安装支架；铝板后端部设有用于与爬壁机器人的装配部件固定的连接结构。

优选地，所述摄像模组通过螺栓固定在摄像模组安装支架上，各摄像模组均可绕螺栓旋转设定的角度；摄像模组安装支架固定在铝板前部。

优选地，爬壁机器人在发电机定子膛内进行检测作业时，根据实际情况调整各摄像模组的旋转角度，以提高拍摄到的图像质量。

优选地，所述传感器安装支架设于铝板后部下方。

优选地，所述传感器安装支架设有两个或两个以上，相邻传感器安装支架之间的间距可根据所安装的传感器的宽度调整。

优选地，传感器固定支架固定于传感器安装支架上，传感器固定支架内部嵌有弹性机构。

优选地，所述摄像模组包括摄像头，摄像头嵌入两个铝合金结构件之间的槽中并固定，两个铝合金结构件表面各设有一个辅助照明LED模块安装槽，两个辅助照明LED模块分别固定于两个辅助照明LED模块安装槽内，且两个辅助照明LED模块的镜头与摄像头的镜头处于同一平面。

优选地，所述用于与爬壁机器人的装配部件固定的连接结构为螺栓。

优选地，爬壁机器人进入发电机定子膛内时，调整三个摄像模组的角度，通过三个摄像模组拍摄发电机定子膛内的实时画面，并传输至监控设备分析。

更优选地，在光照不足的情况下，辅助照明LED模块根据发电机定子膛内光照情况调节照度，既保证摄像模组的摄像清晰，又不至于因光线过于集中而反光。

相比现有技术，本发明提供的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人具有如下有益效果：

1、可在不抽出发电机转子的情况下进入发电机定子膛内，通过携带不同的检测设备对发电机的性能进行检测；

2、使用永磁体提供磁吸力，并可根据吸附面的材质和机器人所需携带的设备的重量调节吸附力的大小，从而使爬壁机器人牢固的吸附于发电机定子膛内并沿着定子膛内的槽楔前后爬行，执行各种不同的任务；

3、采用可快速更换的模块化设计，各模块均可单独拆分组合，便于安装和更换零部件；

4、在爬壁机器人进入发电机定子膛内时，摄像模块能准确地拍摄定子膛内的实时画面，并传输至监控设备分析；摄像模块集成了低照度、焦距可调的摄像头模组和具有亮度调节功能的辅助照明LED模块，使爬壁机器人在进入发电机定子膛内定子与转子的狭窄空间时，在高度受限、光照不足的情况下仍旧能获得较清晰的图像；辅助照明LED模块根据定子膛内光照情况调节照度，既保证摄像清晰，又不至于因光线过于集中而反光，保证了图像质量；

5、摄像模块上集成了传感器安装支架，根据需要可安装不同的传感器进行不同的检测工作。

附图说明

图1为本实施例提供的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人的顶部视图；

图2为本实施例提供的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人的爆炸视图；

图3为本实施例提供的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人前后两段通过铰接处旋转示意图；（a）旋转前；（b）旋转后；

图4为中端铰接横梁结构示意图；

图5为中端铰接横梁爆炸视图；

图6为一对动力驱动模块示意图；

图7为动力驱动模块爆炸视图；

图8为图7的底视图；

图9为摄像模块爆炸视图；

图10为单一摄像模组的爆炸视图；

图11为基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人在发电机定子膛内的正面视图；

图12为基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人驱动模块在完全水平状态的正面视图；

图13为基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人驱动模块在调整为与机器人本体框架成一定弧度后的正面视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1和图2为本实施例提供的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人示意图，所述的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人由头部的摄像及传感器安装模块1、前端支撑横梁2、前段动力驱动模块3、中端铰接横梁5、后段动力驱动模块4、尾部支撑横梁6和尾部把手7依次连接组成。

摄像及传感器安装模块1，用于在爬壁机器人进入发电机定子膛内时，负责拍摄定子膛内的实时画面并传输至监控设备分析。同时，及传感器安装模块1上集成了传感器安装支架，根据需要可安装不同的传感器进行不同的检测工作。

前端支撑横梁2用于支撑前段动力驱动模块3，并安装摄像及传感器安装模块1。

前段动力驱动模块3、后段动力驱动模块4，用于为爬壁机器人在工作中提供磁吸力和驱动力。

中端铰接横梁5，用于连接前段动力驱动模块3和后段动力驱动模块4；

尾部支撑横梁6，用于支撑后段动力驱动模块4，并安装尾部把手7。

尾部把手7，用于辅助将爬壁机器人放入所需环境中。

前、后段动力驱动模块可根据需要拆分开来单独使用，根据被检测的发电机的功率大小组成长度不同的爬壁机器人使用。整体爬壁机器人采用模块化设计，各模块均可单独拆分组合，便于安装和更换零部件，同时可根据需求更换不同的检测传感器进行不同范畴的作业。

参照图3，当爬壁机器人被组装成具有前后两段动力驱动模块的结构时，为了便于将爬壁机器人放置于需要工作的环境中，前后两段被设计为可绕中端铰接横梁5有上、下3度的旋转空间。

结合图4和图5，中端铰接横梁5包括齿型横梁51和凹槽横梁52，齿型横梁51和凹槽横梁52嵌套连接，并通过轴销31及螺母311固定，齿型横梁51和凹槽横梁52均可绕轴销31转动。

尾部支撑横梁6的结构为中端铰接横梁5的一半，即取齿型横梁51或凹槽横梁52即可。

前段动力驱动模块3与后段动力驱动模块4结构相同，且前段动力驱动模块3和后段动力驱动模块4一般均为成对使用。以后段动力驱动模块4为例，如图6所示，两个后段动力驱动模块4平行设置，两个后段动力驱动模块4的前后两端分别连接中端铰接横梁5、尾部支撑横梁6，如此组装在一起。同样，两个前段动力驱动模块3平行设置，两个前段动力驱动模块3的前后两端分别连接前端支撑横梁2、中端铰接横梁5，如此组装在一起。

结合图6和图7，前段动力驱动模块3、后段动力驱动模块4结构相同，具体为：包括驱动模块骨架8，驱动模块骨架8前后两端均设有转轴20和顶紧螺栓24，驱动模块骨架8通过前、后两个转轴20分别插入爬壁机器人的前端支撑横梁2、尾部支撑横梁6（或中端铰接横梁5）中，且驱动模块骨架8可以绕转轴20旋转一定的弧度。

结合图11~图13，实际作业时，根据发电机定子膛内曲率调节所述弧度，待弧度确定后使用顶紧螺栓24将驱动模块骨架8的前后两端分别与爬壁机器人的前端支撑横梁2、尾部支撑横梁6（或中端铰接横梁5）顶紧，使驱动模块骨架8的弧度不变，保证爬壁机器人在非平面作业时可沿着相应的弧度牢固地吸附。前后两个转轴20嵌入驱动模块骨架8中，通过销子54将转轴20与驱动模块骨架8紧固。

驱动模块骨架8中间设有镂空部分，前皮带轮14和后皮带轮25分别使用两个轴承13和键可旋转地安装于镂空部分内的两端，轴承13两边各安装一个止动垫圈12和挡圈26，用以固定轴承13，保证前后两个轴承的同心度。皮带28穿过驱动模块骨架8中间的镂空部分套在前皮带轮14和后皮带轮25上。

用于安装驱动马达的前皮带轮14使用的是“D”型中空圆轴15；后皮带轮25使用的是带螺纹孔的两端为方形的实心轴27。实心轴27两端大的螺纹孔内穿过两个螺栓50，用以张紧皮带28，同时可调节两个皮带轮的同心度。

马达16通过方形垫片18固定于驱动模块骨架8上。马达16的轴插入“D”型中空圆轴15内。马达16外部设有马达保护罩55，马达保护罩55通过四个螺栓23固定在驱动模块骨架8上，保护马达18在工作中不受撞击。马达16的另一侧为编码器9，用以发送与电机旋转相对应的脉冲信号，控制器通过接收到的脉冲信号计算出爬壁机器人的实时距离。编码器9的安装方式与马达19相同，编码器9使用方形垫片10通过4个固定螺栓11固定于驱动模块骨架8上。

每个驱动模块骨架8的中部底层镶嵌两块永磁体21、上层镶嵌两块磁体固定和调节模块211。永磁体21使用两个螺栓22固定在磁体固定和调节模块211上。磁体固定和调节模块211使用磁屏蔽材质制作。

每块磁体固定和调节模块211通过四个螺栓17镶嵌在驱动模块骨架8的中部上层。磁体固定和调节模块211的安装固定孔都带有螺纹。通过螺栓17可调节磁体固定和调节模块211距驱动模块骨架8的距离，进而调节永磁体21据吸附面的间距，从而起到调节吸附力大小的作用。

驱动模块骨架8中镶嵌永磁体21的四周涂有磁屏蔽材料，用以屏蔽永磁体21四周的磁性，防止对其他传感器模块造成干扰。驱动模块骨架8底部的封盖板19使用耐磨的材料制作，封盖板19通过12个螺栓29固定在驱动模块骨架8底部，用以保护驱动模块免受摩擦。

结合图9和图10，摄像模块整体由三个单一的摄像模组39组成，分别为朝前的摄像模组、45°斜向下的摄像模组和垂直向上的摄像模组。各摄像模组39通过螺栓41固定在摄像模组安装支架38上，每个摄像模组39均可绕螺栓41旋转一定的角度。在发电机定子膛内检测的爬壁机器人进行检测作业时，根据实际情况调整各摄像模组39的旋转角度，提高拍摄到的图像质量。

摄像模组安装支架38通过4个螺栓固定在铝板101前端，铝板101一方面起到保护摄像模组39免受撞击，另一方面，铝板101后端部使用螺栓42和43安装于爬壁机器人的前端支撑横梁2上。铝板101后端下部是两个传感器安装支架35。传感器安装支架35上的键34插入爬壁机器人的前端支撑横梁2上的腰型孔中。两个传感器安装支架35的间距可根据所安装的传感器的宽度调整。弹性机构36嵌在传感器固定支架37内部，传感器固定支架37通过两个螺栓40与传感器安装支架35连接固定。

单一的摄像模组39的结构组成如图4所示。摄像头44嵌入两个铝合金结构件39和45之间的正方形槽中，通过两个螺栓49固定。铝合金结构件39和45的表面各铣出一个方槽，两个辅助照明LED模块46使用螺栓47固定在方槽内，使辅助照明LED模块46与摄像头44的镜头处于同一平面，保证摄像头44有足够的光照度。

本实施例提供的基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人一共有三个导向块30，分别位于前端支撑横梁2下方、中端铰接横梁5下方和尾部支撑横梁6下方，通过固定块32和螺栓33固定。在爬壁机器人运行时，导向快30卡在定子膛内壁的槽楔内，保证爬壁机器人沿直线爬行，不至于跑偏。

应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：包括动力驱动模块，动力驱动模块的前、后端分别连接前端支撑横梁（2）、尾部支撑横梁（6），前端支撑横梁（2）和/或尾部支撑横梁（6）上设有摄像及传感器安装模块（1）；

所述动力驱动模块包括驱动模块骨架（8），驱动模块骨架（8）的前后两端均设有转轴（20）和顶紧螺栓（24），且驱动模块骨架（8）可以绕转轴（20）旋转；

驱动模块骨架（8）上设有可旋转的前皮带轮（14）和后皮带轮（25），皮带（28）张紧于前皮带轮（14）和后皮带轮（25）上，马达（16）和编码器（9）均连接前皮带轮（14）；

驱动模块骨架（8）的底层镶嵌永磁体（21），永磁体（21）固定于磁体固定和调节模块（211）上，磁体固定和调节模块（211）镶嵌于驱动模块骨架（8）的上层，且磁体固定和调节模块（211）与驱动模块骨架（8）的距离可以调节。

2.如权利要求1所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述动力驱动模块为成对设置，两个动力驱动模块平行设置；所述动力驱动模块包括两对或两对以上，相邻对动力驱动模块之间通过中端铰接横梁（5）连接。

3.如权利要求2所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述中端铰接横梁（5）包括齿型横梁（51）和凹槽横梁（52），齿型横梁（51）和凹槽横梁（52）嵌套连接并通过轴销（31）固定；齿型横梁（51）和凹槽横梁（52）均可绕轴销（31）转动。

4.如权利要求1所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述尾部支撑横梁（6）上设有用于辅助将爬壁机器人放入所需环境中的尾部把手（7）。

5.如权利要求1所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述驱动模块骨架（8）通过前、后两个转轴（20）插入爬壁机器人的相邻装配部件中，根据发电机定子膛内曲率调节驱动模块骨架（8）绕转轴（20）旋转的弧度，待弧度确定后，使用顶紧螺栓（24）将驱动模块骨架（8）与爬壁机器人的装配部件顶紧，使驱动模块骨架（8）的弧度不变；

所述转轴（20）嵌入驱动模块骨架（8）中，通过销子（54）将转轴（20）与驱动模块骨架（8）紧固。

6.如权利要求1所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述磁体固定和调节模块（211）通过螺栓（17）镶嵌在驱动模块骨架（8）的中部上层，所述螺栓（17）插入磁体固定和调节模块（211）上的带有螺纹的安装固定孔内，通过调节螺栓（17）插入的深度调节磁体固定和调节模块（211）距驱动模块骨架（8）的距离，进而调节永磁体（21）距吸附面的间距，从而起到调节吸附力大小的作用。

7.如权利要求1所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述磁体固定和调节模块（211）使用磁屏蔽材质制作，所述驱动模块骨架（8）上镶嵌永磁体（21）的四周涂有磁屏蔽材料。

8.如权利要求1所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述摄像及传感器安装模块（1）包括铝板（101），铝板（101）前部设有三个摄像模组（39），三个摄像模组（39）分别为向前方设置、向斜下方设置、向上方设置，且均可在设定的角度范围内旋转；铝板（101）后部设有用于安装传感器的传感器安装支架（35）；铝板（101）后端部设有用于与前端支撑横梁（2）固定的连接结构。

9.如权利要求8所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述摄像模组（39）通过螺栓（41）固定在摄像模组安装支架（38）上，各摄像模组（39）均可绕螺栓（41）旋转设定的角度；摄像模组安装支架（38）固定在铝板（101）前部；发电机定子膛内检测爬壁机器人进行检测作业时，根据实际情况调整各摄像模组（39）的旋转角度。

10.如权利要求9所述的一种基于永磁体具有可变吸附力的爬壁机器人，其特征在于：所述摄像模组（39）包括摄像头（44），摄像头（44）嵌入两个铝合金结构件之间的槽中并固定，两个铝合金结构件表面各设有一个辅助照明LED模块安装槽，两个辅助照明LED模块（46）分别固定于两个辅助照明LED模块安装槽内，且两个辅助照明LED模块（46）的镜头与摄像头（44）的镜头处于同一平面。

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