CN110001807A - 一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块 - Google Patents

Abstract

一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，包括主动轮、从动轮以及设置于主动轮、从动轮之间的一对摇摆支撑轮组件，通过履带连接传动；在摇摆支撑轮组件上设置有与主动轮、从动轮轴线平行的摇摆轴，在摇摆轴上连接有永磁吸附板，在永磁吸附板的两端安装有一对与摇摆轴平行的行走支撑轮；所述永磁吸附板与一对行走支撑轮绕摇摆轴的轴线方向有一转动自由度，使得履带通过永磁吸附板、行走支撑轮贴紧导磁壁面。本发明由于在行走支撑轮绕摇摆轴的轴线方向有一转动自由度，使得磁吸附力恒定，保证爬壁机器人不会因磁吸附力骤然变小而下滑、坠落。同时，为爬壁履带行走模块的行走提供了必要的摩擦力，避免履带打滑、不能行走情况的发生。

Description

一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块。

背景技术

磁吸附爬壁机器人是一种用来在恶劣、危险、极限情况下，在导磁壁面上进行特定作业如检查、监测、焊接、打磨等的一种自动化机械装置。目前磁吸附爬壁机器人已在核工业、石化工业、建筑工业、消防部门、造船业等铁磁性结构的生产施工中得到了广泛的应用。

在实际应用中，有些导磁壁面是空间曲面，其表面形貌凹凸不平，曲率半经较小，且曲率变化范围较大。对于在这类表面运行的磁吸附爬壁机器人，其吸附装置和导磁壁面之间的气隙会发生变化，磁吸附力的大小与气隙距离的平方成反比，微小的气隙距离变化会造成吸附力的较大的变化，将严重地影响爬壁机器人的负载能力。另外，由于导磁壁面的凹凸不平，也会对爬壁机器人的运动性能产生影响，如壁面的凹凸不平可能会使行走支撑轮悬空，导致驱动失效。因此，对于在复杂的变曲率导磁壁面上运行的爬壁机器人，在要求其具有强负载能力、良好的运动灵活性的同时，还要对变曲率导磁壁面具有较好的自适应能力。对于爬壁机器人来说，保证爬壁机器人在工作负载下，能稳定地在变曲率导磁壁面上吸附爬行，不会发生诸如下滑、坠落等吸附失效，是爬壁机器人的首要要求、也是最基本的要求。

对于在复杂的变曲率导磁壁面上工作的爬壁机器人，其核心是爬壁履带行走模块。爬壁履带行走模块在复杂曲面上行走时，首先要始终保证磁吸附力的恒定，这是前提，其次要保证行走支撑轮始终与导磁壁面接触。只有恒定的磁吸附力才能使爬壁履带行走模块与导磁壁面接触，只有履带通过行走支撑轮始终与导磁壁面接触并产生足够的压力，才能实现爬壁履带行走模块的行走。因此，爬壁履带行走模块不仅要为爬壁机器人提供足够的磁吸附力，还要在复杂的变曲率导磁壁面上实现自适应行走。现有的技术的爬壁履带行走模块不能兼顾二者。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术在磁吸附力、曲面自适应性方面上的不足，公开一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，使其在具有强负载能力的同时，对变曲率导磁壁面具有较好的自适应性，从而解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，包括主动轮、从动轮以及设置于主动轮、从动轮之间的一对摇摆支撑轮组件，通过履带连接传动；在摇摆支撑轮组件上设置有与主动轮、从动轮轴线平行的摇摆轴，在摇摆轴上连接有永磁吸附板，在永磁吸附板的两端安装有一对与摇摆轴平行的行走支撑轮；所述永磁吸附板与一对行走支撑轮绕摇摆轴的轴线方向有一转动自由度，使得履带通过永磁吸附板、行走支撑轮贴紧导磁壁面。

优选的，所述履带行走模块包括平行设置的内侧履带板和外侧履带板，所述主动轮、从动轮与一对摇摆支撑轮组件连接在内侧履带板与外侧履带板之间。

优选的，所述内侧履带板、外侧履带板与一对摇摆支撑轮组件上的摇摆轴对应连接的孔为长槽孔，长槽孔沿竖直方向设置。

优选的，所述主动轮连接有电机模块，所述电机模块包括电机、直角减速器和减速器法兰，所述减速器法兰与内侧履带板连接，直角减速器的输出轴与主动轮连接。

优选的，所述内侧履带板与外侧履带板之间连接有带轮加固板和把手，其中，所述带轮加固板一端固定连接在减速器法兰上，另一端固定连接在主动轮的轴承端盖上。

优选的，所述永磁吸附板包括导磁板和永磁铁，所述导磁板的材质为纯铁或低碳钢，所述永磁铁为长方体永磁铁，且沿高度方向磁化，相邻两块永磁铁沿高度方向以磁极相反的耦合排列方式连接在导磁板上。

优选的，所述主动轮、从动轮与行走支撑轮为同轴双轮结构，双轮在所在轴的两端，所述双轮为同步轮，所述履带为同步带，履带内侧的中间部位设有沉槽，所述永磁吸附板上的永磁铁贴近沉槽。

优选的，所述主动轮、从动轮与行走支撑轮，在其双轮内侧均设置有压带轮内挡板，所述压带轮内挡板位于履带沉槽内侧的槽边部。

本发明与现有技术相比，具有实质性特点和显著进步：

(1)本发明由于在行走支撑轮绕摇摆轴的轴线方向有一转动自由度，使得两个行走支撑轮在复杂曲面上始终能同时接触导磁壁面，可使永磁吸附板402与相对应的导磁壁面间的距离保持不变、磁吸附力恒定，保证爬壁机器人不会因磁吸附力骤然变小而下滑、坠落；

(2)由于恒定的磁吸附力为爬壁履带行走模块的行走提供了必要的摩擦力，因而可以避免爬壁履带行走模块因摩擦力不足而造成的履带打滑、不能行走情况的发生；

(3)履带行走模块由自身电机独立驱动，运动灵活性高、工作环境适应性强，能自适应地在变曲率的导磁壁面上行走，且具有良好的负载能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为电机模块的结构示意图；

图3为摇摆支撑轮组件的结构示意图；

图4为本发明沿曲面行走的结构示意图；

图5为永磁模块的结构示意图；

图6为履带的结构示意图。

图中：30、履带行走模块；302、主动轮；303、从动轮；40、摇摆支撑轮组件；401、摇摆轴；402、永磁吸附板；4021、导磁板；4022、永磁铁；403、行走支撑轮；404、压带轮内挡板；501、履带；502、内侧履带板；503、外侧履带板；504、把手；60、带轮加固板；70、电机模块；701、电机；702、直角减速机；703、减速机法兰。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，如图1所示，所述履带行走模块30包括主动轮302、从动轮303以及设置于主动轮302、从动轮303之间的一对摇摆支撑轮组件40，通过履带501连接传动；在摇摆支撑轮组件40上设置有与主动轮302、从动轮303轴线平行的摇摆轴401。对于主动轮302、一对摇摆轴401、从动轮303的连接支撑，可以是履带拖拉机式的悬臂连接支撑，也可以是双臂连接支撑。本实施例中，为了改善主动轮302轮轴、一对摇摆轴401、从动轮303轮轴的受力状态，上述轮轴均为双臂连接支撑。具体地，在主动轮302轮轴、一对摇摆轴401、从动轮303轮轴的两端，连接一对平行设置的内侧履带板502和外侧履带板503，内侧履带板502与外侧履带板503之间焊接有连接板，使内侧履带板502和外侧履带板503成为一个整体，支撑连接主动轮302、一对摇摆轴401和从动轮303。

位于履带501两端的主动轮302、从动轮303的主要作用是拖动履带501行走。主动轮302连接有电机模块70，如图2所示，所述电机模块70包括电机701、直角减速器702和减速器法兰703，电机701设置在机架10内侧，电机701输出端连接直角减速器702，直角减速器702通过减速机法兰703固定在内侧履带板305上，直角减速器702的输出轴与主动轮302连接，为履带行走模块30提供行走动力。

内侧履带板502与外侧履带板503之间连接有带轮加固板60，所述带轮加固板60一端固定连接在减速器法兰703上，另一端固定连接在主动轮302的轴承端盖上。带轮加固板60用来连接内侧履带板305和外侧履带板306，通过螺栓连接，起到夹紧作用，主动带轮加固板60在履带行走模块50的前端安装有2处，保证履带行走模块30前端的稳固性。

位于主动轮302、从动轮303之间的一对摇摆支撑轮组件40除了支撑整体爬壁履带行走模块的重量外，还有两个至关重要的作用，下面具体阐述。

如图3所示，在摇摆支撑轮组件40的摇摆轴401上连接有永磁吸附板402，在永磁吸附板402的两端安装有一对与摇摆轴（401）平行的行走支撑轮403，所述永磁吸附板402与一对行走支撑轮403绕摇摆轴401的轴线方向有一转动自由度，使得履带501通过永磁吸附板402、行走支撑轮403始终贴紧导磁壁面。本实施例中，摇摆轴401设置在永磁吸附板402的中间部位，永磁吸附板402两端的行走支撑轮403相对于摇摆轴401的轴线等臂摇摆。摇摆轴401不一定非要设置在永磁吸附板402的中间部位，设置在其中的一个行走支撑轮403上，或其他位置都可以，只要满足其中一个行走支撑轮403相对于另一个行走支撑轮403摆动，使得两个行走支撑轮403在复杂曲面上始终能同时接触导磁壁面即可。

如图4所示，由于两个行走支撑轮403在复杂曲面上始终能同时接触导磁壁面，那么，处于两个行走支撑轮403之间的永磁吸附板402始终与两个行走支撑轮403在导磁壁面上的接触点等距，这样就可以保证永磁吸附板402与相对应的导磁壁面间的距离保持基本不变。如果没有这一个转动自由度，两个行走支撑轮403与内侧履带板305、外侧履带板306固定连接，在图示中的弧形曲面中，无法保证两个行走支撑轮403始终能同时接触弧形曲面。这样会造成永磁吸附板402与相对应的导磁壁面间的气隙距离在一侧正常，在另一侧气隙距离过大的情况，致使磁吸附力急剧减小，爬壁机器人会因此而下滑、坠落。

由于摇摆支撑轮组件40的磁吸附力能保证基本恒定，磁吸附力通过两个行走支撑轮403对履带501、导磁壁面的压力也基本恒定。爬壁履带行走模块设置了一对摇摆支撑轮组件40，两个摇摆支撑轮组件40上的四个行走支撑轮403都始终与履带501、导磁壁面接触，并对履带501、导磁壁面产生恒定压力，这种恒定压力为爬壁履带行走模块的行走提供了必要的摩擦力，避免了因摩擦力不足而造成的履带501打滑，不能行走的情况发生。

履带501在使用中会出现两个问题，一是因履带501过度拉长而脱离带轮，造成掉带；另一个问题是行走的导磁壁曲面曲率过大，履带501没有足够的长度余量使两个摇摆支撑轮组件40上的永磁吸附板402紧贴导磁壁曲面，造成磁吸力不足，严重者造成爬壁机器人坠落。

为了解决上述问题，两个摇摆支撑轮组件40上的摇摆轴401与内侧履带板502、外侧履带板503的连接是可调的，内侧履带板502、外侧履带板503与摇摆轴401相连接的孔为竖直方向上的长槽孔，两个摇摆支撑轮组件40可在竖直方向上下调整。当履带501过度拉长时，向下调整两个摇摆支撑轮组件40上的摇摆轴401，涨紧履带501，避免履带脱落；当行走的导磁壁曲面曲率过大，而履带501没有足够的长度余量时，向上调整两个摇摆支撑轮组件40上的摇摆轴401，放松履带501，使永磁吸附板402紧贴导磁壁曲面，避免爬壁机器人坠落。

为了提高磁吸附强度，如图5所示，所述永磁吸附板402包括导磁板4021和永磁铁4022，所述导磁板4021的材质为纯铁或低碳钢，所述永磁铁4022为长方体永磁铁，且沿高度方向磁化，相邻两块永磁铁4022沿高度方向以磁极相反的耦合排列方式连接在导磁板4021上。具体的，由前侧磁铁的N级经过导磁板4021到达后侧永磁铁的S级，再经后侧永磁铁的N级通过壁面到达前侧永磁铁的S级构成回路，从而保证机构吸附于导磁壁面上。

为了防止履带501掉带，如图6所示，所述主动轮302、从动轮303与行走支撑轮403为同轴双轮结构，双轮在所在轴的两端。所述同轴双轮为同步轮，所述履带501为同步带，履带501不与双轮啮合的中间部位设有沉槽，所述永磁吸附板402上的永磁铁4022贴近沉槽。所述主动轮302、从动轮303与行走支撑轮403，在其双轮内侧均设置有压带轮内挡板404，所述压带轮内挡板404位于履带501沉槽的内侧槽边部。这样，可有效保证履带501不脱出带轮。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部分的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：包括主动轮（302）、从动轮（303）以及设置于主动轮（302）、从动轮（303）之间的一对摇摆支撑轮组件（40），通过履带（501）连接传动；在摇摆支撑轮组件（40）上设置有与主动轮（302）、从动轮（303）轴线平行的摇摆轴（401），在摇摆轴（401）上连接有永磁吸附板（402），在永磁吸附板（402）的两端安装有一对与摇摆轴（401）平行的行走支撑轮（403）；所述永磁吸附板（402）与一对行走支撑轮（403）绕摇摆轴（401）的轴线方向有一转动自由度，使得履带（501）通过永磁吸附板（402）、行走支撑轮（403）贴紧导磁壁面。

2.如权利要求1所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述履带行走模块（30）包括平行设置的内侧履带板（502）和外侧履带板（503），所述主动轮（302）、从动轮（303）与一对摇摆支撑轮组件（40）连接在内侧履带板（502）与外侧履带板（503）之间。

3.如权利要求2所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述内侧履带板（502）、外侧履带板（503）与一对摇摆支撑轮组件（40）上的摇摆轴（401）对应连接的孔为长槽孔，长槽孔沿竖直方向设置。

4.如权利要求2或3所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述主动轮（302）连接有电机模块（70），电机模块（70）包括电机（701）、直角减速器（702）和减速器法兰（703），所述减速器法兰（703）与内侧履带板（502）连接，直角减速器（702）的输出轴与主动轮（302）连接。

5.如权利要求4所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述内侧履带板（502）与外侧履带板（503）之间连接有带轮加固板（60）和把手（504），其中，所述带轮加固板（60）一端固定连接在电机的减速器法兰（703）上，另一端固定连接在主动轮（302）的轴承端盖上。

6.如权利要求1或2或3或5所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述永磁吸附板（402）包括导磁板（4021）和永磁铁（4022），所述导磁板（4021）的材质为纯铁或低碳钢，所述永磁铁（4022）为长方体永磁铁，且沿高度方向磁化，相邻两块永磁铁（4022）沿高度方向以磁极相反的耦合排列方式连接在导磁板（4021）上。

7.如权利要求6所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述主动轮（302）、从动轮（303）与行走支撑轮（403）为同轴双轮结构，双轮在所在轴的两端，所述双轮为同步轮，所述履带（501）为同步带，履带（501）内侧的中间部位设有沉槽，所述永磁吸附板（402）上的永磁铁（4022）贴近沉槽。

8.如权利要求7所述的一种具有变曲率自适应能力的爬壁履带行走模块，其特征是：所述主动轮（302）、从动轮（303）与行走支撑轮（403），在其双轮内侧均设置有压带轮内挡板（404），所述压带轮内挡板（404）位于履带（501）沉槽内侧的槽边部。