CN111661186B - 一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人及其工作方式 - Google Patents

Abstract

一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人及其工作方式，其属于特种机器人的技术领域。该爬壁机器人采用偏心式设计，使本体无需掉头即可轻易地转换方向，大大减小了转向运动所需要的空间，提高了作业效率。同时，车轮及磁铁集成一体的设计使其在大曲率表面仍能正常工作，安装的U形永磁铁能够使其稳定地吸附在钢制物体表面。车轮式运动载体使机器人运动灵活，方便开展各种活动，例如钢制船体及大型储罐表面的喷漆、除锈、船体水下除污及船体探测等工作，极大地提高了机器人的工作效率，减轻了相关工作人员的负担。

Description

一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人及其工作方式

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种适用于船体及大型钢制储罐表面工作的爬壁机器人的运动机构。

技术背景

机器人是一种能够自动执行任务的机器装置。它不仅可以接受人类的遥控指挥，还可以自动运行预先编排的程序，或者可以根据以人工智能技术制定的规则采取行动。它的任务是协助或取代人类的工作，在生产制造业、建筑业或是高危职业中有着普遍的应用。由于爬壁机器人的研究和开发在工业上有着广阔的前景和良好的社会效益，因此自20世纪60年代日本率先开展这方面的研究以来，爬壁机器人的发展非常迅速，当今世界很多国家都在开展爬壁机器人的研究。很多工作环境都为曲面结构，例如大型储罐或者船体表面，由于曲面的原因，对爬壁机器人转向的灵活性要求很高，当机器人运动机构设计不合理时，极易影响机器人的工作效率。同时，在该类大型曲面上的一些作业如喷漆、除锈、船体水下除污等，需要机器人在特定的未作业区域（如喷漆作业，需要机器人在未喷涂区域运动，不能破坏漆面）或已作业区域（如船体水下除污，机器人在已清理的区域运动，则可以有效增加磁吸附力或真空吸附力）表面运动，而且机器人的回转半径的大小，也可能对作业精度和作业质量产生影响。

发明内容

针对以上不足，本发明设计一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，机器人的运动机构偏心布置，目的在于使爬壁机器人在曲面作业时可以灵活转向，提高机器人的工作效率，减轻人员负担。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，它包括机身框架、主动轮组件和从动轮组件，机身框架采用四根方管上梁和四根方管下梁将两组主动轮组件与两组从动轮组件连接成四方形，两组主动轮组件不相邻处于对角位置；

所述主动轮组件把主动轮转向制动机构设置在车轮体下方，从动轮组件把从动轮制动机构设置在车轮体下方；所述车轮体采用空心轴通过上端轴承和下端轴承设置在车架立管内，空心轴的顶端设置顶盘，顶盘上方设置脱磁手柄，脱磁手柄的手柄凸轮连接磁铁提升杆的上端，磁铁提升杆穿过顶盘和空心轴的下端设置U形永磁铁；

所述主动轮转向制动机构中主动轮底盘设置在空心轴的下方，主动轮底盘下方一侧通过主动轮车轮夹板连接主动车轮，车轮电机通过车轮轴连接主动车轮；主动轮底盘上侧周向设置卡槽，主动轮电磁铁固定在车架立管上，锁杆的一端穿过主动轮电磁铁，锁杆的另一端与卡槽相配合，锁杆的外周设有主动轮弹簧，主动轮弹簧的一端作用在主动轮底盘上，其另一端作用在主动轮电磁铁上；

所述从动轮制动机构中从动轮底盘设置在空心轴的下方，从动轮底盘通过从动轮车轮夹板连接从动车轮，从动轮电磁铁固定在从动轮车轮夹板上，从动轮弹簧杆的一端穿过从动轮电磁铁，从动轮弹簧杆的另一端固定在磁铁块上，从动轮弹簧杆的外周设置从动轮弹簧，从动轮弹簧的一端作用在磁铁块上，从动轮弹簧的另一端作用在从动轮电磁铁上；

所述两组从动轮组件中的一组从动轮组件中空心轴与从动轮底板之间设有空心轴弹簧。

所述脱磁手柄的手柄凸轮基圆与顶盘上表面始终接触。

所述上端轴承和下端轴承采用能承受轴向力的滚动轴承。

所述的一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人的工作方式：

磁吸与脱磁模式：当把机器人放置在工作表面时，脱磁手柄处于立向的磁吸状态，脱磁手柄通过磁铁提升杆连接的U形永磁铁靠近曲面，机器人吸附在工作表面，完成磁吸模式；扳起脱磁手柄，脱磁手柄通过磁铁提升杆使U形永磁铁离开工作表面，完成脱磁模式；

主动轮制动模式：主动轮电磁铁断电，由于主动轮电磁铁无电磁力，锁杆被主动轮弹簧压入到卡槽中，此时主动轮底盘不可转动，车轮电机驱动主动车轮运动使机器人直线运动；主动轮电磁铁通电，由于主动轮电磁铁有电磁力，锁杆克服主动轮弹簧的弹簧力被吸出卡槽，车轮电机驱动主动车轮运动，主动轮底盘绕空心轴旋转，车轮电机驱动主动车轮进行转向运动；

从动轮制动模式：从动轮电磁铁断电，磁铁块下降并吸附到工作表面，从动车轮被定住不可移动，机器人整体不可移动；从动轮电磁铁通电，磁铁块受从动轮电磁铁的电磁力作用克服从动轮弹簧的弹簧力作用脱离工作表面，从动车轮恢复运动。

机器人的四根下梁构成的平台可以用来搭载工作载荷，机身框架是构成爬壁机器人的主体框架。其中，两组主动轮组件与两组从动轮组件呈对角线布置，主动轮电机通过车轮轴与主动车轮相连；主动车轮位于“偏心”位置；从动轮组件中的一组中在空心轴与从动轮底盘之间设有空心轴弹簧，以适用于机器人四个车轮不在同一工作平面的情况。

吸附系统吸附模块采用U形永磁铁，可以提供足够的吸附力，并且车轮及磁铁集成一体，适用于大曲率曲面工作环境。U形永磁铁位于主从动车轮的偏心方向，通过调节永磁块与船体的距离，控制机器人与船体的吸附与分离。

本发明的有益效果是：该爬壁机器人采用偏心式设计，使机器人的本体无需掉头即可轻易地转换方向，大大减小转向运动所需要的空间，提高作业效率；同时，车轮及磁铁集成一体的设计使其在大曲率表面仍能正常工作，安装的U形永磁铁能够使其稳定地吸附在钢制物体表面。车轮式运动载体使机器人运动灵活，方便开展各种活动，例如钢制船体及大型储罐表面的喷漆、除锈、船体水下除污及船体探测等工作，极大地提高了机器人的工作效率，减轻相关工作人员的负担。

附图说明

图1为一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人的总体结构示意图。

图2为主动轮组件结构图。

图3为一种从动轮组件结构图。

图4为另一种从动轮组件结构图。

图5为脱磁手柄磁吸状态图。

图6为脱磁手柄脱磁状态图。

图7为机器人工作时运动轨迹示意图。

图中：1、主动轮电磁铁，2、锁杆，3、主动轮弹簧，4、车轮电机，5、车轮轴，6、主动车轮，7、主动轮车轮夹板，8、U形永磁铁，9、主动轮底盘，10、卡槽，11、车架立管，12、顶盘，13、脱磁手柄，13a、手柄凸轮，14、方管上梁，15、方管下梁，16、磁铁提升杆，17、上端轴承，18、空心轴，19、下端轴承，20、从动轮电磁铁，21、磁铁块，22、空心轴弹簧，23、从动轮底盘，24、从动轮弹簧杆，25、从动轮弹簧，26、从动轮车轮夹板，27、从动车轮，Ⅰ、第一主动轮组件，Ⅱ、第一从动轮组件，Ⅲ、第二主动轮组件，Ⅳ、第二从动轮组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施方法，对本发明实施中的技术方案进行清楚完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、图2、图3，示出了一种用于曲面工作环境作业的偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，它包括机身框架、两组主动轮组件和两组从动轮组件：机身框架采用四根方管上梁14和四根方管下梁15将第一主动轮组件Ⅰ 、第二主动轮组件Ⅲ、第一从动轮组件Ⅱ和第二从动轮组件Ⅳ连接成四方形，两组主动轮组件不相邻处于对角位置。车架立管11位于顶盘12和主动轮底盘9之间，四根方管上梁14连接在车架立管11上侧，四根方管下梁15连接在车架立管11下侧。机器人的运动系统位于偏心位置，车轮电机4通过车轮轴5与主动车轮6相连；主动车轮6位于“偏心”位置；主动轮车轮夹板7位于主动车轮6两侧，上端与主动轮底盘9相连，下端位于主动车轮6侧面，用于固定主动车轮6；在主动轮组件中，空心轴18上端与顶盘12相连，下端与主动轮底盘9接触；上端轴承17和下端轴承19位于车架立管11和空心轴18之间；第一从动轮组件Ⅱ中，在空心轴18与从动轮底盘9之间设有空心轴弹簧22，以适用于机器人四个车轮不在同一工作平面的情况。磁铁提升杆16下端连接在U形永磁铁8中部，上端与脱磁手柄13铰链连接；脱磁手柄13位于顶盘12上端。U形永磁铁8，可以提供足够的吸附力。主动轮电磁铁1一端固定于车架立管11上，一端与锁杆2相连；锁杆2的下端可以卡到卡槽10中，主动轮弹簧3位于锁杆2外围；卡槽10分布在主动轮底盘9上。从动轮电磁铁20、磁铁块21、从动轮弹簧22，三者构成从动轮刹车器，限定从动轮运动，从而使小车不再移动。

在主动轮组件中，主动轮电磁铁1、锁杆2和主动轮弹簧3共同构成车轮转向制动系统。主动轮电磁铁1一端固定于车架立管11上，一端与锁杆2相连，锁杆2穿过主动轮电磁铁1，下端可以卡到卡槽10中，主动轮弹簧3在锁杆外围；车轮电机4通过车轮轴5与主动车轮6相连；主动车轮6和从动车轮27与U形永磁铁8错开布置，位于车架主体的偏心位置；主动轮车轮夹板7位于主动车轮6两侧，一端与车轮相连，另一端固定于主动轮底盘9上；U形永磁铁8在每个车轮附近安装一块；底盘位于车管立架11下端；卡槽10分布在主动轮底盘9上；车管立架11与方管上梁14和方管下梁15相连，构成机器人机身框架，四根方管下梁15构成的平台可以用来搭载工作载荷；顶盘12下端与车架立管11相连；脱磁手柄13安装于顶盘12上，手柄凸轮13a与磁铁提升杆16相连；磁铁提升杆16上端与脱磁手柄13相连，下端与U形永磁铁8相连；上端轴承17和下端轴承19位于外管与空心轴18之间，能够限制外管11和空心轴18的轴向位移，不能上下活动，仅能转动；空心轴18上端与顶盘12相连，位于车架立管11和磁铁提升杆16之间；从动轮电磁铁20和磁铁块21安装于从动轮车轮夹板26上，从动轮电磁铁20断电时在从动轮弹簧25的作用下使磁铁块21下降并吸附在钢制工作表面，机器人停止运动；空心轴弹簧22安装于第一从动轮组件Ⅱ上，位于空心轴18和从动轮底盘23之间（如图4所示），以适用于机器人四个车轮不在同一工作平面的情况。

图5和图6示出了脱磁手柄13有两种工作状态，图5是磁吸状态，磁铁提升杆16与脱磁手柄13连接处与顶盘距离为h，此时U形永磁铁8与工作面距离很近，机器人吸附在上面；图6是脱磁状态，磁铁提升杆16与脱磁手柄13连接处与顶盘距离为H（H>h），此时脱磁手柄13被扳平，磁铁提升杆16被提升，U形永磁铁8远离工作表面，机器人可以从工作表面脱离。

图7表示机器人工作时的运动轨迹的简单示意图。机器人从A处运动到B处，在B处本体不需要掉头，主动轮做转向，仅做平移运动，机器人就可从B处移动到C处，在C处主动轮再做转向，机器人可从C处运动到D处，如此往复移动，机器人即可完成曲面运动；通过对两个主动轮的速度的控制，使车轮运动速度不同，即可实现任意方向的运动。

工作原理：当把机器人放置在工作表面时，脱磁手柄13处于磁吸状态，U形永磁铁8靠近曲面，机器人吸附在工作表面，此时可以开始工作。如图7所示，机器人起始位于A处，启动车轮电机4，驱动主动车轮6运动，此时主动轮制动系统启动，主动轮电磁铁1断电，锁杆2由于主动轮弹簧3的弹力被压入到卡槽10中，此时底盘不可转动，机器人做直线运动到B处；在B处，从动轮电磁铁20断电，磁铁块21下降并吸附到工作表面，从动轮被定住，不可移动，机器人整体不可移动，此时主动轮制动系统通电，锁杆2下端被主动轮电磁铁1吸出卡槽10，车轮电机4驱动主动车轮6运动时，底盘可绕空心轴转动；当车轮转过时，主动轮制动系统关闭，同时从动轮电磁铁通电，磁铁块受电磁力作用脱离工作表面，机器人做平移运动到C处。同理，机器人在C处完成车轮转向运动，做直线运动到D处，如此反复，通过电机和制动系统互相配合调控车轮，机器人可以轻松地实现在工作表面的运动与转向，而机器人本体不需要掉头，可以高效完成一系列的工作，例如喷漆、除污、监测等。

当机器人完成所规划的任务时，扳起脱磁手柄13，使U形永磁铁8远离船体表面，此时机器人脱离工作表面，可以进行回收，工作完毕。

该机器人通过电机和制动系统互相配合调控车轮，机器人可以轻松地在工作表面做平移运动而不需要掉头。机器人先做平移运动，需要转向时本体不需要掉头，主动轮做转向，转向完毕后接着做平移运动，如此往复移动，机器人即可完成曲面上的运动；两个主动轮不等速就可以实现原地任意转向和移动；机器人行走的路径是已经工作过的表面，不受周围环境的影响，提高了机器人运动的稳定性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，它包括机身框架、两组主动轮组件和两组从动轮组件，其特征在于：机身框架采用四根方管上梁（14）和四根方管下梁（15）将两组主动轮组件与两组从动轮组件连接成四方形，两组主动轮组件不相邻处于对角位置；所述主动轮组件把主动轮转向制动机构设置在车轮体下方，从动轮组件把从动轮制动机构设置在车轮体下方；所述车轮体采用空心轴（18）通过上端轴承（17）和下端轴承（19）设置在车架立管（11）内，空心轴（18）的顶端设置顶盘（12），顶盘（12）上方设置脱磁手柄（13），脱磁手柄（13）的手柄凸轮（13a）连接磁铁提升杆（16）的上端，磁铁提升杆（16）穿过顶盘（12）和空心轴（18）的下端设置U形永磁铁（8）；所述主动轮转向制动机构中主动轮底盘（9）设置在空心轴（18）的下方，主动轮底盘（9）下方一侧通过主动轮车轮夹板（7）连接主动车轮（6），车轮电机（4）通过车轮轴（5）连接主动车轮（6）；主动轮底盘（9）上侧周向设置卡槽（10），主动轮电磁铁（1）固定在车架立管（11）上，锁杆（2）的一端穿过主动轮电磁铁（1），锁杆（2）的另一端与卡槽（10）相配合，锁杆（2）的外周设有主动轮弹簧（3），主动轮弹簧（3）的一端作用在主动轮底盘（9）上，其另一端作用在主动轮电磁铁（1）上；所述从动轮制动机构中从动轮底盘（23）设置在空心轴（18）的下方，从动轮底盘（23）通过从动轮车轮夹板（26）连接从动车轮（27），从动轮电磁铁（20）固定在从动轮车轮夹板（26）上，从动轮弹簧杆（24）的一端穿过从动轮电磁铁（20），从动轮弹簧杆（24）的另一端固定在磁铁块（21）上，从动轮弹簧杆（24）的外周设置从动轮弹簧（25），从动轮弹簧（25）的一端作用在磁铁块（21）上，从动轮弹簧（25）的另一端作用在从动轮电磁铁（20）上。

2.根据权利要求1所述的一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，其特征在于：所述两组从动轮组件中的一组从动轮组件中空心轴（18）与从动轮底盘（23）之间设有空心轴弹簧（22）。

3.根据权利要求1所述的一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，其特征在于：所述脱磁手柄（13）的手柄凸轮（13a）基圆与顶盘（12）上表面始终接触。

4.根据权利要求1所述的一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人，其特征在于：所述上端轴承（17）和下端轴承（19）采用能承受轴向力的滚动轴承。

5.根据权利要求1所述的一种偏心式万向平移磁吸爬壁机器人的工作方式，其特征在于：

磁吸与脱磁模式：当把机器人放置在工作表面时，脱磁手柄（13）处于立向的磁吸状态，脱磁手柄（13）通过磁铁提升杆（16）连接的U形永磁铁（8）靠近曲面，机器人吸附在工作表面，完成磁吸模式；扳起脱磁手柄（13），脱磁手柄（13）通过磁铁提升杆（16）使U形永磁铁（8）离开工作表面，完成脱磁模式；

主动轮制动模式：主动轮电磁铁（1）断电，由于主动轮电磁铁（1）无电磁力，锁杆（2）被主动轮弹簧（3）压入到卡槽（10）中，此时主动轮底盘（9）不可转动，车轮电机（4）驱动主动车轮（6）运动使机器人直线运动；主动轮电磁铁（1）通电，由于主动轮电磁铁（1）有电磁力，锁杆（2）克服主动轮弹簧（3）的弹簧力被吸出卡槽（10），车轮电机（4）驱动主动车轮（6）运动，主动轮底盘（9）绕空心轴（18）旋转，车轮电机（4）驱动主动车轮（6）进行转向运动；

从动轮制动模式：从动轮电磁铁（20）断电，磁铁块（21）下降并吸附到工作表面，从动车轮（27）被定住不可移动，机器人整体不可移动；从动轮电磁铁（20）通电，磁铁块（21）受从动轮电磁铁（20）的电磁力作用克服从动轮弹簧（25）的弹簧力作用脱离工作表面，从动车轮（27）恢复运动。

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