CN111674484B - 一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人及其工作方式 - Google Patents
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Abstract
一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人及其工作方式，其属于爬壁机器人技术领域。该机器人设有可绕垂直轴转动的车轮，使用此运动结构的爬壁机器人可以方便地转换车轮前进方向，实现万向平移功能。使用该爬壁机器人，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；机器人可以很好地适应钢质表面为曲面结构的工作环境，尤其是车轮及磁铁集成一体的设计使其在大曲率钢质表面仍能正常工作，安装的U型永磁铁能够使其稳定地吸附在钢制物体表面，而无需在运动过程中调整磁铁的高度；车轮式运动载体使机器人运动灵活，方便开展各种活动，极大地提高了工作效率，减轻了人员的负担。
Description
技术领域
本发明涉及一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人及其工作方式，属于爬壁机器人技术领域。
背景技术
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以及良好的社会效益，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。目前很多工作环境都为曲面结构，例如大型储罐或者船体表面，而且很多都是大曲率表面，由于曲面的原因，导致爬壁机器人运动时会发生转向不灵活、运动不灵敏、机器人本体与曲面摩擦等问题，极易影响机器人工作效率。同时，在该类大型曲面上的一些作业例如喷漆、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，会影响作业精度和作业质量，所以此时需要一种转向灵活并且可以适应大曲率工作环境的爬壁机器人。
发明内容
针对以上不足，本发明设计一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人及其工作方式，目的在于当爬壁机器人在曲面作业时，尤其是在大曲率表面，可以灵活转向平移，提高机器人的工作效率，减轻工作人员负担。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人，它包括机身框架、运动转向系统和磁吸系统，所述机身框架采用三根外管通过三根方管上梁和三根方管下梁连接成三角形架体，方管上梁连接在外管的上侧，方管下梁连接在外管的下侧；所述运动转向系统采用车轮转角电机固定在方管上梁上，车轮转角电机驱动的小齿轮与固定在空心轴上端的大齿轮相啮合；空心轴通过上端轴承和下端轴承设置在外管内，空心轴的下端固定连接车轮座，车轮座与两个设有通透槽的车轮卡板的上端固定连接，两个车轮卡板的下端通过轴承支撑由车轮电机驱动的车轮轴，车轮电机与其中之一的车轮卡板固定连接，车轮与车轮轴固定连接；所述磁吸系统采用顶盘固定在空心轴的顶部，脱磁手柄设置在顶盘的上方，脱磁手柄的手柄凸轮连接磁铁提升杆的一端，磁铁提升杆的另一端穿过空心轴和车轮座与穿过两个车轮卡板上通透槽的软铁块固定连接，软铁块左右两侧各固定连接一块U型永磁铁，U型永磁铁置于车轮卡板的外侧。
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。
所述的一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人的工作方式：
（a）运动转向：当车轮转角电机运转时，带动小齿轮转动；小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮驱动空心轴旋转，空心轴带动车轮座转动，从而带动车轮转向，实现爬壁机器人的方向转换；车轮电机驱动车轮进行平移运动；
（b）磁吸和脱磁：脱磁手柄通过磁铁提升杆控制U型永磁铁上下移动，U型永磁铁下移时使机器人吸于钢板工作表面并能在钢板表面作转向、平移；U型永磁铁上移时吸力减小，机器人移离钢板工作表面；
（c）机器人采用三车轮运动系统，在大曲率曲面钢板的工作环境中，车轮转角电机和车轮电机互相配合调控车轮，机器人在钢板工作表面通过车轮电机驱动车轮做平移运动，在路径终端机器人通过车轮转角电机驱动在原地做转向运动，再做平移运动，如此往复移动，完成在预定钢板工作表面的移动。
上下梁采用防锈铝合金材料加工而成，三根下梁构成的平台可以用来搭载工作载荷，三根上梁可以用来搭载车轮转角电机。外管位于顶盘和车轮座之间，顶盘与脱磁手柄相连接，车轮座与运动转向系统和吸附系统相连接，机身框架是构成爬壁机器人的主体框架。
脱磁手柄通过磁铁提升杆可以控制U型永磁铁上下移动，下移时使吸力增大，小车吸于钢板表面，上移时吸力减小，小车可以脱离钢质工作表面。两个U型磁铁通过软磁块相连，与钢制工作表面构成磁回路，可以为机器人提供足够的吸附力。
车轮电机通过齿轮箱与车轮相连，为车轮提供前进动力；车轮卡板与车轮座相连，负责固定车轮；车轮转角电机安装于方管上梁，齿轮对负责连接车轮转角电机和空心轴，空心轴下端与车轮座相连；当电机运转时，齿轮对驱动空心轴旋转，空心轴驱动车轮座转动，使车轮可以绕垂直轴转动。
本发明的有益效果为：与现有的爬壁机器人轮式运动机构相比，车轮可绕垂直轴任意转动，转向更加灵活，车体不动即可实现小车的任意方向的转向和平移，实现原地转向，提高了机器人的运动性能；U型永磁铁与车轮总成，两个U型磁铁通过软磁块相连，与钢制工作表面构成磁回路，可以为机器人提供足够的吸附力，而且无需在运动过程中调整磁铁的高度；采用三车轮式运动系统，车轮式运动载体使机器人运动灵活，适合于曲面处作业，尤其是大曲率表面。
该机器人设有可绕垂直轴转动的车轮，使用此运动结构的爬壁机器人可以方便地转换车轮前进方向，实现万向平移功能。使用该爬壁机器人，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；机器人可以很好地适应表面为曲面结构的工作环境，尤其是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型永磁铁能够使其稳定地吸附在钢制物体表面，而无需在运动过程中调整磁铁的高度；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、船体水下除污等工作，极大地提高了机器人的工作效率，可减轻相关工作人员的负担。
附图说明
图1为一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人的总体结构示意图。
图2为运动转向系统的结构图。
图3为脱磁手柄磁吸状态图。
图4为脱磁手柄脱磁状态图。
图5为机器人工作时运动轨迹示意图。
图中：1、脱磁手柄，1a、手柄凸轮，2、小齿轮，3、大齿轮，4、车轮转角电机，5、外管，6、车轮座，7、第一车轮卡板，7a、第二车轮卡板，8、软铁块，9、U型永磁铁，10、车轮，11、车轮电机，12、方管下梁，13、方管上梁，14、上端轴承，15、空心轴，16、磁铁提升杆，17、下端轴承，18、车轮轴，19、顶盘。
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。
由于曲面工作环境的不规则性，爬壁机器人的运动问题需要特别考虑，尤其是机器人的转向运动，本发明机器人的轮系结构可以轻松地实现机器人的转向和平移运动，此时可以保持机器人本体不动。当把机器人放置在钢板工作表面时，机器人吸附在钢板工作表面，开始工作。
请参阅图1和图2，这种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人，结构包括机身框架、吸附系统、运动转向系统。机身框架包括：方管下梁12、方管上梁13、外管5、顶盘19和车轮座6。外管5位于顶盘19和车轮座6之间，三根方管上梁13连接在外管5上侧，三根下梁12连接在外管5下侧，上下梁均采用防锈铝合金材料加工而成。
运动转向系统包括：小齿轮2、大齿轮3、车轮转角电机4、第一车轮卡板7、第二车轮卡板7a、车轮10、车轮电机11、上端轴承14、空心轴15、下端轴承17、车轮轴18。车轮电机11通过车轮轴18与车轮10相连，第一车轮卡板7、第二车轮卡板7a、上端焊接在车轮座6上，下端位于车轮10侧面，用于固定车轮10；车轮转角电机4安装于方管上梁13，小齿轮2和大齿轮3组成的齿轮对连接车轮转角电机4和空心轴15；上端轴承14和下端轴承17位于外管5与空心轴15之间；空心轴15下端与车轮座6相连，当车轮转角电机4运转时，齿轮可驱动空心轴15作360°旋转，空心轴15驱动车轮座6转动，从而带动车轮10转向，爬壁机器人可以极其灵活地转换前进的方向，实现“万向平移”的功能。
磁吸系统包括：脱磁手柄1、软铁块8、U型永磁铁9、磁铁提升杆16、固定在空心轴上的顶盘19。软铁块8左右两端各连接两块U型永磁铁9，磁铁提升杆16下端连接在软铁块8中部，上端与脱磁手柄1相连，脱磁手柄1的手柄凸轮1a始终接触顶盘19的上表面。吸附系统的脱磁功能设计：脱磁手柄1通过磁铁提升杆16可以控制U型永磁铁9上下移动，下移时使小车吸于钢板表面；上移时吸力减小，小车可以脱离钢板工作表面。吸附系统的吸附模块，采用U型永磁铁9，可以提供足够的吸附力。
脱磁手柄1安装于顶盘19上，下端与磁铁提升杆16相连；小齿轮2、大齿轮3组成的齿轮组负责连接车轮转角电机4和空心轴15；固定在空心轴上的顶盘19下端与外管5相连；车轮转角电机4有三个，安装于方管上梁13上；外管5外端与方管上梁13和方管下梁12相连，构成机器人本体的主体构架；车轮座6位于外管5下端；第一车轮卡板7和第二车轮卡板7a位于车轮座下端，车轮两边；在每个车轮两侧安装各一块U型永磁铁9，通过软铁块8相连；车轮10是机器人的运动机构载体；车轮电机11通过车轮轴驱动车轮，位于U型永磁铁的U型槽之内；方管下梁12和方管上梁13，三根下梁构成的平台可以用来搭载工作载荷，三根上梁可以用来搭载车轮转角电机，六根梁系结构共同组成机器人的总体构架；上端轴承14和下端轴承17位于外管与空心轴之间，采用能承受轴向力的滚动轴承。空心轴15上端顶盘19相连，下端与车轮座6相连，位于外管5和磁铁提升杆16之间；磁铁提升杆上端与脱磁手柄1相连，下端与穿过两个车轮卡板上通透槽的软铁块8相连；车轮轴18位于车轮一侧。
请参阅图3和图4，前述的一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人的工作方式中，所述的脱磁手柄有两种工作状态，图3是磁吸状态，磁铁提升杆与脱磁手柄连接处与顶盘距离为h，此时U型永磁铁与工作面距离很近，机器人吸附在上面；图4是脱磁状态，磁铁提升杆与脱磁手柄连接处与顶盘距离为H（H>h），此时脱磁手柄被扳平，磁铁提升杆被提升，U型永磁铁远离工作表面，吸附力减小，机器人可以从工作表面脱离。
请参阅图5，表示机器人工作时运动轨迹的简单示意图，机器人1、2、3位置安装车轮，机器人从A处运动到B处，在B处本体不需要掉头，车轮做转向，仅做平移运动，机器人就可从B处移动到C处，在C处车轮再做转向，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；通过对三套运动系统的转向电机的综合控制，使车轮转向角度不同，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，脱磁手柄处于磁吸状态，U型永磁铁靠近曲面，机器人吸附在工作表面，此时可以开始工作。启动车轮电机，电机驱动车轮前进；启动车轮转角电机，通过齿轮对将旋转驱动力传递给空心轴，空心轴与车轮座相接，车轮通过车轮挡板与车轮座相接，当空心轴转动时，车轮也随其转动，两种电机互相配合调控车轮，机器人可以轻松地在工作表面运动与转向，而机器人本体不动，实现原地任意转向和行走，完成一系列的动作。搭载功能模块后，例如喷漆、除污、监测等工作平台，可以进行相应的曲面作业。
当机器人完成所规划的任务时，按下脱磁手柄，机器人处于脱磁状态，磁铁提升杆被提升，U型永磁铁远离工作表面，此时机器人脱离船体表面，可以进行回收，工作完毕。上端轴承与下端轴承可以限制空心轴的移动自由度，只能旋转而不能上下移动。
该机器人采用三车轮运动系统，且车轮及磁铁集成一体，可以更好地满足大曲率曲面的工作环境；两种电机互相配合调控车轮，机器人可以轻松地在工作表面做平移运动而不需要掉头，机器人本体不动，即可实现原地任意转向和平移，完成一系列的动作；在实际工作中，机器人先做平移运动，在路径终端机器人做转向运动，再做平移运动，如此往复移动，机器人即可完成在预定工作表面的移动，而且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，保证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 (2)
1.一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人，它包括机身框架、运动转向系统和磁吸系统，其特征在于：所述机身框架采用三根外管（5）通过三根方管上梁（13）和三根方管下梁（12）连接成三角形架体，方管上梁（13）连接在外管（5）的上侧，方管下梁（12）连接在外管（5）的下侧；所述运动转向系统采用车轮转角电机（4）固定在方管上梁（13）上，车轮转角电机（4）驱动的小齿轮（2）与固定在空心轴（15）上端的大齿轮（3）相啮合；空心轴（15）通过上端轴承（14）和下端轴承（17）设置在外管（5）内，空心轴（15）的下端固定连接车轮座（6），车轮座（6）与两个设有通透槽的车轮卡板的上端固定连接，两个车轮卡板的下端通过轴承支撑由车轮电机（11）驱动的车轮轴（18），车轮电机（11）与其中之一的车轮卡板固定连接，车轮（10）与车轮轴（18）固定连接；所述磁吸系统采用顶盘（19）固定在空心轴（15）的顶部，脱磁手柄（1）设置在顶盘（19）的上方，脱磁手柄（1）的手柄凸轮（1a）连接磁铁提升杆（16）的一端，磁铁提升杆（16）的另一端穿过空心轴（15）和车轮座（6）与穿过两个车轮卡板上通透槽的软铁块（8）固定连接，软铁块（8）左右两侧各固定连接一块U型永磁铁（9），U型永磁铁（9）置于车轮卡板的外侧；
所述脱磁手柄（1）的手柄凸轮（1a）基圆与顶盘（19）上表面始终接触；
所述上端轴承（14）和下端轴承（17）采用能承受轴向力的滚动轴承。
2.根据权利要求1所述的一种适应大曲率钢板的平移磁吸爬壁机器人的工作方式，其特征在于：
（a）运动转向：当车轮转角电机（4）运转时，带动小齿轮（2）转动；小齿轮（2）与大齿轮（3）啮合，大齿轮（3）驱动空心轴（15）旋转，空心轴（15）带动车轮座（6）转动，从而带动车轮（10）转向，实现爬壁机器人的方向转换；车轮电机（11）驱动车轮（10）进行平移运动；
（b）磁吸和脱磁：脱磁手柄（1）通过磁铁提升杆（16）控制U型永磁铁（9）上下移动，U型永磁铁（9）下移时使机器人吸于钢板工作表面并能在钢板表面作转向、平移；U型永磁铁（9）上移时吸力减小，机器人移离钢板工作表面；
（c）机器人采用三车轮运动系统，在大曲率曲面钢板的工作环境中，车轮转角电机（4）和车轮电机（11）互相配合调控车轮（10），机器人在钢板工作表面通过车轮电机（11）驱动车轮做平移运动，在路径终端机器人通过车轮转角电机（4）驱动在原地做转向运动，再做平移运动，如此往复移动，完成在预定钢板工作表面的移动。
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- 2020-06-04 CN CN202010498957.9A patent/CN111674484B/zh active Active
Patent Citations (4)
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