CN111805501B - 柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，包括若干单体机器人及自适应防坠落机构，自适应防坠落机构的柔性连接件穿设于若干个单体机器人的滑轮组之间，单体机器人包括架体、清扫机构、驱动机构、吸附机构、测距机构、检查维护机构，清扫机构安装于架体的两侧，驱动机构传动安装于架体内部，吸附机构将机器人吸附于筒壁上，测距机构用于检测机器人距离筒体顶部或底部的高度，检查维护机构实现机器人与后台系统的远程传输，本发明采用自适应防坠落机构防止机器人工作中坠落，几个机器人通过柔性绳索联接成一个整体机组，实时适时调节机器人与机器人之间的间距，从而实现四个机器人一组进行多机协同行进和进行相应的维护巡检作业任务。

Description

柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统。

背景技术

塔筒是风力发电机组的重要支撑部件，塔筒长期经受风吹日晒、雨雪盐碱侵蚀等恶劣自然环境的影响和风机机舱漏油等污染，多数塔筒表面出现油迹、污渍、脱漆、锈蚀等现象，随时可能危及风机的运行安全。随着风电规模越来越大，风电场安全经济运行成为业主关注的首要因素。因此，风机设备塔筒的表面检查、检测、清洗和维护愈发重要。

根据国家对能源规划及环境保护的要求，提出扩大风电和光伏发电等新能源发电的规模，还推出建设一批具有示范性效应的新能源技术项目，科学规划、有序发展风电资源。目前风电设备塔筒的检查、清洗和维护工作主要依靠“蜘蛛人”进行人工作业，这种作业存在较大的安全隐患、且劳动强度大、维护效率低等一系列问题。随着我国风电项目的迅速发展和对于劳动安全保障问题的日益重视，人工作业已不符合社会发展的客观要求，以智能巡检机器人替代“蜘蛛人”作业成为历史的必然。

现有的机器人多数为单体结构，其与塔筒的连接方式只有吸附机构，无外在其他防护结构，存在坠落的危险。

发明内容

有必要提出一种柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统。

一种柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，包括若干单体机器人及自适应防坠落机构，自适应防坠落机构包括一柔性连接件及若干组设置在若干个单体机器人上的滑轮组，柔性连接件穿设于若干个单体机器人的滑轮组之间，实现若干单体机器人的柔性连接，所述单体机器人包括架体、清扫机构、驱动机构、吸附机构，所述清扫机构安装于架体的两侧，所述驱动机构传动安装于架体内部，包括驱动源和驱动轮，所述驱动源提供驱动动力，驱动轮与驱动源连接，被驱动源带动转动，所述驱动轮外露于架体的底部，所述吸附机构包括若干吸附单元，若干吸附单元设置于架体的底部，且吸附表面用于与待清扫筒体的表面吸附，以将机器人吸附于筒体表面。

优选的，所述自适应防坠落机构的滑轮组包括主滑轮、左侧滑轮、右侧滑轮，左侧滑轮、右侧滑轮分别设置于主滑轮的左侧和右侧，所述柔性连接件S型依次绕过左侧滑轮、主滑轮、右侧滑轮。

优选的，所述主滑轮内部设置自适应收卷结构，所述自适应收卷结构用于储存部分长度余量，自适应收卷结构的两端分别与绕过主滑轮的柔性连接件连接，以牵引柔性连接件收缩和伸长。

优选的，所述柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统还包括测距机构，所述测距机构设置于架体的顶部面板上，且测距机构包括分别靠近架体前端和后端的两个，分别用于检测机器人前端和后端的距离，且测距机构的设置高度高于清扫机构的设置高度。

优选的，所述驱动机构的驱动源为电机，驱动轮为麦克纳姆轮。

优选的，所述驱动机构还包括自适应连接件、缓冲件，所述自适应连接件包括依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆，第一连杆的另一端与架体的底部铰接，第三连杆的另一端与架体的底部铰接，一铰接点与驱动轮连接，所述缓冲件包括缓冲弹簧、缓冲杆，所述缓冲弹簧的上端与架体底部固定连接，下端与驱动轮的连接，所述缓冲杆的上端与架体底部固定连接，缓冲杆的下端设置于缓冲弹簧内部。

优选的，所述清扫机构包括前清扫刷、后清扫刷，所述前清扫刷、后清扫刷均通过清扫臂安装于架体上，所述清扫臂与架体之间采用轴连接，还在清扫臂与架体之间设置弹性连接件，以使清扫臂与筒体表面紧密接触。

优选的，所述柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统还包括检查维护机构，所述检查维护机构包括支撑单元和图传单元，所述支撑单元的一端与架体连接，另一端用于安装检查维护具体设备，所述图传单元用于采集待清扫筒体的表面现场图片，并发送至外部系统。

优选的，所述支撑单元为机械臂，所述图传单元为视频拍摄器及通讯单元。

优选的，所述吸附单元包括上连接座、下连接座、磁铁、铰接轴，所述上连接座的上端与架体底部固定连接，下端与下连接座的上端通过铰接轴铰接，下连接座的下端连接磁体，磁体的吸附面朝向待吸附物体设置。

本发明工作时，自适应防坠落机构采用永磁吸附磁铁始终吸附在塔筒壁面上防止机器人工作中坠落。几个机器人通过柔性绳索联接成一个整体机组，并将其抱紧在塔筒壁面上的相应位置上，且随圆锥体截面直径的变化，实时适时调节机器人与机器人之间的间距，从而实现四个机器人一组进行多机协同行进和进行相应的维护巡检作业任务。

附图说明

图1为柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统应用于筒壁的示意图。为了清楚显示，将柔性连接件在图中均采用灰色线条表示，以与标号引出线相区分。

图2为图1中仅将三个单体机器人沿水平方向剖视后的示意图。图中中另一个角度也表示了单体机器人100与自适应防坠落机构200的连接方式。

图3为图1中单体机器人100与自适应防坠落机构200的连接方式的示意图。

图4为自适应收卷结构2031的示意图。

图5为柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统的结构示意图。

图6、7、8、9、10、11为本机器人系统的主视图、后视图、俯视图、仰视图、左视图、右视图。

图12为机器人架体上驱动轮、自适应连接件、缓冲件的简化示意图。

图13为图12中沿着A-A剖视图，以显示驱动轮、自适应连接件的结构示意图。

图14为自适应连接件、缓冲件自适应形变后的另一种状态示意图。

图15为图12中沿着B-B剖视图，以显示缓冲件的结构示意图。该图中显示了磁体的形状为方形，当然具有磁力的磁体均可以实现该功能，例如方形、圆形均可。

图16、17、18为四个驱动轮配合动作后机器人前进、右转、横向移动方向示意。

图中：架体10、前清扫刷21、后清扫刷22、清扫臂23、弹性连接件24、驱动源31、驱动轮32、前左轮321、前右轮322、后左轮323、后右轮324、第一连杆33、第二连杆34、第三连杆35、缓冲弹簧36、缓冲杆37、吸附机构40、上连接座41、下连接座42、磁体43、铰接轴44、测距机构50、支撑单元61、图传单元62、单体机器人100、自适应防坠落机构200、柔性连接件201、滑轮组202、主滑轮203、自适应收卷结构2031、左侧滑轮204、右侧滑轮205、筒壁300。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

参见图1-11，本发明实施例提供了一种柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，包括若干单体机器人100及自适应防坠落机构200，自适应防坠落机构200包括一柔性连接件201及若干组设置在若干个单体机器人100上的滑轮组202，柔性连接件201穿设于若干个单体机器人100的滑轮组202之间，实现若干单体机器人100的柔性连接，所述单体机器人100包括架体10、清扫机构、驱动机构、吸附机构40，所述清扫机构安装于架体10的两侧，清扫机构与待清扫筒壁300的表面接触，所述驱动机构传动安装于架体10内部，包括驱动源31和驱动轮32，所述驱动源31提供驱动动力，驱动轮32与驱动源31连接，被驱动源31带动转动，所述驱动轮32外露于架体10的底部，以沿着待清扫筒体的表面移动，进而带动整个机器人移动，所述吸附机构40包括若干吸附单元，若干吸附单元设置于架体10的底部，且吸附表面用于与待清扫筒体的表面吸附，以将机器人吸附于筒体表面。其中，柔性连接件201为各种材质的柔性绳索，例如较细的金属丝、尼龙绳、塑胶绳等。

本发明中，每个单体机器人100通过吸附机构40与筒壁接触，通过驱动机构带动机器人沿着筒壁移动，通过清扫机构对筒壁进行清扫，通过自适应防坠落机构200将各单体机器人100限制于筒壁周围，避免其坠落。

与现有技术相比，本发明具有较好的综合性能，单体机器人100采用四个麦克纳姆轮独立驱动系统，通过控制四个驱动电机的转向和转速，能实现往复直线运动和沿曲面壁面环向运动，操作简便、稳定性好；吸附机构40与曲面壁面保持一定间隙，即可保持良好的吸附性能，又可保持灵活的速度性能；若干个单体机器人100同步协调控制，一次作业面积大，清洁维护效率高。

进一步，所述自适应防坠落机构200的滑轮组202包括主滑轮203、左侧滑轮204、右侧滑轮205，左侧滑轮204、右侧滑轮205分别设置于主滑轮203的左侧和右侧，所述柔性连接件201S型依次绕过左侧滑轮204、主滑轮203、右侧滑轮205。S型绕过使得柔性连接件201挂在滑轮组202上，不会脱落，且还可以相对于滑轮组202移动，当滑轮组202相对于柔性连接件201移动时，带动单体机器人100上下移位，使得单体机器人100沿着筒壁上下移动。

进一步，所述主滑轮203内部设置自适应收卷结构2031，所述自适应收卷结构2031用于储存部分长度余量，自适应收卷结构2031的两端分别与绕过主滑轮203的柔性连接件201连接，以牵引柔性连接件201收缩和伸长。具体的，所述自适应收卷结构2031为卷簧。

例如，单体机器人100为三个的时候，柔性连接件201依次绕过三个单体机器人100的滑轮组202，形成一个闭环结构，紧紧抱在塔筒壁面上，在机器人向上爬行或向下移动时，主动轮的自适应收卷结构2031自动收紧或放松，使得柔性连接件201始终处于一个张紧的状态，使得三个机器人之间围城的圈的直径刚刚好与筒壁300适应。所以，本方案通过柔性连接件201与主动轮的自适应收卷结构2031的自由伸缩功能实现作业时的实时变径，以适应不同塔筒直径进行作业。

进一步，所述柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统还包括测距机构50，所述测距机构50设置于架体10的顶部面板上，且测距机构50包括分别靠近架体10前端和后端的两个，分别用于检测机器人前端和后端的距离，且测距机构50的设置高度高于清扫机构的设置高度。

进一步，所述清扫机构包括前清扫刷、后清扫刷，所述前清扫刷、后清扫刷均通过清扫臂安装于架体上。由于清扫机构也是靠近架体10的前端和后端设置，而测距机构50也是同向设置，为了避免清扫机构干涉测距机构50的准确测量，例如遮挡，所以将测距机构50距离架体10底部的设置高度高于清扫机构距离架体10底部的设置高度，以使测距机构50准确测量前方和后方距离物体的距离。待测距机构50检测到位置达到预设位置后，向驱动源31发送停止信号，驱动轮32停止移动。

进一步，所述测距机构50为超声波检测器。

进一步，所述驱动机构的驱动源31为电机，驱动轮32为麦克纳姆轮。

参见图16-18，进一步，每一个驱动轮32配置一个电机。从而可以通过一个电机控制一个轮子进行全方位运动，且四个电机、四个驱动轮32独立动作，即可前进、后退、任意角度侧向运动，四个麦轮分别为前左轮321、前右轮322、后左轮323、后右轮324；

当四个轮子的电机均输出同方向的正转或反转信号，则机器人的四个轮子同时顺时针或逆时针转动，则机器人实现前进（即沿着筒壁向上）或后退（即沿着筒壁向下）的动作；

当前左轮321、后左轮323均顺时针或逆时针转动，同时前右轮322、后右轮324逆时针或顺时针转动，则机器人实现右转弯或左转弯的动作；

当处于对角线的两个轮子相同方向顺时针或逆时针，另外两个对角线的轮子相反方向逆时针或顺时针转动，则机器人实现左、右横向移动的动作。

现有的机器人多数采用履带式机器人，这在筒壁上工作时只能沿着一个方向移动，存在局限性。本方案通过驱动机构带动机器人沿着筒壁向上、向下、向左、向右等各个方向移动，即可前进、后退、任意角度侧向运动。

参见图12-15，进一步，所述驱动机构还包括自适应连接件、缓冲件，所述自适应连接件包括依次铰接的第一连杆33、第二连杆34、第三连杆35，第一连杆33的另一端与架体10的底部铰接，第三连杆35的另一端与架体10的底部铰接，一铰接点与驱动轮32连接，以通过三连杆受力后自适应形变实现驱动轮32与架体10之间相对距离可调节，所述缓冲件包括缓冲弹簧36、缓冲杆37，所述缓冲弹簧36的上端与架体10底部固定连接，下端与驱动轮32的连接，所述缓冲杆37的上端与架体10底部固定连接，缓冲杆37的下端设置于缓冲弹簧36内部。

当磁体43吸附力度过大时，使得驱动轮32与筒壁接触力多大，此时缓冲弹簧36被压缩，自适应连接件带动驱动轮32向上微小距离抬起；当架体10表面受力，向筒壁靠近或远离时，缓冲弹簧36适应性形变，自适应连接件也适应性形变，从而调整架体10与筒壁的距离，以此避免机器人与筒壁之间的刚性接触。且本方案中，通过三个连杆铰接的方式，实现了驱动轮及轴沿着竖直方向上下平行移动，不会造成连接驱动轮的轴变形或倾斜。

本方案与驱动源31通过传动轴驱动驱动轮32不冲突，一种实施方式中，可以将驱动轴与驱动轮32轴连接，有驱动源31带动驱动轴转动，再带动驱动轮32转动，而本方案中的，铰接点及缓冲杆37与驱动轮32连接时候，可以在驱动轴外部套设连接套筒，与套筒连接即可，套筒不需要随着轴转动，二者只需要转动连接即可实现。

进一步，所述清扫机构包括前清扫刷21、后清扫刷22，所述前清扫刷21、后清扫刷22均通过清扫臂23安装于架体10上。

进一步，所述清扫臂23与架体10之间采用轴连接，还在清扫臂23与架体10之间设置弹性连接件24，以使清扫臂23与筒体表面紧密接触。

进一步，所述弹性连接件24为弹簧。

进一步，所述柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统还包括检查维护机构，所述检查维护机构包括支撑单元61和图传单元62，所述支撑单元61的一端与架体10连接，另一端用于安装检查维护具体设备，所述图传单元62用于采集待清扫筒体的表面现场图片，并发送至外部系统。

进一步，所述支撑单元61为机械臂，能够夹取不同的工具，例如划线、标记工具、打磨工具、喷涂工具，用于完成对塔筒壁面进行如标记、打磨、喷漆等工作。所述图传单元62为视频拍摄器及通讯单元。例如视频拍摄器可以为摄像头，通讯单元为远程发射器，例如蓝牙模块、无线发送模块等。

进一步，所述吸附单元包括上连接座41、下连接座42、磁铁、铰接轴44，所述上连接座41的上端与架体10底部固定连接，下端与下连接座42的上端通过铰接轴44铰接，下连接座42的下端连接磁体43，磁体43的吸附面朝向待吸附物体设置。

本方案中，磁铁可以根据待吸附筒壁表面形状自适应调整与筒壁的接触角度，达到最大表面积接触，吸附力最强。其中，磁体43为永磁铁、软磁铁、电磁铁等的一种。该方案的设置，为了满足磁力较小的磁体，当采购选择磁力较小的磁体时，为了增大吸附力度，则利用本结构来调整磁体与筒壁的接触面积，从而增加吸附表面，将该磁力较小的磁体的磁力利用率发挥到最大。

本发明中吸附机构的另一种实施例是为了采用磁力较大的钕铁硼强磁性材料而设计的，即如图12中，通过将上连接着14、下连接座42设置的高度缩短，使得磁体43距离待测筒壁的距离小于驱动轮的距离，即磁体43的高度高于驱动轮的高度，保持驱动轮与筒壁接触，而保持磁体与筒壁不接触，间隔小的缝隙，为非接触式吸附，避免完全与塔筒壁面接触，这样可以减少机器人行走时因磁铁与壁面完全接触产生的滑动摩擦力，提高行走灵活性，减少电能消耗。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本专利文件较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：包括若干单体机器人及自适应防坠落机构，自适应防坠落机构包括一柔性连接件及若干组设置在若干个单体机器人上的滑轮组，柔性连接件穿设于若干个单体机器人的滑轮组之间，实现若干单体机器人的柔性连接，所述单体机器人包括架体、清扫机构、驱动机构、吸附机构，所述清扫机构安装于架体的两侧，所述驱动机构传动安装于架体内部，包括驱动源和驱动轮，所述驱动源提供驱动动力，驱动轮与驱动源连接，被驱动源带动转动，所述驱动轮外露于架体的底部，所述吸附机构包括若干吸附单元，若干吸附单元设置于架体的底部，且吸附表面用于与待清扫筒体的表面吸附，以将机器人吸附于筒体表面；所述柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统还包括测距机构，所述测距机构设置于架体的顶部面板上，且测距机构包括分别靠近架体前端和后端的两个，分别用于检测机器人前端和后端的距离，且测距机构的设置高度高于清扫机构的设置高度。

2.如权利要求1所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述自适应防坠落机构的滑轮组包括主滑轮、左侧滑轮、右侧滑轮，左侧滑轮、右侧滑轮分别设置于主滑轮的左侧和右侧，所述柔性连接件S型依次绕过左侧滑轮、主滑轮、右侧滑轮。

3.如权利要求2所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述主滑轮内部设置自适应收卷结构，所述自适应收卷结构用于储存部分长度余量，自适应收卷结构的两端分别与绕过主滑轮的柔性连接件连接，以牵引柔性连接件收缩和伸长。

4.如权利要求1所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述驱动机构的驱动源为电机，驱动轮为麦克纳姆轮。

5.如权利要求4所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述驱动机构还包括自适应连接件、缓冲件，所述自适应连接件包括依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆，第一连杆的另一端与架体的底部铰接，第三连杆的另一端与架体的底部铰接，第二连杆与第三连杆的铰接点与驱动轮连接，所述缓冲件包括缓冲弹簧、缓冲杆，所述缓冲弹簧的上端与架体底部固定连接，下端与驱动轮的连接，所述缓冲杆的上端与架体底部固定连接，缓冲杆的下端设置于缓冲弹簧内部。

6.如权利要求5所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述清扫机构包括前清扫刷、后清扫刷，所述前清扫刷、后清扫刷均通过清扫臂安装于架体上，所述清扫臂与架体之间采用轴连接，还在清扫臂与架体之间设置弹性连接件，以使清扫臂与筒体表面紧密接触。

7.如权利要求1所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统还包括检查维护机构，所述检查维护机构包括支撑单元和图传单元，所述支撑单元的一端与架体连接，另一端用于安装检查维护具体设备，所述图传单元用于采集待清扫筒体的表面现场图片，并发送至外部系统。

8.如权利要求7所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述支撑单元为机械臂，所述图传单元为视频拍摄器及通讯单元。

9.如权利要求1所述的柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统，其特征在于：所述吸附单元包括上连接座、下连接座、磁铁、铰接轴，所述上连接座的上端与架体底部固定连接，下端与下连接座的上端通过铰接轴铰接，下连接座的下端连接磁体，磁体的吸附面朝向待吸附物体设置。

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