CN111823214A - 一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置，该驱动装置由驱动轮、驱动电机、驱动轮架、顶紧轮、顶紧轮安装杆和机器人本体组成；驱动轮和驱动电机安装在驱动轮架的上面，顶紧轮安装杆采用“T”型结构，顶紧轮安装在顶紧轮安装杆“T”型结构的横杆处，顶紧轮安装杆“T”型结构的竖杆安装在机器人本体的两侧。机器人运行在有倾角的轨道上时，该驱动装置利用机器人本体自身的重力为驱动轮提供夹紧力，从而使机器人的爬坡能力不受自重和轨道倾角变化影响，可大幅度降低机器人能量的浪费，提高机器人的运行距离。

Description

一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置

技术领域

本发明涉及巡检机器人领域，具体说是一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置。

背景技术

在煤矿生产中，为保证胶带运输机等设备的安全运行，目前，煤矿井下已开始采用巡检机器人进行皮带机巡检，主要功能为检测皮带机的破损情况、托辊异常声音报警、气体超限报警等。巡检机器人一般采用轨道吊挂式安装，通过安装在机器人本体上的驱动轮来实现机器人的行走、爬坡，完成巡检的目的。由于现有轨道巡检机器人是依靠外力使驱动轮夹紧轨道而保持在轨道上正常运行，在轨道出现坡度时，机器人受重力作用会产生一个下滑分力，阻碍机器人爬坡运行。因此，机器人则依靠驱动轮与轨道的摩擦力抵抗下滑。当机器人的下滑分力超过驱动轮与轨道的摩擦力，出现打滑现象时，即使电机的扭矩再大，也无法为机器人提供驱动力。为了克服下滑现象，现有的轨道巡检机器人一般采用驱动轮夹紧的方式增加驱动轮与轨道接触面的压力，进而增大驱动轮与轨道的摩擦力，抵抗机器人的下滑。另有利用在轨道上加装齿条、链条或加工冲孔板等方法，它们的共同点是驱动轮上带有齿，在此统称为齿型驱动轮方案。申请号为“CN202010038443.5”的专利提出的一种夹紧方案，是由弹簧机构提供驱动轮的夹紧力进而提供机器人的摩擦驱动力。上述各方案存在如下缺点：

1、夹紧力由外力提供，现实中很难做到很大，在倾角较大或机器人本体重量较大的时候很难做到足够的压力，从而对机器人爬坡角度及机器人本体重量产生限制，严重影响机器人适用范围；

2、实际使用中，轨道通常会出现倾角变化的情况，机器人需要将夹紧力增大到能适应该段轨道中倾角最大的状态，导致为了适应很短的一段大倾角轨道便需要机器人全程处于大力加紧的状态。在轨道倾角不大甚至是水平状态下也保持大力加紧，无疑会造成能量的浪费，缩短机器人的运行距离；

3、若使用齿型驱动轮方案，则存在轨道加工复杂、安装困难、成本高的问题；

4、若使用申请号“CN202010038443.5”专利提出的夹紧方案，则其夹紧力也存在不能随轨道变化及时调整的问题，在同一条轨道出现多种倾角（此为煤矿巷道很常见的变坡现象）的时候，夹紧力不能随之发生变化，并且此方案同样有夹紧力不能做到很大，影响机器人可用倾角的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置，该巡检机器人带有特有的悬挂驱动机构，当机器人运行在有倾角的轨道上时，利用机器人本体重力的下滑分力自动提供夹紧力，此夹紧力与重力的下滑分力成正比，可以使机器人的爬坡能力不再受自重和轨道倾角变化的影响，理论上甚至可以做到最严苛的垂直攀爬，并且在倾角较小的路段自动减小夹紧力，从而大幅度降低能量的浪费，延长机器人的运行时间和距离。

本发明采用的技术方案是：一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置，由驱动轮1、驱动电机2、驱动轮架3、顶紧轮4、顶紧轮安装杆5和机器人本体6组成。

所述轨道式巡检机器人驱动装置共有四个驱动轮1和四个驱动电机2，分成两组分别安装在驱动轮架3两端的上面；顶紧轮安装杆5为“T”型结构，共有四个，顶紧轮安装杆5“T”型结构的横杆较短，中部为铰接点5-1，两端为安装点5-3；顶紧轮安装杆5 “T”型结构的竖杆较长，最下端为底部铰接点5-2。

两个顶紧轮4成对镜像安装在两个顶紧轮安装杆5“T”型结构横杆两端的安装点5-3处，两个同样的装配体分别通过顶紧轮安装杆5“T”型结构横杆中部的铰接点5-1与驱动轮架3两端下面的铰接点进行铰接，安装后要确保顶紧轮安装杆5能绕铰接点5-1的安装轴顺畅转动。四个顶紧轮安装杆5的“T”型结构竖杆最下端的底部铰接点5-2分别铰接在机器人本体6的两侧。

轨道采用“工”字形轨道，巡检机器人吊挂安装在水平状态的轨道上时，驱动轮1分别安装在轨道两侧底面的上侧，顶紧轮4安装在轨道底面的下侧，并与轨道底面接触。

本发明的有益效果是：该轨道式巡检机器人采用了一种自动夹紧结构，将巡检机器人本体的自重转化为驱动轮与轨道之间的夹紧力，当巡检机器人运行到具有倾角的轨道上时，压紧轮自动为驱动轮提供压紧力，从而保证有足够的摩擦力来驱动巡检机器人。该轨道式巡检机器人采用的自动夹紧调整结构完全依靠机械结构及系统内力自动实现，免除了人工或者外力机构对夹紧力的调整，降低了调试及维护设备所需的工作量，只要设计合理的构件尺寸，配合适当的电机，不论轨道倾角多大、机器人本体多重，都可以实现巡检机器人的正常运行，有效的保障了巡检机器人的大倾角适应范围以及运行距离，具有结构简单、可靠性高的特点。

附图说明

图1为轨道巡检机器人驱动装置组成结构侧视图。

图2为轨道巡检机器人驱动装置组成结构轴测示意图。

图3为轨道巡检机器人水平运行状态受力分析图。

图4为隐去机器人本体的巡检机器人倾角运行状态受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置，由驱动轮1、驱动电机2、驱动轮架3、顶紧轮4、顶紧轮安装杆5和机器人本体6组成。所述轨道式巡检机器人是一种在吊挂轨道上运行的悬挂式轨道巡检机器人。

所述轨道式巡检机器人共有四个驱动轮1和四个驱动电机2，分成两组分别安装在驱动轮架3两端的上面；顶紧轮安装杆5为“T”型结构，共有四个，顶紧轮安装杆5 的“T”型横杆较短，中部为铰接点5-1，两端为安装点5-3；顶紧轮安装杆5 的“T”型竖杆较长，最下端为底部铰接点5-2。

两个顶紧轮4成对镜像安装在两个顶紧轮安装杆5“T”型横杆两端的安装点5-3处，两个同样的装配体通过顶紧轮安装杆5“T”型横杆中部铰接点5-1与驱动轮架3两端下面的铰接点进行铰接，铰接后要确保顶紧轮安装杆5能绕铰接点5-1的安装轴顺畅转动。四个顶紧轮安装杆5的“T”型竖杆最下端的底部铰接点5-2分别铰接在机器人本体6的两侧。

如图3、图4所示，驱动轮架3、两个顶紧轮安装杆5和机器人本体6构成一个平行四边形结构。巡检机器人没在轨道上安装时，上述平行四边形可在较大范围内自由摆动，当巡检机器人装到水平状态的轨道上时，顶紧轮4与轨道底面接触，将该四边形进行了限位，该四边形不能在较大范围内摆动。

为叙述本发明的工作原理，定义有关术语及符号如下：

（1）机器人本体6的重力为G；

（2）机器人本体6重力的下滑分力为F1；

（3）轨道与顶紧轮4之间的顶紧力为F2；

（4）驱动轮架3与顶紧轮安装杆5之间的拉力为F3；

（5）轨道底面上侧与驱动轮1之间的压力为F4；

（6）驱动轮1与轨道的摩擦系数为μ；

（7）顶紧轮安装杆5 的“T”型横杆中部铰接点5-1到“T”型竖杆底部铰接点5-2的距离为L1；

（8）顶紧轮安装杆5 的“T”型横杆中部铰接点5-1到“T”型横杆一端的安装点5-3的距离为L2。

如图3所示，所用轨道为“工”字形轨道，巡检机器人在往水平状态的轨道上吊挂安装时，四个驱动轮1分成两组分别安装在轨道两侧底面的上侧，顶紧轮4安装在轨道底面的下侧，并与轨道底面接触，但接触位置没有压力。当巡检机器人在水平状态运行时，机器人本体6的重力G不产生下滑分力F1，故F1=0、F2=0、F3=F4=G。此时轨道与驱动轮1的摩擦力为F4×μ，巡检机器人只需要克服少量的阻力便可以向前运行。

如图4所示，当巡检机器人在有倾角的路段爬坡运行时，机器人本体6的重力G产生下滑分力F1，根据力学知识可知，此下滑分力F1作用于两对顶紧轮安装杆5的底部铰接点5-2，方向与轨道平行，由此会产生一个绕顶紧轮安装杆5 的“T”型横杆中部铰接点5-1旋转的转矩，但是由于安装在顶紧轮安装杆5 的“T”型横杆两端安装点5-3处的顶紧轮4顶在轨道底面上，顶紧轮安装杆5无法发生转动。根据力学原理，此时顶紧轮4与轨道底面产生一个接触压力F2，其大小为：F2=F1×L1/L2。

根据力学知识可知，此刻在顶紧轮安装杆5“T”型横杆中部的铰接点5-1处产生一个顶紧轮安装杆5施加于驱动轮架3的拉力F3，该拉力F3和轨道底面与顶紧轮4之间的压紧力F2大小近似相等。根据力的平行四边形分解原理，F3中还应叠加重力G的另一个分力即重力下压分力。为简便起见，在此将其忽略，忽略后不影响下面的计算结果，反而是一种偏安全的计算方法。由于轨道与驱动轮1之间的压力F4与F3大小相等。因此，F4=F3≈F2，此时，驱动轮1与轨道底面上侧之间的摩擦力等于F4×μ，μ为摩擦系数。

因此，若要让巡检机器人克服重力G的下滑分力F1向上运动，需要满足的条件为F4×μ≥F1。

根据条件F4×μ≥F1，以及F4=F3≈F2=F1×L1/L2，可推导出：μ≥L2/L1，即L2/L1≤μ即可满足机器人正常运行的条件。

因此只要合理设计L1和L2的长度，并且选择合适的驱动轮1及轨道材质，确保一个合理的摩擦系数μ，满足L2/L1≤μ的条件，则不论倾角有多大，或者机器人本体6有多重，甚至在最为严苛的倾角为90°垂直运动时，都可以实现巡检机器人的正常运行。

同理，当巡检机器人在有倾角的路段下坡运行时，在机器人本体6的重力G作用下，顶紧轮安装杆5“T”型横杆的另一端安装点5-3安装的压紧轮4为驱动轮1提供压紧力，从而保证巡检机器人下坡路段运行时可正常行走不打滑。

本发明所述并不限于具体实施方式所述的实施例，只要是本领域技术人员根据本发明方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新及保护的范围。

Claims (2)

1.一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置，其特征在于：该驱动装置由驱动轮（1）、驱动电机（2）、驱动轮架（3）、顶紧轮（4）、顶紧轮安装杆（5）和机器人本体6组成；所述轨道式巡检机器人是一种在吊挂轨道上运行的悬挂式轨道巡检机器人，所述轨道式巡检机器人驱动装置共有四个驱动轮（1）和四个驱动电机（2），分成两组分别安装在驱动轮架（3）两端的上面；顶紧轮安装杆（5）为“T”型结构，共有四个，顶紧轮安装杆（5）“T”型结构的横杆较短，中部为铰接点（5-1），两端为安装点（5-3）；顶紧轮安装杆（5）“T”型结构的竖杆较长，最下端为底部铰接点（5-2）；所述顶紧轮（4），其中两个成对镜像安装在两个顶紧轮安装杆（5）“T”型横杆两端的安装点（5-3）处，两个同样的装配体通过顶紧轮安装杆（5）“T”型横杆中部铰接点（5-1）与驱动轮架（3）两端下面的铰接点进行铰接，四个顶紧轮安装杆（5）“T”型结构的竖杆最下端的底部铰接点（5-2）分别铰接在机器人本体（6）的两侧。

2.根据权利要求1所述一种自动调整夹紧力的轨道巡检机器人驱动装置，其特征在于：所用吊挂轨道为“工”字形轨道，巡检机器人在往水平状态的轨道上吊挂安装时，四个驱动轮（1）分成两组分别安装在轨道两侧底面的上侧，顶紧轮（4）安装在轨道底面的下侧，并与轨道底面接触。

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