CN112092534A - 车轮及轮式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种车轮及轮式爬壁机器人，包括车轮壳体、车轮轴和吸附机构，车轮轴与车轮壳体固定连接，车轮轴的轴线与车轮壳体的轴线重合设置，吸附机构位于车轮壳体内；吸附机构包括连接件和磁性件，连接件沿车轮壳体的径向方向设置，连接件的第一端与车轮轴转动连接并绕车轮轴的轴线相对转动，磁性件与连接件的第二端连接。该车轮的吸附机构位于车轮壳体的内部，那么应用有该车轮的轮式爬壁机器人在运动过程中不会出现因腹部干涉而出现的卡滞现象，可以极大地提高该轮式爬壁机器人的越障和通过能力，也可以减小轮式爬壁机器人的体积和重量，提高该轮式爬壁机器人的灵活性与负载能力。

Description

车轮及轮式爬壁机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种车轮及轮式爬壁机器人。

背景技术

在核能、船舶、化工、风电等领域，大部分设备的金属外壁一般由导磁钢板焊接而成，由于风吹日晒、海水浸泡、海生物附着，导致金属壁大面积脱漆甚至生锈，不仅影响了外观，更严重的影响了金属外壁的使用寿命。海洋生物对船体壁面的附着，增加了船体的负载，降低了燃油效率。上述现象对金属外壁的检测、清洗和除锈等提出了要求。由于轮式爬壁机器人具有运动灵活等诸多优点，轮式爬壁机器人在检测、清洗、除锈等领域的应用越加广泛。但目前具有检测、清洗和除锈等功能的轮式爬壁机器人大多只能适应平面和小曲率的曲面，在倾斜及垂直壁面极易发生倾覆及跌落的现象。

目前的轮式爬壁机器人跨越凸起结构、大曲率地形障碍物等情况时，常常出现底盘卡滞和机器人整体倾覆等现象，负载能力、越障能力和运动可靠性十分有限，导致机器人不能满足复杂工况的使用要求。目前，主要的解决方案是通过在轮式爬壁机器人腹部安装吸附机构解决轮式机器人的越障和运动可靠性问题。但这种结构的轮式爬壁机器人还存在以下缺点：

(1)负载能力有限。由于现有的轮式爬壁机器人磁吸附装置通常安装于机器人腹部，而轮式爬壁机器人腹部空间限制，磁铁体积有限，磁吸附力受到进一步限制，当经过大曲率表面时，磁铁与壁面的磁隙变大，磁吸附力会以指数方式减小，轮式爬壁机器人很难满足清洗等较大的负载需求。

(2)结构复杂，体积大。现有轮式爬壁机器人，由于磁吸附装置设计于腹部，使得机器人整体体积增大，导致其他结构的重新布置使整体结构复杂，增加了设计的难度。

(3)越障能力有限。现有轮式爬壁机器人吸附机构一般安装于机器人腹部，遇到局部障碍时，障碍的高度不能超过磁铁与壁面的最小距离，否则会出现卡滞现象。遇到大尺寸障碍时，由于越障时磁隙增加，吸附力减弱，轮式爬壁机器人只能越过一定高度的单一障碍，否则将会出现倾覆的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车轮及轮式爬壁机器人，旨在解决现有技术中的轮式爬壁机器人负载能力差、越障能力差及运动可靠性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种车轮，包括车轮壳体、车轮轴和吸附机构，所述车轮轴与所述车轮壳体固定连接，所述车轮轴的轴线与所述车轮壳体的轴线重合设置，所述吸附机构位于所述车轮壳体内；所述吸附机构包括连接件和磁性件，所述连接件沿所述车轮壳体的径向方向设置，所述连接件的第一端与所述车轮轴转动连接并绕所述车轮轴的轴线相对转动，所述磁性件与所述连接件的第二端连接。

进一步地，所述磁性件背向所述车轮轴的侧面为与所述车轮壳体相适配的圆弧面。

进一步地，所述磁性件的数量为多个，多个所述磁性件形成海尔贝克阵列，所述海尔贝克阵列的强磁侧背向所述车轮轴设置。

进一步地，多个所述磁性件沿所述车轮轴的轴线方向依次并排设置，其中相邻的三个所述磁性件沿所述车轮轴的轴线依次分为第一磁性件、第二磁性件和第三磁性件，所述第二磁性件的磁场方向平行于所述车轮轴的轴线方向，所述第一磁性件的磁场方向和所述第三磁性件的磁场方向均垂直于所述第二磁性件的磁场方向，所述第一磁性件的磁场方向和所述第三磁性件的磁场方向相反设置。

进一步地，所述连接件包括轴承、轴承座和转接板，所述轴承安装于所述轴承座内，所述车轮轴与所述轴承固定连接，所述轴承座安装于所述转接板上，所述磁性件安装于所述转接板背向所述轴承座的侧面上。

进一步地，所述车轮壳体包括车轮圈和两个车轮板，两个所述车轮板分别安装于所述车轮圈的相对两侧部，所述车轮轴的两端均通过法兰盘分别固定安装于所述两个车轮板上。

进一步地，两个所述法兰盘背向对应的两个所述车轮板的侧面上设有环形凸起，两个所述环形凸起的端面分别抵接于所述轴承的内圈的相对两侧面上。

进一步地，所述转接板的内部开设有通孔。

进一步地，所述车轮圈、所述车轮板、所述法兰盘和所述轴承座分别为铝合金轮圈、铝合金轮板、铝合金法兰盘和铝合金轴承座；所述转接板为塑料板。

本发明提供的车轮中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：在车轮壳体内部设计有吸附机构，一方面在车轮壳体旋转的过程中，吸附机构的磁性件与金属壁面之间保持相对固定的距离，从而保持稳定的磁吸附力，保证车轮与金属壁面之间的紧密贴合，也保证应用了该车轮的轮式爬壁机器人行走的稳定性；当车轮行走在大曲率的金属壁面上时，吸附机构的磁性件与金属壁面之间的间距不会发生明显变化，磁吸附力也不会发生明显变化，那么应用了该车轮的轮式爬壁机器人可以满足清洗等较大的负载需求，负载能力强；另一方面，由于车轮壳体内置吸附机构，那么应用有该车轮的轮式爬壁机器人在运动过程中不会出现因腹部干涉而出现的卡滞现象，可以极大地提高该轮式爬壁机器人的越障和通过能力，也无需在轮式爬壁机器人的腹部安装吸附机构，大大减少了轮式爬壁机器人的体积和重量，提高该轮式爬壁机器人的灵活性与负载能力。

本发明采用的另一技术方案是：一种轮式爬壁机器人，包括上述的车轮。

本发明的轮式爬壁机器人，由于采用了上述的车轮，吸附机构位于车轮壳体的内部，在该轮式爬壁机器人行走的过程中，吸附机构的磁性件与金属壁面之间保持相对固定的距离，从而保持稳定的磁吸附力，保证车轮与金属壁面之间的紧密贴合，确保该轮式爬壁机器人行走的稳定性；同时，吸附机构位于车轮壳体的内部，该轮式爬壁机器人在运动过程中不会出现因腹部干涉而出现的卡滞现象，极大地提高该轮式爬壁机器人的越障和通过能力，也无需在轮式爬壁机器人的腹部安装吸附机构，大大减少了轮式爬壁机器人的体积和重量，提高该轮式爬壁机器人的灵活性与负载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的车轮的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的车轮的隐藏一侧车轮板的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的车轮的爆炸图。

图4为磁性件的Halbach结构原理图。

图5为本发明实施例提供的车轮的磁性件的主视图。

图6为本发明实施例提供的车轮的磁性件的右视方向上的磁场方向示意图。

其中，图中各附图标记：

10—车轮壳体 11—车轮圈 12—车轮板

20—车轮轴 21—法兰盘 30—吸附机构

31—连接件 32—磁性件 100—金属壁面

211—环形凸起 311—轴承 312—轴承座

313—转接板 321—圆弧面 322—第一磁性件

323—第二磁性件 324—第三磁性件 3131—通孔

3211—缺口。

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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～6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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1～6所示，在本发明的一个实施例中，提供了一种车轮，可安装于轮式爬壁机器人上，具体地，本发明实施例的车轮包括车轮壳体10、车轮轴20和吸附机构30，车轮轴20与车轮壳体10固定连接，车轮轴20的轴线与车轮壳体10的轴线重合设置，其中车轮轴20用于与轮式爬壁机器人上的动力机构(图未示)连接，动力机构将动力传递给车轮轴20，从而带动车轮壳体10转动，进而实现轮式爬壁机器人的行走。

更具体地，吸附机构30位于车轮壳体10内；吸附机构30包括连接件31和磁性件32，连接件31沿车轮壳体10的径向方向设置，连接件31的第一端与车轮轴20转动连接并绕车轮轴20的轴线相对转动，磁性件32与连接件31的第二端连接。其中，磁性件32通过连接件31安装在车轮轴20上，且连接件31的第一端与车轮轴20转动连接，那么在车轮壳体10转动的过程中，磁性件32不会随着车轮壳体10的转动而转动，磁性件32会一直位于车轮轴20的下方并与金属壁面100正对设置，从而保证稳定的吸附力，确保车轮壳体10在转动的过程中与金属壁面100紧密地贴合在一起，保证车轮稳定吸附行走。

本实施例中，在车轮壳体10内部设计有吸附机构30，一方面在车轮壳体10旋转的过程中，吸附机构30的磁性件32与金属壁面100之间保持相对固定的距离，从而保持稳定的磁吸附力，保证车轮与金属壁面100之间的紧密贴合，也保证应用了该车轮的轮式爬壁机器人行走的稳定性；当车轮行走在大曲率的金属壁面100上时，吸附机构30的磁性件32与金属壁面100之间的间距不会发生明显变化，磁吸附力也不会发生明显变化，那么应用了该车轮的轮式爬壁机器人可以满足清洗等较大的负载需求，负载能力强；另一方面，由于车轮壳体10内置吸附机构30，那么应用有该车轮的轮式爬壁机器人在运动过程中不会出现因腹部干涉而出现的卡滞现象，可以极大地提高该轮式爬壁机器人的越障和通过能力，也无需在轮式爬壁机器人的腹部安装吸附机构30，大大减少了轮式爬壁机器人的体积和重量，提高该轮式爬壁机器人的灵活性与负载能力。

参阅图1、图3和图6所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮的磁性件32背向车轮轴20的侧面为与车轮壳体10相适配的圆弧面321。具体地，该圆弧面321的曲率与车轮壳体10的曲率相同，圆弧面321与车轮壳体10的内壁面之间等间隔的间距，使得磁性件32能够更为靠近车轮壳体10的内壁面，减小磁性件32与金属壁面100之间的间距，增加吸附力，车轮行走的稳定性好，同时，该间距的设置可以保证车轮壳体10与磁性件32互不干涉，而且车轮壳体10在金属壁面100上转动的过程中，磁性件32的圆弧面321一直保持与金属壁面100近似相切，进一步地提高了金属壁面100与磁性件32之间的磁吸附力，提高该车轮吸附行走的稳定性，也能够提高应用了该车轮的轮式爬壁机器人的负载能力以及作业的稳定性。

参阅图4、图5和图6所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮的磁性件32的数量为多个，多个磁性件32形成海尔贝克阵列，海尔贝克阵列的强磁侧背向车轮轴20设置。其中，多个磁性件32安装排列方式以及磁场布置方向，满足Halbach Array(中文意思：海尔贝克阵列)结构原理(具体参见图4所示)，该原理可近似认为是三个方向磁场的叠加，应用该原理的结构可以实现一面磁场减弱，一面磁场增强的效果，充分提高磁性件32的磁能利用率，那么该车轮的多个磁性件32形成的磁场，该磁场靠近金属壁面100侧部的磁场强度高，磁性件32与金属壁面100之间的磁性吸附力大，车轮的行走也更为稳定可靠，也可以提高应用有该车轮的轮式爬壁机器人的负载能力以及行走的稳定性。例如：海尔贝克阵列内的多个磁性件32依次并列设置，且多个磁性件32的磁场方向可以按照朝下、朝左、朝上以及朝右依次循环重复设置，从而保证多个磁性件32的磁场得到有效地叠加，达到增强磁性件32与金属壁面100之间的磁性吸附力的目的，实现该车轮稳定、安全、高效地行走。

参阅图4、图5和图6所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮多个磁性件32沿车轮轴20的轴线方向依次并排设置，其中相邻的三个磁性件32沿车轮轴20的轴线依次为第一磁性件322、第二磁性件323和第三磁性件324，第二磁性件323的磁场方向平行于车轮轴20的轴线方向，第一磁性件322的磁场方向和第三磁性件324的磁场方向均垂直于第二磁性件323的磁场方向，第一磁性件322的磁场方向和第三磁性件324的磁场方向相反设置。具体地，第一磁性件322、第二磁性件323和第三磁性件324的磁场相互叠加，可以使得该车轮远离金属壁面100的磁吸附力减弱，而该车轮靠近金属壁面100的磁吸附力增强，充分地提高磁性件32的磁能利用率，提高了磁铁与金属壁面100之间的磁吸附力，保证了磁性件32与金属壁面100之间的稳定吸附，使得应用有该车轮的轮式爬壁机器人吸附行走的稳定性更好。

进一步地，对于小型的车轮，可以采用三个磁性件32，这样每个磁性件32的厚度较厚，每个磁性件32均具有较强的磁场，这样三个磁性件32叠加之后的磁场强度强，可以保证磁性件32与金属壁面100之间稳定地磁性吸附，确保小型车轮的行走的稳定性。

优选地，磁性件32为磁铁。

参阅图1、图2和图3所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮的连接件31包括轴承311、轴承座312和转接板313，轴承311安装于轴承座312内，车轮轴20与轴承311固定连接，轴承座312安装于转接板313上，磁性件32安装于转接板313背向轴承座312的侧面上。具体地，磁性件32通过转接板313、轴承座312和轴承311安装在车轮轴20承，车轮轴20能够轴承311内自由转动，那么当车轮轴20带动车轮壳体10转动时，磁性件32无需随着车轮轴20转动，从而保证磁性件32与金属壁面100之间的吸附姿态和间距保持无变化，保证磁性件32与金属壁面100之间的稳定吸附，车轮壳体10可以紧密贴合在金属壁面100上，确保应用了该车轮的轮式爬壁机器人的正常行走和正常作业。

具体地，螺钉(图未示)依次穿过磁性件32和转接板313后与轴承座312固定连接，从而实现了磁性件32、转接板313和轴承座312的连接，该连接方式操作简单，连接的稳定性好。

更具体地，结合图5所示，磁性件32的圆弧面321的两端处均设有缺口3211，该缺口3211用于容纳螺钉的螺帽部分，避免螺钉的螺帽伸出磁性件32外而与车轮壳体10产生干涉，影响磁性件32与金属壁面100的磁性吸附。

参阅图1、图2和图3所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮的车轮壳体10包括车轮圈11和两个车轮板12，两个车轮板12分别安装于车轮圈11的相对两侧部，车轮轴20的两端均通过法兰盘21分别固定安装于两个车轮板12上。具体地，车轮圈11呈圆环状，便于车轮圈11的外壁面与金属壁面100紧密贴合，也有利于车轮圈11在金属壁面100上顺畅地转动，从而实现了车轮的行走；吸附机构30和车轮轴20均位于车轮圈11内，车轮板12一方面将吸附机构30和车轮轴20封闭在车轮圈11内，避免吸附机构30和车轮轴20的外露受损，延长该车轮的使用寿命；另一方面，车轮轴20通过法兰盘21固定车轮板12上，而车轮板12的圆周边缘处通过螺钉(图未示)固定在车轮圈11上，在使用时，只需将动力机构的输出轴与车轮轴20连接，车轮轴20转动就能够带动车轮圈11转动，该车轮与动力机构的连接操作简单，提高了应用有该车轮的轮式爬壁机器人的组装效率。

参阅图1、图2和图3所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮的两个法兰盘21背向对应的两个车轮板12的侧面上设有环形凸起211，两个环形凸起211的端面分别抵接于轴承311的内圈的相对两侧面上。其中，两个法兰盘21上的环形凸起211分别抵接在轴承座312的内圈的相对两侧面上，限制轴承311的轴向移动，保证磁性件32固定的稳定性，进而保证磁性件32与金属壁面100之间稳定的磁性吸附，确保车轮的稳定行走。

进一步地，轴承座312与轴承311之间还通过紧固螺钉(图未示)连接，以限制轴承座312的轴向窜动，进一步地防止磁性件32发生轴向窜动，保证磁性件32与金属壁面100之间吸附的稳定性，确保车轮的稳定行走。

参阅图3所示，本发明的另一实施例中，提供的该车轮的转接板313的内部开设有通孔3131。该通孔3131的设计能够有效减少转接板313的材料堆积，减少该转接板313的重量，从而有效地减少整个车轮的重量，使得车轮行走更为轻便顺畅，同时也能够有效地减少应用有该车轮的轮式爬壁机器人的重量，使得该轮式爬壁机器人的行走也更为轻便稳定，其作业也更为稳定可靠，负载能力也能够大大地提高，且灵活性好。

本发明的另一实施例中，提供的该车轮的车轮圈11、车轮板12、法兰盘21和轴承座312分别为铝合金轮圈、铝合金轮板、铝合金法兰盘21和铝合金轴承座312。其中，车轮圈11、车轮板12、法兰盘21和轴承座312均采用铝合金材料制成，铝合金材料具有质量轻的优点，那么该材料的选择进一步地能够大大地降低该车轮的重量，可以有效地提高应用有该车轮的轮式爬壁机器人的负载能力和灵活性；其中转接板313采用塑料材质制成，也能够有效地降低该车轮的自重。

本发明的另一实施例中，提供了一种轮式爬壁机器人，该轮式爬壁机器人上可以安装不同的设备(例如：清洗设备、检测设备以及喷涂设备等)，以用于对金属壁面100进行的除锈、清洗、喷涂以及检测等作业。该轮式爬壁机器人包括上述的车轮。具体地，该车轮的动力机构的输出轴与车轮轴20固定连接。

本实施例中，本发明实施例的轮式爬壁机器人，由于采用了上述的车轮，吸附机构30位于车轮壳体10的内部，在该轮式爬壁机器人行走的过程中，吸附机构30的磁性件32与金属壁面100之间保持相对固定的距离，从而保持稳定的磁吸附力，保证车轮与金属壁面100之间的紧密贴合，也保证该轮式爬壁机器人行走的稳定性；同时，吸附机构30位于车轮壳体10的内部，该轮式爬壁机器人在运动过程中不会出现因腹部干涉而出现的卡滞现象，极大地提高该轮式爬壁机器人的越障和通过能力，也无需在轮式爬壁机器人的腹部安装吸附机构30，大大减少轮式爬壁机器人的体积和重量，提高该轮式爬壁机器人的灵活性与负载能力。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车轮，其特征在于：包括车轮壳体、车轮轴和吸附机构，所述车轮轴与所述车轮壳体固定连接，所述车轮轴的轴线与所述车轮壳体的轴线重合设置，所述吸附机构位于所述车轮壳体内；

所述吸附机构包括连接件和磁性件，所述连接件沿所述车轮壳体的径向方向设置，所述连接件的第一端与所述车轮轴转动连接并绕所述车轮轴的轴线相对转动，所述磁性件与所述连接件的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于：所述磁性件背向所述车轮轴的侧面为与所述车轮壳体相适配的圆弧面。

3.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于：所述磁性件的数量为多个，多个所述磁性件形成海尔贝克阵列，所述海尔贝克阵列的强磁侧背向所述车轮轴设置。

4.根据权利要求3所述的车轮，其特征在于：多个所述磁性件沿所述车轮轴的轴线方向依次并排设置，其中相邻的三个所述磁性件沿所述车轮轴的轴线依次分为第一磁性件、第二磁性件和第三磁性件，所述第二磁性件的磁场方向平行于所述车轮轴的轴线方向，所述第一磁性件的磁场方向和所述第三磁性件的磁场方向均垂直于所述第二磁性件的磁场方向，所述第一磁性件的磁场方向和所述第三磁性件的磁场方向相反设置。

5.根据权利要求1～4任一项所述的车轮，其特征在于：所述连接件包括轴承、轴承座和转接板，所述轴承安装于所述轴承座内，所述车轮轴与所述轴承固定连接，所述轴承座安装于所述转接板上，所述磁性件安装于所述转接板背向所述轴承座的侧面上。

6.根据权利要求5所述的车轮，其特征在于：所述车轮壳体包括车轮圈和两个车轮板，两个所述车轮板分别安装于所述车轮圈的相对两侧部，所述车轮轴的两端均通过法兰盘分别固定安装于所述两个车轮板上。

7.根据权利要求6所述的车轮，其特征在于：两个所述法兰盘背向对应的两个所述车轮板的侧面上设有环形凸起，两个所述环形凸起的端面分别抵接于所述轴承的内圈的相对两侧面上。

8.根据权利要求5所述的车轮，其特征在于：所述转接板的内部开设有通孔。

9.根据权利要求6所述的车轮，其特征在于：所述车轮圈、所述车轮板、所述法兰盘和所述轴承座分别为铝合金轮圈、铝合金轮板、铝合金法兰盘和铝合金轴承座；所述转接板为塑料板。

10.一种轮式爬壁机器人，其特征在于：包括权利要求1～9任一项所述的车轮。

Images