CN112123364A - 一种弧面自调节磁吸附机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体为一种弧面自调节磁吸附机器人，包括左车体和右车体，左车体和右车体通过连接结构活动连接，左车体和右车体的底部均装设有永磁轮，左车体和/或右车体内设有电连接的永磁轮驱动系统和控制系统，永磁轮通过传动装置与永磁轮驱动系统连接，右车体上设有测距装置，左车体上设有激光/摄像一体机，测距装置和激光/摄像一体机均与控制系统电连接的；左车体或右车体的前端均设有工装锁紧装置，工装锁紧装置上安装有扫查架，扫查架上装设有探头；左车体或右车体内还设有差速器机构。本发明既可适用于不同曲面，也可拆分单独使用，实现了机器人的灵活调节，且可实现了多种检测手段的精确检测。

Description

一种弧面自调节磁吸附机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种弧面自调节磁吸附机器人。

背景技术

智能磁力机器人是可搭载各类无损检测装备的先进仪器，目前在石油化工、压力容器、电力、船舶、军事等众多领域积累了大量的现场解决经验。

作为机器人技术领域的重要分支，磁吸附式爬壁机器人是一类特种移动作业机器人，是一种设计用来在危险和极限工况下，在铁磁性壁面上进行特定作业的一种自动化机电装置，它可以在竖直壁面、倾斜壁面甚至容器顶面全方位地运动，能携带工具完成特定的任务，如钢板焊接、表面打磨等。目前磁吸附爬壁机器人在电力设备制造、核工业、石化工业、造船业等现代生产活动中获得成功的试应用，完成诸如铁磁性结构件和容器的生产施工、检测等工作。

经文献调研发现，现有报道的磁吸附式爬行机器人，一般在平直表面碳钢板或近平直导磁性壁面上实现磁吸附式移动作业，普遍存在着曲面适应性不足的问题，当机器人在曲率壁面上运动时，容易发生无法通过、磕碰底盘、吸附滑落甚至整体倾覆的风险。且现有的磁吸附式爬行机器人的检测精度较低，无法进行多种检测手段，转向调节等不够灵活。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种弧面自调节磁吸附机器人，既可适用于不同曲面，也可拆分单独使用，使用灵活，且吸附能力强，即使出现意外断电，也不会发生车体从被检测表面掉落的危险。此外，可实现多种功能(即多种精确的检测手段)，可实现机器人的灵活调节。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种弧面自调节磁吸附机器人，包括左车体和右车体，所述左车体和右车体通过连接结构连接，所述左车体和右车体的底部均装设有带高精度编码器的永磁轮，所述左车体和/或右车体内设有电连接的永磁轮驱动系统和控制系统，所述永磁轮通过传动装置与永磁轮驱动系统连接；所述右车体上设有测距装置，所述左车体上设有激光/摄像一体机，所述测距装置和激光/摄像一体机均与控制系统电连接；所述左车体或右车体的前端设有工装锁紧装置，所述工装锁紧装置上锁紧安装有扫查架，所述扫查架上装设有探头；所述左车体或右车体内还设有差速器机构。

进一步地，所述连接结构包括一连接轴和一外突弧部，所述连接轴的一端与所述左车体的侧面连接，所述连接轴远离左车体的一端固定连接有一旋转轴，所述旋转轴远离连接轴的一端转动连接有一内凹弧部，所述外突弧部设于所述右车体的侧面上，所述外突弧部与所述内凹弧部相适配且磁性连接，以使所述外突弧部可在所述内凹弧部内转动进而使所述左车体和右车体活动连接。

进一步地，所述外突弧部的上端设有凸块，所述外突弧部的底部设有限位块，且所述凸块和限位块的一侧均与所述右车体固定连接；所述内凹弧部的两端还设有挡板。

进一步地，所述内凹弧部为磁铁，所述外突弧部、凸块和限位块为铁磁性材料。

进一步地，所述左车体和右车体均包括壳体，所述永磁轮驱动系统和控制系统设于所述右车体的壳体内，所述激光/摄像一体机设于所述左车体的壳体上。

进一步地，所述扫查架包括光栅尺和探头夹具，所述光栅尺固定安装于所述工装锁紧装置上，所述探头夹具固定安装于所述光栅尺上，所述探头夹于所述探头夹具上；所述探头夹具为1个或两个以上。

进一步地，所述永磁轮驱动系统包括电连接的伺服电机与减速器，所述减速器与所述传动装置连接。

进一步地，所述测距装置包括外壳、编码器和弹簧浮动机构，所述编码器为含有编码轮的编码器，所述弹簧浮动机构可移动地设有所述外壳内，所述编码器插设于所述外壳上且与所述弹簧浮动机构连接。

进一步地，所述弹簧浮动机构包括第一壳体、第二壳体和弹簧，所述第一壳体的两端均为开口状，所述第一壳体的一端固定于所述编码器上，所述第一壳体的另一端与第二壳体的一端活动连接，所述第二壳体靠近编码器的一端为开口端，所述第二壳体远离编码器的一端为密封端，所述弹簧贯穿于所述第一壳体和第二壳体内，且所述弹簧一端与所述编码器固定连接，另一端与所述第二壳体的密封端连接；所述外壳上开设有限位孔，所述外壳通过一穿过所述限位孔的限位杆与所述第二壳体可拆卸连接。

进一步地，所述永磁轮采用稀土磁体材料制做，所述左车体和右车体采用硬铝合金材料制做。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

(1)本发明由左车体和右车体组成，两车体之间通过连接结构活动连接，使得左车体和右车体之间的角度可以实现自动调节，进而使得所形成的磁吸附机器人既可适用于不同曲面，也可拆分单独使用，使用灵活。同时，磁吸附机器人使用高强度的钕铁硼磁铁作为永磁轮，吸附能力更强，即使出现意外断电，也不会发生车体从被检测表面掉落的危险，使磁吸附机器人可以安全的进行水平、垂直、倒置和爬行等。因此，本发明通过连接结构与永磁轮的结合，使得磁吸附机器人可根据曲面和焊缝的变化，通过连接结构来调节左车体和右车体之间的角度，进而实现四个永磁轮始终和工件表面紧密贴合，保证最大的吸附力。

(2)本发明通过设置激光/摄像一体机，利用激光/摄像一体机作运动纠偏辅助，确保了检测过程的精确性；通过设置测距装置，使本发明多功能磁吸附机器人的行走精度更精确；通过设置扫查架即设于扫查架上的探头，使磁吸附机器人进行纵向运动的同时进行水平方向扫查，且探头可以为电磁超声探头、脉冲涡流探头或漏磁探头等，以使本发明可实现A扫、相控阵(B扫、C扫、D扫、S扫)、TOFD、电磁超声、脉冲涡流等无损检测手段；通过设置差速器机构，可实现机器人灵活转向、四轮等功率匀速输出。因此，本发明可实现多种精确的检测手段，实现了机器人的灵活调节。

附图说明

图1为本发明实施例多功能磁吸附机器人的结构示意图一(未示出扫查架)；

图2为本发明实施例多功能磁吸附机器人的结构示意图二(未示出扫查架)；

图3为本发明实施例搭载有扫查架的多功能磁吸附机器人的简易结构示意图；

图4为本发明实施例中扫查架的结构示意图；

图5为本发明实施例中连接结构与左车体和右车体连接的结构示意图；

图6为本发明实施例中连接结构中的内凹弧部的结构示意图；

图7为本发明实施例中测距装置的外部结构示意图；

图8为本发明实施例中测距装置中的编码器的结构示意图；

图9为本发明实施例中测距装置的内部结构示意图；

图中，1-左车体，2-右车体，3-连接轴，31-连接轴，32-外突弧部，33-内凹弧部，34-凸块，35-限位块，36-挡板，37-旋转轴，4-永磁轮，5-永磁轮驱动系统，6-控制系统，7- 测距装置，71-外壳，711-限位孔，712-限位杆，72-编码器，73-弹簧浮动机构，731-第一壳体，732-第二壳体，733-弹簧，8-激光/摄像一体机，9-接线盒，10-电缆固定架，11-工装锁紧装置，12-扫查架，121-光栅尺，1211-轨道链条，122-探头夹具，13-探头，14-壳体，15- 传动装置，16-接线盒连接件，17-安全扣。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

如图1-图3，一种多功能磁吸附机器人，包括左车体1和右车体2，所述左车体1和右车体2通过连接轴3活动连接，以使本发明适用于不同曲面，也可拆分单独使用。左车体1 和右车体2的最小夹角可达到110°，适应管径范围更广。所述左车体1和右车体2的底部均装设有带高精度编码器的永磁轮4，高精度编码器的设置可以使磁吸附机器人进行毫米级的程序设定和实际检测，如可以对磁吸附机器人进行5mm-254mm/秒速度的精准设置，并可以对其行进的距离进行毫米级的路线行程设置。如此高精度的路程与速度设置，非常有利于对被测物体表面焊缝做到精准且一致性很好的探伤工作。所述右车体2内设有电连接的永磁轮驱动系统5和控制系统6。所述右车体2上设有测距装置7，所述左车体1上设有激光/摄像一体机8，所述测距装置7和激光/摄像一体机8均与控制系统电连接。所述右车体2的后端上通过接线盒连接件16设有接线盒9，所述接线盒9远离右车体2的一侧还设有电缆固定架10，用于对本发明中线缆的固定。本实施例中，所述左车体1的前端设有工装锁紧装置11，当然其他实施例中也可以在右车体2上安装工装锁紧装置11。所述工装锁紧装置11上锁紧安装有扫查架12，所述扫查架12上装设有探头13，使本发明不仅可以对管道进行纵向焊缝的扫查，还可以针对管道的螺旋焊缝进行扫查。所述左车体1或右车体2内还设有差速器机构，差速器机构可实现机器人灵活转向、四轮等功率匀速输出。本实施例中，所采用的高精度编码器和差速器机构均为现有技术，差速器机构也称为精密谐波差速器。

进一步地，所述左车体1和右车体2均包括壳体14，所述永磁轮驱动系统5和控制系统 6设于所述右车体2的壳体14内，所述激光/摄像一体机8设于所述左车体1的壳体14上。本实施例采用的激光/摄像一体机8为现有技术。激光/摄像一体机8是激光摄像集成在一起的一种方式，体积小，重量轻。激光/摄像一体机8的固定架是一组多位置调节支架，可满足多种工况使用。

工装锁紧装置11为现有技术，可以采用卡槽，通过将工装卡入卡槽内，实现卡槽对工装的锁紧，也可以采用公开号CN202742247U所公开的一种工件卡紧装置的结构，或采用公开号 CN205938183U所公开的管道卡接结构，在此不再详细复述。工装锁紧装置11的设置可使本发明满足多种工装的夹持，且可快速拆装，提高工作效率。锁紧装置可满足大小管径使用，并可快速锁紧/松开操作。

进一步地，本实施例中，如图4所示，所述扫查架12包括光栅尺121和探头夹具122，所述光栅尺121通过滑块活动安装于所述工装锁紧装置11上，以使扫查架12可准确安装在预定位置，并根据曲面调整探头夹具122的角度，且可以在磁吸附机器人进行纵向运动的同时进行水平方向扫查(双轴扫查功能)，所述探头夹具122固定安装于所述光栅尺121上，所述探头13夹于所述探头夹具122上；所述探头夹具122为1个或两个以上。本实施例中，光栅尺121上还设有轨道链条1211，所述轨道链条1211与光栅尺121磁性连接，轨道链条 1211可收纳各类检测，便于实现水平位移扫查。所述探头13可以为电磁超声探头、脉冲涡流探头或漏磁探头等，以使本发明可实现A扫、相控阵(B扫、C扫、D扫、S扫)、TOFD、电磁超声、脉冲涡流等无损检测手段。

如图5和图6，所述连接结构3包括一连接轴31和一外突弧部32，所述连接轴31的一端与所述左车体1的侧面连接，所述连接轴31远离左车体1的一端固定连接有一旋转轴37，所述旋转轴37远离连接轴31的一端转动连接有一内凹弧部33，所述外突弧部32设于所述右车体2的侧面上，所述外突弧部32与所述内凹弧部33相适配且磁性连接，以使所述外突弧部32可在所述内凹弧部33内转动，进而使所述左车体1和右车体2活动连接。

进一步地，所述外突弧部32的上端设有凸块34，所述外突弧部32的底部设有限位块35，且所述凸块34和限位块35的一侧均与所述右车体2固定连接。其中，所述内凹弧部33的弧长为三分之一的圆周长,防止内凹弧部33的弧长过长而导致内凹弧部33与外突弧部32无法分离。所述内凹弧部33的两端还设有防止左车体1和右车体2前后发生位移的挡板36，使安装时内凹弧部33和外突弧部32不错位，进而使左车体1和右车体2能保证不错开。

进一步地，本实施例中，所述内凹弧部33为钕铁硼磁铁，所述外突弧部32、凸块34和限位块35均为铁磁性材料，通过钕铁硼磁铁与铁磁性材料的相互吸引力，实现左车体1和右车体2活动连接。

进一步地，所述凸块34为弧状凸块，所述弧状凸块与所述外突弧部32平滑连接,以便于左车体1向上旋转时内凹弧部33可沿着凸块34顺利向上运动，使内凹弧部33逐渐与外突弧部32分离，进而实现左车体1和右车体2的分离。

进一步地，本实施例中，所述左车体1远离连接轴3的一侧及所述右车体2远离连接轴 3的一侧均间隔设有两个所述永磁轮4，左车体1和右车体2的两个所述永磁轮4均通过传动装置15与永磁轮驱动系统5连接。传动装置15采用的是现有技术，也可参考公开号CN105711602A所公开的轮组传动装置的结构。

进一步地，本实施例中，所述永磁轮驱动系统5包括电连接的伺服电机与减速器，所述减速器与所述传动装置13连接。采用双电机驱动，电机采用无刷伺服电机，电机配备编码器，控制精度高，运行平稳。单组电机功率达到50W，可使永磁轮进行前后行进和左右转向运动。其中减速器是本发明运行的核心部件之一。本发明是结合机器人的实际使用空间设计，具有体积小，扭力大，精度高等特点。所有零件均采用CNC加工中心加工而成，精度高。

进一步地，本实施例中，如图7-图9所示，所述测距装置7包括外壳71、编码器72和弹簧浮动机构73，其中，编码器72为现有技术，也称为增量式旋转编码器，其含有编码轮。所述弹簧浮动机构73可移动地设有所述外壳71内，所述编码器72插设于所述外壳71上且与所述弹簧浮动机构73连接。本实施例中，所述弹簧浮动机构73包括第一壳体731、第二壳体732和弹簧733，所述第一壳体731的两端均为开口状，所述第一壳体731的一端固定于所述编码器72上，所述第一壳体731的另一端与第二壳体732的一端活动连接，所述第二壳体732靠近编码器72的一端为开口端，所述第二壳体732远离编码器72的一端为密封端，所述弹簧733贯穿于所述第一壳体731和第二壳体732内，且所述弹簧733一端与所述编码器72固定连接，另一端与所述第二壳体732的密封端固定连接；所述外壳71上开设有限位孔711，所述外壳71通过一穿过所述限位孔711的限位杆712与所述第二壳体732通过螺纹连接。其中，弹簧733的作用为顶住编码器72，使编码器72上直贴合住工件表面，防止打滑。

所述测距装置的测距原理为：编码器72通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加(正方向)或减少(负方向)，然后采用角度位移量/360*编码轮的周长就可得到前进或后退的距离。由于永磁轮4内的编码器在进行长度测量时存在测量误差(机械惯性、干扰、信号传输等诸多问题引起)，本发明通过测距装置 7测得实际位移反馈给控制系统6，通过控制系统6对永磁轮4内的编码器信号进行补偿与修正。因此，该测距装置采用编码器与弹簧浮动机构结合，使行走精度更精确。且采用弹簧浮动机构可满足多种管道、灌体、球罐等使用。

本实施例中，右车体2上还设有安全扣17，用于外挂安全绳，避免机器人意外掉落的危险。

进一步地，本实施例中，所述永磁轮4采用稀土磁体材料制做，具体是使用钕铁硼材料制作。本发明使用钕铁硼高强度永磁轮，吸附能力更强，即使出现意外断电，也不会发生车体从被检测表面掉落的危险，使得本发明可以安全的进行水平、垂直和倒置等。所述左车体1和右车体2采用硬铝合金材料制做，通过CNC加工中心加工而成，每个零件表面均采用氧化处理，防腐、防锈。

本发明还包括一遥控器，所示遥控器与控制系统通过2.4G无线网络连接，利用遥控器对磁吸附机器人进行控制。

本发明由左车体1和右车体2组成，两车体之间通过连接结构3活动连接，使得所形成的磁吸附机器人既可适用于不同曲面，也可拆分单独使用，使用灵活。同时，磁吸附机器人使用高强度的钕铁硼磁铁作为永磁轮4，吸附能力更强，即使出现意外断电，也不会发生车体从被检测表面掉落的危险，使磁吸附机器人可以安全的进行水平、垂直和倒置等。因此，本发明通过连接结构3与永磁轮4的结合，使得磁吸附机器人可根据曲面和焊缝的变化，通过连接结构来调节左车体1和右车体2之间的角度，进而实现四个永磁轮始终和工件表面紧密贴合，保证最大的吸附力。

同时，本发明通过设置激光/摄像一体机8，利用激光/摄像一体机8作运动纠偏辅助，确保了检测过程的精确性；通过设置测距装置7，使本发明多功能磁吸附机器人的行走精度更精确；通过设置扫查架12及设于扫查架12上的探头13，使磁吸附机器人进行纵向运动的同时进行水平方向扫查，且探头13可以为电磁超声探头、脉冲涡流探头或漏磁探头等，以使本发明可实现A扫、相控阵(B扫、C扫、D扫、S扫)、TOFD、电磁超声、脉冲涡流等无损检测手段；通过设置差速器机构，可实现机器人灵活转向、四轮等功率匀速输出。因此，本发明可实现多种精确的检测手段，实现了机器人的灵活调节。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，包括左车体和右车体，所述左车体和右车体通过连接结构连接，所述左车体和右车体的底部均装设有带高精度编码器的永磁轮，所述左车体和/或右车体内设有电连接的永磁轮驱动系统和控制系统，所述永磁轮通过传动装置与永磁轮驱动系统连接；所述右车体上设有测距装置，所述左车体上设有激光/摄像一体机，所述测距装置和激光/摄像一体机均与控制系统电连接；所述左车体或右车体的前端设有工装锁紧装置，所述工装锁紧装置上锁紧安装有扫查架，所述扫查架上装设有探头；所述左车体或右车体内还设有差速器机构。

2.根据权利要求1所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述连接结构包括一连接轴和一外突弧部，所述连接轴的一端与所述左车体的侧面连接，所述连接轴远离左车体的一端固定连接有一旋转轴，所述旋转轴远离连接轴的一端转动连接有一内凹弧部，所述外突弧部设于所述右车体的侧面上，所述外突弧部与所述内凹弧部相适配且磁性连接，以使所述外突弧部可在所述内凹弧部内转动进而使所述左车体和右车体活动连接。

3.根据权利要求2所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述外突弧部的上端设有凸块，所述外突弧部的底部设有限位块，且所述凸块和限位块的一侧均与所述右车体固定连接；所述内凹弧部的两端还设有挡板。

4.根据权利要求3所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述内凹弧部为磁铁，所述外突弧部、凸块和限位块为铁磁性材料。

5.根据权利要求1所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述左车体和右车体均包括壳体，所述永磁轮驱动系统和控制系统设于所述右车体的壳体内，所述激光/摄像一体机设于所述左车体的壳体上。

6.根据权利要求3所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述扫查架包括光栅尺和探头夹具，所述光栅尺固定安装于所述工装锁紧装置上，所述探头夹具固定安装于所述光栅尺上，所述探头夹于所述探头夹具上；所述探头夹具为1个或两个以上。

7.根据权利要求5所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述永磁轮驱动系统包括电连接的伺服电机与减速器，所述减速器与所述传动装置连接。

8.根据权利要求1所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述测距装置包括外壳、编码器和弹簧浮动机构，所述编码器为含有编码轮的编码器，所述弹簧浮动机构可移动地设有所述外壳内，所述编码器插设于所述外壳上且与所述弹簧浮动机构连接。

9.根据权利要求1所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述弹簧浮动机构包括第一壳体、第二壳体和弹簧，所述第一壳体的两端均为开口状，所述第一壳体的一端固定于所述编码器上，所述第一壳体的另一端与第二壳体的一端活动连接，所述第二壳体靠近编码器的一端为开口端，所述第二壳体远离编码器的一端为密封端，所述弹簧贯穿于所述第一壳体和第二壳体内，且所述弹簧一端与所述编码器固定连接，另一端与所述第二壳体的密封端连接；所述外壳上开设有限位孔，所述外壳通过一穿过所述限位孔的限位杆与所述第二壳体可拆卸连接。

10.根据权利要求1所述的弧面自调节磁吸附机器人，其特征在于，所述永磁轮采用稀土磁体材料制做，所述左车体和右车体采用硬铝合金材料制做。

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