CN112757317A - 一种大型风力发电机爬壁检测机器人 - Google Patents

一种大型风力发电机爬壁检测机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大型风力发电机爬壁检测机器人，涉及机器人领域；包括机器人机架，机器人机架包括结构相同且对称设置的前机架和后机架；前机架一端和后机架一端通过中部连接轴转动连接，前机架另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮，后机架另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮，四个麦克纳姆轮分别与四个均匀设置于机器人机架内的驱动电机连接；机器人机架上方和下方分别固定连接有上壳体和底盘，底盘底部均匀固定安装有多个永磁固定装置；底盘上固定安装有两个电磁铁，两个电磁铁分别设置于前机架和后机架下方。本发明提供的大型风力发电机爬壁检测机器人，能够沿风力发电机塔筒进行攀爬，且在到达机舱位置时能够越障，实现壁面过渡。

Description

一种大型风力发电机爬壁检测机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种大型风力发电机爬壁检测机器人。
背景技术
爬壁机器人属于特种机器人，由于其可以在竖直壁面爬行，且能完成一些危险的工作，越来越受到科研人员的重视。且爬壁机器人已经开始应用到核工业、建筑工业、消防、船舶工业等各个领域。爬壁机器人为了能够在竖直或者倾斜壁面作业，吸附力不仅要保证机器人基本的静态稳定吸附，而且必须使得机器人在各种环境的运动中安全地贴紧壁面。
根据对国内外相关研究的参考，竖直壁面环境的检测与维护在各行业都有较大的需求。由于竖直壁面爬行时，机器人受重力作用需可靠的吸附力保证机器人的安全吸附，这使得机器人的壁面运动能力有所降低，尤其是机器人的壁面过渡问题成为爬壁机器人完成大型竖直壁面检测任务的一大难题。
美国Helical Robotics公司等研制了一系列用于壁面爬行的机器人，但该爬壁机器人具有以下两个缺点。
(1)由于该机器人爬壁过程中采用永磁吸附方式解决吸附问题，当机器人重量或工作环境发生变化时，无法对吸附力进行调整。
(2)由于工业环境下的各种大型设备的外形并不是始终如一的是竖直壁面，尤其是大型风力发电机，塔筒虽然始终为垂直壁面，但到达机舱后如果想要进一步移动则需要合适的过渡和越障能力。这种机器人不具备壁面过渡能力，越障能力一般，使其实际应用价值大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型风力发电机爬壁检测机器人，以解决上述现有技术存在的问题，能够沿风力发电机塔筒进行攀爬，且在到达机舱位置时能够越障，实现壁面过渡。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种大型风力发电机爬壁检测机器人，包括机器人机架，所述机器人机架包括结构相同且对称设置的前机架和后机架；所述前机架一端和后机架一端通过中部连接轴转动连接，所述前机架另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮，所述后机架另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮，四个所述麦克纳姆轮分别与四个均匀设置于所述机器人机架内的驱动电机连接；所述机器人机架上方和下方分别固定连接有上壳体和底盘，所述底盘底部均匀固定安装有多个永磁固定装置；所述底盘上固定安装有两个电磁铁，两个所述电磁铁分别设置于所述前机架和后机架下方。
可选的，所述前机架远离所述后机架的一端固定安装有变向辅助机构，所述变向辅助机构包括两个对称设置于所述前机架末端的连杆，所述连杆末端活动安装有一个转轮；两个所述连杆倾斜向上设置。
可选的，所述前机架横截面为等腰梯形结构，所述前机架的上底边处垂直安装有两个连接竖板，所述前机架的下底边两端与两侧边分别通过安装侧板固定连接，所述麦克纳姆轮设置于所述安装侧板处，所述驱动电机的驱动轴穿过所述安装侧板后与所述麦克纳姆轮连接；所述后机架和所述前机架结构相同。
可选的，所述前机架和后机架的连接竖板交错设置，且所述前机架和后机架的连接竖板上均开设有连接通孔，所述中部连接轴依次穿设于所述前机架和后机架的连接竖板上的连接通孔内。
可选的，所述前机架和后机架底部分别设置有三个所述永磁固定装置。
可选的，所述永磁固定装置包括固定设置于所述底盘上的轭铁，所述轭铁上对称安装有两个永磁铁。
可选的，所述轭铁为低碳钢材质制成的矩形结构，且所述轭铁的厚度为5mm；所述永磁铁采用尺寸为40mm×20mm×10mm的矩形磁块，两个所述永磁铁之间的距离为50mm。
可选的，两个所述电磁铁分别固定设置于所述前机架中部和所述后机架中部；所述电磁铁吸附力为200N，工作电压为24V。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的大型风力发电机爬壁检测机器人，车体采用前部后部铰链柔性连接结构，适用于各种大型的钢质壁面。体积小、结构简单紧凑，能够满足不同空间分布形式壁面的过渡爬行要求。车体外壳采用铝合金，密度小、比强度高、力学性能好。机器人的吸附装置采用磁吸附装置，磁吸附装置采用以永磁吸附为主、电磁吸附为辅的吸附装置，工作环境发生变化时可以对吸附力进行有效的人为调整。机器人采用轮式行走机构。相对于履带式爬壁机器人，轮式爬壁机器人很好地解决了机器人的转向性能。在采用轮式结构的基础上，车轮采用Mecanum全向轮，使得机器人在壁面吸附的情况下转向移动更加灵活。可以实现安全吸附的同时在壁面可以实现左右平移，原地转向，可以沿各个方向运动。提升了机器人的越障能力和壁面过渡能力，增加了对风力发电机检测场合的适应能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明大型风力发电机爬壁检测机器人结构示意图；
图2为本发明大型风力发电机爬壁检测机器人内部结构示意图；
图3为本发明大型风力发电机爬壁检测机器人的永磁固定装置示意图；
图4为本发明大型风力发电机爬壁检测机器人的永磁固定装置与壁面吸附过程示意图；
其中，100为大型风力发电机爬壁检测机器人、200为机器人机架、300为变向辅助机构、1为前机架、2为后机架、3为中部连接轴、4为麦克纳姆轮、5为驱动电机、6为上壳体、7为底盘、8为永磁固定装置、9为连杆、10为转轮、11为连接竖板、12为安装侧板、13为轭铁、14为永磁铁、15为壁面。
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。
本发明的目的是提供一种大型风力发电机爬壁检测机器人，以解决上述现有技术存在的问题，能够沿风力发电机塔筒进行攀爬，且在到达机舱位置时能够越障，实现壁面过渡。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种大型风力发电机爬壁检测机器人100，如图1-图4所示，包括机器人机架200，机器人机架200包括结构相同且对称设置的前机架1和后机架2；前机架1一端和后机架2一端通过中部连接轴3转动连接，前机架1另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮4，后机架2另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮4，四个麦克纳姆轮4分别与四个均匀设置于机器人机架200内的驱动电机5连接，驱动电机5采用伺服电机；机器人机架200上方和下方分别固定连接有上壳体6和底盘7，底盘7底部均匀固定安装有多个永磁固定装置8；底盘7上固定安装有两个电磁铁，电磁铁图中未画出，两个电磁铁分别设置于前机架1和后机架2下方。
进一步优选的，前机架1远离后机架2的一端固定安装有变向辅助机构300，变向辅助机构300包括两个对称设置于前机架1末端的连杆9，连杆9末端活动安装有一个转轮10；两个连杆9倾斜向上设置。前机架1横截面为等腰梯形结构，前机架1的上底边长度小于下底边长度，上底边处垂直安装有两个连接竖板11，前机架1的下底边两端与两个等腰侧边分别通过安装侧板12固定连接，麦克纳姆轮4设置于安装侧板12处，驱动电机5的驱动轴穿过安装侧板12后与麦克纳姆轮4连接；后机架2和前机架1结构相同。前机架1和后机架2的连接竖板11交错设置，且前机架1和后机架2的连接竖板11上均开设有连接通孔，中部连接轴3依次穿设于前机架1和后机架2的连接竖板11上的连接通孔内，中部连接轴3上通过轴承连接有两个轮子。前机架1和后机架2底部分别设置有三个永磁固定装置8。永磁固定装置8包括固定设置于底盘7上的轭铁13，轭铁13上对称安装有两个永磁铁14。永磁铁14采用稀土系永磁材料钕铁硼，这种材料具有极高的磁积能和矫顽力，同时具有高能量密度的优点。相同体积下，其产生的磁场强度相当于铁氧体磁铁的5～10倍，是铝镍钴磁铁的5～15倍，是目前磁性能最强的永磁体。最终选择的钕铁硼牌号为N35，沿厚度方向充磁。轭铁13材料为Q235钢，为非线性材料。轭铁13为低碳钢材质制成的矩形结构，且轭铁13的厚度为5mm；永磁铁14采用尺寸为40mm×20mm×10mm的矩形磁块，两个永磁铁14之间的距离为50mm。两个电磁铁分别固定设置于前机架1中部和后机架2中部。
电磁铁的主要作用是作为机器人进行壁面过渡时永磁吸力减小的补偿，从而使得机器人能够顺利完成壁面过渡，电磁铁的通断分别由单片机进行控制。电磁铁选择吸附力为200N，工作电压为24V。两块电磁铁分别安装在前机架和后机架的中部，机器人进行壁面过渡时，机器人前机架受支撑部件的反向作用力，使得前机架部件与壁面15间距越来越大，使得永磁铁的吸附力大小骤然减小，此时前机架的电磁铁得电，从而保证前机架吸附力足够保证机器人安全吸附。
大型风力发电机爬壁检测机器人分别由四个伺服电机驱动四组麦克纳姆轮行走，驱动爬壁机器人吸附于壁面运动，吸附过程如图4。前后部四个伺服电机的旋转速度与转向的差异将决定爬壁机器人的行走状态。同时，机器人前部和后部采用柔性联接，使机器人遇到障碍物时，前部机体能相对于后部机体转动。磁吸附爬壁机器人性能参数：最大行走速度4m/min，机器人质量20kg。
爬壁过程中，当遇到障碍时，如风力发电机机舱，则图1中的前机架1上的变向辅助机构受力，控制器控制吸附装置增大后机架处的吸附力，前机架1处的机体悬空，在驱动电机持续驱动下，机器人沿中部可旋转关节发生弯曲，前机架1完成越障并吸附。此时控制器控制释放后机架2处的电磁铁吸附，增大前机架1处吸附装置加大吸附力，此时后机架2处的机体悬空，前机架1处机体继续移动直至后机架2处机体跨越障碍。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：包括机器人机架，所述机器人机架包括结构相同且对称设置的前机架和后机架；所述前机架一端和后机架一端通过中部连接轴转动连接，所述前机架另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮，所述后机架另一端的端部两侧分别设置有一个麦克纳姆轮，四个所述麦克纳姆轮分别与四个均匀设置于所述机器人机架内的驱动电机连接；所述机器人机架上方和下方分别固定连接有上壳体和底盘，所述底盘底部均匀固定安装有多个永磁固定装置；所述底盘上固定安装有两个电磁铁，两个所述电磁铁分别设置于所述前机架和后机架下方。
2.根据权利要求1所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：所述前机架远离所述后机架的一端固定安装有变向辅助机构，所述变向辅助机构包括两个对称设置于所述前机架末端的连杆，所述连杆末端活动安装有一个转轮；两个所述连杆倾斜向上设置。
3.根据权利要求1所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：所述前机架横截面为等腰梯形结构，所述前机架的上底边处垂直安装有两个连接竖板，所述前机架的下底边两端与两侧边分别通过安装侧板固定连接，所述麦克纳姆轮设置于所述安装侧板处，所述驱动电机的驱动轴穿过所述安装侧板后与所述麦克纳姆轮连接；所述后机架和所述前机架结构相同。
4.根据权利要求3所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：所述前机架和后机架的连接竖板交错设置，且所述前机架和后机架的连接竖板上均开设有连接通孔，所述中部连接轴依次穿设于所述前机架和后机架的连接竖板上的连接通孔内。
5.根据权利要求1所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：所述前机架和后机架底部分别设置有三个所述永磁固定装置。
6.根据权利要求1所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：所述永磁固定装置包括固定设置于所述底盘上的轭铁，所述轭铁上对称安装有两个永磁铁。
7.根据权利要求6所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：所述轭铁为低碳钢材质制成的矩形结构，且所述轭铁的厚度为5mm；所述永磁铁采用尺寸为40mm×20mm×10mm的矩形磁块，两个所述永磁铁之间的距离为50mm。
8.根据权利要求1所述的大型风力发电机爬壁检测机器人，其特征在于：两个所述电磁铁分别固定设置于所述前机架中部和所述后机架中部；所述电磁铁吸附力为200N，工作电压为24V。
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