CN114435502B - 一种可翻面的除锈机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可翻面的除锈机器人，包括机器人主体、磁吸附装置、除锈装置、驱动轮组、高压水管和拉力传感器、力磁耦合模组、探测装置、图像识别系统和主动旋转集成系统、控制单元和磁铁摆动装置。在不增加电机的情况下，实现机器人的翻面，并能够对高压水管拉力、磁吸力不足各类坠机情况进行检测和预防，并对坠机状态进行防护，在保证除锈机器人正常工作的同时，通过探测装置、图像识别系统和主动旋转集成系统检测并调整除锈质量，从整体上保证了除锈机器人作业的安全性和除锈质量。

Description

一种可翻面的除锈机器人

技术领域

本申请涉及高空作业机器人的技术领域，具体涉及一种可翻面的除锈机器人。

背景技术

除锈机器人属于高空作业机器人的一种，目前高空作业机器人基于轻量化设计，通常采用扇形磁铁。现有的磁吸附机器人上安装的磁铁均固定在机器人底部，只能与机器人一起移动，不能实现自主摆动。而且，现有的机器人底盘可以在大平面以及曲率比较小的面上运动，但是无法翻越角度小于一定数值的相邻面，如图1中所示的1、2、3处以及类似位置，即只能在平面或角度较小的面和面之间实现行走，大角度的面面转换行走基本无法实现。为了使机器人能够在曲率比较大的面上运动，并顺利翻越角度大于一定数值的相邻面，亟需对现有高空作业的除锈机器人中常用的磁铁摆动机构进行改进。

此外，高空作业坠机是除锈机器人高空作业过程中最常见的意外，目前的除锈机器人主要通过单方面增加吸附力的方式防止坠机，坠机的预防科学性差、智能程度低，且基本不涉及坠机后的防护措施，发生坠机后造成损失较大，亟需对现有除锈机器人的防坠机模式进行改进。另一方面，现有的除锈机器人只能单向完成除锈工作，缺乏除锈质量检测和反馈调节机制，导致除锈效果不佳。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种可翻面的除锈机器人。该方案基于机器人现有的驱动轮组，在不增加电机的情况下，使用轮组驱动电机作为动力来实现磁铁的摆动，在磁铁和驱动电机之间增加电磁离合器来控制动力的传输，以此来控制磁铁摆动的角度，当磁铁从一个面摆动到另一个面时，即可实现机器人的翻面，并且磁铁可根据需要在自由摆动和主动摆动之间进行自由切换，以使机器人能够适应不同曲率的需求变化。

本申请所采用的技术方案如下：

一种可翻面的除锈机器人，除锈机器人包括：

机器人主体；

磁吸附装置，设置在机器人主体上，磁吸附装置中的磁铁用于吸附工作面；

除锈装置，设置在机器人主体上，用于对物件进行除锈作业；

驱动轮组，设置在机器人主体上，包括驱动电机，驱动轮组用于驱动除锈机器人行走；

高压水管和拉力传感器，高压水管通过拉力传感器连接至机器人本体，拉力传感器用于检测高压水管上的拉力值；

力磁耦合模组，设于机器人本体上，用于监测磁吸附装置中的磁铁的磁吸力，并控制磁吸附装置中的磁铁直线运动；

探测装置、图像识别系统和主动旋转集成系统，设于机器人本体上，探测装置和图像识别系统用于实时检测除锈表面的粗糙度情况；

控制单元，用于控制除锈机器人作业，根据高压水管上的拉力值发送坠机预防提示信号，并根据粗糙度情况控制主动旋转集成系统；

磁铁摆动装置，设置于机器人主体上；

其中，所述磁铁摆动装置包括磁吸附装置中的磁铁4、第四齿轮13、第五齿轮15、磁铁固定座16；

第一齿轮8与第五齿轮15啮合，所述磁铁通过磁铁固定座与第五齿轮15固定，通过第四齿轮13的旋转带动第五齿轮15和所述磁铁一起摆动。

进一步的，拉力传感器检测高压水管上的拉力值，除锈机器人的控制单元接收高压水管上的拉力值，若高压水管上的拉力值大于拉力阈值，控制单元控制除锈机器人停止移动，发送坠机预防提示信号至遥控器。

进一步的，力磁耦合模组包括执行模块，磁吸附装置中的磁铁为永磁体；

执行模块包括电动机、直线快速丝杠、导轨、应变片、传动轴承、传动结构件、光轴和壳体，永磁体的直线运动通过光轴进行导向，壳体与光轴通过塑料直线轴承进行连接，光轴的末端安装在传动结构件上，传动结构件上设有诱导变形区域，诱导变形区域中设有应变片，执行模块中的电动机和直线快速丝杠通过同步带连接。

进一步的，正常作业时，永磁体对作业面产生磁吸力，会产生向作业面相对运动趋势，执行模块的壳体内部的传动轴承和传动结构件接触，传动结构件产生形变，诱导变形区的应变片检测形变量，转化为电信号输出至除锈机器人的控制单元，控制单元计算正常工作时的磁吸力值；

当永磁体与作业面距离变大时，磁吸力值变小时，控制单元控制执行模块中的电动机旋转，调整传动轴承与传动结构件的相对位置，控制永磁体向作业面运动；

当磁吸力值达到磁吸力阈值时，控制单元控制执行模块中的电动机停止运动并保持在当前位置。

进一步的，除锈机器人还包括惯性传感器，惯性传感器设于机器人本体上，惯性传感器用于实时获取机器人XYZ轴3个方向的加速度、角速度及倾斜角度；

惯性传感器将实时加速度A(Ax,Ay,Az)发送至控制单元，其中：Ax表示除锈机器人X轴方向的加速度，Ay表示除锈机器人Y轴方向的加速度，Az表示除锈机器人Z轴方向的加速度；

若判断A>Amax且A接近重力加速度G，Amax为除锈机器人正常工作状态下的最大加速度阈值，判断除锈机器人处于坠机状态，控制单元发出坠机防护信号，整机系统接收到坠机防护信号，自动关闭高压水机。

进一步的，探测装置用于实时检测除锈表面的粗糙度数值，控制单元接收粗糙度数值，若粗糙度数值大于粗糙度阈值，控制单元控制主动旋转集成系统加快转速，直至除锈表面的粗糙度数值达到粗糙度阈值；

若探测装置发送检测故障时，启动图像识别系统获取除锈表面的图像，控制单元接收除锈表面的图像，识别除锈表面的除锈质量，若除锈质量不满足预设质量条件，则控制单元控制主动旋转集成系统加快转速，直至除锈表面的除锈质量达到预设质量条件。

进一步的，所述磁铁摆动装置还包括第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10、止动块11、电磁离合器12、转轴14、驱动轮组中的驱动电机7、减速机6、第一包胶轮5、第二包胶轮17；

将第一齿轮8固定到第一包胶轮5上，与包胶轮同时转动，在传动机构中增加了第二齿轮9来实现换向，以使得磁铁摆动方向与机器人运动方向一致；

第三齿轮10和第四齿轮13同轴，第三齿轮10固定在转轴上，第四齿轮13与转轴之间通过增加轴承来实现第四齿轮13的自由转动；

第三齿轮10和第四齿轮13之间设置电磁离合器来实现动力传递的通断，以控制第四齿轮13的主动转动或自由转动。

第四齿轮13与第五齿轮15啮合，所述磁铁通过磁铁固定座与第五齿轮15固定，所述通过第四齿轮13的旋转带动第五齿轮15和所述磁铁一起摆动。

进一步的，所述传动机构分为两部分，第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10为第一部分，齿数分别为z₁、z₂、z₃，第四齿轮13、第五齿轮15为第二部分，齿数分别为z₄、z₅；其中，第二齿轮9为惰轮，只起换向作用，不改变传动比；第四齿轮13、第五齿轮15这两组齿轮取相同模数。

进一步的，所述第二齿轮9为中间惰轮。

进一步的，第五齿轮15为扇形齿轮。

进一步的，根据磁铁的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，电磁离合器的选型根据传递的扭矩来确定。

进一步的，在摆动中，所述磁铁的前后摆动不低于90°。

进一步的，第五齿轮15的齿数根据所述磁铁的前后摆动角度计算得出。

进一步的，根据所述磁铁的前后摆动角度计算得出，包括：

根据第五齿轮15的齿数以及机器人需要翻越的内角大小来确定需要保留的扇形处的齿数，内角角度为θ，摆动齿轮角度为α。

摆动齿轮角度满足α＞2(180°-θ)；

根据摆动齿轮角度α来确定磁铁摆动第五齿轮15需要保留的扇形处的齿数。

进一步的，电磁离合器的选型需要根据传递的转矩来确定，包括：

第三齿轮10传递转矩为

电磁离合器选型时，电磁离合器最大转矩大于s₂*T₂，选用转矩自重比大的牙嵌式电磁离合器。

进一步的，所述根据磁铁的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，包括：

根据摆动磁铁所需转矩来计算第四齿轮13传递转矩，所述摆动磁铁所需转矩为s*T_m，所述第四齿轮13传递转矩T₂通过如下公式计算：

其中，s₁为安全系数，i₂为第四齿轮13与第五齿轮15之间的传动比，T_m为磁铁摆动所需最大转矩；

第三齿轮10传递转矩与第四齿轮13相同，第三齿轮10的传递转矩采用与第四齿轮13相同的方式计算；

第一齿轮8的传递转矩T₁通过如下公式计算：

其中，i₁为第一齿轮8与第三齿轮10之间的传动比。

通过本申请实施例，可以获得如下技术效果：与现有技术相比，本发明可以使除锈机器人顺利翻越图1中的内外角，大大提高了除锈机器人的工作范围和适应性。本发明提供的除锈机器人能够识别高压水管被外力拉扯、作业面有异物造成的机器人坠机危险，并对其进行自动处理，避免除锈机器人坠机，并增设除锈机器人坠机状态的防护措施，提高了作业的安全性；同时本发明提供的除锈机器人增加了除锈质量检测和反馈调节机制，提高了除锈效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为现有技术中机器人运动路径示意图；

图2为磁铁摆动装置的组成结构示意图；

图3a、3b为传动机构的组成结构示意图；

图3c为传动机构中各齿轮传动方向示意图；

图4为磁力摆动所需转矩的软件仿真示意图；

图5a为磁铁摆动前状态示意图；

图5b为磁力摆动所需转矩的软件仿真示意图；

图6为除锈机器人高压水管和拉力传感器结构示意图；

图7a为除锈机器人力磁耦合模组示意图；

图7b为除锈机器人力磁耦合模组内部结构第一视角示意图；

图7c为除锈机器人力磁耦合模组内部结构第二视角示意图；

图8为除锈机器人位姿模型；

图9为除锈机器人探测装置、图像识别系统和主动旋转集成系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除锈机器人属于高空作业机器人的一种，除锈机器人的结构，至少包括：

机器人主体；

磁吸附装置，设置在机器人主体上，磁吸附装置中的磁铁4用于吸附工作面；

除锈装置，设置在机器人主体上，用于对物件进行除锈作业；

驱动轮组，设置在机器人主体上，包括驱动电机，驱动轮组用于驱动除锈机器人行走；

高压水管21和拉力传感器20，高压水管21通过拉力传感器20连接至机器人本体，拉力传感器20用于检测高压水管21上的拉力值；

力磁耦合模组，设于机器人本体上，用于监测磁吸附装置中的磁铁4的磁吸力，并控制磁吸附装置中的磁铁4直线运动；

探测装置32、图像识别系统34和主动旋转集成系统33，设于机器人本体上，探测装置32和图像识别系统34用于实时检测除锈表面的粗糙度情况；

控制单元，用于控制除锈机器人作业，根据高压水管21上的拉力值发送坠机预防提示信号，并根据粗糙度情况控制主动旋转集成系统；

磁铁摆动装置，设置于机器人主体上；高空作业机器人基于轻量化设计，因此磁吸附装置采用扇形磁铁，公司现有的磁吸附机器人磁铁4均固定在机器人底部，只能与机器人一起移动，不能实现自主摆动，因此不能翻越图1中的1、2、3处以及类似位置，为了解决这些问题，基于除锈机器人现有的驱动轮组的驱动电机和磁铁4设计了磁铁摆动装置，磁铁摆动装置设于机器人本体上。

图2为磁铁摆动装置的组成结构示意图。该磁铁摆动装置包括磁吸附装置中的磁铁4，至少一个齿轮，例如第四齿轮13、第五齿轮15，磁铁固定座17；第四齿轮13与第五齿轮15啮合，所述磁铁4通过磁铁固定座与第五齿轮15固定，通过第四齿轮13的旋转带动第五齿轮15和所述磁铁4一起摆动。

进一步的，磁铁摆动装置包括磁吸附装置中的磁铁4、至少一个齿轮、止动块11、电磁离合器12、转轴14、磁铁固定座16、驱动轮组的驱动电机7、减速机6、至少一个第一包胶轮5；

将第一齿轮8固定到第一包胶轮5上，与第一包胶轮5同时转动，在传动机构中增加了第二齿轮9来实现换向，以使得磁铁4摆动方向与机器人运动方向一致；

第三齿轮10和第四齿轮13同轴，第三齿轮10固定在转轴14上，第四齿轮13与转轴之间通过增加轴承来实现第四齿轮13的自由转动。

第三齿轮10和第四齿轮13之间设置电磁离合器12来实现动力传递的通断，以控制第四齿轮13的主动转动或自由转动；

第四齿轮13与第五齿轮15啮合，所述磁铁4通过磁铁固定座16与第五齿轮15固定，所述通过第四齿轮13的旋转带动第五齿轮15和所述磁铁4一起摆动；

根据磁铁4的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，并以此来计算所述传动机构的传动比、中心距以及相应的齿轮参数。

机器人在平面上运动时，磁铁4始终朝向吸力大的一面(即磁力方向垂直于机器人运动方向)，机器人翻越图1中的1角时，磁铁4自由摆动即可实现翻越，但是机器人在翻越角2时，磁铁4需要主动摆动来实现磁力方向的转换。磁铁4的摆动方向与机器人运动方向相同。

由于不增加新的磁铁摆动电机，因此本发明利用现有的机器人驱动电机来实现磁铁4的主动摆动。在设计前，需要根据磁铁4的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，并以此来计算整套传动机构的传动比，合适的中心距，以及相应的齿轮参数。

图3a、3b为传动机构的组成结构示意图。所述传动机构分为两部分，第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10为第一部分，齿数分别为z₁、z₂、z₃，第四齿轮13、第五齿轮15为第二部分，齿数分别为z₄、z₅；其中，第二齿轮9为惰轮，只起换向作用，不改变传动比；第四齿轮13、第五齿轮15这两组齿轮取相同模数；

图4为磁力摆动所需转矩的软件仿真示意图。关于齿轮参数的计算，磁铁4的形状、尺寸确定后，磁力摆动所需转矩的大小可以通过ANSYS MAXWELL软件仿真得出，通过仿真计算出磁铁4摆动过程中所需的最大转矩，通过仿真结果得出的磁铁4摆动所需最大转矩为T_m，齿轮传动系统设计时为了保证较高的可靠度，安全系数s₁取较高数值。

所述根据磁铁4的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，包括：

根据摆动磁铁所需转矩来计算第四齿轮13传递转矩，所述摆动磁铁所需转矩为s*T_m，所述第四齿轮13传递转矩T₂通过如下公式计算：

其中，s₁为安全系数，i₂为第四齿轮13与第五齿轮15之间的传动比，T_m为磁铁4摆动所需最大转矩；

第三齿轮10传递转矩与第四齿轮13相同，第三齿轮10的传递转矩采用与第四齿轮13相同的方式计算；

第一齿轮8的传递转矩T₁通过如下公式计算：

其中，i₁为第一齿轮8与第三齿轮10之间的传动比；

通过上述方式来计算摆动磁铁4所需的转矩大小，由于驱动电机7+行星减速机输出的转矩远大于T₁，因此可以采用驱动电机7带动磁铁4进行摆动。

如图2所示，该磁铁摆动装置包括磁铁4、第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10、第四齿轮13、第五齿轮15、止动块11、电磁离合器12、转轴14、磁铁固定座16、驱动电机7、减速机6、第一包胶轮5、第二包胶轮17；将第一齿轮8固定到第一包胶轮5上，与第一包胶轮5同时转动，在传动机构中增加了第二齿轮9来实现换向，以使得磁铁4摆动方向与机器人运动方向一致；所述第二齿轮9为中间惰轮；第三齿轮10和第四齿轮13同轴，第三齿轮10固定在转轴上，第四齿轮13与转轴之间通过增加轴承来实现第四齿轮13的自由转动。

第三齿轮10和第四齿轮13之间设置电磁离合器12来实现动力传递的通断，以控制第四齿轮13的主动转动或自由转动；

各个齿轮的所述中心距a采用如下方式计算：

根据各个齿轮的齿面接触强度，通过如下关系式估算中心距a；

其中，u为齿数比，且满足u＝i；A_a为钢制齿轮配对齿轮副值，K为载荷系数，ψ_a为齿宽系数，σ_HP为许用接触应力。

在上述关系式中，A_a、K、ψ_a均通过查表取值，σ_HP根据齿轮材料查图表取值，待齿轮材料确定后，σ_HP的取值确定，则可以确定中心距a。

齿轮参数包括模数m、齿数z、螺旋角β、齿宽b，这些参数的计算方式如下：

(1)模数m

根据工况确定模数m，由m_n＝(0.007～0.02)a，确定模数m(软齿面传动)，其中，对于平稳载荷，取m＝(0.007～0.01)a；对于中等冲击，取m＝(0.01～0.015)a；对于较大冲击，取m＝(0.015～0.02)a；

在上述方案中，平稳载荷、中等冲击以及较大冲击与实际工况有关，实际工况是外部因素导致的，取决于设计选型时的使用系数，例如原动机、工作机的工作特性，可通过查阅相关资料来明确取值。

m_n为法向模数，齿轮为直齿轮时，模数等于法向模数，即m_n＝m，齿轮为斜齿轮时，模数包括端面模数、法向模数等，其中m_n＝m_tcosβ，m_t为端面模数。

(2)螺旋角β

渐开线直齿圆柱齿轮螺旋角β＝0

在上述计算中，β取值为0是为了便于计算，实际螺旋角β可通过计算得出，本发明技术方案中的齿轮均为外啮合；

由

可知，

增大β角，可以增大纵向重合度，使传动平稳，一般斜齿轮β的取值范围为8°～20°；

(3)齿数z

根据如下公式计算第一齿轮8的齿数z₁：

如果齿轮的传动为外啮合，则分母括号内取u+1；

如果齿轮的传动为内啮合，则分母括号内取u-1；

根据第一齿轮8的齿数z₁采用如下公式计算第三齿轮10的齿数z₃：

z₃＝u₁*z₁

其中，u₁为第一齿轮8的齿数比；

第二齿轮9的齿数z₂与第三齿轮10的齿数取值相同；

(4)齿宽b

采用如下公式计算齿宽b：

b＝ψ_a*a

其中，ψ_a为齿宽系数；

在齿轮参数计算完成后，进行齿面接触强度校核和轮齿弯曲强度校核；

根据以下公式进行齿面接触强度校核：

其中，σ_Hlim为齿轮的接触疲劳极限，Z_NT为寿命系数，Z_L为润滑剂系数，Z_V为速度系数，Z_R为粗糙度系数，Z_W为工作硬化系数，Z_X为尺寸系数，σ_H为齿轮的接触应力；

根据以下公式进行轮齿弯曲强度校核：

其中，σ_Flim为齿轮的齿根弯曲疲劳极限，Y_ST为齿轮的应力修正系数，Y_NT为寿命系数，Y_δrelT为齿根圆角敏感系数，Y_RrelT为齿根表面状况系数，Y_X为齿轮的接触疲劳极限，K_A为使用系数，K_V为动载系数，K_Fβ为齿向载荷分配系数，K_Fε为齿间载荷分配系数，

上述齿面接触强度校核公式和轮齿弯曲强度校核公式中的参数通过查表取值，进行校核，轮齿弯曲强度满足即可。

根据以上计算，能够确定传动机构中第一部分的齿轮参数，第二部分的第四齿轮13、第五齿轮15一侧的齿轮参数也根据上述流程计算得出。图3c为传动机构中各齿轮传动方向示意图，由于磁铁4摆动方向要与机器人运动方向一致，如果传动系统只有第一齿轮8、第二齿轮9，与第四齿轮13、第五齿轮15两部分组成的话，磁铁4摆动方向会与机器人运动方向相反，因此第一齿轮8、第三齿轮10之间增加第二齿轮9(惰轮)来进行换向，以达到磁铁4摆动方向与机器人运动方向一致的目的，如图3c中所示，齿轮1与包胶轮固定，方向与机器人运动方向一致。

电磁离合器12的选型需要根据传递的转矩来确定，第一齿轮8、第二齿轮9、第三齿轮10该侧传动系统随机器人运动而处于运动状态，机器人在平面或小曲率曲面上运动时，电磁离合器12处于断电断开状态，动力不能传递到第四齿轮13、第五齿轮15一侧，因此磁铁4处于自由摆动状态。当机器人翻越小于一定角度内角时，电磁离合器12通电吸合，第三齿轮10通过离合器带动第四齿轮13转动，将动力传递到第四齿轮13、第五齿轮15一侧，驱动磁铁4进行摆动。

第三齿轮10传递转矩为

电磁离合器12选型时，考虑到安全系数s₂，电磁离合器12最大转矩大于s₂*T₂，选用转矩自重比大的牙嵌式电磁离合器。

第四齿轮13与第五齿轮15啮合，所述磁铁4通过磁铁固定座与齿轮(5)固定，所述通过第四齿轮13的旋转带动第五齿轮15和所述磁铁4一起摆动；

图5a为磁铁4摆动前状态示意图，图5b为磁力摆动所需转矩的软件仿真示意图。在摆动中，所述磁铁4的前后摆动不低于90°，第五齿轮15的齿数根据所述磁铁4的前后摆动角度计算得出。

第五齿轮15为摆动齿轮，根据上述计算已经得出第五齿轮15的齿数，根据机器人需要翻越的内角大小确定需要保留的扇形处的齿数，内角角度为θ，摆动齿轮角度为α。

扇形第五齿轮15摆动时为了保证始终与第四齿轮13啮合，根据图5a、5b能够确定：

摆动齿轮角度满足α＞2(180°-θ)；

根据摆动齿轮角度α来确定磁铁4摆动第五齿轮15需要保留的扇形处的齿数。

在另一种实施方案中，可以通过增加一个磁铁摆动电机的方案来实现磁铁4的摆动，以去掉现有的整套传动机构。在该实施方案中一个轮组模块包括2个电机行走电机和磁铁摆动电机。

作为一种可选的实施例，如图6所示，除锈机器人还包括高压水管21、回收管和拉力传感器20，高压水管21和回收管绑定在一起，并通过拉力传感器20连接至机器人本体。为了对现有除锈机器人的防坠机模式进行改进，拉力传感器20检测高压水管21上的拉力值，控制单元接收高压水管21上的拉力值，若高压水管21上的拉力值大于拉力阈值，控制单元控制除锈机器人停止移动，发送坠机预防提示信号至遥控器。

当高压水管21被外力拉扯时(如被坞墩卡滞等)，容易在操作者不知情的情况下发生坠机，在除锈作业过程中由于外力因素造成的机器人被高压水管21、回收管拉扯导致的坠机现象，只能依靠机器人自身吸附力来防止坠机，无法主动避免坠机现象。本发明在高压水管21和机器人本体之间增设了拉力传感器20，并根据控制单元中的监控方式及时提醒操作者检查高压水管21是否被卡滞等现象从而避免坠机。

作为一种可选的实施例，如图7a-7c所示，除锈机器人还包括力磁耦合模组23，设于机器人本体上，力磁耦合模组包括执行模块23，用于监测磁吸附装置中的磁铁4的磁吸力，并控制磁铁4直线运动，优选的，磁吸附装置中的磁铁4为永磁体22，永磁体22内部灌胶，执行模块装有密封条，可整体实现一定的防尘放水，即可应用于较复杂环境中。

执行模块包括电动机26、直线快速丝杠25、导轨27、应变片28、传动轴承29、传动结构件30、光轴31和壳体24，所有零部件均安装在壳体内部。工作过程中，永磁体22的直线运动通过光轴进行导向，壳体与光轴通过塑料直线轴承进行连接，优选的，壳体外部装有密封圈，实现防护。优选的，光轴31的数目为2，2根光轴的末端安装在传动结构件上，一方面保持2根光轴的同步，将受力均匀分布在传动结构件上，另一方面传动结构件的增设实现了运动时的物理限位。优选的，传动结构件上设有诱导变形区域，诱导变形区域中设有应变片。执行模块中的电动机26、导轨27、直线快速丝杠25和传动轴承安装在执行模块的壳体内，执行模块中的电动机和直线快速丝杠通过同步带连接，即整体实现直线运动，传动轴承和传动结构件的斜面始终接触。

正常作业时，永磁体22对作业面产生磁吸力，会产生向作业面相对运动趋势，执行模块的壳体内部的传动轴承和传动结构件接触，会阻止永磁体22运动趋势，即传动结构件产生形变，诱导变形区的应变片检测形变量，转化为电信号输出至除锈机器人的控制单元，控制单元计算正常工作时的磁吸力值。当永磁体22与作业面距离变大时，磁吸力值变小时，控制单元控制执行模块中的电动机旋转，调整传动轴承与传动结构件的相对位置，实现永磁体22向作业面运动；当磁吸力值达到磁吸力阈值时，控制单元控制执行模块中的电动机停止运动并保持在当前位置。进一步的，当磁吸力变大时，则控制单元控制执行模块中的电动机执行相反的动作。

除锈机器人在作业过程中，会遇到作业面有凸起异物和焊接缝，也会遇到作业面的曲率突然发生较大变化，会造成机器人永磁体距离作业面变大，使磁力吸骤降，在这种情况下会发生因磁吸力不足而导致的机器人坠落情况，成为安全隐患。现有技术中尚未对该种突发情况进行识别和预防坠机的处理，本发明提供的力磁耦合模组和控制单元协作，通过实时监测磁吸力值的大小，主动调节永磁体距离作业面的距离，即调整磁吸力值，保证机器人在遇到凸起异物等情况时，磁吸力不会发生较大变化，保证机器人可以稳定吸附在作业面上，避免坠机的发生。

作为一种可选的实施例，除锈机器人还包括惯性传感器，惯性传感器设于机器人本体上，惯性传感器用于实时获取机器人的加速度、角速度及倾斜角度。如图8所示的除锈机器人位姿模型，惯性传感器IMU(Inertial Measurement Unit)可以实时获取除锈机器人XYZ轴3个方向的加速度、角速度以及角度。X轴是指自机器人本体指向机器人右侧；Y轴是指自机器人本体指向机器人前进方向；Z轴是指垂直机器人所在工作面向上的方向。

惯性传感器将实时加速度A(Ax,Ay,Az)发送至控制单元，其中：Ax表示除锈机器人X轴方向的加速度，Ay表示除锈机器人Y轴方向的加速度，Az表示除锈机器人Z轴方向的加速度。控制单元若判断A>Amax且A接近重力加速度G(取9.8m/s²)时，Amax为除锈机器人正常工作状态下的最大加速度阈值，判断除锈机器人处于坠机状态，控制单元发出坠机防护信号，整机系统接收到坠机防护信号，自动关闭高压水机，保证作业安全。

除锈机器人发生坠机后易造成巨大损失，由于除锈机器人是高空作业工况，若发生坠机现象，无法确定除锈机器人朝向，本发明通过同时检测三个方向的加速度数据综合判断坠机状态，并对坠机状态进行防护，保证了坠机后的作业安全。

作为一种可选的实施例，除锈机器人还包括设于机器人本体上的探测装置32、图像识别系统34和主动旋转集成系统33，优选的，探测装置为粗糙度测量仪，图像识别系统34为高清自动成像设备，主动旋转集成系统为转速可在预设范围内任意调节的主动旋转体。探测装置32用于实时检测除锈表面的粗糙度数值，控制单元接收粗糙度数值，若粗糙度数值大于粗糙度阈值，控制单元控制主动旋转集成系统加快转速，直至除锈表面的粗糙度数值达到粗糙度阈值。进一步的，控制单元通过通讯线缆将粗糙度数值传输到控制柜的遥控器接收器上，进而在遥控器控制面板上显示粗糙度数值。进一步的，若探测装置发送检测故障时，启动图像识别系统34获取除锈表面的图像，控制单元接收除锈表面的图像，识别除锈表面的除锈质量，若除锈质量不满足预设质量条件，则控制单元控制主动旋转集成系统加快转速，直至除锈表面的除锈质量达到预设质量条件。进一步的，控制单元通过通讯线缆将除锈表面的图像传输到控制柜的遥控器接收器上，进而在遥控器控制面板上显示除锈表面的高清图像。

现有的除锈机器人只能单向完成除锈工作，除锈过程中不方便监测除锈质量，也不方便适当调节除锈质量，仅能依靠人工目测的方式调整除锈效果，缺乏除锈质量检测和反馈调节机制，导致除锈效果不佳，目测方式误差大、观测距离远、效率低、受人为干扰因素大。本发明提供了基于探测装置的除锈质量自动识别和调整方式，提高了除锈质量调整的便捷度和准确性。粗糙度仪由于某种原因(如被除锈表面不平整时)发生检测故障时就通过图像识别系统34来观测除锈质量，提高了除锈质量调整方式的通用性。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

1.一种可翻面的除锈机器人，其特征在于，除锈机器人包括机器人主体；

磁吸附装置，设置在机器人主体上，磁吸附装置中的磁铁用于吸附工作面；

除锈装置，设置在机器人主体上，用于对物件进行除锈作业；

驱动轮组，设置在机器人主体上，包括驱动电机，驱动轮组用于驱动除锈机器人行走；

高压水管和拉力传感器，高压水管通过拉力传感器连接至机器人本体，拉力传感器用于检测高压水管上的拉力值；

力磁耦合模组，设于机器人本体上，用于监测磁吸附装置中的磁铁的磁吸力，并控制磁吸附装置中的磁铁直线运动；

探测装置、图像识别系统和主动旋转集成系统，设于机器人本体上，探测装置和图像识别系统用于实时检测除锈表面的粗糙度情况；

控制单元，用于控制除锈机器人作业，根据高压水管上的拉力值发送坠机预防提示信号，并根据粗糙度情况控制主动旋转集成系统；

磁铁摆动装置，设置于机器人主体上；

其中，所述磁铁摆动装置包括磁吸附装置中的磁铁(4)、第四齿轮(13)、第五齿轮(15)、磁铁固定座(16)；

第四齿轮(13)与第五齿轮(15)啮合，所述磁铁通过磁铁固定座(16)与第五齿轮(15)固定，通过第四齿轮(13)的旋转带动第五齿轮(15)和所述磁铁(4)一起摆动；

所述力磁耦合模组包括执行模块，磁吸附装置中的磁铁为永磁体；执行模块包括电动机、直线快速丝杠、导轨、应变片、传动轴承、传动结构件、光轴和壳体，永磁体的直线运动通过光轴进行导向，壳体与光轴通过塑料直线轴承进行连接，光轴的末端安装在传动结构件上，传动结构件上设有诱导变形区域，诱导变形区域中设有应变片，执行模块中的电动机和直线快速丝杠通过同步带连接；

正常作业时，永磁体对作业面产生磁吸力，会产生向作业面相对运动趋势，执行模块的壳体内部的传动轴承和传动结构件接触，传动结构件产生形变，诱导变形区的应变片检测形变量，转化为电信号输出至除锈机器人的控制单元，控制单元计算正常工作时的磁吸力值；

当永磁体与作业面距离变大时，磁吸力值变小时，控制单元控制执行模块中的电动机旋转，调整传动轴承与传动结构件的相对位置，控制永磁体向作业面运动；

当磁吸力值达到磁吸力阈值时，控制单元控制执行模块中的电动机停止运动并保持在当前位置。

2.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，

拉力传感器检测高压水管上的拉力值，除锈机器人的控制单元接收高压水管上的拉力值，若高压水管上的拉力值大于拉力阈值，控制单元控制除锈机器人停止移动，发送坠机预防提示信号至遥控器。

3.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，

除锈机器人还包括惯性传感器，惯性传感器设于机器人本体上，惯性传感器用于实时获取机器人XYZ轴3个方向的加速度、角速度及倾斜角度；

惯性传感器将实时加速度A(Ax,Ay,Az)发送至控制单元，其中：Ax表示除锈机器人X轴方向的加速度，Ay表示除锈机器人Y轴方向的加速度，Az表示除锈机器人Z轴方向的加速度；

若判断A>Amax且A接近重力加速度G，Amax为除锈机器人正常工作状态下的最大加速度阈值，判断除锈机器人处于坠机状态，控制单元发出坠机防护信号，整机系统接收到坠机防护信号，自动关闭高压水机。

4.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，

探测装置用于实时检测除锈表面的粗糙度数值，控制单元接收粗糙度数值，若粗糙度数值大于粗糙度阈值，控制单元控制主动旋转集成系统加快转速，直至除锈表面的粗糙度数值达到粗糙度阈值；

若探测装置发送检测故障时，启动图像识别系统获取除锈表面的图像，控制单元接收除锈表面的图像，识别除锈表面的除锈质量，若除锈质量不满足预设质量条件，则控制单元控制主动旋转集成系统加快转速，直至除锈表面的除锈质量达到预设质量条件。

5.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，所述磁铁摆动装置还包括第一齿轮(8)、第二齿轮(9)、第三齿轮(10)、止动块(11)、电磁离合器(12)、转轴(14)、驱动轮组中的驱动电机(7)、减速机(6)、第一包胶轮(5)、第二包胶轮(17)；

将第一齿轮(8)固定到第一包胶轮(5)上并同时转动，通过第二齿轮(9)与所述第一齿轮(8)、第三齿轮(10)同时啮合来实现换向，以使得磁铁摆动方向与机器人运动方向一致；

第三齿轮(10)和第四齿轮(13)同轴，第三齿轮(10)固定在转轴(14)上，第四齿轮(13)与转轴(14)之间通过轴承来实现所述第四齿轮(13)的自由转动；

第三齿轮(10)和第四齿轮(13)之间设置电磁离合器(12)来实现动力传递的通断，以控制第四齿轮(13)的主动转动或自由转动。

6.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，传动机构分为两部分，第一齿轮(8)、第二齿轮(9)、第三齿轮(10)为第一部分，齿数分别为z₁、z₂、z₃，第四齿轮(13)、第五齿轮(15)为第二部分，齿数分别为z₄、z₅；其中，第二齿轮(9)为惰轮，只起换向作用，不改变传动比；第四齿轮(13)、第五齿轮(15)这两组齿轮取相同模数。

7.根据权利要求5所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，所述第二齿轮(9)为中间惰轮。

8.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，第五齿轮(15)为扇形齿轮。

9.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，根据磁铁的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，电磁离合器的选型根据传递的扭矩来确定。

10.根据权利要求1所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，在摆动中，所述磁铁的前后摆动不低于90°。

11.根据权利要求10所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，第五齿轮(15)的齿数根据所述磁铁的前后摆动角度计算得出。

12.根据权利要求11所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，根据所述磁铁的前后摆动角度计算得出，包括：

根据第五齿轮(15)的齿数以及机器人需要翻越的内角大小来确定需要保留的扇形处的齿数，内角角度为θ，摆动齿轮角度为α；

摆动齿轮角度满足α＞2(180°-θ)；

根据摆动齿轮角度α来确定磁铁摆动第五齿轮(15)需要保留的扇形处的齿数。

13.根据权利要求9所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，电磁离合器的选型需要根据传递的转矩来确定，包括：

第三齿轮(10)传递转矩为

电磁离合器选型时，电磁离合器最大转矩大于s₂*T₂，选用转矩自重比大的牙嵌式电磁离合器。

14.根据权利要求9所述的可翻面的除锈机器人，其特征在于，所述根据磁铁的磁吸力大小来计算出摆动磁铁所需的转矩大小，包括：根据摆动磁铁所需转矩来计算第四齿轮(13)传递转矩，所述摆动磁铁所需转矩为s*T_m，所述第四齿轮(13)传递转矩T₂通过如下公式计算：

其中，s₁为安全系数，i₂为第四齿轮(13)与第五齿轮(15)之间的传动比，T_m为磁铁摆动所需最大转矩；

第三齿轮(10)传递转矩与第四齿轮(13)相同，第三齿轮(10)的传递转矩采用与第四齿轮(13)相同的方式计算；

第一齿轮(8)的传递转矩T₁通过如下公式计算：

其中，i₁为第一齿轮(8)与第三齿轮(10)之间的传动比。

Images