CN202608930U - 一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人,包括车架、安装在车架两端的前轮模块和后轮模块，车架上安装有视频检测云台，所述复合磁吸附式视频检测爬壁机器人为三轮结构，三轮均为驱动轮，所述前轮模块采用驱动转向一体化磁轮，后轮模块采用永磁间隙吸附结构，本实用新型的优点在于：采用轮式移动机构，且所有车轮均为驱动轮，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0。吸附装置同时采用了磁轮和永磁间隙吸附装置，前轮采用磁轮，在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时环绕后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置，保证爬壁机器人具有强负载能力。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人。
背景技术
磁吸附爬壁机器人是特种机器人的一种，是一种设计用来在恶劣、危险、极限情况下、在导磁壁面上进行特定作业如焊接、打磨、检测等的一种自动化机械装置。复合磁吸附式视频检测爬壁机器人可以在大型结构件的导磁壁面上灵活移动并将拍摄到的周围环境图像实时传输回本地计算机上，为之后进行的焊接、打磨等操作提供环境参考信息。
爬壁机器人必须具有两个基本功能：壁面吸附功能和移动功能。但是，这两者又是矛盾的：机器人的负载能力越强，要求爬壁机器人和导磁壁面间的吸附力越大，但这也造成了爬壁机器人在运动时的阻力越大，爬壁机器人的吸附能力和移动性能是矛盾的。
现有的磁吸附爬壁机器人主要有磁足式爬壁机器人，磁轮式爬壁机器人，履带式磁吸附爬壁机器人，间隙吸附式爬壁机器人。
磁足式爬壁机器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附力必须可调，多采用电磁铁提供吸附力，如日本日立公司研制的八足磁吸附爬壁机器人。足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好。另外，采用电磁铁提供吸附力，需要消耗电能，且存在意外断电造成的安全隐患。
磁轮式爬壁机器人是靠磁轮的吸附力吸附在导磁壁面上。申请日为2004年1月5日、申请号为200410016429.6的专利文献涉及的“磁轮吸附式爬壁机器人”，其技术方案为：包括左轮结构、支承架、检测结构、滚轮、码盘、位置校正结构、右轮结构，左轮结构和右轮结构相同，对称固定在支承架的两侧，检测结构固定在支承架的前边，滚轮和码盘固定在支承架的中间，位置校正结构连接在支承架最右侧，其可适应壁面的曲率，绕支承架作一定角度的转动，在机器人运动过程中校正机器人的位姿。本实用新型可完成石油筒壁等危险环境中的焊缝检测。上述实用新型的特点是运动灵活性较好，但是由于磁轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力较差。
履带式磁吸附爬壁机器人是靠安装在履带式移动机构上的吸块吸附在导磁壁面上。申请日为2000年1月26日、申请号为00200795.9的专利文献涉及的“履带式永磁爬壁机构”，其主要技术方案为：本爬行机构由车体，动力部分和行走机构三部分组成，车体是一个箱形柔性结构，在内部安装动力部分，动力部分是两个电动机及其减速机构，其输出轴分别带动车体两侧的主动链轮。行走机构安置在车体两侧，由主动链轮，导轮，永磁铁及链条张紧机构组成，每一主动链轮带动三根封闭式链条，在三根链条之间的两个间隙处，沿链条全长视负重均匀布置永磁铁。其特点是负载能力强，但是其运动灵活性较差，特别是在进行转向运动时，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻力大，转向半径大，转向灵活性差。
间隙吸附式爬壁机器人是靠安装在底盘上的与导磁壁面间具有一定间隙的永磁体吸附在导磁壁面上。申请日为2005年10月8日、申请号为200510086383.X的专利文献涉及的“轮式非接触磁吸附爬壁机器人”，其技术方案为：包括轮式移动机构和永磁吸附装置，轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮。所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向；永磁吸附装置安装在所述底盘上，所述永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，磁能利用率高，吸附能力强。上述专利特点是吸附力大，但是由于所有的驱动轮都是不能相对车体转向的圆柱轮，转向阻力大，转向灵活性差。
再如专利申请号为200510027714.2，申请日为2005-7-14，名称为“月球探测车驱动转向一体化车轮”的实用新型专利，其技术方案为包括：轮缘、外封板、轮毂、传动套、连接支架、深沟球轴承、电机支架套、驱动直流减速电机、轴盖内密封、轴盖、连接套、封板内密封、内封板、谐波齿轮减速器动刚轮、谐波齿轮减速器静刚轮、谐波齿轮减速器输入轴套、滑动支承套、谐波齿轮减速波发生器、挡板、盖板、转轴、端盖内密封、端盖、套杯、两个角接触球轴承、电机支座、转向直流减速电机、支撑筒、螺旋盖、连接架，本实用新型整个车轮采用密封式结构，轮缘与轮毂采用组合式结构，行驶驱动直流减速电机与谐波齿轮减速同轴线串联布置。上述专利的车轮不是磁轮，而是根据传统方式将前轮设置为普通轮，仍然没有摆脱现有技术的偏见,并且其磁轮较为单一，结构较为复杂，实际应用中在灵活性和转向方面都有较大问题；2.驱动电机到车轮的传动链结构为电机-减速器-车轮，这种结构导致电机及减速器必须与车轮同轴安装，间接增大电机安装空间；对于月球探测来说，空间大小或许不是很重要，但是如果将此机器人应用到焊接机器人领域，则不能适用；转向电机的传动链结构是电机-减速器-转动轴，使得电机及减速器与转动轴同轴，也增大电机安装空间。
综上所述，现有的爬壁机器人或者是运动灵活性较好而负载能力差，或者是负载能力强而运动灵活性差，未能较好地解决爬壁机器人移动和吸附的矛盾，综合性能不好。
实用新型内容
本实用新型的目的是为克服已有技术在运动灵活性和负载能力两方面综合性能的不足，解决爬壁机器人吸附和移动的矛盾，设计一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，使其在具有强负载能力的同时，能在壁面上灵活运动并将拍摄到的视频图像实时传回本地计算机，从而解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，包括车架、安装在车架两端的前轮模块和后轮模块，车架上安装有视频检测云台，其特征在于：所述复合磁吸附式视频检测爬壁机器人为三轮结构，三轮均为驱动轮，所述前轮模块采用驱动转向一体化磁轮，后轮模块采用永磁间隙吸附结构，具体的说，后轮模块包括底盘、底盘下方环绕后轮的永磁体、穿过底盘的两后轮、带动车轮的减速器、驱动减速器的直流电机，前轮模块采用驱动转向一体化磁轮，前轮模块的前轮为磁轮，受控转向；后轮模块的底盘上设置有永磁间隙吸附装置，后轮模块的两后轮对称布置，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向；
所述前轮采用的驱动转向一体化磁轮具体是采用沿厚度方向磁化的环形永磁体；
所述的视频检测云台具有两个正交的旋转自由度，镜头控制系统的调节范围为水平+170°～-170°，垂直调节范围为 ，镜头光学变焦为18倍，数据传输方式为WIFI或者3G网络，具体方式为通过数据传输系统进行无线传输，首先将视频信号进行模数转换，然后压缩，再通过WIFI或者3G接口模块传给远端。
前轮模块包括转向基础板、转向基础板下方的电机、减速器、前轮、同步带以及设置在转向基础板上的直齿锥齿轮和减速器，直流无刷电机及行星齿轮减速器经过20齿直齿锥齿轮和40齿直齿锥齿轮传动带动锥齿轮轴旋转，锥齿轮轴再通过19齿圆柱齿轮和60齿圆柱齿轮传动带动转向轴旋转，转向轴与转向基础板通过螺钉联接固定，前轮驱动电机及减速器采用直流有刷电机和行星齿轮减速器，通过同步带传动带动前轮。
进一步的，所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间为非接触式，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。
进一步的，所述底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体一起构成磁路。
进一步的，减速器包括第一级行星齿轮减速器和第二级涡轮蜗杆减速器，直流电机后接二级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。
本实用新型的优点在于：
1、本实用新型采用轮式移动机构，且所有车轮均为驱动轮，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0。
2、本实用新型的吸附装置同时采用了磁轮和永磁间隙吸附装置，前轮采用磁轮，在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时环绕后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置，保证爬壁机器人具有强负载能力。
3、转向机构引入冗余控制方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度；
4、镜头控制系统调节范围大，为水平
，垂直
，可以弥补磁吸附机器人运动能力的不足，数据传输系统采用WIFI/3G网络，克服传统有线传输所使用的同轴线缆对机器人负重的影响。
5、通过转向角度传感器实时监测前轮转向角，作为前轮转向角度闭环控制的反馈部分，实现前轮转向角的精确控制。
6、驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带传动，通过调节传动中心距可以获得较大的安装空间，安装较大功率的驱动减速电机从而提高驱动力矩。
7、设置了独立的转向自由度且使转向轴线与车轮轴线垂直正交，可以实现车轮的独立转向，提高爬壁机器人运动灵活性。
7、设置了被动的侧倾自由度且通过侧倾限制块限制侧倾转角在正负10度以内，使爬壁机器人具有了较好的曲面适应能力。
9、侧倾限制块通过机械限位实现限制侧倾角度的功能。
10、所述转向结构和车轮滚动都设置有独立的驱动机构。
附图说明
图1是复合磁吸附式视频检测爬壁机器人的整体三维模型图。
图2是复合磁吸附式视频检测爬壁机器人的后轮的三维模型图。
图3是复合磁吸附式视频检测爬壁机器人的前轮的三维模型图。
图4是复合磁吸附式视频检测爬壁机器人前轮过转向轴线和锥齿轮轴线的剖视图。
图5是复合磁吸附式视频检测爬壁机器人经过前轮车轮轴线的剖视图。
图6是复合磁吸附式视频检测爬壁机器人检测功能原理图。
附图中1前轮模块，2车架，3电机驱动控制器，4后轮模块；
5永磁体，6底盘，7车轮，8涡轮蜗杆减速器，9行星齿轮减速器，10直流电机；
11同步带，12减速器，13转向基础板，14.20齿直齿锥齿轮， 16电机，17转向轴，18.60齿圆柱齿轮，19.19齿圆柱齿轮，20锥齿轮轴，21. 40齿直齿锥齿轮；
22是前轮模块永磁体，23是车轮轭铁。
61摄像系统，62镜头控制系统，63控制端口，64视频输入，65 3G接口，66WIFI接口，67数据传输系统，68移动基站。
具体实施方式
一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人包括车架、安装在车架两端的前轮模块和后轮模块，车架上安装有视频检测云台，所述复合磁吸附式视频检测爬壁机器人为三轮结构，三轮均为驱动轮，所述前轮模块采用驱动转向一体化磁轮，后轮模块采用永磁间隙吸附结构，具体的说，后轮模块包括底盘、底盘下方环绕后轮的永磁体、穿过底盘的两后轮、带动车轮的减速器、驱动减速器的直流电机，前轮模块采用驱动转向一体化磁轮，前轮模块的前轮为磁轮，受控转向；后轮模块的底盘上设置有永磁间隙吸附装置，后轮模块的两后轮对称布置，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向；
所述前轮采用的驱动转向一体化磁轮具体是采用沿厚度方向磁化的环形永磁体；
所述的视频检测云台具有两个正交的旋转自由度，镜头控制系统的调节范围为水平+170°～-170°，垂直调节范围为
，镜头光学变焦为18倍，数据传输方式为WIFI或者3G网络，具体方式为通过数据传输系统进行无线传输，首先将视频信号进行模数转换，然后压缩，再通过WIFI或者3G接口模块传给远端。
前轮模块包括转向基础板、转向基础板下方的电机、减速器、前轮、同步带以及设置在转向基础板上的直齿锥齿轮和减速器，直流无刷电机及行星齿轮减速器经过20齿直齿锥齿轮和40齿直齿锥齿轮传动带动锥齿轮轴旋转，锥齿轮轴再通过19齿圆柱齿轮和60齿圆柱齿轮传动带动转向轴旋转，转向轴与转向基础板通过螺钉联接固定，前轮驱动电机及减速器采用直流有刷电机和行星齿轮减速器，通过同步带传动带动前轮。
所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间为非接触式，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。
所述底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘6上的永磁体5一起构成磁路。
减速器包括第一级行星齿轮减速器和第二级涡轮蜗杆减速器，直流电机后接二级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。
转向角度传感器为转向角闭环控制的反馈部分。
以下结合附图对本实用新型做进一步说明。
图1是全驱动复合吸附式爬壁机器人的整体三维模型图。图1所示全驱动复合吸附式爬壁机器人由四部分构成，包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块1、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块4、连接前后轮的车架2和安装在车架上的电机驱动控制器3。
图2是后轮的三维模型图。其中，后轮底盘6采用低碳钢（如Q235）制造，除作为支撑后轮结构的功能外，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘6上的永磁体5一起构成磁路的一部分。直流电机10后接二级减速器带动车轮7，第一级为行星齿轮减速器9，第二级为涡轮蜗杆减速器8，涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘6上。
图3是前轮的三维模型图，图4是前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图，图5是过前轮车轮轴的剖视图。其中，直流无刷电机及行星齿轮减速器15经过20齿直齿锥齿轮14和40齿直齿锥齿轮21传动带动锥齿轮轴20旋转，锥齿轮轴20再通过19齿圆柱齿轮19和60齿圆柱齿轮18传动带动转向轴17旋转，转向轴17与转向基础板13通过螺钉联接固定。前轮驱动电机及减速器12采用直流有刷电机和行星齿轮减速器，通过同步带11传动带动前轮。前轮为磁轮，结构见图5。磁轮由1块永磁体和2块轭铁构成。所述永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体,永磁体可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁采用低碳钢（如Q235等）制造。视频检测云台3通过螺钉联接固定在车架上，具有2个正交的旋转自由度。
视频检测系统原理如图6所示，镜头控制系统控制摄像头的角度、变焦倍数；摄像系统负责采集前端视频信号；数据传输系统通过视频输入端口接收视频信号，并且编码为数字信号，控制端口发送控制命令给镜头控制系统， WIFI与3G接口负责与计算机相连接。
驱动转向一体化磁轮的一种实施方式为，侧倾转轴一端由安装在车体固定框架上的滑动轴承支承，另一端与转台下支撑板通过螺纹联接固接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板通过螺钉连接，转台盖板与转台上支撑板通过螺钉连接，两个圆锥滚子轴承面对面安装在两个支撑板上，转向轴支承在这两个圆锥滚子轴承上，转向轴与60齿直齿齿轮通过平键连接，角度传感器输入轴与转向轴固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板通过螺钉连接，角度传感器与角度传感器支撑杆通过螺钉连接，转向电机安装板与转台上支撑板通过螺钉连接，转向减速电机与转向电机安装板通过螺钉连接，20齿直齿锥齿轮固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮通过平键联接安装在锥齿轮轴上，锥齿轮轴由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴的另一侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴的下端与转向基板通过螺钉连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板通过螺钉连接，驱动减速电机与驱动电机安装板通过螺钉连接，小同步带轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带轮通过平键联接安装在小同步带轮轴上，前轮模块永磁体和车轮轭铁通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带轮通过平键联接安装在车轮轴的另一侧，大同步带轮和小同步带轮之间由同步带联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上。磁轮包括前轮模块永磁体和车轮轭铁。
Claims (6)
1.一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，包括车架（2）、安装在车架（2）两端的前轮模块（1）和后轮模块（4），车架（2）上安装有视频检测云台，其特征在于：所述复合磁吸附式视频检测爬壁机器人为三轮结构，三轮均为驱动轮，所述前轮模块（1）采用驱动转向一体化磁轮，后轮模块（4）采用永磁间隙吸附结构，具体的说，后轮模块（4）包括底盘（6）、底盘（6）下方环绕后轮的永磁体（5）、穿过底盘（6）的两后轮、带动车轮（7）的减速器（12）、驱动减速器（12）的直流电机（10），前轮模块（1）采用驱动转向一体化磁轮，前轮模块（1）的前轮为磁轮，受控转向；后轮模块（4）的底盘（6）上设置有永磁间隙吸附装置，后轮模块（4）的两后轮对称布置，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向；
所述前轮采用的驱动转向一体化磁轮具体是采用沿厚度方向磁化的环形永磁体；
所述的视频检测云台具有两个正交的旋转自由度，镜头控制系统的调节范围为水平+170°～-170°，垂直调节范围为 
，镜头光学变焦为18倍，数据传输方式为WIFI或者3G网络，具体方式为通过数据传输系统进行无线传输，首先将视频信号进行模数转换，然后压缩，再通过WIFI或者3G接口模块传给远端。
2.根据权利要求1所述的一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，其特征在于：前轮模块（1）包括转向基础板（13）、转向基础板（13）下方的电机（16）、减速器（12）、前轮、同步带（11）以及设置在转向基础板（13）上的直齿锥齿轮和减速器（12），直流无刷电机及行星齿轮减速器（9）经过20齿直齿锥齿轮（14）和40齿直齿锥齿轮（21）传动带动锥齿轮轴（20）旋转，锥齿轮轴（20）再通过19齿圆柱齿轮（19）和60齿圆柱齿轮（18）传动带动转向轴（17）旋转，转向轴（17）与转向基础板（13）通过螺钉联接固定，前轮驱动电机及减速器采用直流有刷电机和行星齿轮减速器（9），通过同步带（11）传动带动前轮。
3.根据权利要求2所述的一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，其特征在于：所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘（6）上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间为非接触式，通过调节底盘（6）和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。
4.根据权利要求3所述的一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，其特征在于：所述底盘（6）为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮（7）安装在后轮底盘（6）上的永磁体一起构成磁路。
5.根据权利要求4所述的一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，其特征在于：减速器包括第一级行星齿轮减速器（9）和第二级涡轮蜗杆减速器（8），直流电机（10）后接二级减速器带动车轮（7），第二级涡轮蜗杆减速器（8）通过螺钉连接安装在后轮底盘（6）上。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，其特征在于：所述驱动转向一体化磁轮具体结构为：侧倾转轴一端由安装在车体固定框架上的滑动轴承支承，另一端与转台下支撑板通过螺纹联接固接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板通过螺钉连接，转台盖板与转台上支撑板通过螺钉连接，两个圆锥滚子轴承面对面安装在两个支撑板上，转向轴（17）支承在这两个圆锥滚子轴承上，转向轴（17）与60齿直齿齿轮通过平键连接，角度传感器输入轴与转向轴（17）固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板通过螺钉连接，角度传感器与角度传感器支撑杆通过螺钉连接，转向电机安装板与转台上支撑板通过螺钉连接，转向减速电机与转向电机安装板通过螺钉连接，20齿直齿锥齿轮（14）固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮（21）通过平键联接安装在锥齿轮轴（20）上，锥齿轮轴（20）由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴（20）的另一侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴（17）的下端与转向基板通过螺钉连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板通过螺钉连接，驱动减速电机与驱动电机安装板通过螺钉连接，小同步带（11）轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带（11）轮通过平键联接安装在小同步带（11）轮轴上，前轮模块永磁体（22）和车轮轭铁（23）通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带（11）轮通过平键联接安装在车轮轴的另一侧，大同步带（11）轮和小同步带（11）轮之间由同步带（11）联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上，磁轮包括前轮模块永磁体（22）和车轮轭铁（23）。
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