CN206107388U - 大型钢架结构用爬行机器人平台装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，包括框架基体、X方向主运动系统、Y方向主运动系统、足部升降与吸附系统、负载层，其中，负载层的下方设有X方向主运动系统和Y方向主运动系统，所述X方向主运动系统和Y方向主运动系统设在基体上；所述足部升降与吸附系统设置在四周，分别连接X方向主运动系统和Y方向主运动系统的边缘。本实用新型的运动范围能够完全覆盖大型钢架结构平整壁面，运用了推杆电机作为升降吸附组的驱动源，执行装置可靠性高，控制简单。

Description

大型钢架结构用爬行机器人平台装置

技术领域

本实用新型涉及一种爬壁机器人装置，更具体地说，涉及一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置。

背景技术

爬行机器人是一种特种机器人，是集机械、电子、计算机、控制、传感和人工智能等多学科理论与技术的机电一体化设备。爬行机器人必须具有两个基本功能：在壁面上吸附和移动的能力。目前爬行机器人的移动方式主要有：车轮式、框架式、履带式、腿足式等；其吸附方式主要有：磁吸附和真空吸附。

国外最早进行爬行机器人研究的是日本。1966年日本大阪府立大学讲师西亮利用负压作为吸附力制作了垂直壁面移动机器人的样机，这被认为是世界上第一台爬壁机器人。此后，一些欧美国家以及韩国也在爬壁机器人上不断深入研究,取得了不少令人瞩目的成就。国内1998年哈尔滨工业大学率先进行了爬行机器人的研究工作，并于1994年研制我国第一台爬行机器人。该机器人采用负压吸附，全方位电驱动移动。之后，上海交通大学、北京航空航天大学、清华大学等也进行该领域的研究，并取得了不俗的成绩。

现有的港口大型钢架结构通常处于高盐分、高湿度、强风力的环境中，钢架极易发生腐蚀；而且长期的过载使用也会导致钢架结构的损坏。因此必须对其进行定期的检查与维护。现有的针对钢结构的防腐涂装、变形检测还主要是由人工来完成。这样的维护方式具有很多的弊端——首先，对于钢架结构的防腐涂装，漆料的化学成分对于人的身体健康有很大的影响。其二，工人需要高空作业，施工环境恶劣，喷涂质量难以保证，并且生命安全得不到保障。其三，维护的成本高，效率很低。

针对这些问题，如果能够研制一种爬行机器人平台，让其携带维护所需要的设备，代替人工作业。这不仅能消除人工作业的危险性，而且能够降低成本，提高效率。因此这项研究意义重大。

实用新型内容

本实用新型为解决现有的问题，旨在提供一种可实现对大型钢架结构平整壁面的运动全覆盖、携带必要的维护设备代替人工作业的大型钢架结构用爬行机器人平台装置，以提高工作效率，降低生产成本。

本实用新型采用的技术方案包括框架基体、X方向主运动系统、Y方向主运动系统、足部升降与吸附系统、负载层，其中，负载层的下方设有X方向主运动系统和Y方向主运动系统，所述X方向主运动系统和Y方向主运动系统设在基体上；所述足部升降与吸附系统设置在四周，分别连接X方向主运动系统和Y方向主运动系统的边缘。

其中，框架基体由铝型材通过角座拼接而成，呈“田”字形结构，铝型材上开有若干连接用螺纹孔。

其中，X方向主运动系统包括X向主推杆电机、两组X向滑块导轨系统、和若干连接件，其中X向主推杆电机、两组X向滑块导轨系统和若干连接件安装在框架基体上；X向主推杆电机通过连接件与两组X向滑块导轨系统连接在一起。

其中，Y方向主运动系统包括Y向主推杆电机、两组滑Y向块导轨系统和若干连接件，其中Y向主推杆电机、两组Y向滑块导轨系统和若干连接件安装在框架基体上；Y向主推杆电机通过连接件与两组Y向滑块导轨系统连接在一起。

其中，足部升降与吸附系统有四组，每组包括两个足部升降与吸附单元，每个足部升降与吸附单元包括足部推杆电机、两个直线轴承、推杆电机安装座、电磁铁、接近开关、接近开关安装座；足部推杆电机和直线轴承安装在推杆电机安装座上；接近开关安装在接近开关安装座上，接近开关安装座连接在推杆电机安装座上；足部推杆电机安装座连接在滑块导轨系统上。

其中，还包括传感器系统，所述传感器系统包括设置在X，Y主运动方向上的超声波传感器和设置在足部升降与吸附系统中的接近开关。

其中，还包括视屏监视系统，所述屏监视系统包括通过安装座安装于框架基体上的摄像头及其、地面的画面分割器和显示器。

其中，还包括安装在框架基体上的喷漆系统，所述喷漆系统包括推杆电机、电磁阀、导轨、空气压缩机及喷嘴。

其中，还包括安装在框架基体上的探伤系统，其包括主推杆电机、大平台、小平台、轴承座、同步带轮、直流电机、直线导轨、副推杆电机、中轴、探伤仪探头、毛刷及盒子。

其中，还包括断电保护系统，所述断电保护系统包括锂电池供电系统与缆绳牵引系统。

与现有技术相比，本实用新型的技术方法具有以下优点：

1)利用轻质的铝型材作为框架基体结构的主要设计材料，不仅可以将整个框架基体结构的质量降到最低，做到质轻、价廉、美观、大方；而且“田”字形的结构会使得结构更加紧凑，保证了框架基体结构的强度与刚度要求。可满足承载、爬行机器人本体自重和一定负载的能力。另外这种结构设计可扩展性极强，易于与其他机械结构进行连接。

2)本实用新型的运动范围能够完全覆盖大型钢架结构平整壁面，并将大型钢架结构的平整壁面看成X-0-Y平面，并设计了X向与Y向两个直线运动机构，通过X向与Y向的联合运动，爬行机器人平台可到达钢架结构壁面的任意位置。这种结构设计简单可靠且适合复杂的工作环境。并且本实用新型独创性的运用了推杆电机作为这两个主运动的驱动源，这种执行装置可靠性高，控制简单。

3)本实用新型选用电磁铁作为爬行机器人平台的吸附装置，不仅可保证大的吸附力满足爬行机器人平台带一定负载的要求，而且爬行机器人平台电磁铁吸附足的布置成放射状可保证可靠地吸附。本实用新型独创性的运用了推杆电机作为升降吸附组的驱动源，这种执行装置可靠性高，控制简单。

4)本实用新型设计了断电保护系统，包括一套锂电池供电系统与一套缆绳牵引系统。锂电池供电系统可在爬行机器人平台断电的情况下为期提供短时间供电。缆绳牵引系统包括主钢丝绳、滑轮、副钢丝绳。主钢丝绳安装于大型钢架结构用护栏上，滑轮安装于主钢丝绳上，副钢丝绳连接与爬行机器人平台上然后在连接到主钢丝绳上的滑轮上。

5)本实用新型的负载层上可以安装各类用途的小型机械手，其通用性很强。

6)爬行机器人平台的控制系统设计基于OMRON CP1H PLC及其扩展单元。结合超声波传感器、接近开关、以及视屏监控装置的作用，实现爬行机器人平台的自动行走、手动控制行走。当超声波传感器、视屏监控装置检测前方有障碍物时且无法跨越时可切换到手动控制行走模式。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型X向、Y向主运动系统的结构示意图；

图3是足部升降与吸附系统的结构示意图；

图4是足部升降与吸附系统的视图；

图5是图4中A-A面的剖视图；

图6是图5中B圈的放大视图；

图7是控制系统的结构示意图；

图8是本实用新型整体外观示意图；

图9是喷漆系统的结构示意图；

图10是探伤系统的结构示意图；

图11是机器人控制台的示意图；

附图中有：框架基体1、X方向主运动系统2、Y方向主运动系统5、足部升降与吸附系统3、负载层4、断电保护系统6、控制系统7、感器系统8、视屏监视系统9、铝型材10、角座11、X向主运动推杆电机12、X向导轨滑块系统13、连接件14、向0主推杆电机15、Y向导轨滑块系统16、足部推杆电机17、直线轴承18、足部推杆电机安装座19、电磁铁20、接近开关21、接近开关安装座22、超声波传感器23、摄像头24、摄像头安装座25、压簧26、圆柱销钉27、连接部件28、喷漆系统及其外壳29、探伤系统及其外壳30、模块安装架31、机器人外壳32、底部支撑座33、空气压缩机34、电磁阀35、喷嘴36、导轨37、推杆电机38、主推杆电机39、大平台40、直流电机41、同步带轮42、小平台43、直线导轨44、副推杆电机45、轴承座46、中轴47、探伤仪探头48、毛刷49、盒子50、机器人控制台51、上电开关52、视屏显示屏53、探伤仪显示屏54、触摸屏55、线缆出口处56。

具体实施方式

现结合附图对本实用新型作进一步地说明。

参见图1至图8，图1至图8展示的是本实用新型的一个实施例，一种爬行机器人平台装置，包括框架基体1、X方向主运动系统2、Y方向主运动系统5、足部升降与吸附系统3、负载层4、断电保护系统6、传感器系统8、视屏监视系统9、控制系统7。

其中，框架基体1包括七根铝型材10，其是由若干角座11、螺钉螺母连接而成。X向与Y向主运动系统由推杆电机安装座、X向主运动推杆电机12、Y向主运动推杆电机15、推杆电机端部固定座、连接件14、X向导轨滑块系统13、Y向导轨滑块系统16所组成。推杆电机安装座、推杆电机端部固定座、X向导轨滑块系统13、Y向导轨滑块系统16安装于框架基体1上。连接件14通过螺钉螺母将X向主运动推杆电机12、Y向主运动推杆电机15与X向导轨滑块系统13、Y向导轨滑块系统16连接起来。足部升降与吸附系统3包括足部推杆电机安装座19、足部推杆电机固定条、直线轴承18、足部推杆电机17、电磁铁20、压簧26、圆柱销27、接近开关安装座22、接近开关21以及若干连接件14组成。足部推杆电机安装座19通过螺纹连接固定到X向导轨滑块系统13、Y向导轨滑块系统16上，足部推杆电机17通过推杆电机固定条与螺栓固定到足部推杆电机固定座19上，直线轴承18安装到足部推杆电机固定座19上。足部推杆电机17通过圆柱销27与连接部件28相连，连接部件28通过螺栓与电磁铁20连在一起，在螺栓与足部推杆电机之间安装有压簧26。传感器系统8包括接近开关21、超声波传感器23。接近开关21安装于接近开关安装座22；超声波传感器23安装于摄像头安装座25上。负载层4包括一个3mm厚钢板，该钢板通过螺纹与框架基体1连接在一起。

视屏监视系统9包括：四个摄像头24、画面分割器和显示器。四个摄像24头分别安装于爬行机器人平台四个个方向上。

参见图11，控制系统包括OMRON CP1H PLC主控单元及其扩展单元、继电器、开关电源、触摸屏等，PLC主控单元安装于控制台51中，控制台上包括有视屏显示屏53、探伤仪显示屏54、触摸屏55、上电开关及指示灯52、线缆出口56等。断电保护系统6包括一套锂电池供电系统以及一套缆绳牵引系统。

进一步，操作人员可以通过操作触摸屏55对机器人进行相应控制，并且通过视屏显示屏53、探伤仪显示屏54等查看相应工作情况。控制电路分为足部推杆电机控制电路、主推杆电机控制电路、电磁铁控制电路及模块控制电路。控制系统7实现如下最基本的几个功能：协调性，爬行机器人平台两组足部升降与吸附机构、X方向主运动系统2、Y方向主运动系统5能够准确无误的实现交替工作；准确性，爬行机器人平台可以精准的到达需要修复的位置；抗干扰性，爬行机器人平台的工作环境多处于港口海洋露天环境中，条件恶劣，因此控制系统必具备很强的抗环境干扰能力；手自切换性，爬行机器人平台可通过手动开关选择一种自动运动模式，选定工作模式后，爬行机器人平台将按照此运动方式自动运动。只有其在运动方式需要切换或避障、越障功能发生故障、问题时，才需要人为干预。

进一步，所述的爬行机器人平台的框架基体1成“田”字形结构，结构完全轴对称，可以有效地保证其整体刚度与强度。

进一步，所述的X方向主运动系统2、Y方向主运动系统5安装于框架基体1的顶层与底层，X向主运动推杆电机12与Y向主运动推杆电机15安装位置位于框架基体1的中心线上。这样不仅可以保证整个结构的紧凑性，而且可以将整个爬行机器人平台的重心降低、形心与重心重合改善爬行机器人平台的受力。

进一步，所述的的足部升降与吸附系统3包括四组，分别安装于框架基体1的四个面上，爬行机器人平台电磁铁20成放射型布置，可以保证机器人平台在携带在载荷时有效可靠的吸附于大型钢结构壁面。

进一步，所述的足部升降与吸附系统3的四组电磁铁吸附足，每组电磁铁吸附足的单个吸附单元都可以独立运动，这样的结构与运动形式可以提高爬行机器人平台的越障能力。

进一步，所述的四组足部升降与吸附机构是完全对称布置的。

上述结构的爬行机器人平台装置的工作原理是：爬行机器人平台X方向主运动系统2、Y方向主运动系统5可以进行这两个方向的直线运动，可进行单个方向的直线运动，也可以X向与Y向联合运动实现非直线的曲线运动。这两种运动方式可以实现到达大型钢架结构壁面的任意位置。当爬行机器人平台到达指定位置后，足部升降与吸附系统3动作，电磁铁20与钢架壁面接触，电磁铁20通电吸附。工人通过视屏监视系统9，手动控制爬行机器人平台上的维护设备就可以对钢架壁面进行维护工作。

上述结构的爬行机器人平台装置处于自动控制状态下的工作过程是：装置启动后，X向主运动推杆电机12与Y向主运动推杆电机15处于收缩状态。X与Y向的足部升降与吸附系统3的各个足部推杆电机17处于伸长状态，电磁铁20与壁面接触且通电吸附。此时爬行机器人平台只有八只电磁铁吸附足与表面接触，此为爬行机器人平台的初始状态。

爬行机器人平台向前行进一个步态，例如当机器人平台在X向进行向前运动时，首先X向的两组组足部升降与吸附系统3的电磁铁20断电，电磁力消失，足部推杆电机17收缩，电磁铁20在推杆电机17作用下也收缩，Y向两组足部升降与吸附系统3的状态保持不变。X向主运动推杆电机12伸长，带动X向的两组足部升降与吸附系统3往前走一个行程，X向两组足部升降与吸附系统3相对于框架基体1与Y向的两组足部升降与吸附系统3向前走了一个行程。然后X向的两组足部升降与吸附系统3推杆电机17伸长，带动电磁铁20向下运动，电磁铁20与壁面接触，通过接近开关21的检测可以判断是否接触完全，接触完全电磁铁20通电吸附。Y向的两组足部升降与吸附系统3的电磁铁20断电，电磁力消失，足部推杆电机17收缩，电磁铁20在推杆电机17作用下收缩，X向主运动推杆电机12收缩,带动框架基体1与Y向两组足部升降与吸附系统3向前运动一个行程，Y向两组足部升降与吸附系统3的推杆电机17伸长，带动电磁铁20向下运动，电磁铁20与壁面接触，通过接近开关21的检测可以判断是否接触完全，接触完全，电磁铁20通电吸附。至此整个爬行机器人平台完成一个行程的行走，回到初始状态。

Y向直线运动与X向直线运动类似不再赘述。若要实现爬行机器人平台到达钢架壁面上任意一点可以通过X向、Y向的联合运动来实现。

当爬行机器人平台超声波传感器23检测到前方存在障碍物时，可以人为调节到手动操作，操作人员通过视屏监控装置9可以控制机器人进行越障或者避障的运动。

参见图9，喷漆系统29工作过程为：空气压缩机34产生喷嘴36所需的压力，电磁阀35控制喷嘴36的通断，喷嘴通过安装板安装于导轨37上，在推杆电机38作用下可以前后伸缩，工作时，启动空气压缩机34，操作推杆电机38，带动喷嘴36向前运动，靠近钢板墙，控制电磁阀35，以完成控制喷嘴36进行喷漆；喷漆完成后，操作推杆电机38缩回，关闭电源，完成喷漆功能。

参见图10，探伤系统30工作过程为：大平台40通过铝型材安装固定于机器人平台上，主推杆电机39输出端与小平台43通过螺栓连接在一起，小平台43可以在主推杆电机39的作用下，沿直线导轨44前后移动；小平台43上安装有直流电机41、轴承座46等，直流电机41输出轴装有同步带轮42，轴承座46中间套有一个空心中轴47，空心中轴47可在同步带轮42带动下，自由旋转，空心中轴末端安装有毛刷49，毛刷下面为一个盒子50(用于存放耦合剂)；副推杆电机45的输出末端安装探伤仪的探头48，其可以在空心中轴47内自由伸缩。工作时，首先启动直流电机41，同步带轮42转动，带动空心中轴47转动，进而带动毛刷49转动，毛刷即蘸取了盒子中的耦合剂，然后关闭直流电机41，启动主推杆电极39，将小平台43向前移动，将毛刷49抵在钢板墙上，接着启动直流电机41，将耦合剂涂抹到钢板墙上，涂抹结束后，退回毛刷；下一步启动副推杆电机45，将探伤仪探头48伸出，正好抵在刚刚涂有耦合剂的地方进行探伤，然后将探伤数据传输至地面的显示屏上，实现探伤功能。

上面结合附图及实施例描述了本实用新型的实施方式，实施例给出的结构并不构成对本实用新型的限制，本领域内熟练的技术人员可依据需要做出调整，在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改均在保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：包括框架基体(1)、X方向主运动系统(2)、Y方向主运动系统(5)、足部升降与吸附系统(3)、负载层(4)，其中，负载层(4)的下方设有X方向主运动系统(2)和Y方向主运动系统(5)，所述X方向主运动系统(2)和Y方向主运动系统(5)设在基体(1)上；所述足部升降与吸附系统(3)设置在四周，分别连接X方向主运动系统(2)和Y方向主运动系统(5)的边缘。

2.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：框架基体(1)由铝型材(10)通过角座(11)拼接而成，呈“田”字形结构，铝型材(10)上开有若干连接用螺纹孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：X方向主运动系统(2)包括X向主推杆电机(12)、两组X向滑块导轨系统(13)和若干连接件(14)，其中X向主推杆电机(12)、两组X向滑块导轨系统(13)和若干连接件(14)安装在框架基体(1)上；X向主推杆电机(12)通过连接件(14)与两组X向滑块导轨系统(13)连接在一起。

4.根据权利要求1或2所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：Y方向主运动系统(5)包括Y向主推杆电机(15)、两组滑Y向块导轨系统(16)和若干连接件(14)，其中Y向主推杆电机(15)、两组Y向滑块导轨系统(16)和若干连接件(14)安装在框架基体(1)上；Y向主推杆电机(15)通过连接件(14)与两组Y向滑块导轨系统(16)连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：足部升降与吸附系统(3)有四组，每组包括两个足部升降与吸附单元，每个足部升降与吸附单元包括足部推杆电机(17)、两个直线轴承(18)、推杆电机安装座(19)、电磁铁(20)、接近开关(21)、接近开关安装座(22)；足部推杆电机(17)和直线轴承(18)安装在推杆电机安装座(19)上；接近开关(21)安装在接近开关安装座(22)上，接近开关安装座(22)连接在推杆电机安装座(19)上；足部推杆电机安装座(19)连接在滑块导轨系统上。

6.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：还包括传感器系统(8)，所述传感器系统(8)包括设置在X，Y主运动方向上的超声波传感器(23)和设置在足部升降与吸附系统(3)中的接近开关(21)。

7.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：还包括视屏监视系统(9)，所述屏监视系统(9)包括通过安装座(25)安装于框架基体(1)上的摄像头及其、地面的画面分割器和显示器。

8.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：还包括安装在框架基体(1)上的喷漆系统(29)，所述喷漆系统(29)包括推杆电机(38)、电磁阀(35)、导轨(37)、空气压缩机(34)及喷嘴(36)。

9.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：还包括安装在框架基体(1)上的探伤系统(30)，其包括主推杆电机(39)、大平台(40)、小平台(43)、轴承座(46)、同步带轮(42)、直流电机(41)、直线导轨(44)、副推杆电机(45)、中轴(47)、探伤仪探头(48)、毛刷(49)及盒子(50)。

10.根据权利要求1所述的一种大型钢架结构用爬行机器人平台装置，其特征在于：还包括断电保护系统(6)，所述断电保护系统(6)包括锂电池供电系统与缆绳牵引系统。