一种铁磁性爬壁工作机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人技术，特别是一种铁磁性爬壁工作机器人。

背景技术：

铁磁性爬壁工作机器人是移动机器人领域的一个重要分支，它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来，并携带相关工艺设备或工具完成一定的作业任务，在近似竖直的铁磁性壁面上附着爬行，进行如除锈、清洗、喷漆、焊接、检测、维护等工程作业。目前爬壁机器人按吸附方式分有仿生吸附、负压吸附和磁吸附，它们都有各自的应用范围和优缺点。其中磁吸附爬壁机器人分为两种：一种是永磁吸附，一种是电磁吸附。电磁吸附爬壁机器人结构复杂，而且安全性较差，实际工业应用较少；而永磁吸附爬壁机器人主要用于油罐壁面检测、船体喷漆等恶劣环境的作业中。

铁磁性爬壁工作机器人在工程应用时需要解决吸附、驱动、转向、适应小曲率工作面、作业效率、机器人自重和工作负载等一系列问题，现阶段缺少一种适应性和实用性高的铁磁性爬壁工作机器人。

目前永磁吸附爬壁机器人按运动方式一般分为三种：一种是多足式，一种是履带式，一种是轮式。多足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性比较差，工作效率不高。专利号为zl201310198901.1的中国发明专利公开了一种曲面自适应磁吸附爬壁机器人，该爬壁机器人采用履带式运动方式，永磁体安置在链条上，具有一定的曲面自适应能力，但是永磁吸附装置的吸附效率低，永磁体数量较多而造成自重较大，机器人带负载能力差，且在机器人转弯时履带会对工作表面造成明显的划伤，影响工作面的表面质量，运动灵活性不高。申请号为201610364096.9的中国发明专利涉及了一种轮式磁吸附爬壁机器人，该爬壁机器人包含四个驱动轮，磁块安装于铝合金封闭腔体内部，机器人的底盘距离铁磁性壁面较近，很难实现较小曲率的铁磁性壁面作业，且底盘容易积累铁磁性碎屑，造成机器人行走不便，同时伤害工作面的表面质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种吸附能力强、运动灵活性高、过曲率适应性好的铁磁性爬壁工作机器人。

实现本发明目的的技术方案为：一种铁磁性爬壁工作机器人，包括车身、行走单元、摆动单元、控制单元；其中行走单元设置于车身上且包括驱动轮、万向轮和永磁体，驱动轮与驱动电机连接且通过驱动轮骨架板与车身下底面连接，万向轮内设置万向轮固定轴，该固定轴通过万向轮支架和设置于万向轮支架上的万向节与车身下底面连接，永磁体设置驱动轮永磁体和万向轮永磁体，驱动轮永磁体设置于驱动轮骨架板上，万向轮永磁体通过万向轮磁块安装架设置于万向轮内的万向轮固定轴上；摆动单元包括摆动杆、升降杆且两根垂直设置，摆动杆一端设置于车身上底面的摆动驱动组件上且在该摆动驱动组件的驱动下摆动杆在一定角度范围内沿平行于车身底面的平面摆动，升降杆设置于摆动杆另一端的升降装置上且末端设置工艺设备；控制单元包括可建立通信连接的控制盒和终端且控制盒设置于车身上且与驱动电机、摆动驱动组件、升降装置相连接。

采用上述机器人，该机器人设置左驱动轮组件和右驱动轮组件，每一驱动轮组件包括两个驱动轮、驱动轮主动轴、驱动轮从动轴、驱动电机、同步带传动机构；所述同步带传动机构包括两个大同步带轮、两个小同步带轮、一个同步带、同步带张紧装置；骨架板设置平行的两块且上端与车身下底面固定连接，驱动轮主动轴穿过两块骨架板且与骨架板转动连接，驱动轮主动轴与驱动电机输出轴相连，两个驱动轮分别安装于驱动轮主动轴两端，驱动轮从动轴通过同步带张紧装置与骨架板相连，两个大同步带轮分别安装于两个驱动轮的内侧，两个小同步带轮分别安装于驱动轮从动轴两端，同步带与大同步带轮、小同步带轮匹配连接，驱动轮永磁体设置于两个骨架板之间的最靠近外部铁磁性壁面的一端。

采用上述机器人，该所述万向轮包括两个万向轮侧板、万向轮凹圈、万向轮外胶套；其中两个万向轮侧板平行设置，万向轮凹圈将两个万向轮侧板固定连接，万向轮外胶套套于万向轮凹圈上；万向轮固定轴设置于两个万向轮侧板之间且与两个万向轮侧板通过轴承连接，万向轮固定轴两端与万向轮支架固定连接，万向轮支架通过万向节与车身下底面连接；万向轮磁块安装架位于两个万向轮侧板之间且设置于万向轮固定轴上，万向轮永磁体设置于万向轮磁块安装架最靠近外部铁磁性壁面的一端。

采用上述机器人，该机器人还包括防护单元，防护单元包括弧形保险杠、防护罩和防倾覆传感器；其中弧形保险杠沿车身周向设置且固定，防护罩设置于车身上方且固定，防倾覆传感器设置于车身下底面。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)行走单元内固定了三个强力弧形永磁体，吸附性能优异，负载能力强；(2)通过增减气胎轮内气体量，调节驱动轮弧形永磁体与铁磁性壁面之间的间隙，易于实现吸附力的调整，达到最佳的吸附爬行效果；(3)通过左右驱动轮组件的速度差实现爬壁机器人的转向，结合后置的万向轮，使机器人的运动灵活性优异；(4)行走单元采用两个驱动轮组件和一个万向轮组件的构成形式，结构紧凑，使爬壁机器人的底盘与铁磁性壁面之间的接触范围较小，可实现一定的较小曲率的铁磁性壁面全范围的爬行工作；(5)摆动单元可实现摆杆在一定可调范围内的往复摆动，为机器人创造了更广的作业范围，工作效率高，可满足除锈、清洗、喷漆、焊接、检测、维护等工程应用需求；(6)配置有防护单元，实现爬壁机器人的全方位防护与监测，安全性好。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为图1的a-a剖视示意图。

图3为本发明驱动轮组件侧向视图。

图4为图3的b-b剖视示意图。

图5为图3的c-c剖视示意图。

图6为本发明万向轮组件侧向视图。

图7为图6的d-d剖视示意图。

图8为本发明机器人本体轴测示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种铁磁性爬壁工作机器人，包括行走单元1、摆动单元2、防护单元3和控制单元4。所述行走单元1包括左驱动轮组件11l、右驱动轮组件11r、万向轮组件12和车架组件13，两个驱动轮组件11l、11r同轴对称安装于车架组件13的前底部，万向轮组件12安装于车架组件13的后底部，形成一个等腰三角形的稳定状态。机器人正常行走状态为两个驱动轮组件11l、11r在前而一个万向轮组件12在后，可以实现爬壁机器人在铁磁性壁面上的吸附和前后行走及左右转向等功能。

如图3～图5所示，所述驱动轮组件11l、11r均包括两个骨架板111、一个驱动轮电机驱动模块112、一个驱动轮主动轴113、一个驱动轮从动轴114、两个气胎轮115、一套同步带传动机构116、一个驱动轮永磁体117、两个驱动轮外防护板118。所述同步带传动机构116包括两个大同步带轮1161、两个小同步带轮1162、一个同步带1163、两个同步带张紧装置1164。骨架板111设置平行的两块且上端与车身下底面固定连接，驱动轮主动轴113穿过两块骨架板111且与骨架板111转动连接，驱动轮主动轴113与驱动电机输出轴相连。所述同步带张紧装置1164的一端安装于驱动轮从动轴114上，另一端安装于骨架板111上。所述同步带张紧装置1164为压簧式张紧器，通过旋拧螺母调节压簧的压缩程度，从而调节同步带的张紧程度。驱动轮电机驱动模块112带动驱动轮主动轴113转动，两个气胎轮115分别安装在驱动轮主动轴113的两端，大同步带轮1161固定安装于气胎轮115的内侧，小同步带轮1162安装于驱动轮从动轴114的两端，同步带1163与大同步带轮1161、小同步带轮1162匹配连接。驱动轮永磁体117安装于骨架板111上，位于驱动轮组件11l、11r内部靠近铁磁性壁面的最底部。

如图5所示，所述驱动轮组件11l、11r中的气胎轮115，可以通过增减其内胎中的气体量，调节驱动轮永磁体117与铁磁性壁面之间的间隙，实现爬壁机器人的吸附力调整，达到最佳吸附爬行效果。

所述驱动轮组件11l、11r中的同步带1163为宽型异形同步带，两侧为含齿的正常同步带，中间为较薄的平带，减小驱动轮永磁体117与铁磁性壁面之间的距离，保持足够的吸附力。

所述驱动轮电机驱动模块112包括一个带抱闸的伺服电机1121和一个直角输出减速机1122。角输出减速机1122的输出轴与驱动轮主动轴113相连接

如图6～图7所示，所述万向轮组件12包括一个万向节121、一个万向轮支架122、一个万向轮主体组件123、一个万向轮固定轴124、两个万向轮支架转接法兰125、两个万向轮磁块安装架126、一个万向轮永磁体127、两个万向轮轴承128。所述万向轮主体组件123，包括两个万向轮侧板1231、一个万向轮凹圈1232和一个万向轮外胶套1233。两个万向轮侧板1231平行设置，万向轮凹圈1232将两个万向轮侧板1231固定连接，万向轮外胶套1233套于万向轮凹圈1232上；万向轮固定轴124设置于两个万向轮侧板1231之间且与两个万向轮侧板1231通过万向轮轴承128连接，万向轮固定轴124两端与万向轮支架122固定连接，万向轮支架122通过万向节121与车身下底面连接。万向轮磁块安装架126位于两个万向轮侧板1231之间且设置于万向轮固定轴124上，万向轮永磁体127设置于万向轮磁块安装架126最靠近外部铁磁性壁面的一端。

所述万向轮永磁体127与万向轮凹圈1232内表面存在一个较小的间隙，确保万向轮组件在滚动过程中万向轮永磁体127与内部任何零件不产生干涉摩擦。所述万向轮组件12可以绕万向节回转中心轴360°随意回转，可以绕万向轮固定轴360°随意滚动，实现爬壁机器人的从动回转、滚动、吸附和支撑。

所述驱动轮永磁体117和万向轮永磁体127均为弧形永磁体，均采用钕铁硼稀土永磁铁，吸附力强劲。

如图2所示，所述车架组件13包括一个横穿固定圆管131、一个车架主板132、两个车架支撑架133，将两个驱动轮组件11l、11r和万向轮组件12组装在一起，并为其他结构件提供安装平台。

如图1和图8所示，所述摆动单元2包括摆动驱动组件21、摆杆组件22、角度调节传感器组件23。所述摆动驱动组件21包含一个伺服电机和一个谐波减速机，安装于车架主板132上。所述摆杆组件22包括摆动杆221、升降杆222和摆杆末端安装法兰223，摆动杆221一端设置于车身上底面的摆动驱动组件上且在该摆动驱动组件的驱动下摆动杆221在一定角度范围内沿平行于车身底面的平面摆动，升降杆222设置于摆动杆221另一端的升降装置上且末端设置工艺设备，摆杆末端安装法兰223可安装工艺设备进行相关作业。所述角度调节传感器组件23包括两个摆动感应传感器231和一个传感器可调安装支架232，可根据实际使用效果手动调节往复摆动角度，摆动杆221的摆动范围位于两个摆动感应传感器231之间实现爬壁机器人摆杆组件22在可调范围内的往复摆动。

如图8所示，所述防护单元3包括保险杠31、防护罩32和防倾覆传感器33。所述保险杠31为u形结构的圆管，两头分别安装于横穿固定圆管131两端上，中间安装于车架主板132上，保护爬壁机器人行进中不受周边障碍物的撞击。所述防护罩32为薄钣金结构，安装于横穿固定圆管131和车架主板132上，用于防护爬壁机器人结构件和控制盒41不受工作环境造成的不利影响。所述防倾覆传感器33为金属感应测距传感器，实时监测机器人与铁磁性壁面之间的距离，当距离增大超过某个设定的数值后，传感器发出一个信号使系统关闭所有运行设备，防止相关设备危害到周围人员或其他设备。

如图1所示，所述控制单元4包括控制盒41、控制柜42和无线遥控终端43。所述控制盒41实现行走单元1和摆动单元2内各个电机的驱动，所述控制柜42实现机器人的信号传输、运动控制和实时显控，所述无线遥控终端43用于设置运动参数和操作控制爬壁机器人的运动状态，包括直行、左转弯、右转弯、前进、后退、加速、减速、停止等。

本发明具有完善的综合性能，行走单元内固定有三个强力弧形永磁体，吸附性能优异，负载能力强；通过增减驱动轮组件中气胎轮内气体量，调节驱动轮弧形永磁体与铁磁性壁面之间的间隙，易于实现爬壁机器人的吸附力调整，达到最佳的吸附爬行效果；利用左右驱动轮组件的速度差实现爬壁机器人的转向，结合后置的万向轮，使机器人拥有优异的运动灵活性；行走单元采用两个驱动轮组件和一个万向轮组件的构成形式，结构紧凑，可实现一定的较小曲率的铁磁性壁面全范围的爬行工作；摆动单元可实现摆杆在一定可调范围内的往复摆动，为机器人创造了更广的作业范围，工作效率高；防护单元实现爬壁机器人的全方位防护与监控，安全性高；控制单元包含无线遥控功能，可操作性强。本发明各方面性能完备，具有很好的适应性和实用性，可满足除锈、清洗、喷漆、焊接、检测、维护等工程应用需求，易于产品化和推广应用。