一种吸附式履带爬行机构及具有其的爬壁机器人的制作方法

本发明涉及爬壁机器人技术领域，具体涉及一种吸附式履带爬行机构及具有其的爬壁机器人。

背景技术

为了解决在未知和多变工况环境中服役的问题，移动机器人多采用履带式行走机构。在机构设计上研究的主要方向是：跨越壕沟或攀越台阶障碍的能力、克服倾翻的能力以及壁面吸附能力。

当前国内外研究的履带机器人大致分为单节双履带、双节四履带、多节多履带、多节履带复合式，其中具有吸附功能的爬壁机器人仅有单节双履带结构。国外目前在多履带移动机器人方面的技术水平相对成熟，主要用于地面反恐防爆，军事侦察等方面。美国remotec公司早期研制的andros-f6a移动机器人是一种小型化的关节履带轮式机器人，它最显著的特点是具有更快的速度和更优异的越障性能以便操作人员能够更高效地执行任务。美国nasa喷射推进实验室，irobot公司，卡内基·梅隆大学机器人学院和南加州大学机器人研究实验室共同合作开发的urbie机器人是一种能以视觉导引并能自动爬坡的前置关节履带移动机器人，其前摆腿可360度异步旋转。国内目前由北京中泰科技发展有限公司和上海交通大学联合研制的super-dii型排爆机器人具有典型的关节式履带结构，其行走装置采用四轮驱动和双摆驱动，该机器人最大伸展长度1.8米，行走速度每分钟0-40米，爬坡能力40度，能在1.3米的范围内原地回转，该机器人所采用的技术在国产排爆机器人中处于领先地位。

作为同类技术的小型化，履带结构在壁面/管道机器人上有广泛应用，例如船舶移动喷涂机器人可以在一个平面上同时移动和进行喷涂作业，管道机器人在一根水平管道内爬行移动等。但是当实际工程中存在更大俯仰角或垂直的壁面时，爬行机构由于无法维持与壁面的贴合面积和摩擦力，而不能连续爬行通过。当履带增加了磁吸附，由于磁性贴合面出现间隙，吸附力大幅降低(大于8mm时磁力几乎消失)，这限制了工业爬行机器人在同时存在平面与立面工况(例如各类管网)的应用。

技术实现要素：

本发明提供一种吸附式履带爬行机构，其能在金属平面、斜面和立面实现连续爬行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种吸附式履带爬行机构，包括第一连接底盘以及设于所述第一连接底盘底部的履带轮组件，所述履带轮组件至少包括轮组件和配合的设于所述轮组件上的吸附履带，所述第一连接底盘的前侧设有沿其宽度方向延伸的第一主轴，所述第一连接底盘的后侧设有与所述第一主轴相平行的第二主轴，所述第一主轴和所述第二主轴的两端部分别设有所述履带轮组件，所述履带轮组件位于所述第一连接底盘的外侧，所述爬行机构还设有用以驱使所述轮组件转动进而带动所述吸附履带转动的驱动组件。

进一步的，所述爬行机构还设有串接在所述第一连接底盘后方的第二连接底盘，所述第二连接底盘的前端部与所述第二主轴转动连接，所述第二连接底盘的后端部设有与其转动相连的第三主轴，所述第三主轴的两端部分别设有所述履带轮组件。

进一步的，所述第一主轴和所述第二主轴分别与所述第一连接底盘转动相连，所述吸附履带沿其圆周方向依次间隔的设有多根磁铁。

进一步的，所述爬行机构位于其最前端的两所述履带轮组件以及位于其最后端的两所述履带轮组件其各自分别连接有所述驱动组件，所述驱动组件包括第一驱动电机。

进一步的，当所述爬行机构的爬行工况中最大俯角为时，所述第一连接底盘的高度h满足以下条件：

其中，

l为第一主轴和第二主轴之间的距离；

h为履带轮组的高度。

进一步的，当所述爬行机构的爬行工况中最大仰角为θ时，所述爬行机构及其装载的设备整体高度y满足以下条件：

y＜x×tan(180-θ)

其中，

x为所装载的设备距离吸附履带最远端部的距离。

进一步的，所述爬行机构至少还包括设于所述第一连接底盘正上方的角度调节辅助装置，当所述爬行机构包括所述第二连接底盘时，所述第二连接底盘的正上方也设有所述角度调节辅助装置，所述角度调节辅助装置包括用以对所述第一连接底盘/所述第二连接底盘底部的所述履带轮组件分别施力从而调整所述履带轮组件与所述第一连接底盘/所述第二连接底盘底部之间夹角的调节组件。

进一步的，所述角度调节辅助装置包括固定绕线盘、绕设于所述固定绕线盘上的四根柔性钢绳以及驱使所述固定绕线盘转动的第二驱动电机，所述柔性钢绳的自由端端部设有用以与所述履带轮组件中的内侧板相连的连接部。

本发明还提供一种具有上述吸附式履带爬行机构的爬壁机器人，包括安装在所述第一连接底盘和/或所述第二连接底盘上的成像模块、照明模块、电源模块和通讯控制模块，所述成像模块、所述照明模块和所述通讯控制模块与所述电源模块分别电连接，且所述成像模块和所述照明模块与所述通讯模块分别电连接。

进一步的，所述成像模块包括前置摄像头和后置摄像头，所述照明模块位于所述爬行机构的最前端，所述爬壁机器人还包括设于所述第一连接底盘正下方的测厚模块以及朝向所述爬行机构正前方的超声测距模块，所述测厚模块包括超声波路障探测仪，所述测厚模块包括涂层测厚仪。

采用以上技术方案后，本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明设计的双段/三段式吸附履带轮组件结构可以形成自由夹角组合，从而显著提高履带轮组件的越障高度；履带轮组件能够满足俯仰角超过90度的有效吸附贴合，解决了金属平面、斜面、立面的连续爬行问题，可实现管道机器人全网连续爬行，也可应用于野外工程作业机器人、探险机器人、军事机器人、服务机器人等，其应用前景广阔，具有良好的社会效益和经济效益。通过在爬行机构上集成功能模块，可以现针对不同应用场景所需功能调整工装组合，扩大爬壁机器人的适用范围；且模块化工装设计降低了机器人整体损坏风险和维护成本。

附图说明

附图1为本发明的双段式爬行机构一种状态(呈放松状态时)的轴测图；

附图2为附图1的俯视图；

附图3为附图1的侧视图；

附图4为本发明的双段式爬行机构另一种状态(呈弓形收合预紧时)的轴测图；

附图5为附图4的俯视图；

附图6为附图4的侧视图；

附图7为本发明的三段式爬行机构一种状态(呈放松状态时)的轴测图；

附图8为本发明的双段式爬行机构的侧视图；

附图9为本发明的双段式爬行机构的前视图；

附图10为本发明的双段式爬行机构与立面配合的结构示意图；

附图11为本发明的双段式爬行机构中的第一连接底盘与壁面转角接触的结构示意图；

附图12为本发明的双段式爬行机构所装载设备的最高点与壁面接触的结构示意图；

附图13为本发明的三段式爬行机构爬壁的结构示意图；

附图14为本发明的本发明的双段式爬行机构爬壁时第一种状态的结构示意图；

附图15为附图14的侧视图；

附图16为本发明的本发明的双段式爬行机构爬壁时第二种状态的结构示意图；

附图17为附图16的侧视图；

附图18为本发明的本发明的双段式爬行机构爬壁时第三种状态的结构示意图；

附图19为附图18的侧视图；

附图20为本发明的本发明的双段式爬行机构爬壁时第四种状态的结构示意图；

附图21为附图20的侧视图。

其中，1、第一连接底盘；101、第一底板；102、第一连接板；2、履带轮组件；201、吸附履带；2011、磁铁；3、第一主轴；4、第二主轴；5、第一驱动电机；6、固定绕线盘；7、柔性钢绳；8、第二连接底盘；801、第二底板；802、第二连接板；9、第三主轴。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图21所示，一种吸附式履带爬行机构，至少包括第一连接底盘1以及设于第一连接底盘1底部的履带轮组件2，履带轮组件2至少包括轮组件和配合的设于轮组件上的吸附履带201，吸附履带201沿其圆周方向依次间隔的设有多根磁铁2011。

作为其中的一种实施方式，爬行机构为双段式，双段式的爬行机构包括第一连接底盘1以及设于第一连接底盘1底部的履带轮组件2，履带轮组件2有四个，四个履带轮组件2分设于第一连接底盘1底部的四角。第一连接底盘1的前侧设有沿其宽度方向延伸的第一主轴3，第一连接底盘1的后侧设有与第一主轴3相平行的第二主轴4，第一主轴3和第二主轴4分别与第一连接底盘1转动相连。

具体的，第一连接底盘1包括第一底板101以及分设于第一底板101四角的第一连接板102，第一连接板102与第一底板101相垂直。第一主轴3和第二主轴4分别与第一连接板102相连。

第一主轴3和第二主轴4的两端部分别设有履带轮组件2，履带轮组件2位于第一连接底盘1的外侧。四个履带轮组件2中的轮组件分别连接有驱动组件，驱动组件带动轮组件转动进而带动吸附履带201转动，驱动组件包括第一驱动电机5。位于第一段(即前段)的履带轮组件2的驱动组件和第二段(即后段)的履带轮组件2的驱动组件根据壁面夹角关系提供配合速度。

双段式爬行机构中第一段的吸附履带201和第二段的吸附履带201根据爬行壁面俯仰角自由形成夹角，履带轮组件2在不同角度的壁面上始终维持一段或两段吸附履带201与壁面完全贴合。吸附履带201采用强力永磁铁2011链条结构，单段吸附履带201的吸附强度大于爬行机构及其所装载设备的整体结构载荷。

第一连接底盘1的正上方安装有角度调节辅助装置，角度调节辅助装置包括固定绕线盘6、绕设于固定绕线盘6上的四根柔性钢绳7以及驱使绕线盘转动的第二驱动电机，四根柔性钢绳7的绕线方向一致。柔性钢绳7的自由端端部设有用以与履带轮组件2中的内侧板相连的连接部，连接部通过螺栓与内侧板固定，固定绕线盘6位于第一连接底盘1的正上方。

四个连接部中的其中两个分别与第一段两履带轮组件2的后部相连，另外两个连接部与第二段两履带轮组件2的前部相连。通过第二驱动电机控制固定绕线盘6正向或反向旋转，可以同时收紧或放松柔性钢绳7的长度，拉紧或放松与柔性钢绳7相连的连接部及吸附履带201，进而调节吸附履带201与第一连接底盘1的距离，达到第一连接底盘1与吸附履带201之间夹角的控制效果，确保始终维持朝向爬行壁面的弓形收合预紧力。从而显著改善现有履带轮组件2的越障能力，适用最大俯仰角(或坡度)大于90度的爬行工况，实现平面与立面的连续吸附爬行功能。

作为其中的另一种实施方式，爬行机构为三段式，三段式的爬行机构与双段式的爬行机构相比，在第一连接底盘1后方还串接有第二连接底盘8，第二连接底盘8的前端部与第二主轴4转动连接，第二连接底盘8的后端部设有与其转动相连的第三主轴9，第三主轴9的两端部分别设有履带轮组件2。

具体的，第二连接底盘8包括第二底板801以及分设于第二底板801四角的第二连接板802，第二连接板802与第二底板801相垂直。第二主轴4和第三主轴9分别与第二连接板802相连。

三段式的爬行机构共有六个履带轮组件2，位于第一段(即最前段)和第三段(即最后段)的履带轮组件2分别连接有驱动组件，位于第二段(即中段)的履带轮组件2不设置驱动组件。第一段和第三段的四个履带轮组件2通过设置独立驱动保持整体爬行机构的驱动，并且根据壁面夹角关系提供配合速度。

三段式爬行机构的第一段履带轮组件2和第三段履带轮组件2根据爬行壁面俯仰角自由形成夹角，第一连接底盘1和第二连接底盘8根据履带轮组件2的位置自由形成夹角，履带轮组件2在不同角度的壁面上始终维持两段或三段吸附履带201与壁面完全贴合。

吸附履带201采用强力永磁铁2011链条结构，其中至少两段吸附履带201的吸附强度大于爬行机构及其所装载设备的整体结构载荷。

第二连接底盘8的正上方也安装有角度调节辅助装置，该角度调节辅助装置其中两个连接部与第二段中两履带轮组件2的后部相连，另外的两个连接部和第三段中两履带轮组件2的前部相连。通过控制该角度调节辅助装置中固定绕线盘6正向或反向旋转，可以调整吸附履带201与第二连接底盘8的夹角。

上述两实施方式中，柔性钢绳7具有三个接触受力点，构成竖直与水平方面的两根直线段，水平段从固定绕线盘6至柔性钢绳7直角转向处，转向处是固定在第一连接底盘1和/或第二连接底盘8上的固定轴转轮或轴承(常规部件，未在图中标注，起到柔性钢绳7转向作用)；竖直段从转向处到安装在履带轮组件2内侧板的连接部，固定绕线盘6通过收放柔性钢绳7，使得竖直段的长度发生变化。

优选的，第一连接底盘1和第二连接底盘8沿长度方向的中心线在同一直线上。第一段、第二段和第三段履带轮组件2相对于第一连接底盘1/第二连接底盘8的中心线对称。

参见附图8至附图10所示，令吸附履带201长度为a，宽度为b，高度为h，单段对称的两条吸附履带201外侧距离为i(即爬行机构总宽度)；第一主轴3、第二主轴4和第三主轴9的长度为t；第一连接底盘1与第一连接主轴的连接部位与吸附履带201内侧板之间的距离为j；相邻两段吸附履带201之间的间隔为k；第一主轴3和第二主轴4之间的距离以及第二主轴4与第三主轴9之间的距离为l；第一连接底盘1宽度为b1，第二连接底盘8宽度为b2；第一连接底盘1/第二连接底盘8最小设计高度为h；第一连接板102和第二连接板802的宽度为e；设计极端爬行工况最大俯角极端最大仰角θ；设爬行机构及其装载的设备整体高度为y，距离吸附履带201最远端部距离为x。

上述参数具有以下关系：

l＝a+k

b1＝i-2×b-2×j

b2＝b1-2×e

当第一连接底盘1/第二连接底盘8的设计高度低于h时，前后两段吸附履带201在形成夹角之前，第一连接底盘1/第二连接底盘8与壁面转角接触，即适用的俯角偏小，参见附图11所示。

当实际壁面的仰角大于θ时，机器结构的最高点与壁面接触，参见附图12所示。

根据设计载荷所需总吸力，确定吸附履带201上磁铁2011的体积、距离及与壁面接触面积。其中关于磁铁2011吸力的计算参照现有机械设计计算方法，如估算法(引用)：吸力＝磁铁2011体积×密度×600(倍数)，但最终设计应当以实验数据为准。以8kg双段式吸附履带201轮组设计载荷为例，设计参数为a＝160mm，b＝50mm，h＝60mm，单链条吸附履带201安装磁铁2011数量为22个，k＝2mm，i＝200mm，t＝100mm，j＝5mm，e＝10mm，最大俯角为90度，即则l＝162mm，b1＝90mm，b2＝70mm，h＝46mm。

双段式爬行机构与三段式爬行机构爬壁过程中的状态结构示意图参见附图13至附图21。

在上述爬行机构上集成相应的功能模块可以制成具有相应功能的爬壁机器人，该爬壁机器人包括安装在第一连接底盘1和/或第二连接底盘8上的成像模块、照明模块、电源模块和通讯控制模块，成像模块、照明模块和通讯控制模块与电源模块分别电连接，且成像模块和照明模块与通讯模块分别电连接。

具体的，成像模块包括前置摄像头和后置摄像头，照明模块位于爬行机构的最前端，爬壁机器人还包括设于第一连接底盘1正下方的测厚模块以及朝向爬行机构正前方的超声测距模块，测厚模块包括超声波路障探测仪，测厚模块包括涂层测厚仪。上述爬壁机器人可实现管道全网连续爬行，并在爬行过程中检测并拍摄管道缺陷。

本发明的爬行机构能显著提高履带轮组件2的越障高度，履带轮组件2能够满足俯仰角超过90度的有效吸附贴合，从而能够在金属平面、斜面、立面连续爬行，实现管道机器人全网连续爬行。通过在爬行机构上集成功能模块，可以现针对不同应用场景所需功能调整工装组合，扩大爬壁机器人的适用范围；且模块化工装设计降低了机器人整体损坏风险和维护成本，整车与工装部件无需关联性维修或改动，维修风险和难度小。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。