一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构。

背景技术

爬壁机器人在其底盘的驱动提供上增加永磁体或者电磁体以吸附到船舶或者金属表面，利用磁吸附力和摩擦力共同作用下克服机器人自身重力，使机器人可以在倾斜、甚至垂直的金属表面上做爬行运动。电磁体吸附的爬壁机器人由于控制相对复杂、同等吸附力的情况下电磁铁的重量也相对永磁体重，因此电磁体吸附形式的磁吸附爬壁机器人仅在非常特殊的情况下使用。永磁体吸附的磁吸附爬壁机器人是当前的应用主流和趋势。

针对当前海上油田平台圆管钢结构的防腐、清洗和结构检测等应用的爬壁机器人较少，其中的一个主要难点来自于这种爬壁机器人的吸附轮需要适应管道曲面造成的吸附力下降而带来的吸附力不足。而应用于管道焊接的磁吸附机器人主要是以平行轮式的驱动方式，其行走的方向主要是以绕管道的圆周方向运动，缺点是沿管道轴向行走效率特别低，甚至无法沿管道轴向行走，因此并不适用于海上油田平台圆管钢结构的防腐、清洗和结构检测等大面积作业需求的场合。

另外，海上油田平台的立管通常位于水下几十米甚至几百米的水下，因此机器人本体包括其上的磁性吸附轮需要能应用于水下几十甚至几百米的水深。

为此就需要一种效率高的、能够适应吸附圆管直径变化的、能满足陆上和水下几百米深的外圆管爬壁机器人使用要求的磁吸附轮。

现有爬壁机器人用的磁性吸附轮主要存在以下问题：

(1)无法应用和适应圆管直径变化。

(2)管道焊接的磁吸附机器人形式的磁吸附轮，只能沿管道的圆周方向运动，轴向运动速度慢、效率低。

(3)无法应用于水下几百米水深。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构，配置本磁性吸附轮的机器人能够适应所吸附的圆管直径变化，可以沿圆管轴向方向运动，而且能进行适度的转向，利用本磁性吸附轮上的压力补偿接口外接压力补偿器后，磁性吸附轮可以应用于水下几百米水深的环境。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构，包括磁性吸附轮单元、磁性吸附轮转向轴、压力补偿接口和水密接插件；所述磁性吸附轮单元固定在磁性吸附轮转向轴上，用于吸附在管壁上；所述磁性吸附轮转向轴用于调整整个装置的方向；所述压力补偿接口用于连接压力补偿装置；所述水密接插件用于水密连接。

优选地，所述磁性吸附轮单元包括左磁性吸附轮单元和右磁性吸附轮单元，所述左磁性吸附轮单元和右磁性吸附轮单元结构相同、成对使用，分别用螺栓固定在磁性吸附轮转向轴的左右两侧。

优选地，所述磁性吸附轮单元主要由转接端盖、深沟球轴承、电机输出轴、双列深沟球轴承、无框电机定子、无框电机转子、无框电机外壳、电机传感器电路板、一级减速器组件、二级减速器组件、中间驱动轮毂、右锥形导磁轮、锥形永磁体轮、左锥形导磁轮、压紧环、锥形耐磨环、若干o型圈、若干螺栓和若干螺钉组成；

所述无框电机外壳上有圆形的外圆，上面加工有o型圈槽，o型圈槽内安装有第五o型圈；无框电机外壳设有一个大圆孔和紧挨着的小圆孔，大圆孔上过盈配合安装无框电机定子，无框电机定子一端紧贴着小圆孔的端面，另一端面上紧贴安装电机传感器电路板；电机传感器电路板侧的无框电机外壳上紧贴着安装用第二螺钉紧固的转接端盖；无框电机外壳的另外一侧端面上加工有与小孔同轴的沉孔，该沉孔与二级减速器组件的输入端凸台配合，二级减速器组件输入侧端面与无框电机外壳端面紧贴并用螺栓固定；

所述转接端盖沿轴向加工有电机轴承孔，用于安装深沟球轴承，转接端盖有一个外圆周与无框电机外壳的大圆孔过度配合，圆周上加工有o型圈槽，槽上安装有第四o型圈；转接端盖另一侧端面上加工有o型圈槽，o型圈槽上安装有第三o型圈；

所述电机输出轴过盈安装有无框电机转子，无框电机转子的一侧端面紧贴着电机输出轴的轴肩；电机输出轴的两端分别穿过并和深沟球轴承和双列深沟球轴承配合，且紧固到电机输出轴的两端轴肩上；

所述一级减速器组件内孔安装到深沟球轴承侧的电机输出轴上，并和电机轴轴肩紧贴；另外一侧使用第三螺栓和垫片将一级减速器组件固定到电机输出轴上；

所述二级减速器组件输出轴侧有凸起的端面，该端面紧贴安装到中间驱动轮毂的台阶状内孔上，并用第二螺栓紧固；

所述中间驱动轮毂有一类似帽子状的外形，内部有两个台阶的大孔和小孔；大孔和无框电机外壳外圆间隙配合；小孔和二级减速器组件输出端的凸起过渡配合，并用第二螺栓固定；

所述右锥形导磁轮、锥形永磁体轮、左锥形导磁轮、压紧环两两端面互相紧贴安装到中间驱动轮毂的外圆上，右锥形导磁轮的右侧端面和中间驱动轮毂帽沿紧贴，用第一螺栓穿过压紧环上的孔将它们压紧并固定到中间驱动轮毂上；

所述锥形耐磨环的内锥孔套装到右锥形导磁轮、锥形永磁体轮、左锥形导磁轮上，它们之间的内外锥面互相配合，并利用第一螺钉穿过锥形耐磨环的右侧端面上螺栓孔将其紧固到右锥形导磁轮上；

所述右锥形导磁轮的内外表面圆周上分别加工有o型圈槽，槽上分别安装有第六o型圈和第七o型圈；所述左锥形导磁轮的内外表面圆周上分别加工有o型圈槽，槽上分别安装有第一o型圈和第二o型圈。

优选地，所述磁性吸附轮转向轴是一个倒t形中空的结构，用于设置左磁性吸附轮单元和右磁性吸附轮单元驱动系统的动力和控制线；倒t形的转向轴的底部两侧设有安装法兰，用于安装左磁性吸附轮单元和右磁性吸附轮单元。

优选地，所述倒t形的转向轴的中间立杆顶部设有用于安装水密接插件的螺纹孔，侧边设有用于安装压力补偿接口的螺纹。

优选地，所述转接端盖的一侧端面与磁性吸附轮转向轴的倒t行底部的一端配合。

优选地，所述磁性吸附轮单元是由一个锥度为α的永磁体轮及两侧锥度分别为α的导磁体轮组成的一个外形为α锥度的磁性吸附轮整体。

优选地，所述磁性吸附轮单元成对使用时，分别用螺栓固定到磁性吸附轮转向轴的两侧，两轮子轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附圆管直径不同进行相应设计，使β能适应吸附管子直径的变化。

优选地，所述无框电机外壳、转接端盖、右锥形导磁轮、左锥形导磁轮均采用导磁性材料加工而成，所述中间驱动轮毂和锥形耐磨环均采用非导磁性材料加工而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)配置本磁性吸附轮的机器人能够适应吸附圆管直径变化。

(2)配置本磁性吸附轮的机器人可以沿圆管轴向方向运动，而且能进行适度的转向。

(3)利用本磁性吸附轮上的压力补偿接口外接压力补偿器后，磁性吸附轮可以应用于水下几百米水深的环境。

(4)本磁性吸附轮结构紧凑、小巧，可在机器人上灵活配置。

(5)提高了外圆管爬壁机器人在圆管上的轴向爬行速度，提高了效率。

附图说明

图1是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构的整体结构示意图。

图2是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构的整体结构主视图剖面图。

图3是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构的整体结构左视图。

图4是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构的整体结构俯视图。

图5是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构中磁性吸附轮单元剖面图。

图6是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构吸附在r1＝600mm圆柱管壁上的示意图。

图7是本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构吸附在r1＝2000mm圆柱管壁上的示意图。

附图标记说明：1、锥形耐磨环；2、左锥形导磁轮；3、第一o型圈；4、压紧环；5、中间驱动轮毂；6、第一螺栓；7、第二螺栓；8、二级减速器组件；9、第三螺栓；10、垫片；11、一级减速器组件；12、第二o型圈；13、锥形永磁体轮；14、无框电机外壳；15、无框电机定子；16、无框电机转子；17、电机输出轴；18、第一螺钉；19、右锥形导磁轮；20、第二螺钉；21、转接端盖；22、电机传感器电路板；23、电机轴承孔；24、深沟球轴承；25、第三o型圈；26、第四o型圈；27、第五o型圈；28、第六o型圈；29、第七o型圈；30、双列深沟球轴承。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-图4所示，本发明公开了一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构，包括磁性吸附轮单元、磁性吸附轮转向轴ⅴ、压力补偿接口ⅳ和水密接插件ⅱ；所述磁性吸附轮单元固定在磁性吸附轮转向轴ⅴ上，用于吸附在管壁上；所述磁性吸附轮转向轴ⅴ用于调整整个装置的方向；所述压力补偿接口ⅳ用于连接压力补偿装置；所述水密接插件ⅱ用于水密连接。

具体地，所述磁性吸附轮单元包括左磁性吸附轮单元ⅰ和右磁性吸附轮单元ⅲ，所述左磁性吸附轮单元ⅰ和右磁性吸附轮单元ⅲ结构相同、成对使用，分别用螺栓固定在磁性吸附轮转向轴ⅴ的左右两侧。

具体地，如图5所示，所述磁性吸附轮单元主要由转接端盖21、深沟球轴承24、电机输出轴17、双列深沟球轴承30、无框电机定子15、无框电机转子16、无框电机外壳14、电机传感器电路板22、一级减速器组件11、二级减速器组件8、中间驱动轮毂5、右锥形导磁轮19、锥形永磁体轮13、左锥形导磁轮2、压紧环4、锥形耐磨环1、若干o型圈、若干螺栓和若干螺钉组成；

所述无框电机外壳14上有圆形的外圆，上面加工有o型圈槽，o型圈槽内安装有第五o型圈27；无框电机外壳14设有一个大圆孔和紧挨着的小圆孔，大圆孔上过盈配合安装无框电机定子15，无框电机定子15一端紧贴着小圆孔的端面，另一端面上紧贴安装电机传感器电路板22；电机传感器电路板22侧的无框电机外壳14上紧贴着安装用第二螺钉20紧固的转接端盖21；无框电机外壳14的另外一侧端面上加工有与小孔同轴的沉孔，该沉孔与二级减速器组件8的输入端凸台配合，二级减速器组件8输入侧端面与无框电机外壳14端面紧贴并用螺栓固定；

所述转接端盖21沿轴向加工有电机轴承孔23，用于安装深沟球轴承24，转接端盖21有一个外圆周与无框电机外壳14的大圆孔过度配合，圆周上加工有o型圈槽，槽上安装有第四o型圈26；转接端盖21另一侧端面上加工有o型圈槽，o型圈槽上安装有第三o型圈25；

所述电机输出轴17过盈安装有无框电机转子16，无框电机转子16的一侧端面紧贴着电机输出轴17的轴肩；电机输出轴17的两端分别穿过并和深沟球轴承24和双列深沟球轴承30配合，且紧固到电机输出轴17的两端轴肩上；

所述一级减速器组件11内孔安装到深沟球轴承24侧的电机输出轴17上，并和电机轴轴肩紧贴；另外一侧使用第三螺栓9和垫片10将一级减速器组件11固定到电机输出轴17上；

所述二级减速器组件8输出轴侧有凸起的端面，该端面紧贴安装到中间驱动轮毂5的台阶状内孔上，并用第二螺栓7紧固；

所述中间驱动轮毂5有一类似帽子状的外形，内部有两个台阶的大孔和小孔；大孔和无框电机外壳14外圆间隙配合；小孔和二级减速器组件8输出端的凸起过渡配合，并用第二螺栓7固定；

所述右锥形导磁轮19、锥形永磁体轮13、左锥形导磁轮2、压紧环4两两端面互相紧贴安装到中间驱动轮毂5的外圆上，右锥形导磁轮19的右侧端面和中间驱动轮毂5帽沿紧贴，用第一螺栓6穿过压紧环4上的孔将它们压紧并固定到中间驱动轮毂5上；

所述锥形耐磨环1的内锥孔套装到右锥形导磁轮19、锥形永磁体轮13、左锥形导磁轮2上，它们之间的内外锥面互相配合，并利用第一螺钉18穿过锥形耐磨环1的右侧端面上螺栓孔将其紧固到右锥形导磁轮19上；

所述右锥形导磁轮19的内外表面圆周上分别加工有o型圈槽，槽上分别安装有第六o型圈28和第七o型圈29；所述左锥形导磁轮2的内外表面圆周上分别加工有o型圈槽，槽上分别安装有第一o型圈3和第二o型圈12。

具体地，所述磁性吸附轮转向轴ⅴ是一个倒t形中空的结构，用于设置左磁性吸附轮单元ⅰ和右磁性吸附轮单元ⅲ驱动系统的动力和控制线；倒t形的转向轴的底部两侧设有安装法兰，用于安装左磁性吸附轮单元ⅰ和右磁性吸附轮单元ⅲ。

具体地，所述倒t形的转向轴的中间立杆顶部设有用于安装水密接插件ⅱ的螺纹孔，侧边设有用于安装压力补偿接口ⅳ的螺纹。

具体地，所述转接端盖21的一侧端面与磁性吸附轮转向轴ⅴ的倒t行底部的一端配合。

具体地，所述磁性吸附轮单元是由一个锥度为α的永磁体轮及两侧锥度分别为α的导磁体轮组成的一个外形为α锥度的磁性吸附轮整体。

具体地，所述磁性吸附轮单元成对使用时，分别用螺栓固定到磁性吸附轮转向轴ⅴ的两侧，两轮子轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附圆管直径不同进行相应设计，使β能适应吸附管子直径的变化。

具体地，所述无框电机外壳14、转接端盖21、右锥形导磁轮19、左锥形导磁轮2均采用导磁性材料加工而成，所述中间驱动轮毂5和锥形耐磨环1均采用非导磁性材料加工而成。

采用本发明所提供的一种外圆管爬壁机器人的磁性吸附轮结构分别吸附在r1＝600mm、r2＝2000mm圆柱管壁上的示意图分别如图6和图7所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。