本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种能在大型设备导磁表面进行移动的自适应接触的磁性履带攀爬机器人。
背景技术：
攀爬机器人能够替代人工进行攀爬作业，且能够为后继的作业提供固定作业平台，有效的解决了当前相关行业高空作业危险系数高，效率低下的问题。
攀爬机器人的结构原理与地面行走机构在功能和结构上都存在较大差异，其作业时需克服重力影响，需根据不同的作业面特点采取不同的运动模式。针对于目前我国风电、火电、油气管道、大型设备检测和检修的攀爬作业要求，攀爬装置需沿设备壁面水平或者垂直爬行，因此对于攀爬装置的吸附力及可靠性都有较高的要求。
在我国目前的大型船体、罐体、管道、塔筒等设备进行检修检测作业时，一般由人工作业进行攀爬和登高来进行设备表面和内部的检测和维修作业，其工作环境较为恶劣，难以保证维护作业工人的安全性，不仅效率较低，而且风险较大。而一般的大型设备其表面一般为导磁的铁板或者钢板，多为平面或者弧面，而针对设备的检修作业如焊接质量的检测、探伤检测、除锈、喷漆等，采用磁性或者真空吸附式攀爬小车的方式均可实现，但是目前真空吸附式攀爬小车难以克服设备表面的焊缝、铆接、螺栓等障碍物。
从现有的中国专利公开的资料显示，永磁履带第一次出现在1998年，cn98110551.3《船罐焊缝自动爬行x射线探伤机》，探伤主机靠铰式软连接活动机架上的永磁履带吸附式链条传动爬行机构；与攀爬和磁力有关的专利申请文件公开了50多种相关技术。
如长春理工大学cn201310528724.9《一种磁力攀爬车》，所述磁力吸盘上安装有磁体，用于通过磁力将磁力攀爬车吸附在要攀爬的塔的由钢铁材料制成的塔壁上。
浙江工业大学cn201610299159.7《一种适用于壁面吸附攀爬的自驱式永磁转轮》，包括轮毂、环形磁体和定子轴芯，环形磁块、定子轴芯同轴装在所述的轮毂内，定子轴芯贯穿所述的环形磁块的中心孔，定子轴芯的两端从轮毂的中心通孔中伸出形成安装端；轮毂包括实心橡胶轮胎、左轮毂和右轮毂，左轮毂与右轮毂相向固接形成容纳环形磁轮的中心腔体，实心橡胶轮胎套在轮毂外圈；定子轴芯包括定轴、线圈绕阻、左爪盘和右爪盘，左爪盘、右爪盘相互配合安装在所述的定轴上，并在定轴轴肩约束下形成环形爪盘空腔。本发明的有益效果是：实现磁轮在不加装外部驱动的情况下自行运转；提出一种多作用力的磁体，磁轮内磁体的环形结构，对内提供驱动力，对外提供吸附力，可以对壁面实现吸附攀爬。
南昌理工学院cn201610379710.9《吸附装置及应用该吸附装置的攀爬清洗机器人》套筒的内部自上而下依次设有第一电磁铁、磁片、滑动块及第二电磁铁，上述吸附装置吸附能力强，且吸附和脱离切换简单快捷，易于实用。
华南理工大学广州学院cn201620390050.x《一种履带式多功能攀爬机器人》，采用脚足式结构履带式，利用电磁吸盘吸附，从而实现机器人在墙上的行走。通过软管将地面的油漆或清洗液送至吸附在墙上的工作模块，从而实现粉刷或清洗功能，提高粉刷的速度和质量，解决了人工清洗劳动强度大、劳动效率低的问题。
从相关的公开技术中不难发现永磁履带及永磁履带机器人的应用正在不断扩大。磁性吸附小车多为磁履带式，要想产生较大的吸附力，则履带板上需安装较大的永磁体或者电磁铁，其自重较重且体积较大。因此，针对目前磁性吸附作业攀爬机器人的需求，设计了一种磁路强化的，能通过弹性元件自适应导磁体表面并可实现快速移动、转向等功能的磁性履带传动机器人，将是本发明的主要创造性劳动的体现形式，从而实现本发明目的。
技术实现要素：
针对目前国内对设备表面的维护和检测作业需求，设计了一种通过磁力线叠加放大，使得履带能以较强的磁力产生牢固的吸附力，能沿导磁作业面快速攀爬的自适应接触的磁性履带攀爬机器人。该装置具有结构稳定可靠，攀爬速度快，运行稳定，负载能力较强的特点。
本发明技术方案：
一种自适应接触的磁性履带攀爬机器人，包括主体支架及主体支架上安装的履带驱动电机、动力传动组件、磁性履带轮系、履带轮系安装组件、履带轮系预紧组件，履带驱动电机通过动力传动组件与磁性履带轮系动力传动连接，动力传动组件中包括差速动驱动机构和改变传动方向机构；磁性履带轮系通过履带轮系安装组件与主体支架连接，履带轮系安装组件中包括磁性履带轮系单独或联动的摆动机构；主体支架通过履带轮系预紧组件对磁性履带轮系进行预紧，履带轮系预紧组件中包括弹性机构。
进一步，所述动力传动组件包括t型差动齿轮箱、万向节联轴器和履带轮传动轴，t型差动齿轮箱的两边输出轴分别通过两边的万向轴联轴器连接至两边的履带轮传动轴，履带轮传动轴作为磁性履带轮系的动力输入传动轴，t型差动齿轮箱左右两侧输出轴的分别输出形成差速动驱动机构，万向节联轴器作为改变传动方向机构。
进一步，所述履带轮系安装组件包括履带轮系支架和履带轮系活动支架，履带轮系支架通过连杆与主体支架连接；履带轮系活动支架由履带轮系左支撑管和履带轮系右支撑管组成，履带轮系左支撑管和履带轮系右支撑管各有前后设置的两只脚支撑管，各脚支撑管内端与主体支架形成单独或联动的滑动及转动连接，脚支撑管外端与磁性履带轮系连接。
进一步，所述脚支撑管采用套管伸缩滑动结构。
进一步，所述各脚支撑管内端通过一根、两根或多根支撑管旋转轴与主体支架连接，主体支架上安装有前限位支架和限位板前滑动支架及限位板后滑动支架和后限位支架，前限位支架和限位板前滑动支架及限位板后滑动支架和后限位支架均设有立式滑动槽，各立式滑动槽组成一组、两组或多组旋转轴滑槽，各脚支撑管内端通过一根、两根或多根支撑管旋转轴与立式滑动槽上下滑动连接，同时，各脚支撑管内端通过一根、两根或多根支撑管旋转轴与立式滑动槽转动连接。
进一步，所述限位板前滑动支架和限位板后滑动支架之间滑动设有一块、两块或多块限位板，限位板通过导柱或导槽与限位板前滑动支架及限位板后滑动支架上下滑动连接，各脚支撑管内端通过支撑管旋转轴与立式滑动槽上下滑动时通过限位板限位连接。
进一步，采用同一根支撑管旋转轴时，支撑管旋转轴穿过限位板的轴孔与一组旋转轴滑槽滑动及转动连接；采用左右两根支撑管旋转轴时，左右两根支撑管旋转轴分别穿过左右两块限位板的轴孔与左右两组旋转轴滑槽滑动及转动连接；采用多根支撑管旋转轴时，各脚支撑管内端分别与一独立的支撑管旋转轴连接，各独立的支撑管旋转轴插入独立的限位板的轴孔中，独立的限位板形成限位滑动模块组合，限位滑动模块组合通过导柱或导槽与限位板前滑动支架及限位板后滑动支架上下滑动连接。
进一步，所述履带轮系预紧组件包括气弹簧安装支架和气弹簧，主体支架中设有气弹簧安装支架，气弹簧上端与气弹簧安装支架转动连接，气弹簧下端与磁性履带轮系上的履带轮系支架转动连接。
优选：主体支架中设有限位板前滑动支架及限位板后滑动支架，限位板前滑动支架及限位板后滑动支架的上端设有气弹簧安装支架。
进一步，所述磁性履带轮系包括履带轮、履带和履带轮轴承支架，履带由多块永磁履带板链接组成，履带轮通过履带轮轴承支架固定至履带轮系安装组件中的履带轮系支架中，磁性履带轮系中的履带轮与动力传动组件中的履带轮传动轴动力连接；磁性履带轮系一方面通过履带轮系安装组件中的履带轮系支架及履带轮系活动支架与主体支架安装连接；另一方面通过履带轮系安装组件中的履带轮系支架及连杆与主体支架安装连接；履带轮系支架通过履带轮系预紧组件中的气弹簧与主体支架预紧连接。
优选，履带轮系支架安装在履带轮轴承支架的外围；履带轮系活动支架与履带轮系支架及履带轮轴承支架形成安装连接。
优选，履带轮系支架的上端面设有连杆座与连杆转动连接；履带轮系支架的上端面还设有弹簧座与气弹簧转动连接。
优选，履带轮系支架分别与履带轮系活动支架、连杆和气弹簧连接形成磁性履带轮系的三个连动安装机构。
进一步，所述磁性履带轮系中设有磁性吸附机构，磁性吸附机构包括履带板永磁体和固定永磁体，相对于吸附作业面，固定永磁体的磁力线与履带板永磁体的磁力线相对于吸附作业面形成叠加，在固定永磁体和履带板永磁体之间，磁极同性相斥设置，履带板永磁体在进入或者离开固定永磁体时，会产生一对大小相等方向相反的在履带移动过度中作用的排斥力；固定永磁体的长度即为磁性履带轮系的永磁吸附表面的长度。
优选，履带板永磁体安装在永磁履带板中的永磁履带板磁轭中，固定永磁体安装在履带轮支架中的履带支架磁轭中。
优选，履带支架磁轭上安装有两排履带板压紧滚轮，相对于吸附作业面，固定永磁体在履带板永磁体的上方，履带板压紧滚轮朝向吸附作业面。
优选，履带板永磁体移动至固定永磁体下方时的横截面状态为履带板永磁体的南北极和固定永磁体的南北极一一相对。
本发明所述履带驱动电机通过电机安装支架连接至主体支架上并通过齿轮箱后用两个万向节联轴器分别连接至左右两侧的磁性履带轮系，为磁性履带轮系提供旋转动力，磁性履带轮系安装至履带轮系支架上，履带轮系支架通过固定座连杆以及履带轮系连杆所组成的四组二连杆机构连接至主体支架，同时履带轮系支架还通过气弹簧与气弹簧安装支架相连，气弹簧安装支架又连接至主体支架上，使得磁性履带轮系能够以万向轴联轴器的销为中心进行旋转从而使得左右磁性履带轮系能够通过气弹簧的弹性作用自适应具有一定弧度或者左右两侧高低不平的吸附表面。同时履带轮系支架还通过履带轮系活动支架连接至主体支架上，履带轮系支架可在履带轮系活动支架上滑动从而满足二连杆的运动要求，进一步提高履带轮系支架的连接刚性。
所述履带驱动电机输出轴通过万向轴联轴器连接至磁性履带轮系的履带轮从而驱动履带旋转产生爬行动力，t型差动齿轮箱能够通过电控来实现左右两侧输出轴的分别输出，从而实现左右两侧磁性履带轮系的差动驱动，从而实现磁性履带攀爬机器人的转向功能。
所述主体支架限位板可通过线性导向轴安装至前后滑动支架上并可进行直线滑动，限位板的两端分别通过旋转销轴与履带轮系活动支架相连，同时主体支架内还安装有前限位支架和后限位支架用于限制限位板的滑动距离，从而限制履带轮系活动支架的摆动角度，使主体支架不会与接触表面发生碰撞。
所述履带轮系活动支架可通过支撑管的结构在履带轮系支架内的套管内伸缩滑动，履带轮系活动支架连接至限位板后，通过限位板的支撑管旋转轴可进行左右两侧的独立旋转摆动，从而改变左右两侧磁性履带轮系相对于主体支架的角度，使得磁性履带轮系能够适应曲面以及左右两侧高低不平的吸附作业面。
所述磁性履带轮系的磁性吸附结构由多块永磁履带板以及履带支架磁轭组成，永磁履带板之间通过履带板铰链销进行连接，履带支架磁轭固定至履带轮系支架内并安装有一块固定永磁体，固定永磁体的长度即为磁性履带轮系的永磁吸附表面的长度。
所述固定永磁体的磁力线与履带板永磁体的磁力线通过履带支架磁轭以及可作为磁轭的永磁履带板进行磁力线的叠加将磁场放大后在永磁履带板下方循环，使得永磁履带板能够在固定永磁体下方能够以较强的磁力吸附至吸附作业面，从而能够减小履带板永磁体的体积和重量同时还能实现较大的永磁吸附力。
所述履带轮传动轴用于传递旋转动力从而驱动履带轮带动永磁履带板进行旋转运动。
本发明所采用的两组磁性履带轮系能够根据吸附作业面的形状通过连杆、气弹簧以及滑动机构进行自适应接触的调节，使其能够适应多种吸附表面，同时两组磁性履带轮系还能分别独立驱动实现转向，使得磁性履带攀爬机器人具有良好的表面接触适应能力以及转向能力，同时磁性履带轮系通过固定永磁体以及履带板永磁体的磁力线叠加放大，在减小了履带板重量和履带板永磁体体积的效果下能够实现较大的永磁吸附力，同时通过较大长度的永磁吸附面积，从而能够解决吸附力不足出现的履带打滑，磁性履带攀爬机器人越障能力不足，甚至吸附失效等问题。
附图说明
图1是根据本发明的自适应接触的磁性履带攀爬机器人的结构示意图；
图2是根据本发明的自适应接触的磁性履带攀爬机器人的内部结构示意图；
图3是根据本发明的自适应接触的磁性履带攀爬机器人的自适应功能示意图；
图4是根据本发明的自适应接触的磁性履带攀爬机器人的磁性履带结构示意图；
图5是根据本发明的自适应接触的磁性履带攀爬机器人的永磁吸附原理示意图；
图6是根据本发明的自适应接触的磁性履带攀爬机器人的履带轮系结构示意图。
附图标记说明：履带驱动电机1,电机安装支架2，主体支架3，万向节联轴器4，磁性履带轮系5，固定座连杆6，履带轮系连杆7，履带轮系支架8，气弹簧9，履带轮系活动支架10，气弹簧安装支架11，t型差动齿轮箱12，前限位支架13，限位板前滑动支架14，限位板15，限位板后滑动支架16，后限位支架17，履带轮系左支撑管18，支撑管旋转轴19，履带轮系右支撑管20，吸附作业面21，永磁履带板22，履带板铰链销23，履带支架磁轭24，固定永磁体25，履带板永磁体26，履带板压紧滚轮27，磁力线28，履带轮29，履带轮轴承支架30，履带轮传动轴31。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
如图1所示，一种自适应接触的磁性履带攀爬机器人，包括履带驱动电机1、电机安装支架2、主体支架3、万向节联轴器4、磁性履带轮系5、固定座连杆6、履带轮系连杆7、履带轮系支架8、气弹簧9、履带轮系活动支架10、气弹簧安装支架11组成。履带驱动电机1通过驱动磁性履带轮系5，从而使得磁性履带攀爬机器人能够在吸附作业面上进行移动。
具体来说，如图1所示，履带驱动电机1安装至电机安装支架2上，同时电机安装支架2又与主体支架3相连接，主体支架3内部有一t型差动齿轮箱12与驱动电机1相连并将驱动电机1的动力经过与其相连的两个万向节联轴器4进行输出，万向节联轴器4分别连接至左右两侧的磁性履带轮系5并驱动履带轮系5运动，磁性履带轮系5安装至履带轮系支架8上，两个履带轮系支架8分别又通过二组由固定座连杆6以及履带轮系连杆7所组成的二连杆机构连接至主体支架3，同时履带轮系支架8还通过气弹簧9与安装至主体支架3上的气弹簧安装支架11相连，使得履带轮系支架8能够通过二连杆机构以及气弹簧的弹力，可绕万向节联轴器4的销为中心进行旋转，使得左右磁性履带轮系5能够通过气弹簧9的弹性作用自适应具有一定弧度或者左右两侧高低不平的吸附表面。
如图1、图2、图3所示，履带轮系支架8还通过履带轮系活动支架10连接至主体支架3，履带轮系活动支架10由履带轮系左支撑管18和履带轮系右支撑管20组成，履带轮系活动支架10可通过支撑管的结构在履带轮系支架8内的套管内伸缩滑动，履带轮系活动支架10连接至限位板15的两端的支撑管旋转轴19并可绕其进行旋转，通过安装在主体支架3内的前限位支架13和后限位支架17对支撑管旋转轴19的限位，可限制履带轮系活动支架10的摆动角度，同时支撑管旋转轴19可带动限位板15在安装于主体支架3内的限位板前滑动支架14以及限位板后滑动支架16上进行上下运动，用于平衡履带轮系活动支架10的摆动，使主体支架3不会与接触表面发生碰撞，通过限位板15的支撑管旋转轴19，履带轮系支架10可进行左右两侧的独立旋转摆动并通过履带轮系支架8在履带轮系活动支架10上的滑动，可满足二连杆的运动要求，进一步提高履带轮系支架8的连接刚性，并可通过气弹簧9的弹力改变左右两侧磁性履带轮系5相对于主体支架3的角度，使得磁性履带轮系5能够适应曲面以及左右两侧高低不平的吸附作业面21。
如图2所示，履带驱动电机1输出轴连接至t型差动齿轮箱12，t型差动齿轮箱12安装在主体支架3内部，t型差动齿轮箱12的输出轴通过万向轴联轴器4连接至磁性履带轮系5的履带轮从而驱动履带旋转产生爬行动力，t型差动齿轮箱12能够通过电控来实现左右两侧输出轴的分别输出，从而实现左右两侧磁性履带轮系5的差速动驱动，从而实现磁性履带攀爬机器人的转向功能。
如图4示，磁性履带轮系5的磁性吸附结构由多块永磁履带板22以及履带支架磁轭24组成，永磁履带板22之间通过履带板铰链销23进行连接，履带支架磁轭24固定至履带轮系支架8内并安装有一块固定永磁体25。
如图5所示，永磁履带板22内安装履带板永磁体26，履带板永磁体26在履带轮系的驱动下经过固定永磁体25下方时，固定永磁体25的磁力线与履带板永磁体26的磁力线通过履带支架磁轭24以及可作为磁轭的永磁履带板22进行磁力线的叠加放大并在永磁履带板22外循环，在固定永磁体25和履带板永磁体26之间，磁极同性相斥设置，履带板永磁体26在进入或者离开固定永磁体25时，会产生一对大小相等方向相反的在履带移动过度中作用的排斥力。即履带板永磁体26在准备进入固定永磁体25下方的磁场时，固定永磁体25会对用履带板永磁体26产生沿履带行走方向逆向的排斥力，而履带板永磁体26在准备离开固定永磁体25下方的磁场时，固定永磁体25同样也会对履带板永磁体26产生沿履带行走方向正向的排斥力，这两个逆向和正向排斥力刚好大小相同方向相反并在履带上相互抵消，从而使得驱动力不会受到磁场排斥力的影响，也就不会影响履带驱动电机1的驱动；同时履带支架磁轭24上安装有两排履带板压紧滚轮27，使得永磁履带板22能够始终贴紧至吸附作业面21，使得永磁履带板22能够在固定永磁体25下方能够以较小的气隙以及较强的磁力吸附至吸附作业面21。
如图6所示，永磁履带板22通过履带板铰链销23连接成链式结构后连接至两个履带轮29，履带轮29通过履带轮轴承支架30固定至履带轮系支架8上，同时履带轮29上还安装有履带轮传动轴31用于传递旋转动力从而驱动履带轮29带动永磁履带板22进行旋转运动。
在其它实施例中，各脚支撑管内端通过两根或多根支撑管旋转轴19与主体支架3连接，主体支架3上安装有前限位支架13和限位板前滑动支架14及限位板后滑动支架16和后限位支架17，前限位支架13和限位板前滑动支架14及限位板后滑动支架16和后限位支架17均设有立式滑动槽，各立式滑动槽组成两组或多组旋转轴滑槽，各脚支撑管内端通过两根或多根支撑管旋转轴19与立式滑动槽上下滑动连接，同时，各脚支撑管内端通过两根或多根支撑管旋转轴19与立式滑动槽转动连接。
限位板前滑动支架14和限位板后滑动支架16之间滑动设有两块或多块限位板15，限位板15通过导柱或导槽与限位板前滑动支架14及限位板后滑动支架16上下滑动连接，各脚支撑管内端通过支撑管旋转轴19与立式滑动槽上下滑动时通过限位板15限位连接。
采用左右两根支撑管旋转轴19时，左右两根支撑管旋转轴19分别穿过左右两块限位板15的轴孔与左右两组旋转轴滑槽滑动及转动连接；采用多根支撑管旋转轴19时，各脚支撑管内端分别与一独立的支撑管旋转轴19连接，各独立的支撑管旋转轴插入独立的限位板的轴孔中，独立的限位板形成限位滑动模块组合，限位滑动模块组合通过导柱或导槽与限位板前滑动支架14及限位板后滑动支架16上下滑动连接。
本发明通过二组磁力强化和优化后的磁性履带轮系，并通过磁性履带轮系的连杆机构以及弹性变形能力来实现磁力吸附和自适应调整，同时具备了差动转向功能，是一种结构简单，重量较轻，使用和维护便捷同时成本较低的磁性履带攀爬机器人。
显然，以上技术在实施例1的引导下，可进行多种技术组合。因此，以上所述实施例仅表达了本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。