一种驱动一体化磁吸附轮式装置的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及磁吸附爬壁机器人吸附及驱动装置，具体为一种用于产生吸附力及驱动力的一体化磁吸附轮式装置。

背景技术：

爬壁机器人作为一种能够用于极限作业的特种机器人，可以携带一定工具替代人类在高空垂直壁面进行作业。目前爬壁机器人主要有磁吸附、高压静电吸附及抽真空负压吸附等结构形式，其中磁吸附爬壁机器人在一些特定环境中表现出了非常突出的优点，不仅具有工作稳定、吸附能力强，还体现出较强的壁面形状适应能力。磁吸附装置的设计与爬壁机器人的整体重量、外形尺寸、运动灵活性和工作可靠性息息相关，是磁吸附爬壁机器人的关键技术。

现有磁吸附爬壁机器人多采用轮式吸附(将磁铁放置于车轮内部)，以提高机器人移动的速度及运动的灵活性。但是，现有轮式磁吸附机器人普遍存在吸附装置与驱动装置分离的问题，导致爬壁机器人结构复杂，体积偏大，重量较重，降低了运动灵活性。同时，针对磁吸附装置的设计优化，目前主要关注如何大幅提高吸附力，较少考虑结构的模块化设计。因此，磁吸附轮式装置的低集成度、非模块化，导致磁吸附装置通用性差，降低了爬壁机器人工作效率，限制了爬壁机器人的工作场合，尤其在涉及不同工作面、不同工况的连续作业。如专利文献“吸附式爬壁机器人(cn104443096a)”涉及的吸附式爬壁机器人采用吸附装置与驱动装置分离方式，利用直连于车轮的电机驱动，通过布置于车体腹部的强磁块实现吸附，整体结构紧凑性欠佳，不利于快速拆装，且不具备防水功能。又如专利文献“磁吸附爬壁机器人的磁吸附与驱动一体化模块(cn106364583a)”涉及的磁吸附爬壁机器人吸附装置虽将吸附装置与驱动装置集成于车轮模块，便于拆装，但其内部结构过于复杂，布局缺乏合理性，在导致装配不便的同时致使外形呈椭圆状，占用大量安装空间，进而导致机器人整体结构尺寸较大，同时该装置传动链末端采用同步带传动，具有一定柔性的同步带长时间在高负载下工作，降低传动精度，需要进行张紧，此外不具有防水功能。

综上所述，现有磁吸附轮式装置虽然能提供爬壁机器人的吸附力，但普遍存在以下两点不足：第一，吸附装置与驱动装置分离，集成度低，通用性差，非模块化，不能实现快速拆装，并导致了爬壁器人结构复杂，体积偏大，功能单一，工作效率低。第二，对于现有一体化磁吸附轮式装置，其内部结构复杂，外形尺寸较大，占用安装空间，可靠性低。因此，亟需研发一种集成度高，通用性强，可靠性高，结构紧凑，易于装配，可快速拆装，具有防水功能的一体化磁吸附轮式装置。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种驱动一体化磁吸附轮式装置。该磁吸附轮式装置实现了吸附装置与驱动装置的一体化，集成度高，通用性强，可靠性高，结构紧凑，易于装配，可快速拆装，并利用静密封及动密封对该模块进行防水处理。该模块作为磁吸附爬壁机器人的一个组合模块，不仅能够提供爬壁机器人吸附力，又能够提供驱动力，简化了爬壁机器人的本体结构，缩小整体尺寸，提高爬壁机器人的灵活性。同时利用安装轴能够实现与不同爬壁机器人本体的快速组合，适应多种工况要求，使机器人更加产品化、工程化。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种驱动一体化磁吸附轮式装置，其特征在于该装置包括传动轴、谐波减速器、轮体包胶外壳、电机、传动支架、带轮轴、磁铁、一号磁铁支架、二号磁铁支架和轮体端盖，所述轮体包胶外壳一端封闭，一端开口，开口端与轮体端盖连接固定，轮体包胶外壳封闭端内侧端面设悬臂支撑梁，所述支撑梁包括轮体包胶外壳一号轴段和轮体包胶外壳二号轴段，轮体包胶外壳一号轴段和轮体包胶外壳二号轴段的过渡处设轴肩，轮体包胶外壳一号轴段和轮体包胶外壳二号轴段的轴肩处固定安装一号铜套，支撑梁的轮体包胶外壳二号轴段的外端设定位止口及法兰，该定位止口及法兰与谐波减速器的输出端连接；所述轮体包胶外壳开口端为阶梯状，由一号圆柱面与二号圆柱面构成，一号圆柱面与二号圆柱面所形成的台阶用于二号铜套的轴向定位，二号圆柱面与二号铜套外圈配合滑动；

轮体包胶外壳与轮体端盖配合构成封闭空间，所述传动轴安装在轮体包胶外壳的中心轴线上，传动轴一端伸出轮体包胶外壳及轮体端盖与车体连接，另一端通过法兰盘与谐波减速器的刚轮连接；在谐波减速器的两侧的轮体包胶外壳的空间内分别布置电机和磁铁，磁铁一侧通过二号磁铁支架与一号铜套固定，磁铁的另一侧通过一号磁铁支架与传动轴固定；所述电机一端通过传动支架与传动轴固定；在传动轴与电机之间的传动支架上固定带轮轴，电机的输出轴、带轮轴及传动轴三者相互平行，并通过同步带形式传动动力；所述轮体包胶外壳与二号铜套之间、二号铜套与轮体端盖之间、轮体端盖与传动轴之间均安装有密封圈；

所述谐波减速器为中空型，波发生器输入端为法兰式输入，谐波减速器的刚轮与传动轴的法兰盘连接，为固定端；所述谐波减速器的柔轮与轮体包胶外壳上的定位止口及法兰连接，为输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明实现了磁吸附轮式装置的模块化，为磁吸附爬壁机器人的一个组合模块。通过传动轴能够实现与爬壁机器人本体的快速组合，安装方便，可反复拆卸，便于运输。

2)本发明将吸附单元与驱动单元一体化，均设于轮体包胶外壳内。在提供爬壁机器人吸附力的同时，又能够提供驱动力，集成度高，通用性强，针对不同工况需求，可搭载不同机器人车体及机械臂，实现作业需求。并且有效简化了爬壁机器人的本体结构，缩小整体尺寸，提高爬壁机器人的灵活性。

3)本发明驱动一体化磁吸附轮式装置结构紧凑，布局合理，可靠性高。在驱动一体化磁吸附轮式装置中，从电机输出端到谐波减速器输入端，采用同步带进行之字型布局，实现二级减速，使传动结构更加紧凑；从装置一端看去，吸附单元与驱动单元呈1字型竖直分布，电机位于装置最上部，磁铁位于装置最下部，使电机与磁铁距离最大化，减少磁场影响，保证长时间使用中电机的性能，提高装置工作可靠性；电机驱动器通过电机驱动器支架放置于驱动单元的一侧，充分使用了轮体包胶外壳内的空间，使轮体包胶外壳的直径稍大于磁铁外径，在相同吸力的情况下，最大程度的减少整体尺寸。这种布局方式巧妙的利用了轮体包胶外壳内的有效空间，加强了吸附装置工作的可靠性，减小了外形尺寸，使整体结构更加紧凑。

4)本发明装置内部采用单轴串联方式连接，在保证谐波减速器、轮体包胶外壳、磁体支架、轮体端盖等重要零部件同轴度的同时，结构简单方便，易于装配。装置内部主要零部件均采用串联方式进行排布，以传动轴为中心，贯穿谐波减速器、磁铁支架、传动支架及轮体端盖，巧妙的利用了传动轴保证了重要零部件的同轴度，实现了重要结构的轴向定位和周向传动，最后采用锁紧螺母固定，使磁吸附轮式装置模块的装配更加合理、便捷。在轮体端盖和轮体包胶外壳之间，磁铁支架与轮体包胶外壳内部支撑梁之间均设铜套，保证转动的润滑性，避免重要零部件磨损。

5)本发明装置具有防水防尘性能。通过在轮体包胶外壳与铜套之间，铜套与轮体端盖之间，轮体端盖与传动轴之间设o型密封圈，利用静密封及动密封对该模块进行密封处理，配合使用防水快插接头，实现防水功能，提高轮式装置的可靠性，以便适应水溅或液体浸没等恶劣环境。

附图说明

图1为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的立体结构示意图；

图2为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置的主视结构示意图；

图3为图2中a-a面的剖视结构示意图；

图4为图2中b-b面的剖视结构示意图；

图5为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置的右视剖视结构示意图；

图6为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的传动轴1的主视图；

图7为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的传动支架5的结构图；

图8为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的带轮轴9的主视图；

图9为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的轮体包胶外壳3的立体结构示意图；

图10为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的一号磁铁支架17的立体结构示意图；

图11为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置一种实施例的二号磁铁支架18的立体结构示意图；

图12为本发明一种驱动一体化磁吸附轮式装置与车体组合连接的结构示意图；

图13为图12的俯视图；

图中：1传动轴，2谐波减速器，3轮体包胶外壳，4电机，5传动支架，6一号同步带轮，7一号同步带，8二号同步带轮，9带轮轴，10三号同步带轮，11二号同步带，12四号同步带轮，13深沟球轴承，14孔用挡圈，15键，16磁铁，17一号磁铁支架，18二号磁铁支架，19一号铜套，20轮体端盖，21二号铜套，22一号o型密封圈，23二号o型密封圈，24三号o型密封圈，25环形橡胶，26防水快插接头，27电机驱动器支架，28电机驱动器，29锁紧螺母，101传动轴法兰盘，102传动轴一号圆柱段，103传动轴二号圆柱段，104传动轴方轴段，105传动轴三号圆柱段，106传动轴螺纹段，107传动轴四号圆柱段，108传动轴带螺纹孔方轴段，301轮体包胶外壳一号轴段，302轮体包胶外壳二号轴段，303一号圆柱面，304二号圆柱面，501传动支架通孔，502传动支架凸台，503传动支架短凸台，504传动支架长凸台，901带轮轴一号轴段，902带轮轴二号轴段，903带轮轴三号轴段，904带轮轴四号轴段，905带轮轴五号轴段，906带轮轴六号轴段。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明驱动一体化磁吸附轮式装置(简称装置，参见图1-6)包括传动轴1、谐波减速器2、轮体包胶外壳3、电机4、传动支架5、带轮轴9、磁铁16、一号磁铁支架17、二号磁铁支架18和轮体端盖20，所述轮体包胶外壳3(参见图9)为无盖圆柱型腔体，一端封闭，一端开口，封闭端内侧面设悬臂中空圆柱支撑梁，所述支撑梁包括轮体包胶外壳一号轴段301和轮体包胶外壳二号轴段302，轮体包胶外壳一号轴段301和轮体包胶外壳二号轴段302的过渡处设轴肩，轮体包胶外壳一号轴段301和轮体包胶外壳二号轴段302的轴肩处固定安装一号铜套19，支撑梁的轮体包胶外壳二号轴段302的外端设定位止口及法兰，该定位止口及法兰与谐波减速器2的输出端连接，谐波减速器2驱动轮体包胶外壳3转动；所述轮体包胶外壳3开口端为阶梯状，由一号圆柱面303与二号圆柱面304构成，一号圆柱面303与二号圆柱面304所形成的台阶用于二号铜套21的轴向定位，二号圆柱面304与二号铜套21外圈配合滑动，在轮体包胶外壳3转动时，起到润滑作用，减少轮体包胶外壳3的磨损；

轮体包胶外壳3与轮体端盖20配合构成封闭空间，所述传动轴1安装在轮体包胶外壳3的中心轴线上，传动轴一端伸出轮体包胶外壳3及轮体端盖与车体连接，另一端与谐波减速器2连接；在谐波减速器2的两侧的轮体包胶外壳3的空间内分别布置电机4和磁铁16，磁铁16一侧通过二号磁铁支架18与一号铜套19固定，磁铁的另一侧通过一号磁铁支架17与传动轴1固定；所述电机4一端通过传动支架5与传动轴1固定；在传动轴与电机4之间的传动支架5上固定带轮轴9，电机4的输出轴、带轮轴9及传动轴1三者相互平行，并通过同步带形式传动动力；所述轮体包胶外壳3与二号铜套21之间、二号铜套21与轮体端盖20之间、轮体端盖20与传动轴1之间均安装有密封圈；

所述传动轴1(参见图6)为法兰盘阶梯轴，一端设有法兰盘101，另一端为带螺纹孔方轴段108，通过带螺纹孔方轴段108与车体快速连接固定，通过法兰盘101与谐波减速器2的刚轮连接；在法兰盘110与带螺纹孔方轴段108之间依次设有一号圆柱段102、二号圆柱段103、方轴段104、三号圆柱段105、螺纹段106和四号圆柱段107，所述一号圆柱段102与谐波减速器2的中心孔配合，保证谐波减速器2和传动轴1的同心，所述二号圆柱段103与方轴段104过渡处设轴肩，与方轴段104配合实现一号磁铁支架17的轴向及周向的定位；所述三号圆柱段105上设键槽，用于传动支架5和轮体端盖20的周向定位，三号圆柱段105位于轮体端盖20的内侧，螺纹段106伸出轮体端盖；所述螺纹段106用于旋合锁紧螺母29，所述锁紧螺母29一端压紧轮体端盖20外侧，实现轴系结构最终的轴向定位和锁紧。所述传动轴1上三号圆柱段105应位于轮体端盖20外侧内，保证锁紧螺母29有效作用于轮体端盖20上；

所述传动支架5(参见图7)上部设有与电机4止口相配合的通孔501，用于实现电机4和传动支架5的连接，传动支架中部设有带有阶梯孔的传动支架凸台502，在传动支架下部一面设有带有键槽孔的传动支架短凸台503，另一面设带有键槽孔的传动支架长凸台504；所述传动支架短凸台503的端面与一号磁铁支架17接触，所述传动支架长凸台504的端面与轮体端盖20内侧接触，传动支架5通过传动支架短凸台503和传动支架长凸台504所在的安装孔与传动轴上三号圆柱段105的键槽相配合，实现传动支架5的轴向和周向定位；所述传动支架凸台502通过深沟球轴承13、孔用挡圈14实现与带轮轴9的固定；所述传动支架上部通孔501、传动支架凸台502及传动支架短凸台呈三角形布置；

所述带轮轴9(参见图8)为中间粗两端细的阶梯轴，依次包括带轮轴六号轴段906、带轮轴一号轴段901、带轮轴二号轴段902、带轮轴三号轴段903、带轮轴四号轴段904和带轮轴五号轴段905，各轴段过渡处均设有轴肩，带轮轴一号轴段901穿过深沟球轴承13，与深沟球轴承13的内孔配合，带轮轴一号轴段901与带轮轴二号轴段902的轴肩处作用于深沟球轴承13内圈上，带轮轴三号轴段903与传动支架5中部的传动支架凸台502内的孔用挡圈14固定，实现带轮轴9在传动支架5上的固定；带轮轴四号轴段904与带轮轴五号轴段905的轴肩处用于三号同步带轮10的轴向定位，带轮轴五号轴段905上设键槽和螺纹孔，通过键15连接及垫片螺钉固定安装三号同步带轮10，实现三号同步带轮的周向传动及轴向固定；所述带轮轴五号轴段905长度应小于三号同步带轮10内孔长度，保证轴端垫片可以压紧三号同步带轮10；带轮轴一号轴段901与带轮轴六号轴段906处的轴肩用于二号同步带轮8的轴向定位，带轮轴六号轴段906设键槽及螺纹孔，通过键连接及垫片螺钉固定安装二号同步带轮8，实现二号同步带轮的周向传动及轴向固定；所述带轮轴六号轴段906长度应小于二号同步带轮8内孔长度，保证轴端垫片可以压紧二号同步带轮8；

所述电机4输出轴连接一号同步带轮6，所述一号同步带轮6上设有两个呈90°分布的顶丝孔，用于一号同步带轮6与电机输出轴的固定；所述一号同步带轮6通过一号同步带7与二号同步带轮8连接并传递动力；所述谐波减速器2的波发生器的输入端连接四号同步带轮，四号同步带轮12安装在二号圆柱段103上，且与谐波减速器2的同心；所述三号同步带轮10通过二号同步带11与四号同步带轮12连接，带动四号同步带轮12转动；所述四号同步带轮12的中心孔直径大于二号圆柱段103的直径，防止在四号同步带轮12转动时接触到传动轴1，所述四号同步带轮12与谐波减速器2的波发生器连接一端设与谐波减速器2的波发生器的中心孔同心的沉孔，通过该沉孔实现与谐波减速器2输入端止口的配合，保证四号同步带轮12与谐波减速器2的同心。

所述谐波减速器2为中空型，波发生器输入端为法兰式输入，所述谐波减速器2的刚轮与传动轴1的法兰盘101连接，为固定端；所述谐波减速器2的柔轮与轮体包胶外壳3上的定位止口及法兰连接，为输出端；

本发明装置中传动支架5的上部通孔与下部传动支架短凸台二者的中心在同一竖直线上。电机4与磁铁16相对于谐波减速器2中心轴线对称布置于轮体包胶外壳3内，二者与轮体包胶外壳3内壁留有一定间隙，该布置方式使电机4与磁铁16距离最大化，减少磁场对电机4影响，保证长时间使用中电机4的性能；所述传动支架5上安装电机驱动器支架27，电机驱动器28固定于电机驱动器支架27上，电机驱动器28放置于电机4的一侧，驱动电机4运动，充分使用了轮体包胶外壳3内的空间。

所述轮体端盖20中心设有带键槽孔的轮体端盖凸台，带键槽孔的轮体端盖凸台与三号圆柱段105上的键槽相配合，实现轮体端盖20的周向定位，轮体端盖凸台的内端面接触传动支架长凸台504的外端面，实现轮体端盖20的轴向定位。在轮体端盖20外侧安装防水快插接头26，用于装置内所需线路的连接。

本发明中一号磁铁支架17与二号磁铁支架18配合实现磁铁16的固定，所述一号磁铁支架17(参见图10)的下部布置有两个左右对称的磁铁支架通孔172，在两个磁铁支架通孔172之间的一号磁铁支架上布置有一号环型台阶171，一号环型台阶外径与磁铁16内径大小相同，用于磁铁16的周向定位；在一号磁铁支架17的上部开有方孔173，方孔与一号环型台阶171同心，保证磁铁与传动轴同轴线安装，通过方孔173将一号磁铁支架17悬挂于传动轴1上；所述二号磁铁支架18(参见图11)的下部布置有两个左右对称的螺纹通孔182，在两个螺纹通孔之间的二号磁铁支架18上布置有二号环型台阶181，二号环型台阶内径与磁铁16内径大小相同，用于磁铁16的周向定位；所述磁铁16的上部布置有两个左右对称的通孔，固定螺钉从一号磁铁支架17的磁铁支架通孔穿过，经磁铁16上的通孔，旋合于二号磁铁支架18的螺纹通孔，将三者固定安装在一起；在二号环型台阶181上方的二号磁铁支架18上设圆孔183，圆孔183与二号环型台阶181同心，保证磁铁与轮体包胶外壳3内的支撑梁同轴线安装，通过圆孔183将二号磁铁支架18悬挂于轮体包胶外壳3内支撑梁上；二号磁铁支架18与轮体包胶外壳3的支撑梁之间设一号铜套19，保证转动的润滑性，避免二号磁铁支18与轮体包胶外壳3的支撑梁接触面磨损。

本发明装置中所述磁铁16为永磁铁或电磁铁，磁铁16为四分之一圆环型，磁铁16的两个圆弧面为磁极，磁铁16外圆弧面与轮体包胶外壳3内圆弧面有间隙，内圆弧面与谐波减速器不干涉。

本发明装置中所述轮体包胶外壳3外包有环型橡胶25，所述环型橡胶25中间为内凹型，两侧为平面，增加橡胶与工作面接触面积，且防止车轮运动时挤压杂物的堆积。

所述二号铜套21外圈开有o型密封圈槽，所述轮体端盖20轴孔及外圈均开有o型密封圈槽。在轮体包胶外壳3与二号铜套21之间设一号o型密封圈22，能够实现一体化磁吸附轮式装置中轮体包胶外壳3与二号铜套21之间的动密封。在二号铜套21与轮体端盖20之间设二号o型密封圈23，实现一体化磁吸附轮式装置中二号铜套21与轮体端盖20接触面之间的静密封。在轮体端盖20与传动轴1之间设三号o型密封圈24，实现一体化磁吸附轮式装置中轮体端盖20与传动轴1接触面之间的静密封。本发明装置在一号o型密封圈22、二号o型密封圈23和三号o型密封圈24的密封下，配合防水快插接头26，实现装置的整体密封。

本发明驱动一体化磁吸附轮式装置的整个工作原理及过程为：为电机驱动器28供电并驱动控制电机4工作，通过同步带传动方式实现一级、二级减速，作用于谐波减速器2输入端，经谐波减速器2实现三级减速，并提供最终输出转矩，带动轮体包胶外壳3转动。所述谐波减速器2的刚轮连接传动轴1法兰盘一端，为固定端，柔轮连接轮体包胶外壳3内部的定位止口及法兰，为输出端。磁铁提供装置的吸附力。同时，在传动轴1及轮体端盖20、轮体端盖20及二号铜套21、二号铜套21及轮体包胶外壳3的配合面均设密封圈，再配合防水快插接头26，实现驱动一体化磁吸附轮式装置的防水功能。

本发明装置利用了谐波减速器的传动特性及结构形式，从电机4输出端到谐波减速器2输出端为三级减速，其中采用同步带进行之字型布局，实现一、二级减速，有效增大了减速比，提高输出转矩，即通过二号同步带11实现四号同步带轮12与三号同步带轮10的传动，三号同步带轮10通过带轮轴9与二号同步带轮8同轴连接，二号同步带轮8通过一号同步带7实现与一号同步带轮6的传动，一号同步带轮6安装在电机4输出轴，构成一、二级减速，从而实现转矩的传递，同时如此的结构设置使传动结构更加紧凑。电机通过两级同步带减速，提供转矩带动谐波减速器的波发生器转动，从而实现轮体包胶外壳的转动，且驱动单元(电机)及吸附单元(磁铁)均设在轮体包胶外壳内，实现驱动及吸附一体化。本发明装置中支撑梁为中空圆柱形，一号磁铁支架17和二号磁铁支架18也进行了镂空处理，使装置在保证工作要求的前提下，进一步实现轻量化。

本发明未述及之处适用于现有技术。