本发明属于爬壁机器人技术领域，具体涉及一种沿立式圆柱形外罐壁垂直爬行的双层轨道式爬壁机器人。
背景技术：
立式圆柱形金属储油罐是石化企业和油库储存油品的主要容器，依据有关技术资料和实地考察，大多数储油罐是用金属钢板焊接拼接而成，直径可达到10～38m，储油量在3000-10000m3之间，储油罐体积庞大。然而，由于加工过程和使用环境的影响，储油期间罐体的几何形状和尺寸会与设计要求之间产生差异，导致理论容积和实际容积不符，因此要求油库管理人员对储油罐的容积率进行精确的确定。
目前，全站仪法是一种新兴的径向偏差测量手段，利用全站仪对立式罐的外罐壁上的待测点进行测距，进而得到各点的径向偏差。使用全站仪法虽然可以实现自动测距和读数，排出人工读数的主观性，但是由于测距光斑小，容易受到罐壁上微小散坑凹凸对光线反射和散射影响，造成测量随机误差大，而且当罐体较高时，由于测距光入射角很大，导致测量误差变大，这是光学测距原理不能避免的。因此，采用全站仪法对罐体进行测量会由于测量原理所带来的无法回避的缺点，而导致测量精度的下降。
技术实现要素：
为了解决采用现有技术对立式罐体进行测量时，存在测量精度低的问题，本发明提出了一种可以沿立式圆柱形外罐壁垂直爬行的双层轨道式爬壁机器人。该机器人包括上层轨道、下层轨道、机器人和至少三组爬行单元；所述爬行单元与所述下层轨道连接并且沿圆周方向分布；其中，
所述上层轨道与所述下层轨道之间平行固定连接，并且所述上层轨道的内径尺寸和所述下层轨道的内径尺寸均大于罐体的外壁直径尺寸；
所述机器人，包括底座和机器臂；所述底座与所述上层轨道的上表面滑动连接，并且可以沿所述上层轨道进行圆周方向的往复移动；所述机器臂的一端与所述底座连接，另一端用于固定测量装置；
所述爬行单元为可调整式结构，包括爬行电机和可调式的爬行轮组；所述爬行电机与所述下层轨道固定连接，所述爬行轮组与所述下层轨道连接，所有爬行轮组指向所述下层轨道的中心轴线方向，并且所有爬行轮组围成的圆环尺寸可调；所述爬行轮组在所述爬行电机的带动下自由转动。
优选的，所述上层轨道和所述下层轨道均由多个弧形轨道沿圆周方向拼接组成。
优选的，所述下层轨道为l形结构，其中竖直端为侧轨；所述爬行轮组与所述侧轨连接，包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和轴套；所述第一连杆的一端与所述下层轨道铰连接，另一端与所述第二连杆的一端铰连接，所述第二连杆的另一端与所述第三连杆的中间位置铰连接；所述第三连杆的一端与所述下层轨道铰连接，另一端与所述轴套连接；所述轴套为中空结构，并且内部设有传动轴，所述传动轴与所述轴套之间通过轴承连接；所述传动轴的端部设有车轮，所述传动轴的中间位置与所述爬行电机的输出轴连接。
进一步优选的，所述爬行电机与所述侧轨沿竖直方向滑动固定连接。
进一步优选的，所述爬行轮组还包括缓冲单元，所述缓冲单元的一端与所述第三连杆的中间位置铰连接，另一端与所述侧轨铰连接。
进一步优选的，所述第三连接杆为分体式结构，包括本体、组合体和弹簧；所述本体与所述组合体之间沿轴向插装连接，所述本体和所述组合体上分别设有弹簧座；所述弹簧套设在所述本体和所述组合体外部并且与弹簧座连接
优选的，所述上层轨道的上表面设有轨道槽，所述底座设有由电机驱动的车轮；所述车轮位于所述轨道槽内，并可以沿所述轨道槽进行往复移动。
优选的，该机器人还包括多组夹持单元，所述夹持单元包括闸瓦和夹持电机；所述夹持电机与所述下层轨道固定连接，所述闸瓦与所述夹持电机的输出轴连接，在所述夹持电机的驱动下沿所述下层轨道的直径方向往复移动。
优选的，所述上层轨道与所述下层轨道之间通过支撑杆连接，并且所述支撑杆与所述上层轨道和所述下层轨道均采用可拆卸式连接。
进一步优选的，所述支撑杆采用双头螺纹结构，并且所述支撑杆与所述上层轨道和所述下层轨道通过螺纹连接后借助螺母进行位置固定。
采用本发明的双层轨道式爬壁机器人对立式罐体进行外壁进行测量时，具有以下有益效果：
1、在本发明中通过上层轨道和下层轨道分别形成用于测量的基准轨道和用于移动的攀爬轨道，此时直接将测量装置移动至罐体中待测量的外壁位置，并且将测量装置与整个爬壁机器人形成一个整体，利用上侧轨道作为测量装置移动的基准，提高测量装置沿罐体外壁圆周方向移动的稳定准确性。这样就可以将对同一高度的数据测量形成一个整体测量过程，获得连续的完整数据，形成对测量区域直接测量的效果，从而大大提高测量装置对罐体外壁测量的精准度。
2、本发明的双层轨道式爬壁机器人采用封闭式环形结构，并且沿整个圆周方向均布三个以上的爬行单元，从而利用所有爬行单元与罐体外壁的同时接触对罐体沿圆周方向均布产生的支撑力，保持整个爬壁机器人平稳稳定的沿罐体外壁进行竖直方向的移动，从而保证上层轨道的平行度，保证最终测量的精度。
3、本发明的双层轨道式爬壁机器人使用的车轮采用常规的高摩擦系数的橡胶车轮即可，不需要具有特殊磁性车轮，从而大大降低设备的制作成本和后期维护成本。
4、本发明的双层轨道式爬壁机器人沿圆周方向均布三组以上的夹持单元，用于对爬壁机器人进行测量过程中的临时辅助支撑固定，不仅可以提高对爬壁机器人固定的稳定性，保证爬壁机器人工作的可靠性和安全性以及提高测量的精度，而且可以降低爬行电机的负载，缓解爬壁机器人临时固定时对爬行电机产生制动力的要求，延长爬行电机的使用寿命。
5、在本发明的双层轨道式爬壁机器人中爬行轮组采用可调式结构，即所有车轮围成的圆环尺寸可调，这样不仅可以满足对不同外径尺寸罐体的测量，大大提高设备的使用效率，而且在组成过程中可以人为调整车轮对罐体外壁的压紧程度，从而大大提高整个爬壁机器人与罐体外壁接触的有效性和稳定性，保证爬壁机器人移动过程的安全性和可靠性。
附图说明
图1为实施例1中双层轨道式爬壁机器人的俯视结构示意图；
图2为图1中沿a-a方向的展开截面示意图；
图3为图2中b处的局部放大结构示意图；
图4为实施例2中爬行单元处于自然状态时的局部结构示意图；
图5为实施例2中爬行单元沿图4中h方向的结构示意图；
图6为图5中爬行单元处于支撑状态时的局部结构示意图；
图7为图6中第三连杆的另外一种结构的局部示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
实施例1
结合图1和图2所示，本实施例的双层轨道式爬壁机器人，包括上层轨道1、下层轨道2、机器人3以及三组爬行单元4。其中，三组爬行单元4固定安装在下层轨道2上并且沿圆周方向分布。
上层轨道1与下层轨道2之间平行固定连接，并且上层轨道1的内径尺寸和下层轨道2的内径尺寸均大于罐体的外壁直径尺寸，以便于将上层轨道1与下层轨道2套设在罐体的外部进而沿罐体的外壁进行竖直方向的往复移动。
优选的，在本实施例中，上层轨道1和下层轨道2均采用分体式结构，分别由三段等弧度的弧形轨道沿圆周方向依次拼接组成。其中，在每段弧形轨道的端部均采用了梯形台阶11和21形式的设计，用于相邻弧形轨道之间的安装定位，并且在梯形台阶位置还设有螺纹孔，用于穿设螺钉实现相邻两段弧形轨道的连接固定。
此外，上层轨道1和下层轨道2之间由多个竖直设置的支撑杆5固定连接。这样，在完成上层轨道1和下层轨道2之间整体连接的情况下，借助几个支撑杆5的支撑连接可以大大降低整个爬壁机器人的重量，以便于爬壁机器人可以灵活地沿立式罐体进行高度方向的往复移动。
优选的，在本实施例中，支撑杆5采用双头螺纹结构，并且分别与上层轨道1和下层轨道2采用可拆卸式螺纹连接。其中，支撑杆5的下端螺纹与下层轨道2的上表面进行螺纹连接后，在下层轨道2的上表面一侧通过螺母进行两者之间位置固定；支撑杆5的上端螺纹与上层轨道1的下表面进行螺纹连接后，在上层轨道1的下表面一侧通过螺母进行两者之间位置固定。这样，通过采用双头螺纹结构的支撑杆5对上层轨道1和下层轨道2进行连接，不仅便于拆装操作，而且通过对螺母在支撑杆5上位置的调整，可以对两层轨道之间的高度距离以及上层轨道1上表面的水平度进行精准调整，从而保证上层轨道1上表面的水平度，进而保证机器人3的测量精度。
机器人3，包括底座31和机器臂32。其中，底座31与上层轨道1的上表面之间为滑动连接，并且可以沿上层轨道1进行圆周方向的往复移动。机器臂32的一端与底座31连接，另一端设有连接头，例如旋转夹钳，用于固定测量装置，以便于对罐体外壁的尺寸和形状进行稳定的测量采集。
优选的，结合图3所示，上层轨道1的上表面设有轨道槽12，同时在底座31的底部设有由电机驱动的车轮311和导向台阶312。其中，车轮311位于轨道槽12内，并在电机的驱动下可以沿轨道槽12进行往复移动，导向台阶312的下端的伸至轨道槽12中，同时车轮311与导向台阶312固定连接后通过水平设置的轴承与底座31连接。此时，机器人3在车轮311的驱动下移动，以及在导向台阶312的导向和轴承的转向作用下实现机器人3沿轨道槽12的移动。
其中，在本实施例中，底座31的底部设有两个车轮311，两个车轮311采用两轮平衡车原理设置，同样也可以采用四轮结构，用于支撑和驱动机器人3。此外，导向台阶312优先设计为弧形结构，使导向台阶312与轨道槽12之间保持弧面接触，从而避免在机器人3移动过程中发生导向台阶312和轨道槽12之间的卡死，进而保证机器人3移动的流畅性和稳定性。
此外，在本实施例中，机器臂32采用多关节结构，由多个连杆依次通过转动关节连接组成。这样，通过对不同连杆之间的位置和角度关系进行调整，可以实现最终对连接头位置的准确定位，从而保证对测量装置的安装定位精度。其中，机械臂32可以直接采用机械万向磁力表座，通过磁力与底座31进行固定连接，不仅便于机械臂32与底座31之间的固定连接，而且可以对机械臂32进行快速更换，提高操作的便捷性。
另外，在本实施例中虽然只设置了一个机器人3，但是在其他实施例中则可以根据需要在上层轨道1上同时设置多个机器人3。这样，借助多个机器人3的同时工作，不仅可以对同一数据进行多次的同时采集，提高最终的测量精度，而且还可以对多个不同数据进行同步采集，提高数据的测量采集效率。
结合图2所示，爬行单元4，包括爬行电机41和爬行轮组42。其中，爬行电机41与下层轨道2固定连接，爬行轮组42通过支杆43与下层轨道2连接，并且爬行轮组42沿直径方向指向下层轨道2的中心，同时爬行轮组42与爬行电机41的输出轴传动连接，从而在爬行电机41的带动下可以自由转动。此时，由所有爬行轮组42组成的圆环与罐体外壁的直径尺寸相适应，从而保证所有爬行轮组42同时与罐体外壁接触，保证整个爬壁机器人沿罐体外壁移动过程的稳定。
在本实施例中，爬行轮组42采用成两排两列设置的四轮结构，分为两个前轮421和两个后轮422，支杆43采用中空的工字形结构，其中支杆43的四个端部分布与两个前轮421和两个后轮422连接，支杆43的中间部位通过一根斜杆与下层轨道2固定连接。其中，两个前轮421通过前轴连接，两个后轮422通过后轴连接，前轴和后轴分布通过轴承支撑固定在支杆43内部，并且前轴和后轴之间通过链条连接，进行同步转动；爬行电机41的输出轴通过联轴器伸入支杆43内部，并且与链条连接，从而带动前轮421和后轮422进行同步转动。
在其他实施例中，也可以根据罐体的尺寸对爬行单元4的数量以及爬行轮组42中的车轮数量和排列方式进行调整，例如将前轴和后轴的端部设计为夹角式结构，增加前轮和后轮与罐体外壁的接触面积，以保证爬行轮组42具有足够的动力以及保证整个爬壁机器人沿罐体外壁爬行过程的稳定。
此外，结合图1和图2所示，本实施例的双层轨道式爬壁机器人，还包括三组沿下层轨道2圆周方向均布的夹持单元6。夹持单元6包括闸瓦61和夹持电机62，其中夹持电机61与下层轨道2固定连接，闸瓦61沿下层轨道2的直径方向设置，并且与夹持电机62的输出轴连接。
在本实施例中，闸瓦61为弧形结构，并且与罐体外壁的直径尺寸相对应，同时闸瓦61与夹持电机62之间通过锥齿轮组连接，从而实现闸瓦61沿下层轨道2的直径方向进行往复移动。此时，闸瓦61在夹持电机62的驱动下可以实现与罐体外壁之间的接触和脱离，进而借助多个闸瓦61与罐体外壁的同时接触，对整个爬壁机器人在罐体外壁上的位置进行临时的辅助支撑固定。
采用本实施例的双层轨道式爬壁机器人对立式罐体的外壁进行测量时，首先，将组成上层轨道1和下层轨道2的所有弧形轨道依次摆放在罐体的外部进行组装，将所有与下层轨道1连接的爬行轮组42同时与罐体外壁接触，并通过螺钉和支撑杆5完成上层轨道1和下层轨道2的连接固定，在此过程中，通过对不同支撑杆5上螺母位置的调整，使上层轨道1的上表面保持水平状态；接着，将测量装置固定在机器臂32上的连接头位置，并且通过对多个连杆之间位置关系的调整，将测量装置调整固定在最佳位置；然后，启动爬行电机41驱动爬行轮组42中的前轮和后轮进行转动，带动整个爬壁机器人沿罐体外壁进行竖直方向的移动，当爬壁机器人移动的指定测量位置后，关闭爬行电机41利用爬行轮组42中车轮与罐体外壁之间的摩擦力以及爬行电机41对爬行轮组42中前轮和后轮的制动力，将整个爬壁机器人临时固定在罐体外壁保持静止，与此同时启动夹持电机62将所有闸瓦61沿罐体直径方向伸出并与罐体的外壁支撑接触，对整个爬壁机器人进行辅助支撑固定；再然后，启动由电机驱动的车轮311进行沿上层轨道1中轨道槽12的移动，从而带动测量装置对罐体的外壁进行圆周方向的测量和数据采集；最后，完成该层数据的测量工作后，停止车轮311的移动，对夹持电机62进行反向启动收回闸瓦61，并再次启动爬行电机41带动整个爬壁机器人沿罐体外壁进行上下移动。
此外，在本实施例中设置了三组夹持单元6，同样在其他实施例中，也可以根据罐体的尺寸进行更多数量夹持单元6的设置，从而增加夹持单元6与罐体外壁的接触，加强对爬壁机器人进行临时位置固定的稳定性和可靠性。
另外，还可以设置更多数量的爬行单元4，这样采用更多数量爬行单元4时，如果遇到罐体外壁内凹情况使一个或两个爬行单元4与罐体外壁脱离接触，此时在其他爬行单元4与罐体外壁稳定接触的作用下，仍然可以保证整个爬壁机器人的稳定平稳移动，保证爬壁机器人平稳顺利的穿过内凹区域。
此外，针对各个电机和测量装置的控制，根据实际情况既可以采用电线传输控制，也可以采用无线信号控制。
实施例2
结合图4至图6所示，实施例2中的双层轨道式爬壁机器人与实施例1中的双层轨道式爬壁机器人结构基本相同，其主要区别在于：实施例2中采用了可调整式的爬行单元7，即爬行单元7中所有爬行轮组形成的圆环尺寸是可调的，从而可以针对更多不同外径尺寸的罐体进行测量使用。
爬行单元7包括爬行电机组71和爬行轮组72，并且此时下侧轨道2的截面为l形结构，包括沿竖直方向设置的侧轨22。其中，爬行轮组72固定安装在下侧轨道2的侧轨22上，并且位于靠近罐体的环形面上。
爬行电机组71包括爬行电机711和主动皮带轮712。爬行电机711和主动皮带轮712同时与侧轨22固定连接，并且爬行电机711的输出轴沿水平方向伸出后与主动皮带轮712连接。其中，主动皮带轮712通过第一支座731固定在侧轨22上。
爬行轮组72包括第一连杆721、第二连杆722和第三连杆723。其中，第一连杆721的一端通过第二支座732与侧轨22固定连接，另一端与第二连杆722的一端为铰连接，并且第一连杆721与第二支座732之间为铰连接。第二连杆722的另一端与第三连杆723的中间位置铰连接。第三连杆723的一端通过第三支座733与侧轨22固定连接，另一端与轴套724垂直固定连接，第三连杆723与第三支座733之间为铰连接。轴套724为中空结构，内部穿设有与车轮725连接的传动轴，传动轴与轴套724之间通过轴承支撑固定，同时在传动轴上设有从动皮带轮74。
同时，在主动皮带轮712和从动皮带轮74之间设有传送带75，这样车轮725在爬行电机711的驱动作用下就可以进行正反方向的转动。
优选的，爬行轮组72中还设有一个手柄杆726。手柄杆726与第一连杆721为一体式结构呈v形结构，并且两者连接位置与第二支座732铰连接。这样，通过推动手柄杆726即可带动第一连杆721动作，进而通过第二连杆722和第三连杆723调整车轮725的位置，改变所有车轮725组成圆环的直径尺寸，从而实现与不同外径尺寸罐体外壁的接触。
其中，在本实施例中，在第二支座732上设有多个沿圆周方向分布的定位孔，在手柄杆726的端部也设有一个定位孔。这样，通过定位销同时对两个定位孔的贯穿，即可以实现对手柄杆726转动位置的固定，从而固定车轮725的位置。同样，在其他实施例中，也可以采用其他结构对车轮725的位置进行固定，例如在第一连杆721和侧轨22之间设置一个拉链，通过控制拉链的长度对第一连杆721的位置进行固定，进而对车轮725的位置进行固定。
优选的，爬行电机组71与侧轨22采用滑动连接。其中，在侧轨22上设有两个沿竖直方向平行布置的滑槽221，用于分别安装爬行电机711的支撑座和第一支座731，同时在爬行电机711的支撑座和第一支座731上还设有锁紧螺钉。此时，爬行电机711的支撑座和第一支座731可以沿滑槽221进行竖直方向固定位置的调整，改变爬行电机711和主动皮带轮712在侧轨22上的位置。
这样，在车轮725的位置发生变化时，即主动皮带轮712和从动皮带轮74之间距离发生变化时，通过沿滑槽221对爬行电机711和主动皮带轮712位置的调整，可以使传送带75的拉紧程度保持稳定适中，从而保证爬行电机711带动车轮725进行稳定转动。
进一步优选的，在第一支座731与第三连杆723之间设有一个推杆727，并且推杆727的两端均采用铰连接。这样，通过推杆727既可以辅助第一支座731带动第三连杆723进行位置调整，也可以借助固定后的第一支座731对第三连杆723进行辅助固定。
此外，结合图5和图6所示，爬行轮组72中还设有一个缓冲单元76，其中缓冲单元76的一端与侧轨22连接，另一端与第三连杆723连接，用于对第三连杆723进行向下摆动时的缓冲作用，防止车轮725产生的较大惯性力对整个爬壁机器人造成破坏。
在本实施例中，缓冲单元76采用弹簧式结构，包括减震弹簧761和减震弹簧支座762。其中，减震弹簧761的一端与第三连杆723铰连接，另一端与减震弹簧支座762铰连接，减震弹簧支座762固定在侧轨22上。
另外，第三连杆723还可以采用可调式分体结构，即可以进行自身长度方向的调整。结合图7所示，第三连杆723分为本体7231和组合体7232，并且通过弹簧7235连接。其中，本体7231的端部设有轴向孔用于插设组合体7231，并且本体7231和组合体7232之间可以沿轴向往复相对滑动，同时在本体7231和组合体7232上分别设有第一弹簧座7233和第二弹簧座7234，弹簧7235套设在本体7231和组合体7232上，并且两端分别与第一弹簧座7233和第二弹簧座7234固定连接。
这样，利用第三连杆723沿长度方向的可调性，不仅可以在安装的时候通过适当减小所有车轮725围成圆环的直径尺寸，借助弹簧7235将车轮725压靠在罐体的外壁上，增加车轮725与罐体外壁之间的接触稳定性，而且还可以在整个爬壁机器人的爬行过程中实现对障碍物的自动跨越，即利用对弹簧7235的压缩可以越过罐体外壁中的局部凸起区域，从而提高爬壁机器人的工作能力。
此外，在本实施例中设置了两组爬行轮组72，同样在其他实施例中也可以设置更多数量的爬行轮组72，从而增加车轮725的数量，提高对罐体外壁的接触面积，加强整个爬壁机器人沿罐体外壁爬行的稳定性。