一种磁吸附自适应曲面爬行机器人的制作方法

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种磁吸附自适应曲面爬行机器人。

背景技术

目前磁吸附爬壁机器人在船舶清洗、管道焊接等方面应用较为广泛。爬壁机器人在底盘上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。因此，永磁体吸附的磁吸附爬壁机器人是当前应用主流和趋势。

当前的磁吸附爬壁机器人主要是应用在平面或微小弯曲曲面上，这种爬壁机器人主要是以履带和轮式为主，吸附力对吸附表面的曲率比较敏感，一般都要求吸附表面的曲率应该在很小的范围内变化。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，这种方式主要优点是能够具有适应各种管道直径的能力，缺点是沿管道轴向行走时效率特别低。

现有磁吸附机器人主要存在以下问题：

(1)自适应吸附曲面曲率变化的能力差，仅能用于平面或微小弯曲曲面上；

(2)具有自适应吸附曲面变化的磁吸附爬壁机器人虽然具有一定的自适应吸附曲面的能力，但仅能沿管道的圆周运动，在一些曲面变化不规则曲面的场合，适应性差；

(3)具有自适应吸附曲面变化的磁吸附爬壁机器人单位时间行走的距离较短，效率低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种磁吸附自适应曲面爬行机器人，不同于常规磁吸附爬壁机器人，本发明所提供的磁吸附自适应曲面爬行机器人具有自适应吸附曲面曲率大范围变化的能力，从而使机器人可以应用于钢结构、罐体、石油平台的结构清洗、防腐剂检查；经压力补偿后，也可以在300米左右的水深下应用。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种磁吸附自适应曲面爬行机器人，包括底盘、前驱动轮组、后驱动轮组、第一摆臂系统、第二摆臂系统、电子舱以及紧固件附件；所述底盘包括底盘主梁，底盘主梁为长方体型框架结构，用于提供整个机器人的基础；所述电子舱固定在机器人底盘的上面，电子舱的内部设有机器人控制器和电器元件，用于控制机器人；所述前驱动轮组和后驱动轮组均位于底盘的下方，一前一后布置，用于提供驱动力和磁吸附力；所述第一摆臂系统和第二摆臂系统具有相同的结构，分别交错地固定在底盘的两侧，用于提供磁吸附力和驱动力。

优选地，所述前驱动轮组包括带锥度的左驱动轮、带锥度的右驱动轮、驱动轮组转向轴和水密接插件；左驱动轮和右驱动轮分别用螺母和螺栓固定在转向轴的两侧，水密接插件通过螺纹固定在转向轴的顶部，转向轴内部是中空的，作为驱动轮的控制和驱动导线走线通道；前驱动轮组的转向轴从下向上穿过到固定于底盘前部的两个滑动轴承，并在底盘的上侧用两个第一锁紧螺母固定转向轴，从而前驱动轮组可相对底盘转动。

进一步地，所述带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附曲面不同进行相应设计，使β能适应吸附曲面的变化；驱动轮组转向轴带有压力补偿接口，用于机器人在水下300米的应用场合。

优选地，所述后驱动轮组包括带锥度的左驱动轮、带锥度的右驱动轮和驱动轮组转向轴；左驱动轮和右驱动轮分别用螺母和螺栓固定在转向轴的两侧，水密接插件通过螺纹固定在转向轴的顶部，转向轴内部是中空的，作为驱动轮的控制和驱动导线走线通道；后驱动轮组的转向轴从下向上穿过到固定于底盘尾部的两个滑动轴承，并在底盘的上侧用两个第一锁紧螺母固定转向轴，从而后驱动轮组可相对底盘转动。

进一步地，所述带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附曲面不同进行相应设计，使β能适应吸附曲面的变化；驱动轮组转向轴带有压力补偿接口，用于机器人在水下300米的应用场合。

优选地，所述第一摆臂系统和第二摆臂系统均是依次由上摆臂轴摆臂基座、上摆臂轴及上摆臂驱动系统、上摆臂、下摆臂销轴、下摆臂及下摆臂力传感机构、摆臂驱动轮组轴、带锥度的左驱动轮、带锥度的右驱动轮及附件串联成一个两个转动自由度的摆臂系统；螺栓穿过摆臂基座上的孔将整个摆臂系统固定于底盘上；所述带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮用螺栓固定于摆臂驱动轮组轴的两侧；带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附曲面不同进行相应设计，使β能适应吸附曲面的变化。

进一步地，所述下摆臂力传感机构主要由下摆臂、力传感器、摆臂驱动轮组轴、水密接插件及o型圈等组成；所述摆臂驱动轮组轴的中部设有一个圆形凸起，中间加工有螺纹孔；方形的下摆臂的纵向设有一个孔，内部加工了圆形的内孔，在圆形内孔的底部加工有螺纹孔，力传感器两端的螺柱分别和下摆臂的该螺纹孔及摆臂驱动轮组轴的螺纹孔连接；o型圈安装在摆臂驱动轮组轴的中部有一个圆形凸起的径向槽上，分别与下摆臂的圆形内孔和摆臂驱动轮组轴的凸起配合，用于提供轴向密封。

进一步地，所述下摆臂销轴依次穿过安装于上摆臂一端的、垂直于y形槽的销孔上的滑动轴承、方形的下摆臂的另一端有垂直于纵向的销孔，末端使用轴用挡圈固定他们的位置。

进一步地，所述上摆臂驱动系统主要由水下电机、蜗轮、蜗杆、圆锥滚子轴承、上摆臂的驱动机构基座、键、上摆臂轴、摆臂基座等组成；水下电机安装于上摆臂的驱动机构基座上，蜗杆的一端与水下电机的输出轴紧固，蜗杆的另一端分别沿轴向依次穿过安装于驱动机构基座上的o型圈和一对背对背安装的圆锥滚子轴承，在蜗杆的末端用第二锁紧螺母固定，圆锥滚子轴承的一侧设有垫圈；驱动机构基座该侧安装了端盖，并用螺钉固定，端盖的径向上加工有o型圈槽用于安装o型圈；蜗轮沿轴向安装在上摆臂轴一端，并用键固定；上摆臂轴沿轴向依次穿过端盖、安装于在摆臂基座一端上加工有垂直于y形槽的孔上的圆锥滚子轴承、垂直于下摆臂一端的纵向的销孔，在上摆臂轴的末端用第二锁紧螺母固定；摆臂基座的两侧端面上安装着用螺钉紧固的两个端盖，盖上加工了径向的o型圈槽，上面安装了o型圈用于密封。

优选地，所述底盘的底盘主梁前后均设有起吊吊环，用于起吊机器人；所述电子舱上安装有电子舱水密接插件，电子舱通过电子舱水密接插件和外部连接；所述电子舱带有压力补偿接口，用于机器人在水下300米的应用场合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)自适应吸附曲面曲率变化的能力强，能在曲面曲率变化大的场合下使用。

(2)效率高。可用于管道行走的场合，可以沿管道轴向运动，单位时间行走的距离长。

(3)可在陆地和水下环境下使用，系统经过压力补偿和防腐技术处理后，可以应用于300米左右的水深。

附图说明

图1是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人的整体结构示意图。

图2是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人的主视图。

图3是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人的仰视图。

图4是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人的左视图。

图5是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人中第一摆臂系统的主视图。

图6是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人中第一摆臂系统的仰视图。

图7是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人中第一摆臂系统自由关节剖视图。

图8是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人在r1＝600mm圆柱管壁上的爬行应用示意图。

图9是本发明所提供的一种磁吸附自适应曲面爬行机器人在r2＝2000mm圆柱管壁上的爬行应用示意图。

附图标记说明：ⅰ、底盘；ⅱ、第一摆臂系统；ⅲ、电子舱；ⅳ、后驱动轮组；ⅴ、第二摆臂系统；ⅵ、前驱动轮组；1、起吊吊环；2、底盘主梁；3、滑动轴承；4、第一锁紧螺母；5、水密接插件；6、水下电机；7、压力补偿接口；8、驱动轮组转向轴；9、电子舱水密接插件；10、螺母；11、螺栓；12、带锥度的左驱动轮；13、带锥度的右驱动轮；14、上摆臂；15、键；16、蜗轮；17、上摆臂轴；18、蜗杆；19、摆臂基座；20、o型圈；21、上摆臂的驱动机构基座；22、圆锥滚子轴承；23、端盖；24、螺钉；25、第二锁紧螺母；26、垫圈；27、摆臂驱动轮组轴；28、力传感器；29、下摆臂；30、挡圈；31、下摆臂销轴。

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所示，本发明公开了一种磁吸附自适应曲面爬行机器人，包括底盘ⅰ、前驱动轮组ⅵ、后驱动轮组ⅳ、第一摆臂系统ⅱ、第二摆臂系统ⅴ、电子舱ⅲ以及紧固件附件；所述底盘ⅰ包括底盘主梁2，底盘主梁2为长方体型框架结构，用于提供整个机器人的基础；所述电子舱ⅲ固定在机器人底盘ⅰ的上面，电子舱ⅲ的内部设有机器人控制器和电器元件，用于控制机器人；所述前驱动轮组ⅵ和后驱动轮组ⅳ具有相同的结构，并且均位于底盘ⅰ的下方，一前一后布置，用于提供驱动力和磁吸附力；所述第一摆臂系统ⅱ和第二摆臂系统ⅴ具有相同的结构，分别交错地固定在底盘ⅰ的两侧，用于提供驱动力和磁吸附力。

具体地，如图2-图7所示，所述前驱动轮组ⅵ包括带锥度的左驱动轮12、带锥度的右驱动轮13、驱动轮组转向轴8和水密接插件5；左驱动轮12和右驱动轮13分别用螺母10和螺栓11固定在转向轴8的两侧，水密接插件5通过螺纹固定在转向轴8的顶部，转向轴8内部是中空的，作为驱动轮的控制和驱动导线走线通道；前驱动轮组ⅵ的转向轴8从下向上穿过到固定于底盘ⅰ前部的两个滑动轴承3，并在底盘ⅰ的上侧用两个第一锁紧螺母4固定转向轴，从而前驱动轮组ⅵ可相对底盘ⅰ转动。

具体地，所述带锥度的左驱动轮12和带锥度的右驱动轮13具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附曲面不同进行相应设计，使β能适应吸附曲面的变化；驱动轮组转向轴8带有压力补偿接口7，用于机器人在水下300米的应用场合。

具体地，所述后驱动轮组ⅳ包括带锥度的左驱动轮12、带锥度的右驱动轮13和驱动轮组转向轴8；左驱动轮12和右驱动轮13分别用螺母10和螺栓11固定在转向轴8的两侧，水密接插件5通过螺纹固定在转向轴8的顶部，转向轴8内部是中空的，作为驱动轮的控制和驱动导线走线通道；后驱动轮组ⅳ的转向轴8从下向上穿过到固定于底盘ⅰ尾部的两个滑动轴承，并在底盘ⅰ的上侧用两个第一锁紧螺母4固定转向轴，从而后驱动轮组ⅳ可相对底盘ⅰ转动。

具体地，所述带锥度的左驱动轮12和带锥度的右驱动轮13具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附曲面不同进行相应设计，使β能适应吸附曲面的变化；驱动轮组转向轴8带有压力补偿接口7，用于机器人在水下300米的应用场合。

具体地，所述第一摆臂系统ⅱ和第二摆臂系统ⅴ均是依次由上摆臂轴摆臂基座19、上摆臂轴17及上摆臂驱动系统、上摆臂14、下摆臂销轴31、下摆臂29及下摆臂力传感机构、摆臂驱动轮组轴27、带锥度的左驱动轮12、带锥度的右驱动轮13及附件串联成一个两个转动自由度的摆臂系统；螺栓11穿过摆臂基座19上的孔将整个摆臂系统固定于底盘ⅰ上；所述带锥度的左驱动轮12和带锥度的右驱动轮13用螺栓11固定于摆臂驱动轮组轴27的两侧；带锥度的左驱动轮12和带锥度的右驱动轮13具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β根据吸附曲面不同进行相应设计，使β能适应吸附曲面的变化。

具体地，所述下摆臂力传感机构主要由下摆臂29、力传感器28、摆臂驱动轮组轴27、水密接插件5及o型圈20等组成；所述摆臂驱动轮组轴27的中部设有一个圆形凸起，中间加工有螺纹孔；方形的下摆臂29的纵向设有一个孔，内部加工了圆形的内孔，在圆形内孔的底部加工有螺纹孔，力传感器28两端的螺柱分别和下摆臂29的该螺纹孔及摆臂驱动轮组轴27的螺纹孔连接；o型圈20安装在摆臂驱动轮组轴27的中部有一个圆形凸起的径向槽上，分别与下摆臂29的圆形内孔和摆臂驱动轮组轴27的凸起配合，用于提供轴向密封。

具体地，所述下摆臂销轴31依次穿过安装于上摆臂14一端的、垂直于y形槽的销孔上的滑动轴承、方形的下摆臂29的另一端有垂直于纵向的销孔，末端使用轴用挡圈30固定他们的位置。

具体地，所述上摆臂驱动系统主要由水下电机6、蜗轮16、蜗杆18、圆锥滚子轴承22、上摆臂的驱动机构基座21、键15、上摆臂轴17、摆臂基座19等组成；水下电机6安装于上摆臂的驱动机构基座21上，蜗杆18的一端与水下电机6的输出轴紧固，蜗杆18的另一端分别沿轴向依次穿过安装于驱动机构基座21上的o型圈20和一对背对背安装的圆锥滚子轴承22，在蜗杆18的末端用第二锁紧螺母25固定，圆锥滚子轴承22的一侧设有垫圈26；驱动机构基座21该侧安装了端盖23，并用螺钉24固定，端盖23的径向上加工有o型圈槽用于安装o型圈20；蜗轮16沿轴向安装在上摆臂轴17一端，并用键15固定；上摆臂轴17沿轴向依次穿过端盖23、安装于在摆臂基座19一端上加工有垂直于y形槽的孔上的圆锥滚子轴承22、垂直于下摆臂29一端的纵向的销孔，在上摆臂轴17的末端用第二锁紧螺母25固定；摆臂基座19的两侧端面上安装着用螺钉24紧固的两个端盖23，盖上加工了径向的o型圈槽，上面安装了o型圈20用于密封。

具体地，所述底盘ⅰ的底盘主梁2前后均设有起吊吊环1，用于起吊机器人；所述电子舱ⅲ上安装有电子舱水密接插件9，电子舱ⅲ通过电子舱水密接插件9和外部连接；所述电子舱ⅲ带有压力补偿接口7，用于机器人在水下300米的应用场合。

实施例

一种磁吸附自适应曲面爬行机器人，该机器人主要包括底盘、前驱动轮组、后驱动轮组、第一摆臂系统、第二摆臂系统、电子舱以及紧固件附件等。

上述的电子舱固定在机器人底盘的上面，电子舱上内部放置了机器人控制器和电器元件，通过安装在电子舱上的电子舱水密接插件和外部连接；电子舱上可带有压力补偿接口，以用于机器人在水下300米的应用场合。

上述的前驱动轮组由带锥度的左驱动轮、带锥度的右驱动轮、驱动轮组转向轴和水密接插件等附件组成。左驱动轮和右驱动轮分别用螺栓固定在转向轴的两侧，水密接插件通过螺纹固定在转向轴的顶部，转向轴内部是中空的，作为驱动轮的控制和驱动导线走线通道；前驱动轮组的转向轴从下向上穿过到固定于底盘前部的两个滑动轴承，并在底盘的上侧用两个第一锁紧螺母固定转向轴，从而前驱动轮组可相对底盘转动；带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β可以根据吸附曲面不同设计，从而使β能适应吸附曲面的变化；驱动轮组转向轴可带有压力补偿接口，以用于机器人在水下300米的应用场合。

上述的后驱动轮组由带锥度的左驱动轮、带锥度的右驱动轮和驱动轮组转向轴组成。左驱动轮和右驱动轮分别用螺栓固定在转向轴的两侧；前驱动轮组的转向轴从下向上穿过到固定于底盘尾部的两个滑动轴承，并在底盘的上侧用两个第一锁紧螺母固定转向轴，从而后驱动轮组可相对底盘转动；带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮具有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β可以根据吸附曲面不同设计，从而使β能适应吸附曲面的变化；驱动轮组转向轴可带有压力补偿接口，以用于机器人在水下300米的应用场合。

上述的左摆臂系统和右摆臂系统具有相同的结构，它们分别通过螺栓交错地固定在底盘的两侧。它们是依次由上摆臂轴摆臂基座、上摆臂轴及上摆臂驱动系统、上摆臂、下摆臂销轴、下摆臂及下摆臂力传感机构、摆臂驱动轮组轴、带锥度的左驱动轮、带锥度的右驱动轮及附件串联成一个两个转动自由度的摆臂系统。螺栓穿过摆臂基座上的孔将整个摆臂系统固定于底盘上。带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮用螺栓固定于摆臂驱动轮组轴的两侧；带锥度的左驱动轮和带锥度的右驱动轮有相同的锥度α，它们轮子的轴向剖面的外沿形成了一个夹角β，β可以根据吸附曲面不同设计，从而使β能适应吸附曲面的变化。

上述下摆臂力传感机构由下摆臂、力传感器、摆臂驱动轮组轴、水密接插件及o型圈等组成。摆臂驱动轮组轴的中部有一个圆形凸起，中间加工有螺纹孔；方形的下摆臂的纵向有一个孔，内部加工了圆形的内孔，在圆形内孔的底部加工有螺纹孔，力传感器两端的螺柱分别和下摆臂的该螺纹孔及摆臂驱动轮组轴的螺纹孔连接；o型圈安装在摆臂驱动轮组轴的中部有一个圆形凸起的径向槽上，分别与下摆臂的圆形内孔和摆臂驱动轮组轴的凸起配合，提供轴向密封。

上述下摆臂销轴依次穿过安装于上摆臂一端的、垂直于y形槽的销孔上的滑动轴承、方形的下摆臂的另一端有垂直于纵向的销孔，末端使用轴用挡圈固定他们的位置。

上述上摆臂驱动系统由水下电机、蜗轮、蜗杆、圆锥滚子轴承、摆臂的驱动机构基座、键、上摆臂轴、摆臂基座等组成。水下电机安装于摆臂的驱动机构基座上，蜗杆的一端与水下电机的输出轴紧固，蜗杆的另一端分别沿轴向依次穿过安装于驱动机构基座上的o型圈和一对背对背安装的圆锥滚子轴承，在蜗杆的末端用第二锁紧螺母固定；驱动机构基座该侧安装了端盖，并用螺钉固定，端盖的径向上加工有o型圈槽用于安装o型圈。蜗轮安装沿轴向安装在上摆臂轴一端，并用键固定；上摆臂轴沿轴向依次穿过端盖、安装于在摆臂基座一端上加工有垂直于y形槽的孔上的圆锥滚子轴承、垂直于下摆臂一端的纵向的销孔，在上摆臂轴的末端用第二锁紧螺母固定。摆臂基座的两侧端面上安装着用螺钉紧固的两个端盖，盖上的加工了径向的o型圈槽，上面安装了o型圈用于密封。

采用本实施例所述的磁吸附自适应曲面爬行机器人在r1＝600mm、r2＝2000mm圆柱管壁上的爬行应用分别如图8和图9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。