一种塔筒清洗机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，特别涉及一种风机塔筒清洗和叶片检测机器人维护作业设备。

背景技术：

风力发电作为一种可再生的清洁能源，近年来得到了世界各国的大力推广。风力发电机组单机容量逐年递增，对风电机组的维护、塔筒的清洗以及对风机叶片的检测显得越来越重要。而风电机组的工作现场时常有风沙、雨雪等恶劣天气，风电机组一旦出现故障，轻则影响发电效率和发电厂的经济效益，重则造成风电机组损毁和巨大的经济损失，因此风电机组必须常年进行维护作业。

风电厂为了降低风电机组的停机风险，每年都需定期对风机塔筒和叶片进行检测，而风电机组设备验收时，还需对风机塔筒进行清洗，而我国目前风机叶片的检测、塔筒的清洗一般大多数采用人工吊装作业，吊车作业、吊装设备作业等维护方式，存在着安全性低、劳动强度大、效率低下等一系列的问题。

攀爬机器人能够替代人工进行攀爬作业，且能够安装检测、清洗、维护设备对作业对象进行维护作业，能够有效的解决风电机组维护目前采用人工作业所存在的安全、效率、成本等问题。

而现有攀爬机器人技术还在不断完善中，如CN201610401323.0《一种履带式电力设备维修机器人》，包括履带支架A、履带支架B、从动辊轮、主动辊轮、伺服电机，所述的履带支架A为长方形平板结构，在履带支架A的两侧各设置两个铰支座A，所述的履带支架B由一块折弯的平板构成，折弯角为30°，履带支架B总共有2个，其与履带支架A通过铰支座A连接在一起；在履带支架A和履带支架B的上下两端分别安装有圆柱状的从动辊轮和主动辊轮，所述主动辊轮由伺服电机直接驱动，主动辊轮和从动辊轮之间使用橡胶履带传递动力；通过三条橡胶履带攀爬电线杆，可以获得较大的摩擦力，从而可以轻松攀爬到电线杆顶部，减少了工人体力的消耗，提高了工作效率。

CN201620390050.X《一种履带式多功能攀爬机器人》，本实用新型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。

显然，CN201610401323.0由三条橡胶履带攀爬电线杆，是基于电线杆的有限直径和有限负载等方面而设计的； CN201620390050.X，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。履带式攀爬机器人本体通过真空吸盘贴合在墙壁上，由真空泵产生负压，通过导管连接到吸盘吸嘴，真空吸盘与墙壁间的空气被真空泵产生的负压吸出，进而吸盘紧密贴合贴合墙面，完成车体吸附在墙面的工作流程。

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；最近的出现在2016年，CN201610187880.7《履带爬壁四自由度并联机器人》，其包括履带车和四自由度并联机器人；所述履带车包括矩形底盘，四个套，两个永磁履带机构，套与底盘均布固连，永磁履带机构与底盘对称联接，带动底盘沿磁性壁爬行。从相关的近100篇论文中也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。本实用新型也是在从事这个方向的研发。特别是针对风力发电塔筒的结构特点，设计出一种即有利于攀爬、全径清洗、适应筒径变化的机器人，将是本实用新型的主要创造性劳动的体现形式。

技术实现要素：

本实用新型就是针对风力发电机组的维护和检测作业需求，设计了一种能通过多边形可变框架结构和永磁吸附履带攀爬机构来进行塔筒攀爬作业，通过清洗机构和检测设备来完成风机塔筒清洗和叶片检测的风电塔清洗检测机器人。该机器人具有模块化、低成本、快速拆装、稳定可靠，攀爬速度快，负载能力强，且能适应风力发电塔塔身的上下塔筒直径变化的特点。本实用新型目的在于提供一种塔筒清洗机器人。

本实用新型技术方案：

一种塔筒清洗机器人，包括V型刷头清洗机构和安装V型刷头清洗机构的清洗支架， V型刷头清洗机构包括清洗滚刷、雾化喷嘴、V型支撑气弹簧、水管、V型清洗刷头支架和V型清洗臂；两对V型清洗臂对称地设置在V型清洗刷头支架底端的两侧，两对V型清洗臂之间形成摆动连接关系，V型清洗刷头支架的顶端两侧分别通过V型支撑气弹簧连接固定至两对V型清洗臂的尾端，两对V型清洗臂的尾端分别安装有清洗滚刷，清洗滚刷实现对不同弧度与塔筒表面的接触形成清洗机器手；V型清洗刷头支架上布置有管路接头和水管及雾化喷嘴。

进一步， V型清洗刷头支架底端的还安装有定位滚轮，两对V型清洗臂对称设置在V型清洗刷头支架底端的定位滚轮内侧，定位滚轮对V型清洗臂的摆动角度进行限位。

进一步，V型清洗刷头支架上还安装包括有V型清洗支架齿轮、电机传动同步带、主驱动带轮、右侧滚刷驱动带轮、左侧滚刷驱动带轮和清洗驱动电机，清洗驱动电机通过电机传动同步带与主驱动带轮传动连接，再由主驱动带轮带动在同一根驱动轴上的右侧滚刷驱动带轮、左侧滚刷驱动带轮、清洗支架齿轮同步旋转，其中，右侧滚刷驱动带轮和左侧滚刷驱动带轮分别通过一组清洗滚刷传动同步带和清洗滚刷同步带轮对左右两侧的清洗滚刷进行同步驱动。

进一步，清洗驱动电机作为V型刷头清洗机构上的动力装置同时还通过传动齿轮与清洗支架齿条啮合。

进一步，V型清洗刷头支架上还安装有清洗支架导向套，清洗支架导向套与清洗支架的清洗导向轴组成滑动副。清洗支架由清洗支架齿条、清洗导向轴、清洗支架固定板组成，位于上方的清洗导向轴、位于底部的清洗安装轴、位于底部上方的清洗支架齿条及支架固定装置构成一刚性框架，V型刷头清洗机构安装在清洗导向轴上形成直线滑动连接关系，V型刷头清洗机构上的动力装置通过传动齿轮与清洗支架齿条啮合形成齿轮齿条驱动机构。

进一步，所述清洗支架采用一字型清洗机构支架，一字型清洗机构支架由一字型清洗支架齿条、一字型清洗导向轴、清洗支架固定板组成，位于上方的一字型清洗导向轴、位于底部的清洗安装轴、位于底部上方的一字型清洗支架齿条及两端部分别设有的两个清洗支架固定板构成一刚性框架，清洗安装轴安装在推拉杆支架和/或推拉导向轴上，V型刷头清洗机构安装在一字型清洗导向轴上形成直线滑动连接关系，V型刷头清洗机构上的动力装置通过传动齿轮与一字型清洗支架齿条啮合形成齿轮齿条驱动机构。

进一步，所述清洗支架采用V型清洗机构支架，V型清洗机构支架包括V型清洗支架底座及与V型清洗支架底座两端分别连接的位于上方的V型清洗支架导向轴，位于底部的清洗安装轴、位于底部上方的V型清洗支架齿条、清洗安装轴中间设有的V型清洗支架加强板及两端部设有的V型清洗机构固定支架，V型清洗支架底座、四根V型清洗支架导向轴、四根清洗安装轴、两根V型清洗支架齿条及两个V型清洗机构固定支架构成两个呈一定角度V型结构刚性框架，两套V型刷头清洗机构分别安装在两套V型清洗支架导向轴上形成直线滑动连接关系，V型刷头清洗机构上的动力装置通过传动齿轮与V型清洗支架齿条啮合形成齿轮齿条驱动机。

本实用新型布置巧妙，通过清洗驱动电机的正反转运动来驱动V型清洗支架齿轮，从而驱动V型刷头清洗机构在V型清洗支架齿条上进行来回往复直线运动，使清洗滚刷能够通过往复运动覆盖往复运动范围内的塔筒表面。

除了上面所描述的目的，特征和优点之外，本实用新型具有的其他目的、特征、优点，将结合附图做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的的清洗刷头机构结构示意图；

图2是本实用新型的的清洗刷头机构侧视结构示意图；

图3是本实用新型的结构示意图；

图4是本实用新型的一字型清洗机构支架结构示意图；

图5是本实用新型的V型清洗机构支架示意图；

图6是本实用新型的框架结构示意图；

图7是本实用新型的框架变形对比示意图；

图8是本实用新型的永磁履带攀爬结构示意图；

图9是本实用新型的永磁履带攀爬机构结构示意图。

附图标记说明

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型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6所示，包括：六组可变V型转角1组成的六边形框架，连接可变V型转角1并能调节框架大小的推拉杆机构2，安装在可变V型转角1上的六组主清洗机构3以及安装在可变V型转角1上的六组塔筒永磁履带攀爬机构4。可变V型机构1和推拉杆机构2构成一可变大小的六边形来适应风电塔塔筒外表面直径的变化，主要通过该六边形框架能够改变其边长从而能够适应风机塔筒上下的直径变化；永磁履带攀爬机构4通过六边形框架的变形来实现对塔筒的接触和压紧，并通过永磁履带机构驱动六边形框架沿着塔筒表面进行攀爬作业，用于整体机构的攀爬提升；主清洗机构3能够跟随六边形框架随着塔筒的自适应变化来跟随完成对塔筒的接触和滚动清洗，即在攀爬过程中完成对风电塔塔筒的清洗。

具体来说，如图3、4所示，每个可变V型转角1上安装并连接有两组推拉杆机构2，为了补偿主清洗机构3在大直径清洗时覆盖面的不足，推拉杆机构2上还安装有副清洗机构，一字型清洗机构支架6可用于安装V型清洗刷头机构7，同时在推拉杆机构2上还安装有检测摄像头5可对风电塔机风机叶片进行检测成像。

其中，推拉杆机构2包括电动缸推拉轴8、推拉导向轴9和推拉杆支架10，一根电动缸推拉轴8以及两根推拉导向轴9均与推拉杆支架10连接并固定，其中，两根推拉导向轴9与电动缸推拉轴8分别与推拉杆支架10固定，一字型清洗机构支架6同样也固定至推拉杆支架10上。同时，推拉杆支架10上所安装的一字型清洗机构支架6由位于上方一字型清洗导向轴12、位于底部的清洗安装轴、位于底部上方的副清洗机构齿条11及两端部的清洗支架固定板13连接所组成，一字型清洗导向轴12、清洗安装轴以及一字型清洗支架齿条11分别通过端部连接至两块清洗支架固定板13从而构成一刚性框架，V型刷头清洗机构7安装至一字型清洗导向轴12上并可通过其进行直线滑动，V型刷头清洗机构7上的齿轮与一字型清洗支架齿条11啮合，使V型刷头清洗机构7能够在一字型清洗机构支架6上通过齿轮齿条的驱动，从而实现V型刷头清洗机构7在一字型清洗机构支架6上的往复线性运动，进而实现对塔筒表面的清洗。V型清洗刷头机构7中设有清洗驱动电机。

如图3、4、8、9所示，可变V型转角1包括V型套管支架14、V型转角支座15、V型套管固定支架16、V型套管17、电动缸缸体18。可变V型转角1通过四根V型套管17与V型套管支架14连接来组成V型结构，同时V型套管支架14与V型转角支座15相连接，并在V型转角支座15上安装有两组电动缸缸体18，两组电动缸缸体18分别通过一定角度与V型转角支座15相连接呈V型结构布置，每个电动缸缸体18还通过V型套管固定支架16与平行的两根V型套管17相连，同时V型套管17、V型套管支架14、V型转角支座15构成V型框架的刚性整体单元，通过六组可变V型转角1的模块化设计以及与推拉杆机构2的连接，能够快速的组成一可变大小的六边形框架结构。通过电动缸缸体18与推拉杆机构2上的电动缸推拉轴8的直线推拉运动，改变框架六边形的边长，为框架的大小变形提供驱动动力，同时V型套管17与推拉杆机构2上的推拉导向轴9连接，并通过V型套管固定支架16将V型套管17与电动缸缸体18连接固定，使得可变V型转角1的线性驱动具备更高的导向和承载能力。

如图8、9所示，塔筒永磁履带攀爬机构4通过攀爬机构定位管19及攀爬机构支架22与可变V型转角1的V型转角支座15连接，为可变V型转角1提供沿塔筒表面的吸附攀爬动力，塔筒永磁履带攀爬机构4包括攀爬机构定位管19、攀爬机构驱动电机20、攀爬机构永磁履带21、攀爬机构支架22、攀爬机构支撑连杆23、攀爬机构气弹簧24。安装在攀爬机构支架22上的攀爬机构驱动电机20来为履带驱动提供动力，攀爬机构永磁履带21具备永磁吸附风电塔塔筒表面的能力并可通过攀爬机构支撑连杆23以及安装在攀爬机构支架22上的四根攀爬机构气弹簧24来对塔筒表面提供压紧力以及对曲面的适应能力，安装在六边形框架上的永磁履带攀爬机构4能适应风电塔筒直径的变化，始终以合适的压力接触并进行攀爬提升。具体为：攀爬机构永磁履带21分别通过攀爬机构支撑连杆23以及攀爬机构气弹簧24与攀爬机构支架22连接，通过气弹簧的弹性作用，使两组攀爬机构永磁履带21能够通过攀爬机构支撑连杆23的摆动，攀爬机构支撑连杆23通过攀爬机构气弹簧24与攀爬机构永磁履带21形成弹性负载连接即有一定压力，自适应的接触到塔筒带有一定弧度的曲面上，同时攀爬机构支架22上还安装有攀爬机构驱动电机20及传动系统，可同时对两组攀爬机构永磁履带21进行驱动，攀爬机构永磁履带21内安装有永磁体可增强对塔筒表面的附着力。

所述主清洗机构3包括V型清洗支架底座25及V型清洗支架底座25两端分别连接的两套V型清洗机构，V型清洗机构与副清洗机构类似，如图5所示，主清洗机构3包括V型清洗支架底座25、V型清洗支架导向轴26、V型清洗机构固定支架27、V型清洗机构加强板28、V型清洗机构齿条29；构成对称的V型清洗支架并安装两组V型清洗刷头机构7，V型清洗支架底座25固定在可变V型转角1上，两根位于上方的V型清洗支架导向轴26、位于底部的四根清洗安装轴、位于底部上方的两根V型清洗机构齿条29连接固定成两套刚性框架，通过两端的V型清洗机构固定支架27进行固定限位，同时清洗安装轴通过V型清洗机构加强板28固定连接起到V型清洗支架整体刚性加强的作用，同时两组V型清洗刷头机构7分别安装至左右两侧的V型清洗支架导向轴26上，同时V型清洗刷头机构7上的齿轮与V型清洗机构齿条29啮合，可使两组V型清洗刷头机构7分别能在左右两侧的V型清洗支架导向轴26上进行来回驱动运动。主清洗机构3整体为V型结构，使其对塔筒的曲面有更宽的适应能力。

如图1、2所示，V型刷头清洗机构7包括清洗滚刷30、雾化喷嘴31、V型支撑气弹簧32、水管33、V型清洗刷头支架34、定位滚轮35、V型清洗臂36。V型清洗刷头支架34通过V型支撑气弹簧32分别连接固定至V型清洗臂36的尾端，使V型清洗臂36能够在气弹簧弹力的作用下改变V型清洗臂36的角度，并通过安装至V型清洗臂36尾端的清洗滚刷30来实现对不同弧度塔筒表面的接触和清洗。

对称安装在V型清洗刷头支架34上的两组V型清洗臂36来构成V型结构，并通过两根V型支撑气弹簧32分别与V型清洗刷头支架34和V型清洗臂36的连接，使V型清洗臂36能始终以一定的弹力围绕V型清洗刷头支架34进行摆动，能够通过V型清洗臂36的运动来适应不同直径风机塔筒的表面弧度，同时通过安装至V型清洗臂36上的两个清洗滚刷30来接触风电塔筒并完成滚动式清洗。

其中，两个清洗滚刷30分别通过安装在V型清洗臂36上的一组清洗滚刷同步带轮38和清洗滚刷传动同步带37来实现清洗滚刷30的旋转，同时在V型清洗臂36上还安装有雾化喷嘴31和水管33 ，V型清洗刷头支架34上布置有管路接头可将地面高压输送过来的清洗液经由水管33分别输送至安装至V型清洗臂36两侧的雾化喷嘴31，通过高压可将地面的清洗剂输送至主清洗机构3来对塔筒表面喷射清洗剂，清洗机构在雾化的清洗液以及滚刷的滚动清洗下达到更佳的清洗效果。同时为了防止V型清洗臂36的摆动角度过大，在V型清洗刷头支架34还安装有定位滚轮35来对V型清洗臂36的摆动角度进行限位。

V型清洗刷头支架34上还安装有V型清洗支架齿轮39、电机传动同步带40、主驱动带轮41、右侧滚刷驱动带轮42、左侧滚刷驱动带轮43、清洗驱动电机44。

清洗滚刷30的驱动通过安装在V型清洗刷头支架34上的清洗驱动电机44来实现，清洗驱动电机44通过电机传动同步带40与主驱动带轮41将旋转动力传递至右侧滚刷驱动带轮42及左侧滚刷驱动带轮43上，右侧滚刷驱动带轮42及左侧滚刷驱动带轮43分别将动力传递至安装在V型清洗臂36上的清洗滚刷同步带轮38和清洗滚刷传动同步带37上，来实现两组清洗滚刷30的同步旋转。

V型清洗刷头支架34上还安装有清洗支架导向套45，用于连接至图5所示的V型清洗支架导向轴26或图4所示的一字型清洗导向轴12，清洗支架导向套45与V型清洗支架导向轴26或一字型清洗导向轴12形成滑动副，作为V型刷头清洗机构7在清洗机构上的线性导向作用，来实现V型清洗刷头机构7的直线运动，同时清洗驱动电机44还能将旋转动力传递至安装在V型清洗刷头支架34上的V型清洗支架齿轮39或一字型清洗支架齿条11，通过V型清洗支架齿轮39与图5所示的V型清洗机构齿条29或图4所示的一字型清洗支架齿条11的啮合以及清洗驱动电机44正反旋转运动，可驱动整个V型清洗刷头机构7在V型清洗支架导向轴26或一字型清洗导向轴12上实现来回直线运动，使两个清洗滚刷30能够在V型清洗支架导向轴26或一字型清洗导向轴12的行程范围内覆盖更多的塔筒清洗面。

塔筒清洗同步驱动过程为：清洗驱动电机44通过电机传动同步带40将选择动力传到主驱动带轮41，再由主驱动带轮41带动在同一根驱动轴上的右侧滚刷驱动带轮42、左侧滚刷驱动带轮43、V型清洗支架齿轮39同步旋转，其中，右侧滚刷驱动带轮42和左侧滚刷驱动带轮43分别通过一组清洗滚刷传动同步带37和清洗滚刷同步带轮38对左右两侧的清洗滚刷30进行同步驱动，V型清洗支架齿轮39与主清洗机构3上所安装的V型清洗支架齿条29啮合，通过清洗驱动电机44的正反转运动来驱动V型清洗支架齿轮39，从而驱动V型刷头清洗机构7在V型清洗支架齿条29上进行来回往复直线运动，使清洗滚刷30能够通过往复运动覆盖往复运动范围内的塔筒表面。

如图7所示，通过可变V型转角1以及与其连接的推拉杆机构2所组成的六边形结构能够通过改变边长来对不同的风机塔筒直径进行适应，使可变框架结构的履带攀爬式风电塔清洗检测机器人能够沿着锥形结构的塔筒进行自适应的攀爬运动，主清洗机构3上布置的两组V型刷头清洗机构7在塔筒底部大圆直径的清洗范围内有部分无法覆盖的清洗区域，由安装在一字型清洗机构支架6上的一组V型刷头清洗机构7来进行清洗盲区的清洗，从而使清洗作业能够覆盖到塔筒底部至塔筒顶部。

适应直径范围为2.5米-4.5米。

本实用新型充分利用了多边形框架变边长以及永磁吸附和履带攀爬的特点，通过六边形可变大小的框架来实现对风机塔筒上窄下宽锥形塔筒的适应能力，通过永磁吸附履带攀爬装置能稳定可靠的吸附于塔身壁面之上，并且能沿塔身壁面快速移动，通过安装在框架结构上的清洗机构和成像设备来对风电机组进行清洗作业和检测作业，是一种高效低成本，稳定可靠的风机塔筒维护机器人设备。

其它实施例中：包括以下内容中在实施例1中没有出现的技术内容：

本实用新型作为清洗机构如上所述应用到一种可变框架结构的履带攀爬式风电塔清洗检测机器人中，该种可变框架结构的履带攀爬式风电塔清洗检测机器人包括可变V型转角1，推拉杆机构2，清洗机构，塔筒永磁履带攀爬机构4；所述可变V型转角1和推拉杆机构2组成多边框架结构，清洗机构和塔筒永磁履带攀爬机构4相对于多边框架结构，两者同向均匀分布或异向均匀分布安装在可变V型转角1和/或推拉杆机构2上，推拉杆机构2采用被动式伸缩调整结构或采用在动力装置作用下的主动式伸缩调整结构，推拉杆机构2、清洗机构和塔筒永磁履带攀爬机构4三者的动力装置设置时，采用独立设置、任意两者或三者统一设置并传动机构传动，多边框架在塔筒永磁履带攀爬机构4的作用下，沿着塔筒的轴向上下运动或沿着风电塔的轴向螺旋向上向下运动，清洗采用定向方式、旋转方式或摆动方式，清洗机构的运动方向与多边框架运动方向垂直或与多边框架螺旋运动方向一致。

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实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。