一种新型的差动驱动复合吸附式爬壁机器人制造技术

本发明专利技术属于特种机器人技术领域，具体来说是一种新型的差动驱动复合吸附式爬壁机器人，包括爬行机构，爬行机构包括采用万向滚动磁轮装置的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器；爬行机构为三轮结构，两个后轮作为驱动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向。本发明专利技术优点在于爬行机构的前轮模块为万向滚动磁轮，运动中始终保持纯滚动状态，运动灵活；后轮模块的吸附力可通过底盘与导磁壁面之间的间隙进行调整；同时采用了磁轮和永磁间隙吸附装置，前轮采用磁轮，在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时环绕后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置，保证爬壁机器人具有强负载能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于特种机器人
，具体来说是ー种新型的差动驱动复合吸附式爬壁机器人。
技术介绍
磁吸附爬壁机器人是特种机器人的ー种，是ー种设计用来在恶劣、危险、极限情况下、在导磁壁面上进行特定作业如焊接、打磨、检查、检测等的一种自动化机械装置，越来越受到人们的重视。目前磁吸附爬壁机器人已在核エ业、石化エ业、建筑エ业、消防部门、造船业等铁磁性结构的生产施工中得到了广泛的应用。 爬壁机器人必须具有两个基本功能壁面吸附功能和移动功能。但是，这两者又是矛盾的机器人的负载能力越强，要求爬壁机器人和导磁壁面间的吸附カ越大，但这也造成了爬壁机器人在运动时的阻カ越大，爬壁机器人的吸附能力和移动性能是矛盾的。经文献检索发现，现有的磁吸附爬壁机器人主要有磁足式爬壁机器人，磁轮式爬壁机器人，履带式磁吸附爬壁机器人，间隙吸附式爬壁机器人。磁足式爬壁机器人是靠磁足提供的吸附カ吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附カ必须可调，多采用电磁铁提供吸附力，如日本日立公司研制的八足磁吸附爬壁机器人。足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好。另外，采用电磁铁提供吸附力，需要消耗电能，且存在意外断电造成的安全隐患。磁轮式爬壁机器人是靠磁轮的吸附カ吸附在导磁壁面上。申请日为2004年I月5日、申请号为200410016429. 6的专利文献涉及的“磁轮吸附式爬壁机器人”，其技术方案为包括左轮结构、支承架、检测结构、滚轮、码盘、位置校正结构、右轮结构，左轮结构和右轮结构相同，对称固定在支承架的两侧，检测结构固定在支承架的前边，滚轮和码盘固定在支承架的中间，位置校正结构连接在支承架最右侧，其可适应壁面的曲率，绕支承架作一定角度的转动，在机器人运动过程中校正机器人的位姿。本专利技术可完成石油筒壁等危险环境中的焊缝检測。上述专利技术的特点是运动灵活性较好，但是由于磁轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力较差。履带式磁吸附爬壁机器人是靠安装在履带式移动机构上的吸块吸附在导磁壁面上。申请日为2000年I月26日、申请号为00200795. 9的专利文献涉及的“履带式永磁爬壁机构”，其主要技术方案为本爬行机构由车体，动カ部分和行走机构三部分组成，车体是ー个箱形柔性结构，在内部安装动カ部分，动カ部分是两个电动机及其減速机构，其输出轴分别带动车体两侧的主动链轮。行走机构安置在车体两侧，由主动链轮，导轮，永磁铁及链条张紧机构组成，每ー主动链轮带动三根封闭式链条，在三根链条之间的两个间隙处，沿链条全长视负重均匀布置永磁铁。其特点是负载能力强，但是其运动灵活性较差，特别是在进行转向运动时，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻カ大，转向半径大，转向灵活性差。间隙吸附式爬壁机器人是靠安装在底盘上的与导磁壁面间具有一定间隙的永磁体吸附在导磁壁面上。申请日为2005年10月8日、申请号为200510086383. X的专利文献涉及的“轮式非接触磁吸附爬壁机器人”，其技术方案为包括轮式移动机构和永磁吸附装置，轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮。所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向；永磁吸附装置安装在所述底盘上，所述永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，磁能利用率高，吸附能力強。上述专利特点是吸附カ大，但是由于所有的驱动轮都是不能相对车体转向的圆柱轮，转向阻カ大，转向灵活性差。直角坐标系机械手臂由直线运动副构成，申请日为2006年10月30日、申请号为200620149190. 4的专利文献涉及的“多轴式机械手臂”，其特点是有三个直线运动副构成，可实现空间任意位置的作业，结构简单，成本较低，但本身占用体积较大，末端工作装置无法变化角度。多关节机械手臂由多个转动副构成，动作灵活，占用体积小，但目前未见多关节机械手臂用在磁吸附式爬壁机器人领域的报道。综上所述，现有的爬壁机器人或者是运动灵活性较好而负载能力差，或者是负载能力强而运动灵活性差，未能较好地解决爬壁机器人移动和吸附的矛盾，综合性能不好。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术在运动灵活性和负载能力两方面综合性能的不足，解决爬壁机器人吸附和移动的矛盾，设计ー种新型的差动驱动复合吸附式爬壁机器人，使其在具有强负载能力的同时，能在壁面上灵活运动，从而解决现有技术中存在的问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下 ー种新型的差动驱动复合吸附式爬壁机器人，包括爬行机构，其特征在于所述爬行机构包括采用万向滚动磁轮装置的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器；爬行机构为三轮结构，两个后轮作为驱动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向； 后轮模块包括底盘、穿过底盘的两后轮、带动车轮的減速器、驱动减速器的直流电机，永磁间隙吸附装置包括底盘下方井分别环绕两后轮的永磁体，后轮模块的两后轮对称布置；前轮模块采用万向滚动磁轮，包括环形永磁体和全方位轮，可跟随车体灵活转动； 万向滚动磁轮装置包括中央的环形永磁体以及两侧的全方位轮，环形永磁体和两个全方位轮同轴放置，环形永磁体轴向充磁；两侧的全方位轮的轮毂为低碳钢，作为轭铁与中央的环形永磁体一起构成磁路的一部分；在轮毂的外缘分别均匀设置有18个方形凹槽，相对应的辊子轴两端为方形，安装在方形凹槽里；辊子安装在辊子轴上，辊子轴上的轴肩和套筒对辊子定位，辊子结构为在不锈钢轴承外缘包覆ー层聚氨酯层，辊子共有18个，均匀分布于轮毂周围，辊子轴线与轮毂的轴线正交，两侧的全方位轮交错布置，使得ー侧全方位轮的辊子的轴向投影位于另ー侧全方位轮的两个辊子中间，当车轮具有沿轴向的运动趋势时两侧全方位轮与地面接触的辊子绕自身轴线转动，使得车轮仍然保持纯滚动状态。进ー步的，所述的永磁间隙吸附装置包括环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体，永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。进ー步的，所述底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体一起构成磁路。进ー步的，減速器包括第一级行星齿轮减速器和第二级涡轮蜗杆减速器，直流电机后接ニ级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。本专利技术的优点在于 1、本专利技术所述爬行装置采用接触式磁轮吸附(即万向滚动磁轮)和非接触式间隙吸附(即包括永磁间隙吸附装置)的复合方式，三轮结构，依靠两个后车轮作为驱动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向，前轮为万向滚动磁轮，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0，机器人可在导磁壁面可靠吸附并实现自主灵活移动。在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时环绕后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置，保证爬壁机器人具有强负载能力，采用两种吸附方式相结合使吸附更加可靠，在相关领域尚未见应用。 2、转向机构引入冗余控制方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度。3、本专利技术所述爬行机构的前轮模块为万向滚动磁轮，运动中始終保持纯滚动状态，运动灵活；后轮模块的吸附カ可通过底盘与导磁壁面之间的间隙进行调整。4、本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种新型的差动驱动复合吸附式爬壁机器人，包括爬行机构，其特征在于所述爬行机构包括采用万向滚动磁轮装置的前轮模块(I)、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块(3)、连接前后轮的车架(2)和安装在车架(2)上的电机驱动控制器；爬行机构为三轮结构，两个后轮作为驱动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向； 后轮模块(3)包括底盘(5)、穿过底盘(5)的两后轮、带动车轮(6)的減速器、驱动减速器的直流电机(9)，永磁间隙吸附装置包括底盘(5)下方井分别环绕两后轮的永磁体(4)，后轮模块(3)的两后轮对称布置；前轮模块(I)采用万向滚动磁轮，包括环形永磁体(11)和全方位轮(10),可跟随车体灵活转动； 万向滚动磁轮装置包括中央的环形永磁体(11)以及两侧的全方位轮(10)，环形永磁体(11)和两个全方位轮(10)同轴放置，环形永磁体(11)轴向充磁；两侧的全方位轮(10)的轮毂为低碳钢，作为轭铁与中央的环形永磁体(11) 一起构成磁路的一部分；在轮毂的外缘分别均匀设置有18个方形凹槽，相对应的辊子轴(15)两端为方形，安装在方形凹槽里；辊子(13)安装在辊子轴(15)上，辊子轴(15)上的轴肩和套筒对辊子(13)定位，辊子(13)结构为在不锈钢轴承外缘包覆ー层聚氨酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：桂仲成，陈博翁，张帆，肖唐杰，李永龙，姜周，贺骥，盛仲曦，徐进峰，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：