一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人
阅读说明：本技术 一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人 (Magnetic force self-adaptive amphibious wall-climbing robot ) 是由 许锋炜 张东京 葛沈瑜 张震 吴世海 潘广善 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及水下机器人技术领域,尤其是一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人。其包括两个左右对称设置的行走车架模块,所述两个行走车架模块之间通过中间车架模块可拆卸的连接,行走车架模块上端后部设置密封控制盒,行走车架模块前端设置摄像头；所述行走车架模块包括行走车架框架,所述行走车架框架包括两个左右对称设置的铰接车板,铰接车板包括分前后设置的前纵梁和后纵梁,前纵梁后端和后纵梁前端通过第一铰接螺栓铰接连接,前纵梁上沿高度方向设置长条形的第一限位螺栓孔。本发明采用自适应车架结构,行走车架框架和中间车架模块采用铰接的连接形式,使得爬壁机器人能够适应各种曲率以及凹凸不平的表面,大大提高了爬壁机器人的工作能力。(The invention relates to the technical field of underwater robots, in particular to a magnetic force self-adaptive amphibious wall-climbing robot. The device comprises two walking frame modules which are arranged in bilateral symmetry, wherein the two walking frame modules are detachably connected through a middle frame module; the walking frame module comprises a walking frame, the walking frame comprises two hinged vehicle plates which are arranged in a bilateral symmetry mode, the hinged vehicle plates comprise a front longitudinal beam and a rear longitudinal beam which are arranged in the front and the rear directions, the rear end of the front longitudinal beam and the front end of the rear longitudinal beam are connected in a hinged mode through a first hinged bolt, and a first long-strip-shaped limiting bolt hole is formed in the front longitudinal beam in the height direction. The invention adopts a self-adaptive frame structure, and the walking frame and the middle frame module adopt a hinged connection form, so that the wall-climbing robot can adapt to various curvatures and uneven surfaces, and the working capacity of the wall-climbing robot is greatly improved.)
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人。
背景技术
水下爬壁机器人是一种在极限环境下作业的机器人，它将水下密封技术、爬壁技术和移动机器人技术集成于一体，使之能够在倾斜、垂直或者倒立壁面上灵活运动，同时可携带相关设备完成工作任务，能够有效解决人工难以或不能完成的任务，实现水下高强度、高危险环境中的自动化作业，大大提高了生产效率，节省了工人劳动力，同时有效降低了劳动风险。目前，水下爬壁机器人已经在民用船舶、海军舰艇、海洋平台、海底管道、大坝的水下检修、清刷作业中得到了一定的应用。
根据吸附方式的不同，爬壁机器人可分为磁吸附、负压吸附、推力吸附等。磁吸附又分为永磁吸附和电磁吸附，电磁吸附式结构复杂、安全性差，而永磁铁具有可靠性高、体积小等优势，逐步成为未来的主要发展方向。
在实际应用中，爬壁机器人的工作表面是多曲率、多障碍的空间曲面，例如船体表面和海洋管道等，会导致爬壁机器人吸附力的变化，进而影响爬壁机器人的负载和作业能力，此外，工作表面的凹凸不平和障碍物也会导致爬壁机器人底盘的离地间隙发生变化，如底盘的离地间隙过低可能会被障碍物卡住；驱动轮悬空可能导致驱动失效等。因此，要求爬壁机器人具备曲面自适应能力。目前多数磁吸附爬壁机器人均采用履带式或磁轮式吸附。履带式磁吸附可以产生很大的吸附力，但是其转向能力很差，对曲面的适应力差，翻越障碍能力不足。磁轮式爬壁机器人转向性能和曲面适应性较好，但是由于磁轮尺度的限制，导致吸附能力不足。
发明内容
本申请针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人，采用自适应结构的行走车架模块，车架部分均采用铰接的形式，使得爬壁机器人能够适应各种曲率以及凹凸不平的表面，大大提高了爬壁机器人的工作能力。
本发明所采用的技术方案如下：
一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人，包括两个左右对称设置的行走车架模块，所述两个行走车架模块之间通过中间车架模块可拆卸的连接，行走车架模块上端后部设置密封控制盒，行走车架模块前端设置摄像头；所述行走车架模块包括行走车架框架，所述行走车架框架包括两个左右对称设置的铰接车板，铰接车板包括分前后设置的前纵梁和后纵梁，前纵梁后端和后纵梁前端通过第一铰接螺栓铰接连接，前纵梁上沿高度方向设置长条形的第一限位螺栓孔，后纵梁上对应第一限位螺栓孔的位置连接第一限位螺栓，第一限位螺栓前端伸入第一限位螺栓孔中，前纵梁后端和后纵梁能够围绕第一铰接螺栓相对转动，并通过第一限位螺栓孔和第一限位螺栓实现转动幅度的限制。
进一步的，行走车架框架前后部分别转动连接从动轴和驱动轴，从动轴和驱动轴两端分别连接行走车轮，驱动轴上连接减速机输出端，减速机输入端连接水密电机，驱动轴上连接驱动链轮，从动轴上连接从动链轮，驱动链轮通过传动链条连接从动链轮，后纵梁后端通过连接件可拆卸的连接减速机壳体，前纵梁前端通过轴套结构转动连接从动轴。
进一步的，前纵梁后端和后纵梁上共同设置相互贯通的第一锁紧螺栓孔，第一锁紧螺栓孔内能够设置第一锁紧螺栓，第一锁紧螺栓能够将铰接车板变成刚性连接。
进一步的，前纵梁上沿长度方向设置前减重孔，后纵梁上沿长度方向设置后减重孔。
进一步的，中间车架模块包括两个分前后设置的对接组件，两个对接组件两端分别连接在两个行走车架模块的后纵梁上，对接组件包括第一对接板和第二对接板，第一对接板和第二对接板通过第二铰接螺栓铰接连接，第一对接板一端垂直设置第一支板，第二对接板一端垂直设置第二支板，所述第一对接板上沿高度方向设置长条形的第二限位螺栓孔，第二对接板上对应第二限位螺栓孔的位置设置第二限位螺栓，第二限位螺栓前端伸入第二限位螺栓孔中，第一对接板和第二对接板能够围绕第二铰接螺栓转动，第二限位螺栓和第二限位螺栓孔能够限制转动的幅度。
进一步的，第一对接板和第二对接板上设置前后贯通的第二锁紧螺栓孔，第二锁紧螺栓孔内能够设置第二锁紧螺栓，第一对接板和第二对接板均连接在后纵梁上。
进一步的，行走车架模块上端设置清洗模块。
进一步的，清洗模块包括清洗连接板，清洗连接板上通过连接件可拆卸的连接清洗安装板，清洗安装板通过连接件可拆卸的连接在中间车架模块上，清洗连接板上设置轴承座，轴承座内转动连接转轴，转轴上端固接摆臂一端，摆臂另一端连接清洗枪，清洗连接板上设置往复移动驱动机构，往复移动驱动机构连接摆臂，往复移动驱动机构能够带动摆臂往复移动；所述往复移动驱动机构包括固定在清洗连接板底部的水下舵机，水下舵机驱动端穿过清洗连接板并连接曲柄一端，曲柄另一端通过销轴连接连杆一端，连杆另一端连接摆轴下端，摆轴上端转动连接摆臂。
进一步的，行走车架模块的前后部底端面分别设置吸附模块，吸附模块能够根据曲面形状自动调节至吸力最大的位置。
进一步的，吸附模块包括永磁铁，永磁铁下端和左右两侧包覆设置包板，永磁铁上端包覆设置顶板，永磁铁前后端分别包覆设置侧板，包板和顶板、侧板通过连接件可拆卸的连接并将永磁铁完全包覆在内，侧板上设置贯通的定位孔，顶板两端分别设置凸出的定位插块，顶板两端的定位插块分别对应伸入两侧的侧板的定位孔中，所述侧板上通过紧固螺栓连接磁铁连接板，磁铁连接板通过轴套连接行走车架模块，侧板上连接紧固螺栓位置处沿高度方向设置长条形的高度调节孔，磁铁连接板侧面通过连接件可拆卸的连接磁铁调节板，磁铁调节板上端连接调节螺栓，调节螺栓前端伸入侧板的调节螺栓孔中。
本发明的有益效果如下：
本发明采用自适应车架结构，行走车架框架和中间车架模块采用铰接的连接形式，使得爬壁机器人能够适应各种曲率以及凹凸不平的表面，大大提高了爬壁机器人的工作能力；本发明设有自适应吸附模块，永磁铁离地间隙可调，同时吸附模块能够绕轴转动，当工作表面不平时，可自动调整至吸附力最大的位置，与自适应车架有效组成了自适应底盘系统，显著提高了越障能力和曲面适应能力；本发明采用差速式转向，同时设置有8个轮子，均能够提供驱动力和制动力，使得整车驱动力分布均衡，有效减小了越障时部分车轮打滑带来的影响，提高了行走的平稳性和可靠性。
附图说明
图1为本发明立体结构图。
图2为本发明去除清洗模块结构图。
图3为本发明行走车架模块结构图。
图4为本发明行走车架框架结构图。
图5为本发明中间车架模块结构图。
图6为本发明清洗模块结构图。
图7为本发明吸附模块结构图。
图8为本发明吸附模块安装结构图。
图9为本发明越障的示意图。
图10为本发明在一种凸表面行走示意图。
图11为本发明在一种凹表面行走示意图。
图12为本发明在一种凸曲面行走示意图。
图13为本发明在一种凹曲面行走示意图。
其中：100、行走车架模块；110、行走车架框架；111、前纵梁；112、后纵梁；113、第一铰接螺栓；114、第一限位螺栓；115、第一限位螺栓孔；116、第一锁紧螺栓孔；117、前减重孔；118、后减重孔；120、从动轴；130、驱动轴；140、水密电机；150、减速机；160、传动链条；170、驱动链轮；180、从动链轮；190、行走车轮；200、中间车架模块；210、第一对接板；220、第一支板；230、第二对接板；240、第二支板；250、第二铰接螺栓；260、第二限位螺栓；270、第二限位螺栓孔；280、第二锁紧螺栓孔；300、吸附模块；310、包板；320、顶板；330、侧板；340、磁铁连接板；350、磁铁调节板；360、调节螺栓；370、高度调节孔；380、紧固螺栓；390、定位插块；400、清洗模块；410、清洗连接板；420、清洗安装板；430、往复移动驱动机构；431、水下舵机；432、曲柄；433、连杆；434、摆轴；440、轴承座；450、转轴；460、摆臂；470、清洗枪；500、密封控制盒；600、摄像头。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示的实施例中，一种磁力自适应的水陆两用爬壁机器人主要包括两个左右对称设置的行走车架模块100，两个行走车架模块100之间通过中间车架模块200可拆卸的连接。行走车架模块100的前后部底端面分别设置吸附模块300，吸附模块300能够根据曲面形状自动调节至吸力最大的位置，保证爬壁机器人的平稳作业。行走车架模块100上端设置清洗模块400，清洗模块400能够完成工作表面的清洗工作。行走车架模块100上端后部设置密封控制盒500，行走车架模块100前端设置摄像头600。
如图3所示的实施例中，行走车架模块100包括行走车架框架110，行走车架框架110前后部分别转动连接从动轴120和驱动轴130，从动轴120和驱动轴130两端分别连接行走车轮190。驱动轴130上连接减速机150输出端，减速机150输入端连接水密电机140。驱动轴130上连接驱动链轮170，从动轴120上连接从动链轮180，驱动链轮170通过传动链条160连接从动链轮180。
水密电机140通过减速机150放大扭矩后将动力提供给驱动轴130，驱动轴130带动两个驱动后轮转动，然后通过链轮链条传动机构将后轮动力传递给前轮，从而保证单组驱动单元的四个行走车轮190均具有动力和制动力。另一组的驱动单元布置形式相同，整个爬壁机器人具备共8个行走车轮190，均能够提供驱动力和制动力，使得整车驱动力分布均衡，有效减小了越障时部分车轮打滑带来的影响，提高了行走的平稳性和可靠性。
为实现曲面爬行适用能力，如图4所示的实施例中，行走车架框架110包括两个左右对称设置的铰接车板，铰接车板包括分前后设置的前纵梁111和后纵梁112，后纵梁112后端通过连接件可拆卸的连接减速机150壳体，前纵梁111前端通过轴套结构转动连接从动轴120。前纵梁111后端和后纵梁112前端通过第一铰接螺栓113铰接连接。前纵梁111上沿高度方向设置长条形的第一限位螺栓孔115，后纵梁112上对应第一限位螺栓孔115的位置连接第一限位螺栓114，第一限位螺栓114前端伸入第一限位螺栓孔115中，前纵梁111后端和后纵梁112能够围绕第一铰接螺栓113相对转动，对行走表面为曲面以及球面的情况适应性更强，并通过第一限位螺栓孔115和第一限位螺栓114实现转动幅度的限制。前纵梁111后端和后纵梁112上共同设置相互贯通的第一锁紧螺栓孔116，第一锁紧螺栓孔116内能够设置第一锁紧螺栓，第一锁紧螺栓能够将铰接车板变成刚性连接。
如图4所示的实施例中，前纵梁111上沿长度方向设置前减重孔117，后纵梁112上沿长度方向设置后减重孔118，前减重孔117和后减重孔118能够减轻行走车架框架110整体的重量，使得爬壁机器人行走更轻松。
如图5所示的实施例中，中间车架模块200包括两个分前后设置的对接组件，两个对接组件两端分别连接在两个行走车架模块100的后纵梁112上。对接组件包括第一对接板210和第二对接板230，第一对接板210和第二对接板230通过第二铰接螺栓250铰接连接，第一对接板210一端垂直设置第一支板220，第二对接板230一端垂直设置第二支板240。
如图5所示的实施例中，第一对接板210上沿高度方向设置长条形的第二限位螺栓孔270，第二对接板230上对应第二限位螺栓孔270的位置设置第二限位螺栓260，第二限位螺栓260前端伸入第二限位螺栓孔270中，第一对接板210和第二对接板230能够围绕第二铰接螺栓250转动，第二限位螺栓260和第二限位螺栓孔270能够限制转动的幅度。第一对接板210和第二对接板230上设置前后贯通的第二锁紧螺栓孔280，第二锁紧螺栓孔280内能够设置第二锁紧螺栓，第二锁紧螺栓能够将铰接结构变成刚性连接。第一对接板210和第二对接板230均连接在后纵梁112上，使得走车架框架110横向转动自由度和纵向转动自由度互不影响，对曲面以及球面的适应性更强。
如图6所示的实施例中，清洗模块400包括清洗连接板410，清洗连接板410上通过连接件可拆卸的连接清洗安装板420，清洗安装板420通过连接件可拆卸的连接在中间车架模块200上。清洗连接板410上设置轴承座440，轴承座440内转动连接转轴450，转轴450上端固接摆臂460一端，摆臂460另一端连接清洗枪470。清洗连接板410上设置往复移动驱动机构430，往复移动驱动机构430连接摆臂460，往复移动驱动机构430能够带动摆臂460往复移动。
如图6所示的实施例中，往复移动驱动机构430包括固定在清洗连接板410底部的水下舵机431，水下舵机431驱动端穿过清洗连接板410并连接曲柄432一端，曲柄432另一端通过销轴连接连杆433一端，连杆433另一端连接摆轴434下端，摆轴434上端转动连接摆臂460。
摆臂460前端的清洗枪470能发出高压水射流进行工作表面的清洗工作，往复移动驱动机构430能带动摆臂460前端的清洗枪470来回往复清洗。
如图7所示的实施例中，吸附模块300包括永磁铁，永磁铁下端和左右两侧包覆设置包板310，永磁铁上端包覆设置顶板320，永磁铁前后端分别包覆设置侧板330，包板310和顶板320、侧板330通过连接件可拆卸的连接并将永磁铁完全包覆在内。
为了保证侧板330的连接强度，如图7所示的实施例中，侧板330上设置贯通的定位孔，顶板320两端分别设置凸出的定位插块390，顶板320两端的定位插块390分别对应伸入两侧的侧板330的定位孔中，实现侧板330和顶板320的定位连接。
如图7和图8所示，侧板330上通过紧固螺栓380连接磁铁连接板340，磁铁连接板340通过轴套连接行走车架模块100，侧板330上连接紧固螺栓380位置处沿高度方向设置长条形的高度调节孔370，通过高度调节孔370的设置使得磁铁连接板340和侧板330的连接位置能够进行调节。磁铁连接板340侧面通过连接件可拆卸的连接磁铁调节板350，磁铁调节板350上端连接调节螺栓360，调节螺栓360前端伸入侧板330的调节螺栓孔中。
正常工作时，通过调节螺栓360调节永磁体离地间隙后进行锁紧，即可进行作业，当爬壁机器人在曲面上行走时，吸附模块300通过与轴套的配合面实现自由转动，根据曲面形状自动调节至吸力最大的位置，保证爬壁机器人的平稳作业。
本发明的工作原理是：爬壁机器人正常工作时，两个行走车架模块100分别由各自的水密电机140驱动驱动轴转动，然后通过链轮链条传动机构将驱动力传递到从动轴，从而在行驶时，两个行走车架模块100的8个驱动轮均具有驱动力。在制动时，两个水密电机的制动力通过同样的方式传递到8个驱动轮，保证了爬壁机器人吸力不浪费，摩擦力最大化，同时能稳定的吸附在竖直壁面。转向时，通过调节两个水密电机的转速不同，从而保证左右侧车轮的转速不一致实现转向。清洗时，水下舵机431驱动曲柄摇杆机构实现摆臂的往复运动，清洗枪470发出高压水射流，清理面积可完全覆盖车轮前方行进路线上的工作表面。
如图9所示，本发明在越障时，当车头左前角有一障碍物时，由于行走车架框架和中间车架模块采取铰接的方式，左前方两个行走车轮190可单独抬起，其余三组(六个)行走车轮190不受影响，仍紧贴工作表面行走，越障时对于磁铁吸力的损失小，同时行走车架框架和中间车架模块可灵活自适应，通过性强。
图10～13表示了本发明在不同曲率工作表面的行驶情况，在图10～11中，本发明的前后纵梁铰接，能够在带有曲率的表面行驶时成一定角度，实现在纵向上的自适应，保证底盘的通过性，在图12～13中，爬壁机器人左右两部分通过第一连接板和第二连接板铰接，在凹凸表面上能够保证8个驱动轮紧贴工作表面，使得吸附单元离地间隙保持一致，避免了磁铁吸力分布不均匀，保证了吸力最大化。
本发明在平整表面行驶时，吸附模块吸力方向垂直于工作表面，此时提供的吸附力最大，当工作表面不平整，带有一定曲率时，铰接的前后纵梁此时成一定角度，保证底盘的通过性，同时吸附模块会受到磁力作用，绕轴套自动转动至磁力最大方向，即磁力方向沿工作表面的法向，保证了磁铁吸力利用最大化，显著提高了曲面适应能力。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
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