一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人。

背景技术

近年来，我国石化、核电、火电等国民经济支柱产业发展呈现井喷态势，其很大程度上依赖于石化及放射物储罐、锅炉等核心装备的安全运营。定期对上述装备开展打磨、喷漆、检测等立面维护作业已成为保障其安全运营的重要举措，据此催生出年均产值数百亿的立面维护行业。立面维护行业长期依赖于人工进行高空作业，智能化、自动化程度不高。由于环保压力，人力短缺等外在条件的制约，当前全球立面维护行业已处于维护作业工艺与装备升级换代的关键时期，因此，急需开发一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人以解决上述技术问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人，针对导磁罐体的外壁面作业，实现爬壁机器人对储罐外壁的曲率适应，通过搭载打磨作业模块，提高作业效率，应用前景广阔，有利于推广应用。

为了实现上述目的，本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人，包括车体，设置于车体底部的定向轮驱动单元以及设置于车体前方的前端功能单元；

所述车体包括车体框架，所述车体框架由前板，上盖板，侧板左，L型侧板左，后板，底板，L型侧板右和侧板右利用螺钉固接而成，永磁体阵列式安装于底板上，为爬壁机器人提供安全稳定的吸附力，车体前方固接有前摄像头，用以观察壁面的作业情况，防止发生大的偏移，车体后方固接有后摄像头，用以观察机器人周围的环境，防止发生碰撞，所述上盖板顶部设有电源盒，防坠器把手和控制盒，车体外侧设有金属把手，便于工作人员进行搬运，所述后板呈L型，其垂直部与后轮安装板固接，其水平部上方设有焊缝追踪器，水平部下方通过万向轮安装板安装有随动万向轮；

所述定向轮驱动单元为左右完全对称结构，包括伺服电机，所述伺服电机由电机驱动器驱动固定在车体底板上，所述伺服电机输出端与换向器输入端连接，所述换向器固定在车体底板上，所述换向器输出端与减速器输入法兰通过轴输入，所述伺服电机通过换向器将驱动力矩传递给减速器输入法兰，进而带动谐波减速器转动，所述减速器输出法兰与包胶轮驱动法兰传动连接，所述包胶轮驱动法兰与包胶轮连接，所述谐波减速器的侧面设有大轴承端盖，所述谐波减速器输出轴外侧套设有角接触球轴承；

所述前端功能单元包括旋转电机，所述旋转电机的前端设有打磨片，所述旋转电机与旋转电机支板连接，小型气缸二固定在连接板上，小型气缸二的伸缩杆前端与旋转电机支板连接，通过小型气缸二的伸缩杆前端的伸缩运动控制旋转电机支板延伸缩方向运动，进而实现旋转电机的升降，所述小型气缸一的伸缩杆前端设有鱼眼接头，所述鱼眼接头与鱼眼摆动块连接，所述鱼眼摆动块与连接板通过轴连接，通过小型气缸一伸缩杆前端的伸缩运动带动鱼眼摆动块转动，所述鱼眼摆动块转动通过轴传递到连接板，可实现连接板在规定角度的摆动，从而实现旋转电机的摆动，所述小型气缸一固定在前端固定板上，所述前端固定板安装在滑台电机滑块上，上述机构通过滑台电机滑块的运动可沿滑台电机行走，所述滑台电机通过L型板与车体固接。

优选地，所述永磁体为高性能型号永磁体，通过永磁体固定板安装于车体底板上。

优选地，所述减速器输出法兰与包胶轮驱动法兰之间的传动连接方式为异形孔传动或顶丝传动。

优选地，所述滑台电机的顶部设有用于支撑拖链的拖链支架。

优选地，所述前摄像头的安装方式为嵌入式，通过前摄像头安装盒固接于车体前方，所述后摄像头通过后摄像头挡板固接于车体后方。

优选地，所述前摄像头前方安装有前摄像头挡板，防止在作业过程中损伤前摄像头。

优选地，所述旋转电机通过旋转电机固定与旋转电机支板连接，所述旋转电机支板通过连接板与前端固定板连接。

优选地，所述伺服电机通过电机固定板固定在车体底板上。

优选地，所述换向器通过换向器固定板固定在车体底板上。

优选地，所述上盖板和底板上预留有若干机械电器快速接口，方便根据不同的作业需求搭载相应的作业模块，实现一机多用的效果。

本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人，具有如下有益效果。

1．本发明适用于导磁金属储罐等大型立面，特别是针对储罐的外壁，前端为两个定向驱动轮，后轮为两个万向轮结构，壁面转向灵活，利用永磁吸附技术，配合可更换磁铁模块，可适应同一个罐外壁的曲率变化，实现大范围安全稳定运动。前端搭载打磨焊缝的作业模块，实现打磨作业。

2．本发明的前轮为定向轮，后轮为随动万向轮，可以根据不同的壁面情况调整倾斜角度，保证永磁体对于罐体表面的有效吸附面积和距离，实现机器人可以在直径≥10米的球罐或储罐上安全稳定地运动，极大地提高了机器人本体在不同曲率表面的吸附有效性和安全性。

3．本发明在车体底板上布置磁体，可以采用添加垫片的方式调整磁铁与壁面的距离，进而调整吸附力的大小。

4．本发明前驱动轮选用包胶轮的方式，不仅能够防止车体刮伤壁面，还可以提供摩擦力，保证机器人的稳定作业。

5．本发明的车体上盖板为大平面，底板较低，且均留有多个机械电器快速接口，方便根据不同的作业需求搭载相应的作业模块，实现一机多用的效果。

6．在机器人驱动装置上，由于直角减速器尺寸和重量较大，且问题较突出，磨合时间相对较长，本发明采用换向器加谐波减速器的形式替代传统的直角减速器，缩小了机器人的整体尺寸，减轻了重量，可实现现场的即装即用和极限作业。

7．本发明采用前后双摄像头的形式，可实现对作业情况的实时观察，以在必要的时候进行人工纠偏，且前摄像头为嵌入式安装，增加了摄像头的稳定性，防止由于机器人运动导致的画面抖动，便于作业人员观察与操作。

附图说明

图1为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的结构示意图；

图2（a）和2（b）为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的壁面吸附示意图；

图3-4为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的轴测示意图；

图5为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的左视图；

图6（a）和6（b）为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的内部结构示意图；

图7（a），7（b）和7（c）为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的前端功能单元示意图。

图中：

1.车体 2.定向轮驱动单元 3.前端功能单元 101.前摄像头 102.前摄像头安装盒 103.前摄像头挡板 104.前板 105.金属把手 106. 盖板上 107.侧板左108.L型侧板左 109.随动万向轮 110.万向轮安装板 111.焊缝追踪器 112.电源盒113.防坠器把手 114.控制盒 115.后板 116.后轮安装板 117.底板 118.L型侧板右119.侧板右 120.后摄像头 121.后摄像头挡板 122.永磁体固定板 123.永磁体201.伺服电机 202.电机驱动器 203.电机固定板 204.换向器固定板 205.减速器输入法兰 206.谐波减速器 207.减速器输出法兰 208.包胶轮 209.换向器 210.大轴承端盖 211.角接触球轴承 212.包胶轮驱动法兰 301.拖链 302.拖链支架 303.L型板 304.滑台电机 305.小型气缸二 306.旋转电机支板 307.旋转电机 308.旋转电机固定 309.小型气缸一 310.打磨片 311.鱼眼接头 312.前端固定板 313.连接板314.鱼眼摆动块。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。

如图1，3，4，5，6（a）和6（b）所示，分别为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的结构示意图，轴测示意图，左视图和内部结构示意图。该可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人包括车体1，设置于车体1底部的定向轮驱动单元2以及设置于车体1前方的前端功能单元3。

所述车体1包括车体框架，所述车体框架由前板104，上盖板106，侧板左107，L型侧板左108，后板115，底板117，L型侧板右118和侧板右119利用螺钉固接而成，永磁体123通过永磁体固定板122阵列式安装于底板117上。为爬壁机器人提供安全稳定的吸附力，优选地，所述永磁体123为高性能型号永磁体。车体1前方通过前摄像头安装盒102固接有前摄像头101，用以观察壁面的作业情况，防止发生大的偏移，所述前摄像头101的安装方式为嵌入式。所述前摄像头101前方安装有前摄像头挡板103，防止在作业过程中损伤前摄像头101。车体1后方通过后摄像头挡板121固接有后摄像头120，用以观察机器人周围的环境，防止发生碰撞。所述上盖板106顶部设有电源盒112，防坠器把手113，和控制盒114，车体1外侧设有金属把手105，便于工作人员进行搬运，所述后板115呈L型，其垂直部与后轮安装板116固接，其水平部上方设有焊缝追踪器111，水平部下方通过万向轮安装板110安装有随动万向轮109。所述上盖板106上预留有若干机械电器快速接口，方便根据不同的作业需求搭载相应的作业模块，实现一机多用的效果。

所述定向轮驱动单元2为左右完全对称结构，包括伺服电机201，所述伺服电机201由电机驱动器202驱动，通过电机固定板203固定在车体1底板117上。固定在车体1底板117上，所述伺服电机201输出端与换向器209输入端连接，所述换向器209通过换向器固定板204固定在车体1底板117上。所述换向器209输出端与减速器输入法兰205通过轴输入，所述伺服电机201通过换向器209将驱动力矩传递给减速器输入法兰205，进而带动谐波减速器206转动，所述减速器输出法兰207与包胶轮驱动法兰212传动连接，优选地，所述减速器输出法兰207与包胶轮驱动法兰212之间的传动连接方式为异形孔传动或顶丝传动。所述包胶轮驱动法兰212与包胶轮208连接，所述谐波减速器206的侧面设有大轴承端盖210，所述谐波减速器206输出轴外侧套设有角接触球轴承211。

如图7（a），7（b）和7（c）所示，为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的前端功能单元示意图。所述前端功能单元3包括旋转电机307，所述旋转电机307的前端设有打磨片310，所述旋转电机307通过旋转电机固定308与旋转电机支板306连接，小型气缸二305固定在连接板313上，小型气缸二305的伸缩杆前端与旋转电机支板306连接，通过小型气缸二305的伸缩杆前端的伸缩运动控制旋转电机支板306延伸缩方向运动，进而实现旋转电机307的升降，所述小型气缸一309的伸缩杆前端设有鱼眼接头311，所述鱼眼接头311与鱼眼摆动块314连接，所述鱼眼摆动块314与连接板313通过轴连接，通过小型气缸一309伸缩杆前端的伸缩运动带动鱼眼摆动块314转动，所述鱼眼摆动块314转动通过轴传递到连接板313，可实现连接板313在规定角度的摆动，从而实现旋转电机307的摆动，所述小型气缸一309固定在前端固定板312上，所述前端固定板312安装在滑台电机304滑块上，上述机构通过滑台电机304滑块的运动可沿滑台电机304行走，所述滑台电机304通过L型板303与车体1固接。所述滑台电机304的顶部设有用于支撑拖链301的拖链支架302。

本发明的工作原理为：

爬壁机器人移动方式部分：爬壁机器人上电后，由人工搬运至罐体的壁面进行作业，机器人移动方式为前轮双驱动，由两个完全相同的伺服电机201作为动力，通过换向器209连接到减速器输入法兰205，大速比谐波减速器206减速后实现增大扭矩的效果，带动包胶轮208转动。转弯的实现是依靠伺服电机201的差速转动，机器人的随动万向轮109部分更利于转弯的实现，实现爬壁机器人可以在直径≥10米的球罐或储罐上安全稳定地运动。如图2（a）和2（b）所示，为本发明提供的一种可适用于储罐外壁打磨作业的爬壁机器人的壁面吸附示意图。

爬壁机器人上电后，前端功能单元3可进行单独上电和上气，通过遥控器打开焊缝追踪，实现爬壁机器人相对焊缝左右位置的调整。打开前端功能单元3，滑台电机304带动前端整个装置移动至原点，旋转电机307带动前端旋转至右侧后，滑台电机304带动前端由左端移动到右端，配合打磨片310的转动实现对焊缝的打磨，打磨片310打磨到滑台右侧的限位时，旋转电机307向左旋转至相反的位置，滑台电机304带动前端由右端移动到左端，配合打磨片310的转动实现对焊缝的打磨。爬壁机器人前端打磨一个来回为一个周期，打磨一个周期后机器人向下步进一次，步进一次后检测爬壁机器人中心是否偏离焊缝，若偏离则爬壁机器人自动调整左右位置。重复此过程，直至打磨作业完成。

车体1上搭载作业模块进行作业的同时，前摄像头101通过固定高度安装对作业情况进行观察，并通过前摄像头101可以观察到方向是否发生偏移，以便及时进行调整。后摄像头120固定安装以用来观察周围环境。

本发明适用于导磁金属储罐等大型立面，特别是针对储罐的外壁，前端为两个定向驱动轮，后轮为两个万向轮结构，壁面转向灵活，利用永磁吸附技术，配合可更换磁铁模块，可适应同一个罐外壁的曲率变化，实现大范围安全稳定运动。前端搭载打磨焊缝的作业模块，实现打磨作业。本发明的前轮为定向轮，后轮为随动万向轮109，可以根据不同的壁面情况调整倾斜角度，保证永磁体123对于罐体表面的有效吸附面积和距离，实现机器人可以在直径≥10米的球罐或储罐上安全稳定地运动，极大地提高了机器人本体在不同曲率表面的吸附有效性和安全性。

本发明在车体1底板117上布置磁体，可以采用添加垫片的方式调整磁铁与壁面的距离，进而调整吸附力的大小。本发明前驱动轮选用包胶轮208的方式，不仅能够防止车体1刮伤壁面，还可以提供摩擦力，保证机器人的稳定作业。本发明的车体1上盖板为大平面，底板117较低，且均留有多个机械电器快速接口，方便根据不同的作业需求搭载相应的作业模块，实现一机多用的效果。在机器人驱动装置上，由于直角减速器尺寸和重量较大，且问题较突出，磨合时间相对较长，本发明采用换向器209加谐波减速器206的形式替代传统的直角减速器，缩小了机器人的整体尺寸，减轻了重量，可实现现场的即装即用和极限作业。本发明采用前后双摄像头的形式，可实现对作业情况的实时观察，以在必要的时候进行人工纠偏，且前摄像头101为嵌入式安装，增加了摄像头的稳定性，防止由于机器人运动导致的画面抖动，便于作业人员观察与操作。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。