本发明揭示一种永磁吸附爬壁机器人，包括底盘、主电机和车体，车体和主电机均安装在底盘上。底盘包括第一机座及固定其上圆周且均布的三个轮模块，第一机座下方圆周均布三个磁铁。第一机座的中心固定有空心轴，空心轴上套有四个深沟球轴承，每两个球轴承连接一个尼龙齿轮。主电机通过电机法兰固定在空心轴上。离合器吸盘部分固定在电机法兰上，离合器线圈部分固定在承重板上并连接吊夹及吊环螺栓。保持架上方设置有车体上盖且保持架下方设置轴承，机座的对应位置设置轴承和轴承环，车体连接在轴承环上。本发明可根据负载选择所需要的轮模块数量以及驱动电机，节省电机成本，提高机械传动效率和使用寿命。
1.一种永磁吸附爬壁机器人，包括底盘、主电机和车体，所述车体和所述主电机均安装在底盘上，其特征在于，
所述底盘包括第一机座(7)以及固定在第一机座(7)上圆周且均匀分布的三个轮模块，第一机座(7)下方圆周均匀分布三个磁铁(47)，磁铁(47)设置在磁盘法兰(45)和磁铁毂(48)中，磁盘法兰(45)通过磁盘柱(49)连接在第一机座(7)上，在第一机座(7)的中心固定有空心轴(15)，空心轴(15)上套有四个深沟球轴承(17)，每两个球轴承(17)连接一个尼龙齿轮(13)且球轴承(17)之间间隔以第二轴承挡(18)并固定位置，其中上面的齿轮连接联轴器(12)，联轴器(12)通过转轴法兰与电机轴连接；
所述主电机通过电机法兰(14)固定在空心轴(15)上，且在第一机座(7)的底部设置电机盖(46)用以盖住电机，在电机法兰(14)下面设置有第一轴承挡(16)用以顶住下面的轴承；
其中，所述永磁吸附爬壁机器人还包括主电机离合器，具有离合器吸盘部分和离合器线圈部分，所述离合器吸盘部分固定在电机法兰(14)上，所述离合器线圈部分固定在承重板上并连接吊夹及吊环螺栓，所述承重板以螺栓固定在保持架(22)上，保持架(22)上方设置有车体(23)上盖且保持架(22)下方设置轴承，与保持架(22)对应的机座位置上设置轴承和轴承环，所述车体(23)连接在轴承环上。
2.根据权利要求1所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述永磁吸附爬壁机器人还包括车轮转向电机(24)，安装于保持架(22)与电机座(3)的连接位置，减速机轴连接锥齿轮(25)并啮合另一垂直方向的锥齿轮，其键连接在转向轴(8)上并用设置在保持架(22)上的轴承扶正，转向轴(8)下端设置于固定在第一机座(7)上的轴承组件(10)内并在其下部键连接一个直齿轮(9)，当车轮需转向时，动力通过锥齿轮(25)传递到转向轴(8)上，直齿轮(9)啮合空心轴(15)上的大齿轮并将动力传递到所述轮模块从而实现车轮转向。
3.根据权利要求1所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述永磁吸附爬壁机器人还包括车体转向电机(1)，安装于第一机座(7)与电机座(3)的连接位置，减速机轴连接齿轮(4)用以啮合车体(23)上的软齿条(5)，当车体需转向时，动力通过齿轮(4)传递到软齿条(5)从而实现车体转向。
4.根据权利要求3所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述永磁吸附爬壁机器人还包括金属光栅(6)，与电机轴固定连接，藉由光电传感器接收金属光栅的位置信息从而检测车体旋转。
5.根据权利要求1所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，轮模块底部的车轮(36)连接锥齿轮(33)，车轮(36)的轮中心连接轮轴(38)，轮轴(38)上设置有轴承和轴承挡，轮轴(38)两端分别设置在轴承座(32)和轮架(39)上，轴承座(32)连接轮架(39)，轮架外部连接固定在第一机座(7)上的轴承，轮架上部连接轮模块的上盖(41)，轮架与轮模块的上盖(41)之间夹持齿轮(40)，轮模块的上盖(41)上部连接空心轴承挡(44)，其内外均设置有推力轴承，固定在空心轴承挡(44)上的推力轴承上方设置第二机座(20)，第二机座(20)连接固定在第一机座(7)上的轴承座(21)使得整个轮模块的位置得以平衡固定，第二机座(20)通过支架(19)和保持架(22)连接，在轮模块的中心有一轴(26)，轴(26)上部设置齿轮毂(27)及齿轮(28)，轴(26)下部键连接齿轮(43)并啮合轮模块上的另一根轴(31)上部的齿轮(29)，轴(26)下部连接的齿轮(30)与车轮上的齿轮(33)啮合，车轮上的齿轮设置有防尘盖(34)。
6.根据权利要求1所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，减速机(2)的输出端连接所述主电机离合器，当所述主电机离合器处于分离状态时，主电机输出动力并传递到空心轴(15)上的大齿轮，通过大齿轮与轮模块上端的齿轮啮合，动力传递到固定连接于车轮的齿轮，实现车体的前进或后退；当所述主电机离合器处于接合状态时，轮驱动电机被锁死使机器人处于静止状态。
7.根据权利要求1所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，车体(23)安装有无线摄像头，用以实时监控机器人的工作状态。
8.根据权利要求1所述的永磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述主电机为直流无刷电机。
一种永磁吸附爬壁机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种基于磁盘吸附方式的机器人。
背景技术
[0002] 当前，管道运输作为一种效率高、成本低的传送方式，在通讯、石油、化工、电力等行业应用越来越广泛。在管道的使用过程中，因腐蚀、压力以及其它外力损伤，往往不可避免地造成管壁出现各种程度的破损。如此一来，一旦监控到管壁出现损坏，需要及时予以更换，否则会酿成严重事故。
[0003] 考虑到绝大多数的管道环境通常操作人员无法直接接触，管道作业一般采用机器人来实施。根据管道机器人的作业方式来分，一类是行走机器人，另一类是爬壁机器人。由于行走机器人结构复杂、技术难度大且适应性和稳定性差，而爬壁机器人的适应性和稳定性较强，目前的重点研究领域聚焦于爬壁机器人。其按吸附功能可分为真空吸附和磁盘吸附，以磁吸附方式为例，磁体可以是电磁体，也可以是永磁体，电磁体式维持吸附需要给电磁体提供电能，但控制较方便，而永磁体式不受断电的影响，使用安全可靠。
[0004] 在现有技术中，一种爬壁机器人是采用永磁体磁盘作为磁吸附功能，来检测和修理管道。该爬壁机器人使用该磁盘作为驱动轮，再附加两个旋转轮来辅助调节方向，进行爬壁作业。由于磁盘可自由地绕垂直轴旋转，以便机器人能够曲面作业，此外，该磁盘结构还可产生较理想的吸附重量比，从而减轻结构的整体重量。但是该爬壁机器人的磁盘与壁面所成角度是固定不变的，从而导致磁吸附力不能变化，因此该爬壁机器人无法解决壁面吸附和移动作业之间的矛盾。另外，现有的爬壁机器人仍然存在质量较大，面向工程化应用还不够灵活等问题。
发明内容
[0005] 针对现有技术中的永磁吸附爬壁机器人在设计时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新型的吸附式爬壁机器人
[0006] 依据本发明的一个方面，提供了一种永磁吸附爬壁机器人，包括底盘、主电机和车体，车体和主电机均安装在底盘上，其中所述底盘包括第一机座以及固定在第一机座上圆周且均匀分布的三个轮模块，第一机座下方圆周均匀分布三个磁铁，磁铁设置在磁盘法兰和磁铁毂中，磁盘法兰通过磁盘柱连接在第一机座上，在第一机座的中心固定有空心轴，空心轴上套有四个深沟球轴承，每两个球轴承连接一个尼龙齿轮且球轴承之间间隔以第二轴承挡并固定位置，其中上面的齿轮连接联轴器，联轴器通过转轴法兰与电机轴连接；所述主电机通过电机法兰固定在空心轴上，且在第一机座的底部设置电机盖用以盖住电机，在电机法兰下面设置有第一轴承挡用以顶住下面的轴承；所述永磁吸附爬壁机器人还包括主电机离合器，具有离合器吸盘部分和离合器线圈部分，所述离合器吸盘部分固定在电机法兰上，所述离合器线圈部分固定在承重板上并连接吊夹及吊环螺栓，所述承重板以螺栓固定在保持架上，保持架上方设置有车体上盖且保持架下方设置轴承，与保持架对应的机座位置上设置轴承和轴承环，所述车体连接在轴承环上。
[0007] 在其中的一实施例，所述永磁吸附爬壁机器人还包括车轮转向电机，安装于保持架与电机座的连接位置，减速机轴连接锥齿轮并啮合另一垂直方向的锥齿轮，其键连接在转向轴上并用设置在保持架上的轴承扶正，转向轴下端设置于固定在第一机座上的轴承组件内并在其下部键连接一个直齿轮，当车轮需转向时，动力通过锥齿轮传递到转向轴上，直齿轮啮合空心轴上的大齿轮并将动力传递到所述轮模块从而实现车轮转向。
[0008] 在其中的一实施例，所述永磁吸附爬壁机器人还包括车体转向电机，安装于第一机座与电机座的连接位置，减速机轴连接齿轮用以啮合车体上的软齿条，当车体需转向时，动力通过齿轮传递到软齿条从而实现车体转向。
[0009] 在其中的一实施例，所述永磁吸附爬壁机器人还包括金属光栅，与电机轴固定连接，藉由光电传感器接收金属光栅的位置信息从而检测车体旋转。
[0010] 在其中的一实施例，轮模块底部的车轮连接锥齿轮，车轮的轮中心连接轮轴，轮轴上设置有轴承和轴承挡，轮轴两端分别设置在轴承座和轮架上，轴承座连接轮架，轮架外部连接固定在第一机座上的轴承，轮架上部连接轮模块的上盖，轮架与轮模块的上盖之间夹持齿轮，轮模块的上盖上部连接空心轴承挡，其内外均设置有推力轴承，固定在空心轴承挡上的推力轴承上方设置第二机座，第二机座连接固定在第一机座上的轴承座使得整个轮模块的位置得以平衡固定，第二机座通过支架和保持架连接，在轮模块的中心有一轴，轴上部设置齿轮毂及齿轮，轴下部键连接齿轮并啮合轮模块上的另一根轴上部的齿轮，轴下部连接的齿轮与车轮上的齿轮啮合，车轮上的齿轮设置有防尘盖。
[0011] 在其中的一实施例，减速机的输出端连接所述主电机离合器，当所述主电机离合器处于分离状态时，主电机输出动力并传递到空心轴上的大齿轮，通过大齿轮与轮模块上端的齿轮啮合，动力传递到固定连接于车轮的齿轮，实现车体的前进或后退；当所述主电机离合器处于接合状态时，轮驱动电机被锁死使机器人处于静止状态。
[0012] 在其中的一实施例，车体安装有无线摄像头，用以实时监控机器人的工作状态。
[0013] 在其中的一实施例，所述主电机为直流无刷电机。
[0014] 采用本发明的永磁吸附爬壁机器人，至少具有以下优点：
[0015] 1)轮模块采用行星布局设计，可根据负载选择所需要的轮模块数量以及驱动电机，该结构可以节省电机成本，使驱动扭矩最大的电机驱动齿轮受力均匀，提高机械传动效率和使用寿命。此外，轮模块的方向同样使用行星布局，使所有轮模块能同时迅速地转向，提高机器人的作业灵活性；
[0016] 2)轮模块采用封闭式设计，可有效防止灰尘铁屑对机械传动可能造成的影响。针对磁铁所订制的外壳既可避免过多的铁屑被吸附，也可起到保护磁铁的作用；
[0017] 3)采用非接触的吸附方式，避免了高强度的刚性接触对壁面的磨损，还可通过简单的操作调节吸附力大小，适应不同厚度的罐壁以及负载能力和越障能力。
[0018] 与现有技术相比，本发明可根据负载选择所需要的轮模块数量以及驱动电机，节省电机成本。此外，本发明还可通过行星布局设计使驱动扭矩最大的电机驱动齿轮受力均匀，提高机械传动效率和使用寿命。再者，机器人的主体材质采用铝合金，强度高、耐腐蚀且质量小，配合无线手柄进行控制操作，整体运行灵活、方便。
附图说明
[0019] 读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
[0020] 图1示出依据本发明一实施方式的永磁吸附爬壁机器人的主视图；
[0021] 图2示出图1的永磁吸附爬壁机器人的轮组安装图；
[0022] 图3示出图2的永磁吸附爬壁机器人的轮组的另一视图；
[0023] 图4示出图1的永磁吸附爬壁机器人的轮模块结构图；以及
[0024] 图5示出图1的永磁吸附爬壁机器人的磁铁安装图。
具体实施方式
[0025] 为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
[0026] 下面参照附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
[0027] 图1示出依据本发明一实施方式的永磁吸附爬壁机器人的主视图。图2示出图1的永磁吸附爬壁机器人的轮组安装图。图3示出图2的永磁吸附爬壁机器人的轮组的另一视图。图4示出图1的永磁吸附爬壁机器人的轮模块结构图。图5示出图1的永磁吸附爬壁机器人的磁铁安装图。
[0028] 参照图1～图5，本发明的永磁吸附爬壁机器人包括底盘、主电机和车体，车体和主电机均安装在底盘上。并且，该永磁吸附爬壁机器人还包括主电机离合器，具有离合器吸盘部分和离合器线圈部分，通过主电机离合器的分离与接合来控制动力传输。例如，减速机2的输出端连接主电机离合器，当主电机离合器处于分离状态时，主电机输出动力并传递到空心轴15上的大齿轮，通过大齿轮与轮模块上端的齿轮啮合，动力传递到固定连接于车轮的齿轮，实现车体的前进或后退；当主电机离合器处于接合状态时，电机被锁死使机器人处于静止状态。
[0029] 详细而言，底盘包括第一机座7以及固定在第一机座7上圆周且均匀分布的三个轮模块，第一机座7下方圆周均匀分布三个磁铁47。磁铁47设置在磁盘法兰45和磁铁毂48中，磁盘法兰45通过磁盘柱49连接在第一机座7上，在第一机座7的中心固定有空心轴15。空心轴15上套有四个深沟球轴承17，每两个球轴承17连接一个尼龙齿轮13且球轴承17之间间隔以第二轴承挡18并固定位置，其中上面的齿轮连接联轴器12，联轴器12通过转轴法兰与电机轴连接。主电机通过电机法兰14固定在空心轴15上，且在第一机座7的底部设置电机盖46用以盖住电机，在电机法兰14下面设置有第一轴承挡16用以顶住下面的轴承。离合器吸盘部分固定在电机法兰14上，离合器线圈部分固定在承重板上并连接吊夹及吊环螺栓，承重板以螺栓固定在保持架22上。保持架22上方设置有车体23上盖且保持架22下方设置轴承。与保持架22对应的机座位置上设置轴承和轴承环，车体23连接在轴承环上。
[0030] 依据一具体实施例，该永磁吸附爬壁机器人还包括车轮转向电机24，安装于保持架22与电机座3的连接位置，减速机轴连接锥齿轮25并啮合另一垂直方向的锥齿轮，其键连接在转向轴8上并用设置在保持架22上的轴承扶正，转向轴8下端设置于固定在第一机座7上的轴承组件10内并在其下部键连接一个直齿轮9，当车轮需转向时，动力通过锥齿轮25传递到转向轴8上，直齿轮9啮合空心轴15上的大齿轮并将动力传递到所述轮模块从而实现车轮转向。
[0031] 依据一具体实施例，该永磁吸附爬壁机器人还包括车体转向电机1，安装于第一机座7与电机座3的连接位置，减速机轴连接齿轮4用以啮合车体23上的软齿条5，当车体需转向时，动力通过齿轮4传递到软齿条5从而实现车体转向。
[0032] 此外，轮模块底部的车轮36连接锥齿轮33，车轮36的轮中心连接轮轴38，轮轴38上设置有轴承和轴承挡，轮轴38两端分别设置在轴承座32和轮架39上，轴承座32连接轮架39，轮架外部连接固定在第一机座7上的轴承，轮架上部连接轮模块的上盖41，轮架与轮模块的上盖41之间夹持齿轮40，轮模块的上盖41上部连接空心轴承挡44，其内外均设置有推力轴承，固定在空心轴承挡44上的推力轴承上方设置第二机座20，第二机座20连接固定在第一机座7上的轴承座21使得整个轮模块的位置得以平衡固定，第二机座20通过支架19和保持架22连接，在轮模块的中心有一轴26，轴26上部设置齿轮毂27及齿轮28，轴26下部键连接齿轮43并啮合轮模块上的另一根轴31上部的齿轮29，轴26下部连接的齿轮30与车轮上的齿轮33啮合，车轮上的齿轮设置有防尘盖34。
[0033] 此外，减速机轴上连接有金属格栅，藉由光电传感器接收金属光栅的位置信息从而检测车体旋转。机器人的控制系统采用航位推算法，结合车载无线摄像头，并通过光电传感器实时监控机器人的工作位置和画面，使用无线手柄自由方便地控制机器人的运行。
[0034] 采用本发明的永磁吸附爬壁机器人，至少具有以下优点：
[0035] 1)轮模块采用行星布局设计，可根据负载选择所需要的轮模块数量以及驱动电机，该结构可以节省电机成本，使驱动扭矩最大的电机驱动齿轮受力均匀，提高机械传动效率和使用寿命。此外，轮模块的方向同样使用行星布局，使所有轮模块能同时迅速地转向，提高机器人的作业灵活性；
[0036] 2)轮模块采用封闭式设计，可有效防止灰尘铁屑对机械传动可能造成的影响。针对磁铁所订制的外壳既可避免过多的铁屑被吸附，也可起到保护磁铁的作用；
[0037] 3)采用非接触的吸附方式，避免了高强度的刚性接触对壁面的磨损，还可通过简单的操作调节吸附力大小，适应不同厚度的罐壁以及负载能力和越障能力。
[0038] 与现有技术相比，本发明可根据负载选择所需要的轮模块数量以及驱动电机，节省电机成本。此外，本发明还可通过行星布局设计使驱动扭矩最大的电机驱动齿轮受力均匀，提高机械传动效率和使用寿命。再者，机器人的主体材质采用铝合金，强度高、耐腐蚀且质量小，配合无线手柄进行控制操作，整体运行灵活、方便。
[0039] 上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
