一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人

摘要

本发明提供一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，包括实现机器人在垂直壁面上的纵向直线移动的主传动系统；实现机器人的吸附功能、越障功能以及在不同工作区间内的跨越的三自由度机械腿横向运动机构；实现清扫积灰的及摄像功能的检修机构。本发明的电磁式爬壁机器人，负载能力强，运动灵活，壁面适应能力强，几乎实现锅炉内部全覆盖无死角，应用前景好。本发明的方案设计做到了低噪声、无污染、低成本以及重量轻，有利于环境和社会的可持续发展。

权利要求

1.一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，其特征在于：包括主体移动平台机构、设置在主体移动平台机构内的主传动部分、设置至主传动部分上的两个移动平台和一个固定平台、对称设置在平台两侧的机械腿、设置在主体移动平台机构下方的检修机构，固定平台设置在两个移动平台之间；所述机械腿包括设置在移动平台上的电机二、与电机二输出端连接的同步带机构、与同步带机构输出端的轴铰接的大腿杆、设置在大腿杆上的电机三、与电机三输出端连接的锥齿轮传动机构、通过锥齿轮传动机构输出端所在轴铰接在大腿杆端部的小腿杆、铰接在小腿杆端部的腿根零件、设置在腿根零件下端的弹性装置、设置在弹性装置下方的磁足，所述磁足包括设置在弹簧外的磁轭、对称设置在磁轭上的两个电磁铁芯、设置在电磁铁芯外的线圈、设置在线圈和电磁铁芯下端的弧形电磁铁。

2.根据权利要求1所述的一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，其特征在于：所述主体移动平台机构包括底板、对称设置在底板两侧的两个滑轨、设置在滑轨上的滑块，移动平台横跨两个滑轨并与滑块连接，固定平台横跨在两个滑轨中间位置。

3.根据权利要求2所述的一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，其特征在于：所述主传动部分有两组相对设置在底板上，每组包括设置在底板上的电机一、与电机输出端连接的三联齿轮机构、与三联齿轮机构输出端连接的丝杠螺母机构，两个移动平台分别与对应的丝杠螺母机构中的螺母固连。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，其特征在于：所述检修机构包括设置在底板下端的清扫外壳、设置在外壳内的清扫电机、设置在清扫外壳下方的两个刷盘轴、设置在两个刷盘轴之间的同步带、设置在两个刷盘轴下端部的输盘，两个刷盘轴中的一个刷盘轴连接在清扫电机的输出端上。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，其特征在于：每个滑轨上的滑块有四个。

6.根据权利要求4所述的一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，其特征在于：每个滑轨上的滑块有四个。

说明书

一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及六足仿生机器人，尤其涉及一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人，用于特殊电厂锅炉水冷壁的检修。

背景技术

[0002] 目前，火力发电仍是我国发电的主力，大约有600余座火力发电站。大、中型火力发电站锅炉普遍采用膜式水冷壁结构，具有良好的保温性能和气密性能，但锅炉运行一定时
间后容易使膜式水冷壁的向火侧壁面出现积灰、结渣、凸凹、裂纹、磨损和腐蚀等状况，这将
使锅炉的安全运行失去保证，而且还会造成重大经济损失，因此，必须定期对锅炉进行检修
以及设备维护停炉检修时，需要对壁面进行积灰清扫、除渣及检测管壁厚度等工作，防止因
管壁变薄而可能发生的爆管事故。而人工作业存在着工作环境恶劣、安全性低、检测技术落
后、作业周期长、效率低下等缺点，因此设计一种机器人，用于锅炉水冷壁的自动化检修工
作是十分必要的。

[0003] 随着在日本研制出世界上第一台可在垂直壁面移动的机器人样机，自此开启了研究爬壁机器人的先河，之后一些发达国家纷纷开始研究。爬壁机器人可以在垂直墙壁上攀
爬并完成作业的自动化机器人，具有吸附和移动两个基本功能，主要用于石化企业对圆柱
形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂。可以很好的应用于中大型
锅炉水冷壁的检修工作，本发明在系统阐述国内外现有爬壁机器人的基础上，结合作业环
境的实际情况，提出了一种新型电磁吸附式六足爬壁机器人用于锅炉水冷壁的自动化检修
工作。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了解决人工作业存在着工作环境恶劣、安全性低、检测技术落后、作业周期长、效率低下等缺点而提供一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人。用于中大型
发电厂锅炉水冷壁的研究，新型电磁式爬壁机器人，负载能力强，运动灵活，壁面适应能力
强，几乎实现锅炉内部全覆盖无死角，应用前景好。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：包括主体移动平台机构、设置在主体移动平台机构内的主传动部分、设置至主传动部分上的两个移动平台和一个固定平台、对称设置在平台
两侧的机械腿、设置在主体移动平台机构下方的检修机构，固定平台设置在两个移动平台
之间。

[0006] 本发明还包括这样一些结构特征：

[0007] 1.所述主体移动平台机构包括底板、对称设置在底板两侧的两个滑轨、设置在滑轨上的滑块，移动平台横跨两个滑轨并与滑块连接，固定平台横跨在两个滑轨中间位置。

[0008] 2.所述主传动部分有两组相对设置在底板上，每组包括设置在底板上的电机一、与电机输出端连接的三联齿轮机构、与三联齿轮机构输出端连接的丝杠螺母机构，两个移
动平台分别与对应的丝杠螺母机构中的螺母固连。

[0009] 3.所述机械腿包括设置在移动平台上的电机二、与电机二输出端连接的同步带机构、与同步带机构输出端的轴铰接的大腿杆、设置在大腿杆上的电机三、与电机三输出端连
接的锥齿轮传动机构、通过锥齿轮传动机构输出端所在轴铰接在大腿杆端部的小腿杆、铰
接在小腿杆端部的腿根零件、设置在腿根零件下端的弹性装置、设置在弹性装置下方的磁
足，所述磁足包括设置在弹簧外的磁轭、对称设置在磁轭上的两个电磁铁芯、设置在电磁铁
芯外的线圈、设置在线圈和电磁铁芯下端的弧形电磁铁。

[0010] 4.所述检修机构包括设置在底板下端的清扫外壳、设置在外壳内的清扫电机、设置在清扫外壳下方的两个刷盘轴、设置在两个刷盘轴之间的同步带、设置在两个刷盘轴下
端部的输盘，两个刷盘轴中的一个刷盘轴连接在清扫电机的输出端上。

[0011] 5.每个滑轨上的滑块有四个。

[0012] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的应用于特殊的大中型电站锅炉水冷壁检修工作中，针对于环境温度40～60°、光管直径50～70mm、光管节距70～90mm、锅炉
入口孔直径450mm以上锅炉水冷壁工作环境设计一种与之最大限度匹配的爬壁机器人，其
可实现在垂直壁面上的纵向直线移动，带有吸附装置的三自由度机械腿实现机器人的吸附
功能、越障功能以及在不同工作区间内的跨越，检修机构能够实现清扫积灰及摄像监控功
能。本发明的方案设计做到了低噪声、无污染、低成本以及重量轻，有利于环境和社会的可
持续发展。

[0013] 1.所述的磁足采用电磁铁吸附方式，通过电来控制吸附力的大小以及有无。此外，为使吸附力的利用率达到最大，电磁铁设计成与暴露在外面的水冷壁管一样的弧状结构，
以增大吸附时的有效接触面积，提高稳定性。

[0014] 2.所述的移动方式选择本课题不采用履带移动，而选择多足式，但由于其移动速度不高，因此设计时仅利用其壁面自适应性实现横移和越障，纵向移动则通过直线传动机
构完成。

[0015] 3.所述的丝杠螺母传动机构的驱动电机的选择在结构设计时由于需要自锁采用带有刹车功能的无刷伺服直流电机进行驱动。

[0016] 4.前述的主传动系统中，主传动系统是由两组滚珠丝杠副、两组三联圆柱齿轮副和带刹车型无刷直流伺服电机组成，考虑到该机器人尺寸设计受限等问题，采用三联齿轮
传动且传动比为1：1：1改变电机轴输出方向，缩短了机器人的设计长度，布局更加紧凑合
理。

[0017] 5.所述的横向传动机构是完成机器人横向跨步及越障的辅助机构，完成爬壁机器人在不同工作区间内的检修作业，以及实现跨越水冷壁管上的焊缝、裂纹、凸凹。

[0018] 6.前述的横向传动机构中选取无轴减速电机，自行设计传动轴与同步带轮直连，可实现更小尺寸的安装设计。

[0019] 7.所述的盘刷机构采用双盘刷结构，电机通过同步带传动可一次性控制两根轴的转动，从而带动两个盘刷的转动，高效完成清扫任务。安装在主体下表面底板的中间，既不
会增加整体尺寸，也不会对机械腿的正常运行产生运动干涉，可靠性较高。

[0020] 8.所述的水冷壁面是由圆管与扁钢焊接起来的大型管排面，只有1/3暴露在外面，机器人实现横跨时，必须跨越两根管子之间的节距70～90mm(根据具体环境进行具体控制
设计)，以保证功能的实现。此外考虑到实际运行环境，整个机器人的高度和宽度尺寸有一
定的限制，不能无限长，因此必须根据高度以及宽度要求合理的规划各个腿部杆件的尺寸，
例如：针对跨越两根管子之间的节距80mm的环境，通过相关工作空间的求取，求得相关尺寸
即当大腿杆L1＝210mm,小腿杆L2＝100mm时，小腿末端可达到预期工作空间，并且还具有一
定的稳定裕量，尺寸设计合理满足要求。

附图说明

[0021] 图1为本发明的结构示意图；

[0022] 图2a和图2b分别为本发明的主传动系统结构示意图和原理图；

[0023] 图3为本发明的机器人腿传动机构结构示意图；

[0024] 图4为本发明的检修机构结构示意图；

[0025] 图5为本发明的机器人磁足内部结构示意图；

[0026] 图6为本发明的磁足工作原理示意图；

[0027] 图7为本发明的机械腿运动坐标示意图；

[0028] 图8为本发明的机器人垂直移动步态设计示意图；

[0029] 图9为本发明的机器人横向移动步态设计示意图；

[0030] 元件及符号说明：1、主体移动平台机构，2、检修机构，3、机械腿，4、移动平台一，5、固定平台，6、移动平台二，7、底板，8、滑轨，9、滑块，10、丝杠螺母机构，11、三联齿轮机构，
12、电机一，13、螺母滑块，14、丝杠座，15、电机二，16、同步带，17、大腿杆，18、电机三，19、联
轴器，20、锥齿轮传动机构，21、小腿杆，22、腿根零件，23、弹性装置，24、磁足25、第一连接枢
轴(主动关节)，26、第二连接枢轴(主动关节)，27、第三连接枢轴(被动关节)，28、清扫外壳，
29、联轴器，30、同步带，31、刷盘，32、无线摄像头，33、弧形电磁铁，34、线圈，35、电磁铁芯，
36、磁轭，37、水冷壁，38、刷盘轴，39、联轴器，40、轴承。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0032] 本发明目的是解决锅炉水冷壁检修问题，针对与环境温度40～60°、光管直径50～70mm、光管节距70～90mm、锅炉入口孔直径450mm以上的锅炉水冷壁工作环境设计的一款新
型六足爬壁机器人，采用以下技术实现：本发明提供的一种新型六足锅炉水冷壁检修爬壁
机器人，包括机器人主体移动平台、对称设置的六条机械腿以及带滚刷的检查清扫机构组
成。机器人本体上安装有两组对称移动平台和一组固定平台，移动平台通过滑块与安装在
底板上的滑轨连接，平台上安有六条机械腿，前后四条腿通过移动平台分别连在丝杠螺母
传动机构上，实现前后移动；中间两条腿则安装在固定平台上，固定平台安装在滑轨上，与
俩移动平台平行，间接与丝杠连接，随机体移动，每条机械腿由大腿、小腿、腿根零件以及通
过弹性装置连接的磁足构成，实现机器人的灵活移动。各个大腿角度传动机构安装在移动
平台上，小腿角度传动机构安装在大腿内部，机器人主体下表面中间通过螺栓安装有清扫
机构以及检测装置。

[0033] 所述的主体移动平台由两组对称的丝杠螺母传动机构构成，在底板上安装有双滑轨，丝杠螺母移动平台通过滑块与滑轨相连，底板上安装有两组中心对称的丝杠螺母传动
机构，以伺服电机作为动力源，驱动三联齿轮传动，改变电机轴输出方向，缩短了机器人的
设计长度，间接驱动丝杠副的螺旋传动，通过螺母的直线运动带动移动平台的运动，从而带
动安装在其上的机械腿随之移动，实现机器人的壁面竖直移动。前后四条腿通过螺母座分
别连在移动平台上，随之实现前后移动；中间两条腿则安装在固定平台上上，固定平台与滑
轨直接相连，间接与丝杠连接，随机体移动。两组丝杠螺母传动机构交替运转，分别带动前
两条机械腿和后两条机械腿的竖直移动。

[0034] 所述的机械腿部分，由大腿杆、小腿杆、腿根零件、磁足、弹性自适应装置以及各个传动机构组成，该机械腿结构带有三个关节，包括两个主动关节和一个被动关节。第一主动
关节在大腿杆与平台连接处，实现大腿杆的旋转；第二主动关节在大腿杆和小腿杆连接处，
实现小腿杆的旋转；被动关节在腿根零件与带弹性装置的磁足部分连接处，被动的实现磁
足部分在作业中由于环境问题角度的自我调整。大腿杆一端通过第一连接枢轴固定在移动
平台上，另一端通过第二连接枢轴与小腿连接，小腿的另一端通过第三链接枢轴与腿根零
件连接，腿根零件通过弹簧自适应装置与磁足相连，通过弹簧的伸缩实现与锅炉水冷壁壁
面的离合。整个机械腿可以绕第一主动关节旋转，小腿可以绕第二主动关节旋转，腿根零件
可绕第三被动关节旋转。

[0035] 所述的主动关节是由电机主动控制，实现大腿杆与小腿杆的主动控制旋转，以便达到确定的位置；所述的被动关节设在小腿杆末端，通过圆柱销连接，小腿杆末端以及足连
接件上的滑槽与滑块配合限制吸附装置的小范围摆动，被动关节的加设主要是为了保证通
电吸附时吸附装置能够依靠与水冷壁壁面之间的吸附力可自行旋转一定角度找正位置，最
终实现吸附力最大化。

[0036] 所述的大腿杆传动部分，大腿杆机构由电机控制其摆动角度，以便达到确定的位置。大腿的摆动通过同步带传动实现，且传动机构固定在丝杠螺母机构上的三个平台上。

[0037] 所述的小腿杆部分传动机构也由电机控制其摆动角度，小腿的摆动则通过伺服电机驱动锥齿轮传动实现，利用锥齿轮传动来实现小腿杆件空间位姿的变换，且传动机构固
定在大腿零件内。

[0038] 所述的腿根零件上被动关节设在小腿杆末端，圆柱销连接，小腿杆末端以及磁足连接件上的滑槽与滑块配合限制吸附装置的小范围摆动。被动关节的加设主要是为了保证
通电吸附时吸附装置能够依靠与水冷壁壁面之间的吸附力可自行旋转一定角度找正位置，
最终实现吸附力最大化。

[0039] 所述的每条机械腿上有两个磁足，选用Ⅱ型电磁铁、直流励磁方式，根据水冷管形状设计为与之对应的弧状电磁铁，以保证可与水冷壁管有最大面积的接触，通电时电磁铁
吸附并带动通过法兰连接在其上的弹性装置拉伸，使得弹性装置具有一定的弹力；断电时，
可以通过弹性装置恢复时释放出来的弹力将吸附装置带离壁面一定的高度，使其可随传动
系统移动，不与壁面接触，减小移动阻力；此外，该弹性装置还具有减震和缓冲功能。在移动
过程中，前后四条腿通过随移动平台移动俩俩交替前进，中间两条腿则安装在底板上，间接
与丝杠连接，随机体移动。

[0040] 所述的检修机构，通过特殊结构固定在整个机构的下表面，采用双盘刷结构，电机通过联轴器驱动刷盘轴旋转，同时通过同步带传动可一次性控制两根轴的转动，从而带动
两个盘刷的转动，高效完成清扫任务。

[0041] 所述的摄像部分固定在清扫机构上，采用无线摄像头可实现远距离时时监控水冷壁面的情况。

[0042] 本发明提供一种用于特殊环境电厂锅炉水冷壁维修监测的爬壁机器人，包括机器人的主体移动平台和两侧对称分布的六条机械腿以及底部的检修机构。

[0043] 以图1到图4为例对本发明进行详细的说明，图1中爬壁机器人主体移动平台机构1实现竖直方向的移动，其中主传动部分安装在主体平台机构1内；移动平台一4、固定平台5、
移动平台二6安装在主体平台机构上，用于承载其他机构移动，其中移动平台直接与滑轨相
连，固定平台安装在滑轨上，与两组移动平台在同一水平面；爬壁机器人检修机构2安装在
主体平台1下表面中间；爬壁机器人的机械腿3，由六条对称分布的机械腿分别固定在移动
平台与固定平台上，每侧设置三条。

[0044] 所述的主体移动平台机构1由图2详细说明，主体移动平台由两组中心对称的丝杠螺母平台传动机构组成，全部零件固定安装在底板7上，由伺服电机一12驱动三联齿轮11转
动，从而间接传动丝杠螺母机构10，改变电机轴输出方向，缩短了机器人的设计长度，其中
丝杠螺母机构10通过丝杠座14安装在底板7上，底板7上安装有两条滑轨8，移动平台4和移
动平台7通过八个滑块9与滑轨8相连，并通过螺母滑块13与丝杠连接，通过螺母的直线运动
带动平台，实现平台直线移动。

[0045] 所述机械腿由图3详细说明，其安装在移动平台上，前后四条腿安装在移动平台4、6上，随平台实现前后移动；中间两条腿则安装固定平台5上，间接与丝杠连接，随机体移动，
每条机械腿由大腿杆17、小腿杆21、腿根零件22、弹性自适应装置23、磁足24以及传动机构
构成。各个大腿角度传动机构安装在移动平台上，小腿角度传动机构安装在大腿内部。大腿
杆17一端通过第一连接枢轴25固定在移动平台上，另一端通过第二连接枢轴26与小腿杆21
连接，小腿杆的另一端通过第三链接枢轴27与腿根零件连接，腿根零件通过弹簧自适应装
置23与磁足24相连。整个机械腿可以绕第一主动关节旋转，小腿可以绕第二主动关节旋转，
腿根零件可绕第三被动关节旋转。大腿杆转动由固定在平台上的电机二15驱动同步带16进
行转动，小腿杆转动由固定在大腿杆内部的电机三18驱动空间锥齿轮20进行转动，从而实
现机器人的横向灵活移动。

[0046] 所述的检修机构2由图4详细说明，检修机构的清扫外壳28固定在主体移动平台1的下表面中间，采用双盘刷结构，由外壳内部的伺服电机通过联轴器29驱动刷盘轴38旋转，
通过同步带30传动可一次性控制两根轴的转动，从而带动两个盘刷31的转动，高效完成清
扫任务；清扫外壳上安装有无线摄像头32，可实现远距离时时监控水冷壁面的情况。

[0047] 进一步，爬壁机器人的每条机械腿上有采用两个磁足，针对光管直径d＝60mm的锅炉水冷壁，磁足部分电磁铁设计成与暴露在外面的水冷壁管一样的弧状结构，以增大吸附
时的有效接触面积，提高稳定性。所述的磁足部分内部结构如图5所示，由弧形电磁铁33、线
圈34、电磁铁芯35以及磁轭36组成磁足部分，通过弹性装置23与腿根部零件22连接。取单个
吸附装置产生的吸附力F＝300N通过计算可充分满足不掉落不颠覆要求，选用II型电磁铁、
直流励磁方式，设计为弧状电磁铁.由于单个吸附装置为弧形电磁铁，有两个磁极，与衔铁
之间产生两个工作气隙，串联关系，所以单个吸附装置上的吸附力是由这两个工作气隙共
同产生的，每个工作气隙的吸附力应为总吸附力的一半。

[0048] 设计中电磁铁的工作原理如图6所示，当在线圈34内部插入铁芯35后，铁芯35被线圈34的磁场磁化，磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由两个磁场相互叠加，使其磁性增
强，通电时电磁铁产生磁力吸附水冷壁37，带动弹性装置23拉伸，使得弹性装置具有一定的
弹力；断电时，可以通过弹性装置恢复时释放出来的弹力将吸附装置带离壁面一定的高度，
使其可随传动系统移动，不与壁面接触，减小移动阻力；此外，该弹性装置还具有减震和缓
冲功能。

[0049] 进一步为保证机器人可满足在特定环境下的工作，前面介绍可知水冷壁面是由圆管与扁钢焊接起来的大型管排面，只有1/3暴露在外面，本发明针对一种特定环境数据进行
分析(环境可改变，为方便分析具体)：机器人实现横跨时，必须跨越两根管子之间的节距
80mm，以保证功能的实现，机械腿运动坐标系如图7所示，由机器人运动的情况，设计其小腿
杆末端应到达的两个位置坐标为(60，260)和(140，260)，以数学模型及空间坐标为已知条
件，并根据所设计的机器人的结构设定大小腿杆的摆动角度范围分别为(‑80°，‑20°)和(‑
90°，30°)。设计成大腿杆L1＝210mm,小腿杆L2＝100mm时，小腿末端可达到预期工作空间，
并且还具有一定的稳定裕量。根据不同的水冷管直径和节距可以设计不同长度的大腿杆和
小腿杆。

[0050] 所述的机器人垂直移动步态如图8所示，图中，黑色圆代表此处的吸附装置处于吸附状态，白色圆代表此处的吸附装置处于放松状态。“0”为机器人初态，六条腿上的吸附装
置全部处于吸附状态，此时机器人状态最为稳定；接着，前两条腿的吸附装置放松，准备进
行前移，如图“1”；在丝杠副传动下，前两条腿被带着前行，到达“2”所示位置；此时前两条腿
的吸附装置吸附，完成一次前移，中间两条腿开始脱离吸附状态，准备开始前行，重复前两
条腿的运动动作，如图“3”，以此类推，以二足步态的运动方式最终完成整个机体前进。

[0051] 所述的机器人横向移动步态如图9所示，如图，“0”为机器人初态，六条腿上的吸附装置全部处于吸附状态，此时机器人处于最稳定状态；接着，一号腿的吸附装置放松，准备
跨越，如图“1”；通过调节腿部各杆件的摆动角度来实现两根管子之间的横移，到达“2”状
态；此时一号腿的吸附装置吸附，完成一次横移，且二号腿开始脱离吸附状态，准备开始横
移，如图“3”；重复一号腿的运动，如图“4”，以此类推，最终实现机器人六条腿的全部跨越。

[0052] 综上，本发明涉及一种用于特殊的大中型电站锅炉水冷壁检修作业的新型六足爬壁机器人，包括实现机器人在垂直壁面上的纵向直线移动的主传动系统；实现机器人的吸
附功能、越障功能以及在不同工作区间内的跨越的三自由度机械腿横向运动机构；实现清
扫积灰的及摄像功能的检修机构。机器人本体上安装有两组中心对称的伺服电机驱动的滚
珠丝杠螺母移动平台，移动平台上安有六条机械腿，前后两组机械腿随移动平台移动，中间
一组机械腿固定在机体中部固定平台上随机体移动，每条机械腿由同步带传动机构控制摆
动的的大腿杆、空间锥齿轮传动机构控制摆动的小腿杆、能实现被动调节的腿根零件以及
通过弹性装置连接的磁足构成，腿根零件处被动调节装置与磁足部分弧状结构满足特殊作
业要求，实现机器人的灵活移动。机器人主体下表面中间通过螺栓安装有清扫机构以及检
测装置。本发明的电磁式爬壁机器人，负载能力强，运动灵活，壁面适应能力强，几乎实现锅
炉内部全覆盖无死角，应用前景好。