專利名稱：具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人領(lǐng)域，涉及一種機器人，尤其涉及一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機器人。
背景技術(shù)：
空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有跨度大、重量輕、施工安裝簡便和布置靈活等特點，不僅廣泛應(yīng)用于體育館、展覽館、車站候車大廳等公共建筑，也大量應(yīng)用于倉庫、飛機庫、廠房等工業(yè)建筑中。環(huán)境侵蝕、材料老化以及復(fù)雜荷載等因素的耦合作用，將不可避免地導(dǎo)致空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的損傷積累和抗力衰減，極端情況下甚至引起結(jié)構(gòu)的整體失效，造成重大安全事故。因此，為保證空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的安全服役，必須定期對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行檢測維護。為此，我們以期發(fā)明一種可在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上爬行的爬壁機器人，搭載加速度傳感器、攝像頭等檢測設(shè)備，為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的健康檢測提供先進的儀器設(shè)備裝置。空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要由圓鋼管與球節(jié)點所組成。同一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中所采用的鋼管直徑變化范圍較大，與此同時，球節(jié)點的直徑大于相交鋼管的直徑。鑒于這樣的特點，適合在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中爬行作業(yè)的機器人必須滿足兩個基本條件具有較好的曲面自適應(yīng)吸附能力；具有逾越球節(jié)點的越障能力。現(xiàn)有的爬壁機器人主要有足式爬壁機器人、輪式爬壁機器人和履帶式爬壁機器人
等二大類。足式爬壁機器人是靠足部提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特點決定了其吸附力必須可調(diào)，多采用真空吸附或者電磁鐵吸附。申請?zhí)?00910078568. 4的專利文獻涉及的“無障礙恒速爬行機器人”，提供一種真空吸附爬壁機器人，可在非鐵磁性材料表面進行勻速直線運動、轉(zhuǎn)彎和跨越障礙。但是其只適合在光滑平整表面爬行。另外，足式爬壁機器人步法控制比較復(fù)雜，運動靈活性不好，而且產(chǎn)生吸附力需要消耗電能，存在意外斷電造成的安全隱患。輪式爬壁機器人是靠磁輪或者磁性車架的吸附力吸附在導(dǎo)磁面上。申請?zhí)?00510086382. 5的專利文獻涉及的“一種具有曲面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機器人”，其特點是通過細分永磁吸附裝置，增加活動鉸連接，以適應(yīng)曲面曲率變化，具有負載能力強、運動靈活和一定的曲面自適應(yīng)能力等特點。但是由于永磁吸附裝置的萬向輪較小，決定了其無法逾越如空間球節(jié)點這樣的具有較大交角范圍的相交壁面障礙。履帶式爬壁機器人是靠安裝在履帶式移動機構(gòu)上的吸附單元吸附在壁面上的。申請?zhí)?00410033770. 2的專利文獻涉及的“一種變結(jié)構(gòu)履帶式爬壁機器人”，該履帶式爬壁機器人在履帶中增加了與帶輪活動鏈接的可伸縮支撐桿，可靈活而大幅度地改變履帶的形狀，從而能夠在曲面半徑較小的曲面上穩(wěn)定行走，以及在具有較大交角范圍的相交壁面之間過渡。但是其機構(gòu)復(fù)雜、體型較大、運動靈活性較差，特別是在轉(zhuǎn)向時，由于履帶和導(dǎo)磁壁面之間接觸面積大，轉(zhuǎn)向阻力和轉(zhuǎn)向半徑較大，轉(zhuǎn)向的靈活性差。綜上所述，上述各爬壁機器人均未能滿足在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上爬行的兩個基本條件，因此也未能為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)健康檢測的工程應(yīng)用提供服務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，以實現(xiàn)爬行機器人在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)健康檢測的工程應(yīng)用，提供了一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機器人，使其具有較好的曲面自適應(yīng)吸附能力和逾越球節(jié)點的越障能力，搭載加速度傳感器實現(xiàn)無線檢測空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之功用。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人，它包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺、加速度傳感器、無線通訊模塊、攝像頭、攝像頭支架、電源和上位機；其中，加速度傳感器、無線通訊模塊和攝像頭支架均固定在移動平臺上，攝像頭安裝在攝像頭支架上，攝像頭、加速度傳感器與無線通訊模塊相連，無線通訊模塊與上位機無線通信；所述具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺包括兩個曲面自適應(yīng)車架和四個磁性驅(qū)動輪單元；每個曲面自適應(yīng)車架上對稱布置固定安裝兩個磁性驅(qū)動輪單元，兩個曲面自適應(yīng)車架由活頁鉸鏈鉸接。進一步地，所述磁性驅(qū)動輪單元包括電機，由電機驅(qū)動的輪轂，安裝在輪轂外表面的彈性永磁吸附層。進一步地，所述彈性永磁吸附層包括彈性鐵片基層和彈性鐵片基層上均勻粘貼的永磁鐵。進一步地，所述永磁鐵可采用釹鐵硼稀土永磁鐵。進一步地，所述彈性鐵片基層可采用具有彈性的O.1mm鐵片加工而成。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果
(I)大跨空間結(jié)構(gòu)的健康服役問題一直是備受關(guān)注的工程問題。利用無線爬壁機器人進行大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的健康檢測，可以大大減輕監(jiān)測人員的勞動負荷和勞動危險性，具有明顯的經(jīng)濟性。(2)采用直接接觸吸附的磁性輪移動方案，保證了在相交壁面過渡中的不利吸附情況下仍可以提供足夠的負載能力；驅(qū)動輪具有外層彈性永磁吸附層，針對不同導(dǎo)磁壁面可自適應(yīng)貼合吸附。(3)采用帶有活頁鉸鏈的曲面自適應(yīng)車架，在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所采用的最小管徑(60_)鋼管上，仍能保證爬壁機器人與鋼管緊密地貼合，可適應(yīng)
(單位mm O范圍的曲率變化；在逾越球節(jié)點障礙時，四輪全驅(qū)動為行進中提供充足的動力支持，彈性永磁吸附層的變形吸附保證了在有較大交角范圍的相交壁面仍有足夠的吸附力，不至打滑。(4)本發(fā)明實用經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，重量輕，操控簡便，負載能力強。


圖1為本發(fā)明一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機器人的組成框圖2為圖1中具有曲面自適應(yīng)吸附移動平臺的結(jié)構(gòu)圖3為圖2中磁性驅(qū)動輪單元組成圖4為圖3中彈性永磁吸附層結(jié)構(gòu)圖5為圖4中彈性鐵片基層展開圖；圖6為具有曲面自適應(yīng)吸附移動平臺鋼管自適應(yīng)吸附示意圖7為具有曲面自適應(yīng)吸附移動平臺在逾越球節(jié)點時的工作原理示意圖8為爬壁機器人控制電路流程圖9為圖1中上位機控制程序流程圖中，磁性驅(qū)動輪單元1、曲面自適應(yīng)車架2、彈性永磁吸附層10、永磁鐵11、彈性鐵片基層12、輪轂13、電機14、活頁鉸鏈21、鋼管100、鋼球200。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例進一步詳述本發(fā)明。如圖1所示，本發(fā)明一種具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺、加速度傳感器、無線通訊模塊、攝像頭、攝像頭支架、電源和上位機。其中，加速度傳感器、無線通訊模塊和攝像頭支架均固定在移動平臺上，攝像頭安裝在攝像頭支架上，攝像頭、加速度傳感器與無線通訊模塊相連，無線通訊模塊與上位機無線通信。圖2為圖1中具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺的結(jié)構(gòu)圖，包括兩個曲面自適應(yīng)車架2和四個磁性驅(qū)動輪單元I。每個曲面自適應(yīng)車架2上對稱布置固定安裝兩個磁性驅(qū)動輪單元1，兩個曲面自適應(yīng)車架2由活頁鉸鏈21鉸接。圖3為圖2中磁性驅(qū)動輪單元I的組成圖，磁性驅(qū)動輪單元I包括電機14，由電機14驅(qū)動的輪轂13，安裝在輪轂13外表面的彈性永磁吸附層10。圖4為圖3中彈性永磁吸附層10的結(jié)構(gòu)圖，彈性永磁吸附層10包括彈性鐵片基層12和彈性鐵片基層12上均勻粘貼的永磁鐵11。永磁鐵11可采用4X4X 1_ (長寬高)釹鐵硼稀土永磁鐵?？筛鶕?jù)壁面整潔等情況改變彈性鐵片基層12的寬度以及釹鐵硼稀土永磁鐵11的個數(shù)。實際作業(yè)時，機器人可以依靠這些彈性永磁吸附層自適應(yīng)地吸附在壁面上，產(chǎn)生吸附力。圖5為圖4中彈性鐵片基層12的展開圖，可采用具有彈性的O.1mm鐵片加工而成。所述上位機可由普通PC機實現(xiàn)；所述攝像頭可采用針孔式工業(yè)攝像頭。所述加速度傳感器，用于采樣測量壁面的振動加速度。當(dāng)?shù)竭_測量點時，啟動測量模式，加速度傳感器開始測量當(dāng)?shù)卣駝蛹铀俣戎?，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳給上位機，實現(xiàn)無線健康檢測。圖9為圖1中上位機控制程序流程圖系統(tǒng)啟動后，操作人員可對機器人工作模式進行選擇直行模式，測量模式，及遙控模式。直行模式下，機器人以恒定速度向前沿直線行駛，直到到達目的地；測量模式下，當(dāng)機器人到達測量目的地時，上位機發(fā)送停止信號，并啟動機器人上的加速度傳感器測量模塊，開始測量，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機；遙控模式下，操作人員通過上位機屏幕觀察機器人前進方向，通過控制機器人左、右輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)整機器人的運動方向，若機器人行駛時偏離正常軌道，可實現(xiàn)人工修正，使機器人能準確到達目的地。圖6所示為具有曲面自適應(yīng)吸附移動平臺曲面自適應(yīng)的第一個實施例，移動平臺在60mm管徑的鋼管100上自適應(yīng)吸附。首先彈性永磁吸附層10沿鋼管100圓周方向彈性變形自適應(yīng)吸附，其次移動平臺的車架2中部的活頁鉸鏈21由于受到運行阻力會被動地張開或閉合來適應(yīng)不同的管徑。當(dāng)在不同管徑上爬行時，移動平臺中的活頁鉸鏈21與彈性永磁吸附層10協(xié)同變形使移動平臺能夠自適應(yīng)鋼管曲面，可以在鋼管上穩(wěn)定爬行。圖7所示為具有曲面自適應(yīng)吸附移動平臺曲面自適應(yīng)的第二個實施例，移動平臺在鋼管100/鋼球200節(jié)點相交壁面過渡。在一組磁性驅(qū)動輪單元I接觸相交壁面時，該組輪的彈性永磁吸附層10會發(fā)生變形以適應(yīng)貼合壁面，從而產(chǎn)生吸附力。在輪組的前拉后推的共同驅(qū)動下，爬壁機器人實現(xiàn)相交壁面的過渡。圖8為爬壁機器人控制電路流程圖系統(tǒng)開始工作后，不間斷地將攝像頭的視頻信號發(fā)送給上位機，供操作人員實時監(jiān)控系統(tǒng)運動狀態(tài)，據(jù)此通過上位機對系統(tǒng)發(fā)送適當(dāng)?shù)倪b控指令。上位機發(fā)來啟動命令時，上位機自動開啟直行模式，系統(tǒng)四輪以相同方向、相同速度起轉(zhuǎn)，開始直行；需要轉(zhuǎn)向時，上位機切換至遙控模式，對左、右輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向進行人工設(shè)置，系統(tǒng)對上位機發(fā)來的命令進行處理，并相應(yīng)的改變各輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)左右輪差動轉(zhuǎn)向；當(dāng)?shù)竭_測量點時，啟動測量模式，加速度傳感器開始測量當(dāng)?shù)卣駝蛹铀俣戎?，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳給上位機，實現(xiàn)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的無線健康檢測。
權(quán)利要求
1.一種具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人，其特征在于，它包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺、加速度傳感器、無線通訊模塊、攝像頭、攝像頭支架、電源和上位機等；其中，所述加速度傳感器、無線通訊模塊和攝像頭支架均固定在移動平臺上，攝像頭安裝在攝像頭支架上，攝像頭和加速度傳感器均與無線通訊模塊相連，無線通訊模塊與上位機無線通信；所述具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺包括兩個曲面自適應(yīng)車架(2)和四個磁性驅(qū)動輪單元(I);每個曲面自適應(yīng)車架(2)上對稱布置固定安裝兩個磁性驅(qū)動輪單元(1)，兩個曲面自適應(yīng)車架(2)由活頁鉸鏈(21)鉸接。
2.根據(jù)權(quán)利要求(I)所述具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人，其特征在于，所述磁性驅(qū)動輪單元(I)包括電機(14 )，由電機(14 )驅(qū)動的輪轂(13)，安裝在輪轂(13)外表面的彈性永磁吸附層(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求(2)所述具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人，其特征在于，所述彈性永磁吸附層(10)包括彈性鐵片基層(12)和彈性鐵片基層(12)上均勻粘貼的永磁鐵(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求(3)所述具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人，其特征在于，所述永磁鐵(11)可采用釹鐵硼稀土永磁鐵。
5.根據(jù)權(quán)利要求(3)所述具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機器人，其特征在于，所述彈性鐵片基層(12)可由具有彈性的O.1mm鐵片加工而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機器人，它包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺、加速度傳感器、無線通訊模塊、攝像頭和上位機；曲面自適應(yīng)吸附的移動平臺由磁性驅(qū)動輪單元和曲面自適應(yīng)車架組成，通過磁性驅(qū)動輪中彈性永磁吸附層和車架中活頁鉸鏈的共同變形，實現(xiàn)曲面自適應(yīng)吸附；本發(fā)明的磁輪式爬壁機器人具有良好的曲面自適應(yīng)能力和越障能力，能夠在曲率半徑較小的曲面上穩(wěn)定行走，可滿足大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的無線健康檢測等工程應(yīng)用需求。
文檔編號B62D57/024GK103009373SQ20121054092
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者蘇亮, 李國清, 鄧民勝, 莫光軼 申請人:浙江大學(xué)