專利名稱：一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種機(jī)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(jī)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(diǎn)，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(jī)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(duì)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)。為此，我們以期實(shí)用新型一種可在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上爬行的爬壁機(jī)器人，搭載加速度傳感器、攝像頭等檢測(cè)設(shè)備，為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)提供先進(jìn)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(diǎn)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(shí)，球節(jié)點(diǎn)的直徑大于相交鋼管的直徑。鑒于這樣的特點(diǎn)，適合在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中爬行作業(yè)的機(jī)器人必須滿足兩個(gè)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(diǎn)的越障能力?，F(xiàn)有的爬壁機(jī)器人主要有足式爬壁機(jī)器人、輪式爬壁機(jī)器人和履帶式爬壁機(jī)器人
等二大類。足式爬壁機(jī)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(diǎn)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(qǐng)?zhí)?00910078568.4的專利文獻(xiàn)涉及的“無障礙恒速爬行機(jī)器人”，提供一種真空吸附爬壁機(jī)器人，可在非鐵磁性材料表面進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)、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(jī)器人步法控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)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(jī)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(qǐng)?zhí)?00510086382.5的專利文獻(xiàn)涉及的“一種具有曲面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機(jī)器人”，其特點(diǎn)是通過細(xì)分永磁吸附裝置，增加活動(dòng)鉸連接，以適應(yīng)曲面曲率變化，具有負(fù)載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活和一定的曲面自適應(yīng)能力等特點(diǎn)。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(diǎn)這樣的具有較大交角范圍的相交壁面障礙。履帶式爬壁機(jī)器人是靠安裝在履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的吸附單元吸附在壁面上的。申請(qǐng)?zhí)?00410033770.2的專利文獻(xiàn)涉及的“一種變結(jié)構(gòu)履帶式爬壁機(jī)器人”，該履帶式爬壁機(jī)器人在履帶中增加了與帶輪活動(dòng)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(jī)構(gòu)復(fù)雜、體型較大、運(yùn)動(dòng)靈活性較差，特別是在轉(zhuǎn)向時(shí)，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(jī)器人均未能滿足在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上爬行的兩個(gè)基本條件，因此也未能為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的工程應(yīng)用提供服務(wù)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，以實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)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(jī)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(diǎn)的越障能力，搭載加速度傳感器實(shí)現(xiàn)無線檢測(cè)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)之功用。本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機(jī)器人，它包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)、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(jī)；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(dòng)平臺(tái)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(jī)無線通信；所述具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)包括兩個(gè)曲面自適應(yīng)車架和四個(gè)磁性驅(qū)動(dòng)輪單元；每個(gè)曲面自適應(yīng)車架上對(duì)稱布置固定安裝兩個(gè)磁性驅(qū)動(dòng)輪單元，兩個(gè)曲面自適應(yīng)車架由活頁鉸鏈鉸接。進(jìn)一步地，所述磁性驅(qū)動(dòng)輪單元包括電機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪轂，安裝在輪轂外表面的彈性永磁吸附層。進(jìn)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。本實(shí)用新型相對(duì)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(jī)器人進(jìn)行大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)，可以大大減輕監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)負(fù)荷和勞動(dòng)危險(xiǎn)性，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。(2)采用直接接觸吸附的磁性輪移動(dòng)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(fù)載能力；驅(qū)動(dòng)輪具有外層彈性永磁吸附層，針對(duì)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(jī)器人與鋼管緊密地貼合，可適應(yīng)[0，1/60](單位mm O范圍的曲率變化；在逾越球節(jié)點(diǎn)障礙時(shí)，四輪全驅(qū)動(dòng)為行進(jìn)中提供充足的動(dòng)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)本實(shí)用新型實(shí)用經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，重量輕，操控簡便，負(fù)載能力強(qiáng)。

圖1為本實(shí)用新型一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機(jī)器人的組成框圖；圖2為圖1中具有曲面自適應(yīng)吸附移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖；圖3為圖2中磁性驅(qū)動(dòng)輪單元組成圖；圖4為圖3中彈性永磁吸附層結(jié)構(gòu)圖；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(dòng)平臺(tái)鋼管自適應(yīng)吸附示意圖；圖7為具有曲面自適應(yīng)吸附移動(dòng)平臺(tái)在逾越球節(jié)點(diǎn)時(shí)的工作原理示意圖；[0025]圖8為爬壁機(jī)器人控制電路流程圖；[0026]圖9為圖1中上位機(jī)控制程序流程圖；[0027]圖中，磁性驅(qū)動(dòng)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(jī)14、活頁鉸鏈21、鋼管100、鋼球200。
具體實(shí)施方式
[0028]
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳述本實(shí)用新型。[0029]如圖1所示，本實(shí)用新型一種具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機(jī)器人包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)、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(jī)。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(dòng)平臺(tái)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(jī)無線通 目。[0030]圖2為圖1中具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖，包括兩個(gè)曲面自適應(yīng)車架2和四個(gè)磁性驅(qū)動(dòng)輪單元I。每個(gè)曲面自適應(yīng)車架2上對(duì)稱布置固定安裝兩個(gè)磁性驅(qū)動(dòng)輪單元1，兩個(gè)曲面自適應(yīng)車架2由活頁鉸鏈21鉸接。[0031]圖3為圖2中磁性驅(qū)動(dòng)輪單元I的組成圖，磁性驅(qū)動(dòng)輪單元I包括電機(jī)14，由電機(jī)14驅(qū)動(dòng)的輪轂13，安裝在輪轂13外表面的彈性永磁吸附層10。[0032]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4Χ4Χ 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(gè)數(shù)。實(shí)際作業(yè)時(shí)，機(jī)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。[0033]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0.1mm鐵片加工而成。[0034]所述上位機(jī)可由普通PC機(jī)實(shí)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(cè)量壁面的振動(dòng)加速度。當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)測(cè)量模式，加速度傳感器開始測(cè)量當(dāng)?shù)卣駝?dòng)加速度值，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)無線健康檢測(cè)。[0035]圖9為圖1中上位機(jī)控制程序流程圖:系統(tǒng)啟動(dòng)后，操作人員可對(duì)機(jī)器人工作模式進(jìn)行選擇:直行模式，測(cè)量模式，及遙控模式。直行模式下，機(jī)器人以恒定速度向前沿直線行駛，直到到達(dá)目的地；測(cè)量模式下，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)測(cè)量目的地時(shí)，上位機(jī)發(fā)送停止信號(hào)，并啟動(dòng)機(jī)器人上的加速度傳感器測(cè)量模塊，開始測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機(jī)；遙控模式下，操作人員通過上位機(jī)屏幕觀察機(jī)器人前進(jìn)方向，通過控制機(jī)器人左、右輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，若機(jī)器人行駛時(shí)偏離正常軌道，可實(shí)現(xiàn)人工修正，使機(jī)器人能準(zhǔn)確到達(dá)目的地。[0036]圖6所示為具有曲面自適應(yīng)吸附移動(dòng)平臺(tái)曲面自適應(yīng)的第一個(gè)實(shí)施例，移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)的車架2中部的活頁鉸鏈21由于受到運(yùn)行阻力會(huì)被動(dòng)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(shí)，移動(dòng)平臺(tái)中的活頁鉸鏈21與彈性永磁吸附層10協(xié)同變形使移動(dòng)平臺(tái)能夠自適應(yīng)鋼管曲面，可以在鋼管上穩(wěn)定爬行。[0037]圖7所示為具有曲面自適應(yīng)吸附移動(dòng)平臺(tái)曲面自適應(yīng)的第二個(gè)實(shí)施例，移動(dòng)平臺(tái)在鋼管100/鋼球200節(jié)點(diǎn)相交壁面過渡。在一組磁性驅(qū)動(dòng)輪單元I接觸相交壁面時(shí)，該組輪的彈性永磁吸附層10會(huì)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(dòng)下，爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相交壁面的過渡。[0038]圖8為爬壁機(jī)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(hào)發(fā)送給上位機(jī)，供操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，據(jù)此通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)發(fā)送適當(dāng)?shù)倪b控指令。上位機(jī)發(fā)來啟動(dòng)命令時(shí)，上位機(jī)自動(dòng)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(shí)，上位機(jī)切換至遙控模式，對(duì)左、右輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向進(jìn)行人工設(shè)置，系統(tǒng)對(duì)上位機(jī)發(fā)來的命令進(jìn)行處理，并相應(yīng)的改變各輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)左右輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向；當(dāng)?shù)竭_(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)測(cè)量模式，加速度傳感器開始測(cè)量當(dāng)?shù)卣駝?dòng)加速度值，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過無線通訊模塊傳給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的無線健康檢測(cè)。
權(quán)利要求1.一種具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于，它包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)、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(jī)；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(dòng)平臺(tái)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(jī)無線通信；所述具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)包括兩個(gè)曲面自適應(yīng)車架(2)和四個(gè)磁性驅(qū)動(dòng)輪單元(I);每個(gè)曲面自適應(yīng)車架(2)上對(duì)稱布置固定安裝兩個(gè)磁性驅(qū)動(dòng)輪單元(1)，兩個(gè)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1所述具有曲面自適應(yīng)的磁輪式爬壁機(jī)器人，其特征在于，所述磁性驅(qū)動(dòng)輪單元(I)包括電機(jī)(14 )，由電機(jī)(14 )驅(qū)動(dòng)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(jī)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 )。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有曲面自適應(yīng)吸附的磁輪式爬壁機(jī)器人，它包括具有曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)、加速度傳感器、無線通訊模塊、攝像頭和上位機(jī)；曲面自適應(yīng)吸附的移動(dòng)平臺(tái)由磁性驅(qū)動(dòng)輪單元和曲面自適應(yīng)車架組成，通過磁性驅(qū)動(dòng)輪中彈性永磁吸附層和車架中活頁鉸鏈的共同變形，實(shí)現(xiàn)曲面自適應(yīng)吸附。本實(shí)用新型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(cè)等工程應(yīng)用需求。
文檔編號(hào)B62D57/024GK203019367SQ20122069035
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué)