可用于K-TIG焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人

可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人
技术领域
1.本发明涉及爬壁机器人技术领域，特别是涉及一种可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人。


背景技术：

2.爬壁机器人是移动机器人研究领域中的一个重要分支，可以替代人在高危高空等极限环境下作业，在许多行业中具有非常广泛的应用前景，如船舶、石化、核电和消防等领域。目前应用爬壁机器人进行管道无损检测、船舶壁面除锈喷漆的技术已相当成熟，但其在焊接领域的应用受到一定的限制，一方面是因为焊接作业的复杂性及其环境的恶劣性对于焊接设备的性能提出了更高的要求，另一方面是传统的焊接方法与爬壁机器人相结合不能有效提升焊接质量与效率。但随着技术的不断发展，它可以将壁面吸附技术、地面移动技术与k-tig焊接方法有机结合，可附着在倾斜、垂直或者倒立壁面上爬行，在运动过程中能搭载k-tig焊枪以执行一定的焊接作业任务。由于k-tig焊接方法能在不开坡口、不填充焊材的条件下，焊接厚度为12mm不锈钢板并且实现双面成形，因此在作业灵活性和柔性等方面具有明显优势，极大地拓宽机器人的应用范围，对于提高焊接作业质量、降低制造成本、改善工人作业环境等具有重要的实际应用价值。
3.目前，以磁吸附技术和移动技术相结合的爬壁机器人主要有磁轮式、磁履带式和非接触磁吸附轮足式。磁轮式爬壁机器人将永磁铁嵌入到驱动轮上，通过磁轮产生吸附力以保证机器人的爬壁运动安全；磁履带式爬壁机器人的磁性履带与壁面的接触面积大，可以产生较大的吸附力，使得机器人行走稳定性出众；非接触磁吸附轮足式爬壁机器人兼具轮式的灵活性与足式的越障能力。现有的磁轮式与磁履带式爬壁机器人虽然结构紧凑、磁吸附力稳定，但由于控制困难、磁吸附力不可控等特点，导致其运动性能较差，无法满足其在壁面上灵活运动的功能，而且安装和拆卸也较为困难。所以非接触磁吸附轮足式爬壁机器人的应用更加广泛。
4.而目前现有的非接触磁吸附爬行式机器人，虽然能够实现磁吸附力可调节，但其曲面自适应能力具有一定的局限性，一般只能适应平面和小曲率的曲面，难以适用于大曲率的曲面。


技术实现要素：

5.本发明提供一种可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人，以解决现有的非接触磁吸附爬行式机器人只能适应平面和小曲率的曲面，难以适用于大曲率的曲面的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明提供一种可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人，包括机体和前后间隔设置在所述机体下侧的三组可升降移动轮组，所述可升降移动轮组包括：
8.底板，所述底板间隔设置于所述机体的下方，所述底板的下表面左右两侧均设置
有磁吸附组件；
9.升降机构，所述升降机构的上部与所述机体连接，所述升降机构的下部穿过所述底板延伸至所述底板的下侧，所述升降机构的底部固定有升降板；
10.两组驱动轮组件，两组所述驱动轮组件分别安装在所述底板的左右两侧，所述驱动轮组件包括用以在壁面上运动的驱动轮；
11.多个气弹簧，所述气弹簧的一端安装在所述机体上，所述气弹簧的另一端安装在所述底板上；
12.控制器，所述升降机构、所述驱动轮组件均与所述控制器电连接；
13.所述升降机构能够驱动所述升降板上下运动，所述升降板向上运动时带动所述底板向上运动，所述底板压缩所述气弹簧，以使得所述驱动轮贴合在所述壁面上。
14.优选地，所述壁面的曲率半径与所述气弹簧的压缩量满足以下公式：
[0015][0016]
其中，r表示壁面的曲率半径；s表示气弹簧的压缩量；l表示相邻可升降移动轮组的中心间距，r表示驱动轮的半径；壁面为凸曲面时，取
“‑”
号，壁面为凹曲面时，取“+”号。
[0017]
优选地，所述壁面为凸曲面时，所述壁面的最小曲率半径为1280mm；所述壁面为凹曲面时，所述壁面的最小曲率半径为2260mm。
[0018]
优选地，所述机体前侧的所述可升降移动轮组还包括激光测距传感器和测距传感器支架，所述底板上表面的左右两侧各安装一个所述测距传感器支架，所述激光测距传感器安装在所述测距传感器支架上，所述激光测距传感器与所述控制器电连接。
[0019]
优选地，所述机体的前侧安装有激光雷达。
[0020]
优选地，所述底板包括左底板和右底板，所述左底板的右侧与所述右底板的左侧可拆连接，所述左底板的右侧设置有第一缺口，所述右底板的左侧均设置有第二缺口，所述第一缺口和所述第二缺口合围形成供所述升降机构穿过的通孔。
[0021]
优选地，所述磁吸附组件包括轭铁板和永磁铁块，所述轭铁板固定在所述底板的下表面，所述轭铁板的下表面左右两侧各固定一个所述永磁铁块。
[0022]
优选地，所述驱动轮组件包括车轮、电机和电机支架，所述电机支架固定在所述底板的上表面，所述电机安装在所述电机支架上，所述电机与所述车轮传动连接。
[0023]
优选地，所述机体的下侧设置有连接板，所述升降机构、所述气弹簧均安装在所述连接板上。
[0024]
本发明实施例一种可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人与现有技术相比，其有益效果在于：
[0025]
本发明实施例的可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人，在机体下侧设置三组可升降移动轮组，可升降移动轮组的驱动轮组件安装在底板上，通过多个气弹簧连接底板与机体，通过升降机构驱动升降板运动，升降板向上运动时带动底板向上运动，底板压缩气弹簧，使得驱动轮能够始终贴合在壁面上，适用于多曲率和大曲率的曲面壁面，提高了爬壁机器人的曲面自适应性和运动平稳性，降低爬壁机器人的作业风险。
附图说明
[0026]
图1是本发明实施例所述可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人的结构示意图；
[0027]
图2是本发明实施例所述可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人的主视示意图；
[0028]
图3是本发明实施例所述可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人的俯视示意图；
[0029]
图4是本发明实施例所述可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人的侧视示意图；
[0030]
图5是本发明中磁吸附组件的结构示意图；
[0031]
图6是本发明中驱动轮组件的结构示意图；
[0032]
图7是本发明的爬壁机器人在凸曲面壁面上的自适应示意图；
[0033]
图8是本发明的爬壁机器人在凹曲面壁面上的自适应示意图；
[0034]
图中，1、机体；11、连接板；2、可升降移动轮组；21、底板；211、左底板；212、右底板；22、升降机构；221、升降板；23、驱动轮组件；231、车轮；232、电机；2321、电机驱动器；233、电机支架；24、磁吸附组件；241、轭铁板；242、永磁铁块；25、气弹簧；251、气弹簧接头；3、激光测距传感器；4、测距传感器支架；5、激光雷达；6、继电器控制板；7、接线盒。
具体实施方式
[0035]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0038]
如图1-图4所示，本发明实施例的一种可用于k-tig焊接曲面自适应轮足式爬壁机器人，包括机体1和前后间隔设置在所述机体1下侧的三组可升降移动轮组2。各组可升降移动轮组2的结构基本相同，以其中一个可升降移动轮组2的结构为例进行说明。
[0039]
所述可升降移动轮组2包括底板21、升降机构22、两组驱动轮组件23和多个气弹簧25，其中，所述底板21间隔设置于所述机体1的下方，所述底板21的下表面左右两侧均设置有磁吸附组件24，通过磁吸附组件24产生的吸附力保证爬壁机器人在壁面运行的稳定性和安全性；所述升降机构22的上部与所述机体1连接，所述升降机构22的下部穿过所述底板21延伸至所述底板21的下侧，所述升降机构22的底部固定有升降板221，升降机构22与底板21
具有间隙，当升降机构22驱动升降板221上升时，升降板221抵接在底板21的下表面，升降板221带动底板21同步上升；升降机构22优选为电动升降机构22，本发明对升降机构22的具体结构不做限定；两组所述驱动轮组件23分别安装在所述底板21的左右两侧，所述驱动轮组件23包括用以在壁面上运动的驱动轮；所述气弹簧25的一端安装在所述机体1上，所述气弹簧25的另一端安装在所述底板21上，多个气弹簧25均衡分布在底板21上，以向底板21提供均衡的作用力，保证底板21稳固地置于机体1的下侧；所述升降机构22、所述驱动轮组件23均与所述控制器电连接，通过控制器控制升降机构22的升降以及驱动轮组件23的运行；所述升降机构22能够驱动所述升降板221上下运动，所述升降板221向上运动时带动所述底板21向上运动，所述底板21压缩所述气弹簧25，以使得所述驱动轮贴合在所述壁面上。
[0040]
本发明中的底板21通过气弹簧25与机体1连接，将底板21与机体1进行弹性连接，避免了底板21与机体1直接刚性连接导致底板21两侧的驱动轮组件23不能适用于曲面壁面运行，而容易发生驱动失效、翻转、跌落等情况，使得本发明的爬壁机器人适用于多曲率和大曲率的曲面壁面运行，提高了爬壁机器人的曲面自适应性和运动平稳性，降低爬壁机器人的作业风险。并且，磁吸附组件24安装在底板21上，可随底板21运动，通过底板21的升降可调节磁吸附力的大小，结合气弹簧25的使用，使得爬壁机器人在适应于作业面曲率的同时，可根据所处的作业面的凹凸程度调节磁吸附力大小。
[0041]
本实施例中，在底板21和机体1上均安装气弹簧接头251，各个气弹簧25分别安装在对应的气弹簧接头251上。
[0042]
本实施例中，每一组的可升降移动轮组2中各设置四个气弹簧25，四个气弹簧25呈四边形布置，四个气弹簧25向底板21提供均衡支撑力，在升降机构22的两侧各设置两个气弹簧25。位于升降机构22同一侧的两个气弹簧25分别设置于驱动轮组件23的前后两侧，使得四个气弹簧25接近于底板21的四个顶角位置分布。
[0043]
当爬壁机器人在平面壁面运动时，三组可升降移动轮足的磁吸附组件24的吸力方向垂直于壁面，各个磁吸附组件24提供的吸附力相同，此时，气弹簧25主要起到缓震支撑作用，以保证机器人的稳定性和灵活性。当爬壁机器人在曲面壁面运动时，爬壁机器人需要调整各驱动轮的姿态使其与曲面紧贴，可通过压缩各个气弹簧25，利用气弹簧25伸缩速度相对缓慢、动态力变化小等特性来实现机器人在纵向上的自适应，保证6个驱动轮与所在曲面的曲率相匹配，避免驱动轮悬空。
[0044]
所述壁面的曲率半径与所述气弹簧的压缩量满足以下公式：
[0045][0046]
其中，r表示壁面的曲率半径；s表示气弹簧的压缩量；l表示相邻可升降移动轮组的中心间距(具体为两个驱动轮中心的间距)，r表示驱动轮的半径；壁面为凸曲面时，取
“‑”
号，壁面为凹曲面时，取“+”号。
[0047]
进一步地，为了保证爬壁机器人的底盘与曲面壁面不干涉，优选地，各组可升降移动轮组2的升降机构22底部的升降板221与曲面壁面的最短距离l≥3mm，其中，按照机体1的由前至后方向，前侧的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离表示为l1，中部的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离表示为l2，后侧的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离表示为l3，则：
[0048]
l1≥3mm
ꢀꢀ
(2)
[0049]
l2≥3mm
ꢀꢀ
(3)
[0050]
l3≥3mm
ꢀꢀ
(4)
[0051]
如图7所示，在凸曲面壁面上，中部的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离l2满足以下公式：
[0052]
l2＝h-s
ꢀꢀ
(5)
[0053]
其中，h表示升降机构处于初始设定状态下时，升降板221与壁面的间隙，h的最大值为28mm；s表示气弹簧的压缩量。
[0054]
在凸曲面壁面上，只要确保中部的可升降移动轮组2的升降板221与曲面的最短距离l2满足要求，则l1和l3必然满足要求。由公式(1)、(3)和(5)式可知，爬壁机器人能适应曲面壁面的最小曲率半径主要取决于中部可升降移动轮组2的气弹簧25压缩量s。当气弹簧25压缩量s越大，则凸曲面的曲率半径越小。取l＝259mm，r＝74mm，h＝28mm，l2＝3mm，且仅中部可升降移动轮组2的气弹簧25受到压缩，此时，可计算得出爬壁机器人能够适应的凸曲面壁面的最小曲率半径r为1280mm，气弹簧25的最大压缩量s为25mm。
[0055]
如图8所示，在凹曲面壁面上，前侧的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离表示为l1和后侧的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离表示为l3，满足以下公式：
[0056][0057]
其中，l1表示升降板的宽度，r表示曲面壁面的曲率半径，h表示升降机构处于初始设定状态下时，升降板与壁面的间隙，h的最大值为28mm；l表示相邻可升降移动轮组的中心间距。
[0058]
在凹曲面壁面上，只要确保l1、l3满足要求，则中部的可升降移动轮组2的升降板221与曲面壁面的最短距离l2必然满足要求。由公式(1)、(2)、(4)和(6)式可知，爬壁机器人能适应凹曲面的最小曲率半径主要取决于前后移动轮组的电动升降装置与曲面的最短距离l1和l3。当l1和l3越小，则气弹簧压缩量s越大，凹曲面的曲率半径越小。取l＝259mm，l1＝152mm，r＝74mm，h＝28mm，l1＝l3＝3mm，且仅前后移动轮组的气弹簧25受到压缩，其压缩量相同，此时可计算得出爬壁机器人适应凹曲面壁面的最小曲率半径r为2260mm，气弹簧25的最大压缩量s为15mm。
[0059]
本实施例中，所述底板21包括左底板211和右底板212，所述左底板211的右侧与所述右底板212的左侧可拆连接，所述左底板211的右侧设置有第一缺口，所述右底板212的左侧均设置有第二缺口，所述第一缺口和所述第二缺口合围形成供所述升降机构22穿过的通孔。将底板21设置为左底板211和右底板212对接的结构形式，方便底板21、升降机构22的安装和拆卸。左底板211的右侧边缘可向上延伸设置第一凸起板，右底板212的左侧边缘向上延伸设置第二凸起板，第一凸起板和第二凸起板螺栓连接。
[0060]
需要说明的是，第一缺口和第二缺口合围形成的通孔孔径大于升降机构22的中部截面尺寸，且小于升降机构22底部升降板221的截面尺寸，使得升降机构22的中部能够穿过通孔，升降板221上升时能够与底板21抵接，从而带动底板21上升。
[0061]
本实施例中，所述机体1的下侧设置有连接板11，所述升降机构22、所述气弹簧25
均安装在所述连接板11上，方便了升降机构22和气弹簧25的安装。升降机构22的上部与连接板11可通过螺栓固定连接。进一步地，连接板11上设置接线盒7，用于保护电线。
[0062]
本实施例中，同一个可升降移动轮组2的两个驱动轮组件23左右对称布置。各个驱动轮组件23的结构相同。如图6所示，本实施例中，所述驱动轮组件23包括车轮231、电机232和电机支架233，所述电机支架233固定在所述底板21的上表面，所述电机232安装在所述电机支架233上，所述电机232与所述车轮231传动连接。通过电机232驱动车轮231转动。优选地，每个电机232配备独立的电机驱动器2321，分别对各个车轮231独立驱动，使得爬壁机器人的行走和转弯等运动更加灵活，方便机器人在壁面进行全方位运动。可选地，电机支架233为l形连接板11，方便与底板21固定。电机支架233与底板21通过螺栓连接，方便拆装。电机232为直流减速电机232，电机232输出轴与车轮231的轮毂相连。
[0063]
本发明的爬壁机器人不仅可以适用于多曲率和大曲率的曲面壁面运动，还具有越障能力。通过控制器控制前侧、中部和后侧的可升降移动论组中的升降机构22依次升降，可跨越障碍物，实现越障功能。优选地，所述机体1前侧的所述可升降移动轮组2还包括激光测距传感器3和测距传感器支架4，所述底板21上表面的左右两侧各安装一个所述测距传感器支架4，所述激光测距传感器3安装在所述测距传感器支架4上，所述激光测距传感器3与所述控制器电连接。激光测距传感器3具有抗干扰能力强，测量精度高等优点，在机器人工作时可对机体1前方环境进行实时测距。激光测距传感器3可测量机器人前侧与障碍物的距离，并将检测的距离信号传递至控制器，控制器根据激光测距传感器3检测的距离信号控制各个升降机构22的升降。本实施例中，在底板21的左右两侧各安装一个激光测距传感器3，方便了通过对左右两侧的驱动轮分别控制，跨越障碍物。
[0064]
本实施例中，控制器为安装在机体1下侧的继电器控制板6。激光测距传感器3将距离信号等信息反馈给继电器控制板6以判断是否需要进行电机232的启停，再通过can总线反馈给工控机，工控机通过can总线传输控制信号到继电器控制板6，继电器控制板6调节输出电流正负极，在越障过程中控制轮组依次抬升、下降和车体的移动，实现越障功能。
[0065]
进一步地，所述机体1的前侧安装有激光雷达5。通过激光雷达5以最佳角度实时获取机器人的环境信息，实现对机器人的导航与定位，方便在机体1顶部搭载k-tig焊枪进行作业。
[0066]
如图5所示，所述磁吸附组件24包括轭铁板241和永磁铁块242，所述轭铁板241固定在所述底板21的下表面，所述轭铁板241的下表面左右两侧各固定一个所述永磁铁块242。轭铁板241呈板状，永磁铁块242呈块状。轭铁板241作为磁吸附组件24的拢磁部件，通过沉头螺钉与永磁铁块242连接。轭铁板241通过螺栓与底板21连接。永磁铁块242优选为钕铁硼永磁铁。本实施例中，磁吸附组件24固定在底板21的下表面，可随底板21同步上下运动。通过升降机构22驱动底板21上下运动时，磁吸附组件24同步上下运动，从而调整磁吸附组件24与壁面之间的距离，调节磁吸附力的大小，实现磁吸附力可控。使用时，根据爬壁机器人的实际负载需求调整吸附力的大小，有效地解决现存爬壁机器人可靠吸附与灵活运动之间的矛盾问题，以此保证机器人的作业质量，提升作业效率。
[0067]
本发明的工作过程为：
[0068]
当无障碍物时，通过三组可升降移动轮组2的差速运动实现机器人在壁面上的全位置行走，其中，通过多个气弹簧25使得机器人能够适应于多曲率和大曲率的曲面壁面运
行。
[0069]
当机器人遇到障碍物时，通过激光测距传感器3识别障碍物的距离信号，并将距离信号传递至控制器，控制器根据激光测距传感器3反馈的距离信号控制各个可升降移动轮组2的升降以及驱动轮组件23的移动，实现越障功能。其中，爬壁机器人的越障高度由升降机构22的初始设定确定，越障宽度由相邻可升降移动轮组2的间距确定。
[0070]
综上，本发明实施例提供一种可用于k-tig焊接的曲面自适应轮足式爬壁机器人，其采用气弹簧配合升降机构实现曲面自适应效果，能适应最小曲率半径r≥1280mm的凸曲面，最小曲率半径r≥2260mm的凹曲面，同时可以在多曲率的曲面进行平稳运动，有效提高了机器人的曲面自适应能力与磁吸附力的利用率，降低了机器人的作业风险，使机器人性能的可靠性以及工作的稳定性更加有保证。
[0071]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。