本實用新型涉及特種機器人技術領域，尤其涉及一種用于特種移動作業機器人的軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置。

背景技術：

作為機器人技術領域的重要分支，磁吸附式爬壁機器人是一類特種移動作業機器人，是一種設計用來在危險和極限工況下，在導磁性壁面上進行特定作業的一種自動化機電裝置，它可以在豎直壁面、傾斜壁面甚至容器頂面全方位地運動，能攜帶工具完成特定的任務，如鋼板焊接、表面打磨等。目前磁吸附爬壁機器人在電力設備制造、核工業、石化工業、造船業等現代生產活動中獲得成功的試應用，完成諸如鐵磁性結構件和容器的生產施工、檢測等工作。

經文獻調研發現，現有報道的磁吸附式爬行機器人，一般在平直表面碳鋼板或近平直導磁性壁面上實現磁吸附式移動作業，普遍存在著曲面適應性不足的問題，當機器人在曲率壁面上運動時，容易發生無法通過、磕碰底盤、吸附滑落甚至整體傾覆的風險。

如專利文獻201210185680.X，公開了一種差速驅動的吸附式移動機器人，其主要技術方案為：采用三輪拓撲結構，兩個后輪作為驅動輪，前輪為輔助穩定和轉向輪，采用永磁氣隙吸附裝置，前后輪通過剛性車架連接，利用后輪差動方式實現在導磁壁面上的轉向。其特點是磁能利用率高、負載能力較強，但前后輪采用剛性連接，永磁吸附氣隙不可調，不能適應曲面運動的要求。

相比平直表面的壁面，曲率型壁面帶來兩個難題，一個圓筒型壁面上凸使得機器人底盤無法通過的通過性問題，另一個是彎曲壁面引起的磁吸附氣隙變化導致的吸附掉落問題。因此，需要有合適的機電類裝置，克服這兩個難題，以擴展現有磁吸附式爬行機器人的作業范圍和環境適應性，使之能夠適應曲率型壁面的作業要求。

技術實現要素：

為克服現有磁吸附爬壁機器人存在的上述不足，提出一種軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置，能以模塊化方式集成于吸附式爬壁機器人中，使其能夠適應曲率壁面，保持平穩吸附，并避免底盤與壁面的干涉碰撞，實現在曲率壁面上的可靠靈活移動，從而有助于解決現有技術中存在的問題。

為實現上述技術效果，本實用新型所采用的技術方案為：

一種軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置，其特征在于：包括基準安裝板、支座、左車輪吸附驅動模塊、右車輪吸附驅動模塊和曲面適應裝置，所述左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊結構對稱，形成一個車輪對；所述基準安裝板上安裝有所述曲面適應裝置和所述支座，所述曲面適應裝置通過支座與基準安裝板相連，所述支座還與左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊相連。

整體為集成了驅動的一體式模塊，左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊受曲面適應裝置的驅動，同步調節軸線夾角，以適應曲面運動要求，保持通過性和穩定吸附性能。 軸線具體是指左、右車輪的輪軸線的夾角，車輪在平直壁面上行進時，兩軸是重合的，在曲面上時調節此角度，從而改變吸附氣隙以適應曲面。

進一步地，所述基準安裝板為安裝的基準板，設置有作為定位基準的定位槽和定位孔。

進一步地，所述支座的一端固定在基準安裝板上，所述支座的另一端通過銷軸與左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊相連。

進一步地，所述左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊均包括伺服電機、直角行星減速機、端板、車輪和氣隙式吸附組件，所述伺服電機輸出軸接在所述直角行星減速機的輸入端，所述直角行星減速機通過定位止口和法蘭固定在所述端板上，所述直角行星減速機的輸出軸穿過軸承座，和所述車輪通過自動對心的脹緊套連接；

所述端板下部與氣隙式吸附組件連接，端板中部連接到所述支座的銷軸上可繞其轉動，端板上部通過銷軸連接至所述曲面適應裝置。

進一步地，所述氣隙式吸附組件為磁吸附結構，包括軛鐵背板和陣列排布的永磁體，所述永磁體固定在軛鐵板上，在軛鐵板上設置有防止磁體竄動的定位槽，所述永磁體布置在車輪四周，通過車輪和鐵磁性壁面保持合適的氣隙距離。

進一步地，所述曲面適應裝置包括曲面伺服電機、同步帶輪傳動機構、對稱反向絲桿螺母機構以及兩套滑塊機構，所述滑塊機構的一端連接至端板；所述曲面伺服電機通過同步帶輪傳動機構與反向絲桿螺母機構相連，所述反向絲桿螺母機構的兩端各自連接一套滑塊機構，每個滑塊機構分別與一個端板連接，其中位于左側的端板連接有左車輪吸附驅動模塊，位于右側的端板連接有右車輪吸附驅動模塊。曲面伺服電機輸入經過同步帶輪傳動機構傳遞至絲桿軸，再經過所述對稱反向絲桿螺母機構轉換為兩個等值反向的軸向位移，驅動滑塊機構，最后再作用到端板上，從而帶動左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊整體轉動。

所述對稱反向絲桿螺母機構包括左軸承座、右軸承座、絲桿軸、左螺母、右螺母、左滑塊連接件和右滑塊連接件，所述左軸承座和右軸承座設置在所述絲桿軸的兩端，所述絲桿軸是具有對稱反向特性的組合絲桿，所述絲桿軸從左到右分為三部分，左、右部分為對稱分布的左反向螺紋和右反向螺紋，所述左反向螺紋配有左螺母，所述右反向螺紋配有右螺母，左螺母和右螺母各自連接到一套滑塊機構，滑塊機構包括左滑塊連接件和右滑塊連接件，左滑塊連接件和右滑塊連接件是絲桿螺母機構和滑塊結構連接的接口，絲桿軸的中間部位安裝有齒形帶輪，齒形帶輪連接有同步帶輪傳動機構。

所述絲桿軸的中間部位安裝有齒形同步帶輪，所述齒形同步帶輪連接到所述同步帶輪傳動機構并帶動其旋轉。

進一步地，所述對稱反向絲桿螺母機構具有機械自鎖結構，對稱反向絲桿螺母機構中的絲桿螺紋的螺旋升角小于螺紋面的摩擦角。只能由絲桿旋轉驅動螺母運動，進而驅動滑塊直線往復運動，而不能由滑塊運動驅動絲杠旋轉。

本實用新型的工作原理為：

通過由同步帶輪傳動機構、對稱反向絲桿螺母機構以及滑塊機構所組成的曲面適應裝置，自動調節本裝置的左、右車輪驅動吸附模塊的軸線夾角，從而改變磁吸附的氣隙，保持裝置在鐵磁性曲率壁面上的平穩吸附，并提高在曲率壁面上的通過性。

本實用新型的優點在于：

1、軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置，具有模塊化和高集成度的特點，集成了驅動、吸附和曲面適應功能。作為機電系統（比如吸附式爬壁機器人）的一個組件時，功能上獨立，不與其他系統部件耦合或依賴，接口簡單，使用該裝置時，僅需接入機械接口和電機控制接口，方便靈活。本申請的模塊化主要體現在功能模塊之間的低耦合高內聚，互相依賴度度低，便于更高一層的集成和便捷的拆裝維護開展等。

2、軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置能適應非平直的鐵磁性曲率壁面的鐵磁性壁面，比如圓筒形碳鋼壁面，用于吸附式移動作業機器人中能提高其通過性和達到可靠吸附，實現曲面上的移動。

3、軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置的兩個后驅動輪模塊的軸線夾角可根據曲面曲率進行對稱調節，實現對不同曲率壁面的良好適應。

4、左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊均集成有氣隙吸附裝置，吸附力強，能容許氣隙的一定變化，能適應所吸附爬行鋼板的局部凹凸和表面質量不佳的情況，保持移動平臺的平穩。

5、左車輪吸附驅動模塊和右車輪吸附驅動模塊具有緊湊、輕量化以及模塊化的特點，具有反向對稱改變角度和機械自鎖特性，保證了曲面適應的準確性和可靠性。

附圖說明

圖1為軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置示例。

圖2為左車輪吸附驅動模塊示例。

圖3為氣隙式吸附組件。

圖4為左車輪吸附驅動模塊的曲面適應裝置。

圖5為左車輪吸附驅動模塊的組合反向絲桿結構示例。

圖中標號含義如下：

1是基準安裝板、2是左車輪吸附驅動模塊、3是支座、4是銷軸、5是曲面適應裝置、6是右車輪吸附驅動模塊，21是驅動伺服電機、22是直角行星減速機、23是端板、24是車輪、25是端板中部、26是氣隙式吸附組件、27是端板上部、51是伺服電機、52是電機安裝板、53是同步帶輪傳動機構、54是對稱反向絲桿螺母機構、55是滑塊機構、56是直線導軌、261是軛鐵背板、262是陣列排布的永磁體、540是左軸承座，548是右軸承座、541是左反向螺紋，545是右反向螺紋、542是左螺母，547是右螺母、543是左滑塊連接件，546是右滑塊連接件、544是齒形同步帶輪。

具體實施方式

實施例1

一種軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置包括基準安裝板1、支座3、左車輪吸附驅動模塊2、右車輪吸附驅動模塊6和曲面適應裝置5，所述左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6結構對稱，形成一個車輪對；所述基準安裝板1上安裝有所述曲面適應裝置5和所述支座3，所述曲面適應裝置5通過支座3與基準安裝板1相連，所述支座3還與左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6相連。

整體為集成了驅動的一體式模塊，左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6受曲面適應裝置5的驅動，同步調節軸線夾角，以適應曲面運動要求，保持通過性和穩定吸附性能。本申請提到的軸線具體是指指左車輪24和右車輪24的輪軸線的夾角，在平面上行進時，兩軸是重合的，在曲面上時需要調節此角度，從而改變吸附氣隙以適應曲面。

軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪24組裝置，具有模塊化和高集成度的特點，集成了驅動、吸附和曲面適應功能。作為機電系統比如吸附式爬壁機器人的一個組件時，功能上獨立，不與其他系統部件耦合或依賴，接口簡單，使用該裝置時，僅需接入機械接口和電機控制接口，方便靈活。本申請的模塊化主要體現在功能模塊之間的低耦合高內聚，互相依賴度度低，便于更高一層的集成和便捷的拆裝維護開展等。

實施例2

一種軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置包括基準安裝板1、支座3、左車輪吸附驅動模塊2、右車輪吸附驅動模塊6和曲面適應裝置5，所述左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6結構對稱，形成一個車輪對；所述基準安裝板1上安裝有所述曲面適應裝置5和所述支座3，所述曲面適應裝置5通過支座3與基準安裝板1相連，所述支座3還與左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6相連。

整體為集成了驅動的一體式模塊，左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6受曲面適應裝置5的驅動，同步調節軸線夾角，以適應曲面運動要求，保持通過性和穩定吸附性能。本申請提到的軸線具體是指指左車輪24和右車輪24的輪軸線的夾角，在平面上行進時，兩軸是重合的，在曲面上時需要調節此角度，從而改變吸附氣隙以適應曲面。

所述基準安裝板1為安裝的基準板，設置有作為定位基準的定位槽和定位孔。所述支座3的一端固定在基準安裝板1上，所述支座3的另一端通過銷軸4與左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6相連。

所述左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6均包括驅動伺服電機21、直角行星減速機22、端板23、車輪24和氣隙式吸附組件26，所述驅動伺服電機21輸出軸接在所述直角行星減速機22的輸入端，所述直角行星減速機22通過定位止口和法蘭固定在所述端板23上，所述直角行星減速機22的輸出軸穿過軸承座，和所述車輪24通過自動對心的脹緊套連接；

所述端板23下部與氣隙式吸附組件26連接，端板中部25連接到所述支座3的銷軸4上可繞其轉動，端板上部27通過銷軸4連接至所述曲面適應裝置5。所述氣隙式吸附組件26為磁吸附結構，包括軛鐵背板261和陣列排布的永磁體262，所述永磁體固定在軛鐵板上，在軛鐵板上設置有防止磁體竄動的定位槽。所述永磁體布置在車輪24四周，通過車輪24和鐵磁性壁面保持合適的氣隙距離。

所述曲面適應裝置5包括曲面伺服電機51、同步帶輪傳動機構53、對稱反向絲桿螺母機構54、電機安裝板52、直線導軌56以及兩套滑塊機構55，所述滑塊機構55的一端連接至端板23；所述曲面伺服電機51通過同步帶輪傳動機構53與反向絲桿螺母機構相連，所述反向絲桿螺母機構的兩端各自連接一套滑塊機構55，每個滑塊機構55分別與一個端板23連接，所述滑塊機構55在直線導軌56上往復運動，其中位于左側的端板23連接有左車輪吸附驅動模塊2，位于右側的端板23連接有右車輪吸附驅動模塊6。曲面伺服電機51輸入經過同步帶輪傳動機構53傳遞至絲桿軸，再經過所述對稱反向絲桿螺母機構54轉換為兩個等值反向的軸向位移，驅動滑塊機構55，最后再作用到端板23上，從而帶動左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6整體轉動。

所述對稱反向絲桿螺母機構54包括左軸承座540、右軸承座548、絲桿軸、左螺母542、右螺母547、左滑塊連接件543和右滑塊連接件546，所述左軸承座540和右軸承座548設置在所述絲桿軸的兩端，所述絲桿軸是具有對稱反向特性的組合絲桿，所述絲桿軸從左到右分為三部分，左、右部分為對稱分布的左反向螺紋541和右反向螺紋545，所述左反向螺紋541配有左螺母542，所述右反向螺紋545配有右螺母547，所述移動螺母是給絲桿配套的螺母，起嚙合移動作用的，為本領域技術人員熟知的結構，左螺母542和右螺母547各自連接到所述滑塊機構55，滑塊機構55包括左滑塊連接件543和右滑塊連接件546，左滑塊連接件543和右滑塊連接件546是絲桿螺母機構和滑塊結構連接的接口，絲桿軸的中間部位安裝有齒形帶輪，齒形帶輪連接有同步帶輪傳動機構53。

所述絲桿軸的中間部位安裝有齒形同步帶輪544，所述齒形同步帶輪544連接到所述同步帶輪傳動機構53并帶動其旋轉。

所述對稱反向絲桿螺母機構54具有機械自鎖結構，對稱反向絲桿螺母機構54中的絲桿螺紋的螺旋升角小于螺紋面的摩擦角。只能由絲桿旋轉驅動螺母運動，進而驅動滑塊直線往復運動，而不能由滑塊運動驅動絲杠旋轉。

通過由同步帶輪傳動機構53、對稱反向絲桿螺母機構54以及滑塊機構55所組成的曲面適應裝置5，自動調節本裝置的左、右車輪24驅動吸附模塊的軸線夾角，從而改變磁吸附的氣隙，保持裝置在鐵磁性曲率壁面上的平穩吸附，并提高在曲率壁面上的通過性。

軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪24組裝置，具有模塊化和高集成度的特點，集成了驅動、吸附和曲面適應功能。作為機電系統比如吸附式爬壁機器人的一個組件時，功能上獨立，不與其他系統部件耦合或依賴，接口簡單，使用該裝置時，僅需接入機械接口和電機控制接口，方便靈活。本申請的模塊化主要體現在功能模塊之間的低耦合高內聚，互相依賴度度低，便于更高一層的集成和便捷的拆裝維護開展等。

軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪24組裝置能適應非平直的鐵磁性曲率壁面的鐵磁性壁面，比如圓筒形碳鋼壁面，用于吸附式移動作業機器人中能提高其通過性和達到可靠吸附，實現曲面上的移動。軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪24組裝置的兩個后驅動輪模塊的軸線夾角可根據曲面曲率進行對稱調節，實現對不同曲率壁面的良好適應。左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6均集成有氣隙吸附裝置，吸附力強，能容許氣隙的一定變化，能適應所吸附爬行鋼板的局部凹凸和表面質量不佳的情況，保持移動平臺的平穩。左車輪吸附驅動模塊2和右車輪吸附驅動模塊6具有緊湊、輕量化以及模塊化的特點，具有反向對稱改變角度和機械自鎖特性，保證了曲面適應的準確性和可靠性。

實施例3

一種軸線夾角自動調節的磁吸附驅動車輪組裝置，為集成了驅動的一體式模塊，包括基準安裝板1、支座3、左車輪吸附驅動模塊2、右車輪吸附驅動模塊6和曲面適應裝置5。

其中，所述左、右車輪吸附驅動模塊結構對稱，形成一個車輪對。以左車輪吸附驅動模塊2給予詳細說明，其端板23的中部25連接到支座3上，端板上部27再通過銷軸4連接至所述曲面適應裝置5，受其驅動進而帶動左車輪吸附驅動模塊相應轉動，以適應曲率壁面，保持通過性和穩定吸附性能。

所述基準安裝板1，是一塊安裝的基準板，設計有定位基準，包括定位槽和定位孔，上面安裝有所述曲面適應裝置5和所述支座3。

所述支座3，用于連接基準安裝板1和所述左、右車輪吸附驅動模塊2及6，其一端固定在基準安裝板1上，另一端通過銷軸4與所述左、右車輪吸附驅動模塊相連。

所述左車輪吸附驅動模塊，主要包括驅動伺服電機21、直角行星減速機22、端板23、車輪24和氣隙式吸附組件26。驅動伺服電機21輸出軸接在所述直角行星減速機22的輸入端，減速機通過定位止口和法蘭固定在所述端板23上，其輸出軸穿過軸承座，和所述車輪24通過自動對心的脹緊套固接；所述端板的下部與氣隙式吸附組件26連接，中部25連接到前述支座3的銷軸4上，可繞其轉動，端板上部27通過銷軸連接至所述曲面適應裝置5。

所述氣隙式吸附組件26，由軛鐵背板261和陣列排布的永磁體262構成，永磁體固定在軛鐵板上，為了防止磁體竄動，在軛鐵板上設置有定位槽，并布置在車輪兩側，通過車輪和鐵磁性壁面保持合適的氣隙距離，比如6-10mm，實現通過性以及穩定的吸附性能的平衡。

所述曲面適應裝置5，由曲面伺服電機51、電機安裝板52、同步帶輪傳動機構53、對稱反向絲桿螺母機構54以及兩套滑塊機構55串聯構成，曲面伺服電機51是輸入端，滑塊機構是輸出端。滑塊機構55由直線導軌56進行導向，其一端連接到前述螺母機構54的螺母上，受其驅動在直線導軌56上往復運動，另一端連接至前述端板上部27；伺服電機輸入經過同步帶輪傳動機構53傳遞至絲桿軸，再經過所述對稱反向絲桿螺母機構54轉換為兩個等值反向的軸向位移，該位移通過與螺母連接的滑塊，在直線導軌56的導向下，作用在滑塊機構55上，最后驅動前述端板23轉動，進而帶動前述左、右車輪吸附驅動模塊轉動，以調整其在鐵磁性曲率壁面上的通過性和磁吸附氣隙，保證通過性和吸附穩定性。

所述對稱反向絲桿螺母機構54，由左軸承座540、右軸承座548、絲桿軸、左螺母542、右螺母547、左滑塊連接件543、右滑塊連接件546等構成，絲桿軸是具有對稱反向特性的組合絲桿，絲桿軸從左到右分為三部分。左右部分為對稱分布的左反向螺紋541和右反向螺紋545，各配有左螺母542和右螺母547，當絲杠轉動時，左螺母和右螺母能夠以同等速度靠近或遠離，實現反向移動，左螺母和右螺母各自連接到前述滑塊機構55，分別由兩根直線導軌56導向。

進一步地，所述對稱反向絲桿螺母機構54，所述絲杠是具有對稱反向特性的組合絲桿，絲桿軸從左到右分為三部分。絲桿軸的中間部位安裝有齒形同步帶輪544，齒形帶輪連接到前述同步帶輪傳動機構53，由其帶動旋轉。

進一步地，所述對稱反向絲桿螺母機構54，是具有機械自鎖特性的機構，即螺旋升角小于摩擦角，只能由絲桿旋轉驅動螺母運動，進而驅動滑塊直線往復運動，而不能由滑塊運動驅動絲杠旋轉。