应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人

摘要

本发明应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，涉及特种机器人技术领域，尤其涉及一种应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人。本发明包括：机器人框架、履带机构、清洗机构和喷液装置；机器人框架的两侧对称装置有履带机构，作为机器人框架的走行机构；机器人框架的底部设置有喷淋装置，喷淋装置与外部供水系统相连接，对塔筒壁面进行喷淋；机器人框架的后部铰装拖行有清洗机构，对喷过水的塔筒壁面进行清洗。本发明的技术方案解决了现有技术中的爬壁清洗机器人不能适应曲面、履带机构难以越障以及传统清洗机构在曲面作业清洗效率低的问题。

说明书

技术领域

本发明应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，涉及特种机器人技术领域，尤其涉及一种应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人。

背景技术

风电塔筒壁面清洗属于壁面清洗的作业范畴。传统风电塔筒壁面清洗作业主要由人工完成。人工清洗的作业方式工作量大，且对工人能力和技术要求高，在高空作业时，人工清洗易受风电塔叶片影响，并且人员有坠落风险。采用爬壁清洗机器人清洗风电塔筒取代人工清洗的方式能解决上述弊端。

现在相关的爬壁清洗机器人专利有：

专利号：ZL202210313483.5；专利名称：爬壁清洗机器人。包括：机架；第一驱动机构，与机架连接，第一驱动机构设有第一主动轮；第二驱动机构，与机架连接，第二驱动机构设有与第一主动轮相对设置的第二主动轮；第一磁吸附机构，与机架连接，位于第一主动轮和第二主动轮之间，第一磁吸附机构设有第一磁吸附结构，其与待清洗壁面之间的距离能够调整；清洗机构，位于机架的前方，且与机架转动连接。此爬壁清洗机器人的清洗机构刷盘无法自适应曲面进行清洗作业，并且其磁吸附机构与壁面存在一定距离，无法保证爬壁清洗机器人吸附的稳定性。当爬壁清洗机器人跨越障碍时，磁吸附机构与壁面的距离会更大，无法保证该爬壁清洗机器人稳定跨越障碍，易出现该爬壁清洗机器人从壁面掉落的情况。

专利号：ZL202221348057.7；专利名称：爬壁清洗机器人。包括机架、两个主吸附行走机构、副吸附行走机构和清洗装置，机架包括主架体和两个副架体；主吸附行走机构包括主行走单元和安装于主行走单元上的主磁吸单元；副吸附行走机构包括副行走单元和副磁吸单元；清洗装置包括支撑盘、清洗组件和密封组件，支撑盘上开设用于连接负压源的通孔。通过主磁吸单元可以将主吸附行走机构吸附在壁面上，通过副磁吸单元可以将副吸附行走机构吸附在壁面上。支撑盘与负压源连通，当负压源在工作时，在支撑盘、密封组件和壁面围合的空间产生负压，提高爬壁清洗机器人在壁面上行走的稳定性，降低了爬壁清洗机器人掉落的风险。此爬壁清洗机器人的行走机构无法自适应于曲面，在曲面行走时易出现因吸附不稳定而导致爬壁清洗机器人掉落的情况，该爬壁清洗机器人在曲面清洗作业领域存在一定局限性。

专利号：ZL202021186693.5；专利名称：履带式励磁吸附塔筒清洗机器人。包括机架、电磁履带机构、驱动电机、控制箱、电池箱和安装在机架上的油泥清洗组件。电磁履带机构包括结构相同的左侧电磁履带机构和右侧电磁履带机构，分别安装在机架的两侧形成双履带底盘结构，电磁履带机构内设置有励磁线圈；驱动电机安装在机架上并且通过传动轴与电磁履带机构相连；控制箱安装在机架上并且与驱动电机电性连接，控制箱与励磁线圈电性连接；电池箱安装在机架上并且与控制箱电性连接，通过油泥清洗组件来清洗塔筒表面油泥。此履带式励磁吸附塔筒清洗机器人的油泥清洗组件无法自适应曲面，导致油泥清洗组件与曲面接触面积小，在进行曲面清洗作业时清洗效率较低。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

根据上述现有技术提出的爬壁清洗机器人行走机构与清洗机构无法自适应曲面和跨越障碍，易出现吸附不稳定的技术问题，而提供一种应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人。本发明主要利用通过伸缩式四球形铰链轮轴连接机器人框架和履带机构，使爬壁清洗机器人可以适应不同曲率壁面，伸缩式四球形铰链轮轴也实现了爬壁清洗机器人的越障功能，在跨越障碍时可以保证两侧履带机构至少有四个承重轮紧贴于壁面，保证履带永磁体与壁面的接触面积和稳定吸附。清洗机构采用浮动底盘可以使刷盘浮动，在作业时刷盘按照壁面曲率贴紧清洗壁面。

本发明采用的技术手段如下：

一种应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人包括：机器人框架、履带机构、清洗机构和喷液装置；

进一步地，机器人框架的两侧对称装置有履带机构，作为机器人框架的走行机构；

进一步地，机器人框架的底部设置有喷淋装置，喷淋装置与外部供水系统相连接，对塔筒壁面进行喷淋；

进一步地，机器人框架的后部铰装拖行有清洗机构，对喷过水的塔筒壁面进行清洗。

进一步地，机器人框架包括：防水外壳、驱动电机、信号接收器、框架弹簧底座、电磁吸附模块、伸缩式四球形铰链轮轴以及无线摄像头；

进一步地，防水外壳为密封型框架结构，在其两侧下部对称各装有至少三个伸缩式四球形铰链轮轴，用于装配履带机构；

进一步地，防水外壳的内部密封安装有驱动电机，驱动电机通过传动装置与伸缩式四球形铰链轮轴相连接，驱动伸缩式四球形铰链轮轴转动，带动履带机构运行；

所述的信号接收器安装于防水外壳的上方，并与驱动电机、清洗机构和喷淋装置相连接；信号接收器用于接收岸上控制信号，向各结构发出工作指令；

进一步地，无线摄像头通过调整机构装于防水外壳的前端，用于探测工作环境；

进一步地，防水外壳的两侧分别安装有电磁吸附模块，用于增强清洗机器人的吸附性能；

进一步地，防水外壳的后部设置有弹簧底座，用于铰装清洗机构，弹簧底座的下部防水外壳上设置有与清洗机构连接用的铰接头。

进一步地，调整机构包括：无线摄像头水平旋转电机和无线摄像头垂直旋转电机；

进一步地，无线摄像头垂直旋转电机安装于防水外壳上端前部；

进一步地，无线摄像头水平旋转电机安装于无线摄像头垂直旋转电机的上部；

进一步地，无线摄像头水平旋转电机上安装有无线摄像头；

进一步地，无线摄像头水平旋转电机和无线摄像头垂直旋转电机在接收信号接收器的指令下带动无线摄像头做水平旋转和上下俯仰动作。

进一步地，履带机构包括：主动轮、柔性轮、张紧轮、伸缩式铰链、挡板、永磁体以及履带；

进一步地，主动轮安装于防水外壳两侧两端的伸缩式四球形铰链轮轴上，用于驱动清洗机器人行走；

进一步地，柔性轮安装于两个主动轮之间的伸缩式四球形铰链轮轴上，用于分担清洗机器人的重量；

进一步地，挡板的两端装于主动轮的外部；挡板的上部内侧安装有张紧轮；

进一步地，履带绕装于主动轮、柔性轮和张紧轮上，在主动轮的带动下运行；

进一步地，履带的外侧均匀安装有永磁铁，用于吸附风电塔筒壁面；

进一步地，伸缩式铰链安装于挡板的内侧，并通过防水外壳外侧的安装孔与防水外壳相连接。

进一步地，喷液装置包括：喷液圆盘以及供水导管；

进一步地，喷液圆盘安装于防水外壳的下部，通过供水导管与外部供液设备相连接，向风电塔筒壁面喷洒清洗药剂，便于清洗机构的清洗。

进一步地，清洗机构包括：刷盘、刷盘罩、刷盘电机、传送带、传送轮、从动轮、铰链、清洗机构弹簧底座、弹簧、以及浮动底盘；

进一步地，刷盘为N个，分别安装于N个浮动底盘的下部，与风电塔筒壁面相接触，用于清洗风电塔筒壁面，浮动底盘咏于诗刷盘具有浮动性能，作业时贴紧清洗壁面；

进一步地，浮动底盘顶部的轴杆通过轴承座装于刷盘罩上，轴杆位于刷盘罩上部的位置装配有传动轮；

进一步地，刷盘电机安装于刷盘罩的上部，其输出端通过传送带与N个浮动底盘轴杆上的传动轮相连接，带动浮动底盘转动；

进一步地，刷盘罩的两侧各装有一个从动轮，用于清洗机构跨越障碍；

进一步地，刷盘罩前部通过铰链与防水外壳后部的铰接头相铰接；

进一步地，刷盘罩后部铰接处上部设置有清洗机构弹簧底座，清洗机构弹簧底座与防水外壳后部的框架弹簧底座之间安装有弹簧，用于刷盘压紧风电塔筒壁面进行清洗。

本发明的工作过程：

在进行风电塔筒壁面清洗作业时，履带上永磁体与电磁模块使清洗机器人吸附于风电塔筒壁面，伸缩式四球形铰链轮轴使履带机构适应壁面曲率并实现履带机构的越障功能，张紧轮防止履带脱离机构，履带机构上伸缩式铰链与机器人外壳建立刚性连接，防止机器人框架爬壁时发生下沉现象，信号接收器接受岸上信号，控制驱动电机驱动主动轮并带动履带机构使清洗机器人在风电塔筒壁面按照预设轨迹移动，无线摄像头水平旋转电机与无线摄像头垂直旋转电机控制无线摄像头水平和垂直缓慢旋转，实时观测作业环境与清洗效果，喷液装置的喷液圆盘由连接地面的供水导管供给清洗液，向壁面喷洒清洗药剂，清洗机构的刷盘电机通过传送轮和传送带带动刷盘高速旋转清洗壁面，浮动底盘使刷盘适应曲面清洗，弹簧使清洗机构压紧壁面，当跨越障碍时，从动轮支撑清洗机构平稳越障。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，实现了自动化清洗作业，解决了传统清洗作业出现的人身安全问题，并进一步提高了清洗作业效率；

2、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，解决了传统爬壁清洗机器人不能适应曲面的问题，采用伸缩式四球形铰链轮轴可以使爬壁清洗机器人适应不同曲率壁面的清洗作业，伸缩式四球形铰链轮轴也实现了爬壁清洗机器人的越障功能。同时解决了传统清洗机构在曲面作业清洗效率低的问题，采用浮动底盘可以使刷盘浮动，在作业时贴紧清洗壁面；

3、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，将传统爬壁清洗机器人进一步优化，采用电磁模块与永磁体双吸附，提高爬壁清洗机器人高空作业的安全性，并在清洗机构安装从动轮，提高爬壁清洗机器人的越障能力；

4、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，应用范围广泛。其应用场景不止适用于风电塔筒壁面的清洗作业，还可广泛适用于具有磁吸附壁面的作业工况；

5、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，采用模块化设计思想，由机器人框架、履带机构、清洗机构以及喷液装置组成。单个子模块集成化程度高，可根据作业面积调整各个子模块，具备易重构、易拆解的特点。

6、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，机器人框架的伸缩式四球形铰链轮轴可以使爬壁清洗机器人适应不同曲率的壁面，当跨越障碍时，运用伸缩式四球形铰链轮轴可以使爬壁清洗机器人两侧的履带机构中，至少有四个支撑轮可以紧贴壁面，保证履带上永磁体与壁面有足够的接触面积，使清洗机器人可以稳定吸附于有障碍物的壁面上。

7、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，机器人框架的电磁吸附模块可以增大清洗机器人对风电塔筒壁面的吸附力，并在跨越障碍时提供较大吸附力，使清洗机器人稳定越障，保证清洗机器人作业时的安全性。

8、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，机器人框架的无线摄像头实时观测作业环境与清洗效果，无线摄像头水平旋转电机与无线摄像头垂直旋转电机控制无线摄像头在水平和垂直方向缓慢旋转，进而增大无线摄像头观测范围，进而提高清洗机器人清洗作业效率。

9、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，清洗机构的浮动底盘可以在进行清洗作业时使高速旋转的刷盘适应不同曲率的壁面，保证刷盘与壁面的接触面积，提高了清洗效率。

10、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，清洗机构与机器人框架设置弹簧与铰链连接，使清洗机构紧贴清洗壁面，提高清洗效率。

11、本发明提供的应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人，喷液装置的喷液圆盘采用圆形结构，向四周均匀喷洒出清洗液，使清洗液可以完全覆盖清洗机器人所在壁面区域。

综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的爬壁清洗机器人不能适应曲面、履带机构难以越障以及传统清洗机构在曲面作业清洗效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明上部立体示意图；

图2为本发明下部立体示意图；

图3为本发明机器人框架结构示意图；

图4为本发明机器人框架内部驱动电机装配示意图；

图5为本发明履带机构结构示意图；

图6为本发明清洗机构结构示意图；

图7为本发明喷液装置结构示意图；

图8为本发明曲面爬行示意图。

图中：

1、机器人框架1.1、防水外壳1.2、驱动电机1.3、信号接收器1.4、框架弹簧底座1.5、电磁吸附模块1.6、伸缩式四球形铰链轮轴1.7、无线摄像头1.8、无线摄像头水平旋转电机1.9、无线摄像头垂直旋转电机；

2、履带机构2.1、主动轮2.2、柔性轮2.3、张紧轮2.4、伸缩式铰链2.5、挡板2.6、永磁体2.7、履带；

3、清洗机构3.1、刷盘3.2、刷盘罩3.3、刷盘电机3.4、传送带3.5、传送轮3.6、从动轮3.7、铰链3.8、清洗机构弹簧底座3.9、弹簧3.10、浮动底盘；

4、喷液装置4.1、喷液圆盘4.2、供水导管。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1、2所示，本发明提供了一种应用于风电塔筒壁面的爬壁清洗机器人包括：机器人框架1、履带机构2、清洗机构3和喷液装置4；机器人框架1的两侧对称装置有履带机构2，作为机器人框架1的走行机构；机器人框架1的底部设置有喷淋装置4，喷淋装置4与外部供水系统相连接，对塔筒壁面进行喷淋；机器人框架1的后部铰装拖行有清洗机构3，对喷过水的塔筒壁面进行清洗。

如图3、4所示，机器人框架1包括：防水外壳1.1、驱动电机1.2、信号接收器1.3、框架弹簧底座1.4、电磁吸附模块1.5、伸缩式四球形铰链轮轴1.6以及无线摄像头1.7；防水外壳1.1为密封型框架结构，在其两侧下部对称各装有至少三个伸缩式四球形铰链轮轴1.6，用于装配履带机构2；防水外壳1.1的内部密封安装有驱动电机1.2，驱动电机1.2通过传动装置与伸缩式四球形铰链轮轴1.6相连接，驱动伸缩式四球形铰链轮轴1.6转动，带动履带机构2运行；信号接收器1.3安装于防水外壳1.1的上方，并与驱动电机1.2、清洗机构3和喷淋装置4相连接；信号接收器1.3用于接收岸上控制信号，向各结构发出工作指令；无线摄像头1.7通过调整机构装于防水外壳1.1的前端，用于探测工作环境；防水外壳1.1的两侧分别安装有电磁吸附模块1.5，用于增强清洗机器人的吸附性能；防水外壳1.1的后部设置有弹簧底座1.4，用于铰装清洗机构3，弹簧底座1.4的下部防水外壳1.1上设置有与清洗机构3连接用的铰接头。

如图3所示，调整机构包括：无线摄像头水平旋转电机1.8和无线摄像头垂直旋转电机1.9；无线摄像头垂直旋转电机1.9安装于防水外壳1.1上端前部；无线摄像头水平旋转电机1.8安装于无线摄像头垂直旋转电机1.9的上部；无线摄像头水平旋转电机1.8上安装有无线摄像头1.7；无线摄像头水平旋转电机1.8和无线摄像头垂直旋转电机1.9在接收信号接收器1.3的指令下带动无线摄像头1.7做水平旋转和上下俯仰动作。

如图5所示，履带机构2包括：主动轮2.1、柔性轮2.2、张紧轮2.3、伸缩式铰链2.4、挡板2.5、永磁体2.6以及履带2.7；主动轮2.1安装于防水外壳1.1两侧两端的伸缩式四球形铰链轮轴1.6上，用于驱动清洗机器人行走；柔性轮2.2安装于两个主动轮2.1之间的伸缩式四球形铰链轮轴1.6上，用于分担清洗机器人的重量；挡板2.5的两端装于主动轮2.1的外部；挡板2.5的上部内侧安装有张紧轮2.3；履带2.7绕装于主动轮2.1、柔性轮2.2和张紧轮2.3上，在主动轮2.1的带动下运行；履带2.7的外侧均匀安装有永磁铁2.6，用于吸附风电塔筒壁面；伸缩式铰链2.4安装于挡板2.5的内侧，并通过防水外壳1.1外侧的安装孔与防水外壳1.1相连接。

如图7所示，喷液装置4包括：喷液圆盘4.1以及供水导管4.2；喷液圆盘4.1安装于防水外壳1.1的下部，通过供水导管4.2与外部供液设备相连接，向风电塔筒壁面喷洒清洗药剂，便于清洗机构3的清洗。

如图6所示，清洗机构3包括：刷盘3.1、刷盘罩3.2、刷盘电机3.3、传送带3.4、传送轮3.5、从动轮3.6、铰链3.7、清洗机构弹簧底座3.8、弹簧3.9、以及浮动底盘3.10；刷盘3.1为N个，分别安装于N个浮动底盘3.10的下部，与风电塔筒壁面相接触，用于清洗风电塔筒壁面，浮动底盘3.10咏于诗刷盘3.1具有浮动性能，作业时贴紧清洗壁面；浮动底盘3.10顶部的轴杆通过轴承座装于刷盘罩3.2上，轴杆位于刷盘罩3.2上部的位置装配有传动轮3.5；刷盘电机3.3安装于刷盘罩3.2的上部，其输出端通过传送带3.4与N个浮动底盘3.10轴杆上的传动轮3.5相连接，带动浮动底盘3.10转动；刷盘罩3.2的两侧各装有一个从动轮3.6，用于清洗机构3跨越障碍；刷盘罩3.2前部通过铰链3.7与防水外壳1.1后部的铰接头相铰接；刷盘罩3.2后部铰接处上部设置有清洗机构弹簧底座3.8，清洗机构弹簧底座3.8与防水外壳后部的框架弹簧底座1.4之间安装有弹簧3.9，用于刷盘3.1压紧风电塔筒壁面进行清洗。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。