CN100346939C - 一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，属于机器人设计技术领域。为了克服现有的爬壁机器人在负载能力、运动灵活性和曲面自适应能力的综合性能上的不足，本发明公开了一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，包括轮式移动机构和多个永磁吸附装置，轮式移动机构包括底盘、驱动机构、驱动轮和辅助支撑轮；永磁吸附装置的一端通过辅助支撑轮支撑在导磁壁面上，另一端通过具有一至三个转动自由度的曲面自适应机构与底盘或其它的永磁吸附装置相连；驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向。本发明所述爬壁机器人负载能力强，运动灵活，具有良好的曲面自适应能力，应用前景良好。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人，特别是一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，属于机器人设计技术领域。
背景技术
磁吸附爬壁机器人是特种机器人的一种，是一种设计用来在恶劣、危险、极限情况下、在导磁壁面上进行特定作业如检查、检测、焊接、打磨等的一种自动化机械装置，越来越受到人们的重视。目前磁吸附爬壁机器人已在核工业、石化工业、建筑工业、消防部门、造船业等铁磁性结构的生产施工中得到了广泛的应用。
在实际应用中，有些导磁壁面是空间曲面，其表面形貌变化大，凹凸不平，曲率半经较小，且曲率变化范围较大，如水轮机叶片表面。对于在这类表面运行的磁吸附爬壁机器人，其吸附装置和叶片表面之间的气隙会发生变化，导致吸附力的变化，进而影响爬壁机器人的负载能力。另外，由于导磁壁面的凹凸不平，也会对爬壁机器人的运动性能产生影响，如壁面的凹凸不平可能会使驱动轮悬空，导致驱动失效。因此，对于在表面是复杂空间曲面的导磁壁面上运行的爬壁机器人，在要求其具有强负载能力、良好的运动灵活性的同时，还要对导磁壁面形貌及曲率的变化具有较好的自适应能力。
经文献检索发现，现有的磁吸附爬壁机器人主要有磁足式爬壁机器人，磁轮式爬壁机器人，履带式磁吸附爬壁机器人。
磁足式爬壁机器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附力必须可调，多采用电磁铁提供吸附力，如日本日立公司研制的八足磁吸附爬壁机器人。足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好。另外，采用电磁铁提供吸附力，需要消耗电能，且存在意外断电造成的安全隐患。
磁轮式爬壁机器人是靠磁轮的吸附力吸附在导磁壁面上。申请日为2004年1月5日、申请号为20041006429.6的专利文献涉及的“磁轮吸附式爬壁机器人”，其特点是运动灵活性较好，但是由于磁轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力较差，同时若爬壁机器人所运行的导磁壁面形貌变化较大、曲率较小，则可能导致磁轮和壁面之间的吸附力剧减和驱动失效，磁轮式爬壁机器人对壁面形貌及曲率的变化适应性差。
履带式磁吸附爬壁机器人是靠安装在履带式移动机构上的吸块吸附在导磁壁面上。申请日为2004年4月16日、申请号为200410033770.9的专利文献涉及的“一种变结构履带式爬壁机器人”，该履带式爬壁机器人具有强负载能力，对壁面形貌及曲率的变化具有较好的适应能力，但是其运动灵活性较差，特别是在进行转向运动时，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻力大，转向半径大，转向灵活性差。
综上所述，现有的爬壁机器人至少存在以下几个方面的缺陷中的一个：(1)运动灵活性好，但负载能力不强，典型的如磁轮式爬壁机器人；(2)负载能力强，但运动灵活性差，典型的如履带式磁吸附爬壁机器人，其转向能力差，转弯半经大；(3)对表面形貌复杂、曲率半经较小、曲率变化范围较大的复杂空间曲面的适应性差。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术在负载能力、运动灵活性、曲面自适应性这三个方面综合性能的不足之处，设计一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，使其在具有强负载能力、良好的运动灵活性的同时，对壁面形貌及曲率的变化具有较好的自适应性，从而解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，包括轮式移动机构和多个永磁吸附装置，所述的轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的由电机和减速器组成的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮和辅助支撑轮，其特征在于：所述爬壁机器人采用轮式移动机构，爬壁机器人和导磁壁面之间的吸附力由与导磁壁面之间有气隙的永磁吸附装置提供；所述永磁吸附装置的一端通过安装在其上的辅助支撑轮支撑在导磁壁面上，另一端通过具有一或三个转动自由度的曲面自适应机构与所述底盘或其它的永磁吸附装置相连；所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向。
在本发明中，所述曲面自适应机构的一种形式为圆柱铰曲面自适应机构，该曲面自适应机构具有一个转动自由度，使得永磁吸附装置可以在一个方向上调节其自身相对于移动机构或其它永磁吸附装置的位姿，适用于壁面曲面是近圆柱面(包括凹面和凸面)的情况。
在本发明中，所述曲面自适应机构的另一种形式为球铰曲面自适应机构，该曲面自适应机构具有三个转动自由度，使得永磁吸附装置可以在三个方向上调节其自身相对于移动机构或其它永磁吸附装置的位姿，适用于壁面曲面是球面及其它任意形状的曲面的情况。
在本发明中，所述永磁吸附装置的大小根据爬壁机器人所运行的导磁壁面的曲率半径大小，以及所允许的气隙变化范围确定。
在本发明中，所述驱动轮分为两组，每组驱动轮分别由一套驱动机构驱动，同一组驱动轮内包含至少一个驱动轮，所述同一组内的驱动轮之间通过同步带或链轮相连，实现运动的同步。
在本发明中，所述辅助支撑轮均采用在运动时和壁面之间摩擦为滚动摩擦的万向轮。
在本发明中，所述永磁吸附装置包含多个吸附单元，每个吸附单元由两块永磁体和一块轭铁组成乙型磁路；所述的各吸附单元排列组合或耦合设置，使得所述永磁吸附装置上各永磁体磁极按行、列交叉布置，即相邻磁极的极性互不相同。
在本发明中，所述永磁体采用沿高度方向磁化的矩形永磁体。
在本发明中，所述轭铁采用纯铁或低碳钢制造。
本发明所述的爬壁机器人和现有技术相比，具有实质性特点和显著进步：
(1)采用永磁非接触吸附轮式移动方案，有效克服了磁吸附爬壁机器人吸附能力和运动灵活性间的矛盾：爬壁机器人采用对称式轮式移动机构，差动驱动方式，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半经为0；本发明所采用的非接触永磁吸附装置在具有强吸附能力的同时，由于和导磁壁面之间是非接触的，减小了爬壁机器人的运行阻力，在保证爬壁机器人具有强负载能力的同时，使爬壁机器人具有优良的运动灵活性。
(2)爬壁机器人上每个永磁吸附装置的大小是根据爬壁机器人所运行的导磁壁面曲率大的大小和所允许的永磁吸附装置和导磁壁面之间的气隙变化的大小设计的，使得每个永磁吸附装置和导磁壁面之间的工作气隙的变化在允许范围内。
(3)设计了圆柱铰和球铰曲面自适应机构，永磁吸附装置和轮式移动机构或其它的永磁吸附装置之间通过曲面自适应机构联接，使得爬壁机器人的永磁吸附装置可以根据所运行的导磁壁面状况自动调节其自身的位姿，保证了每个永磁吸附装置和导磁壁面之间的工作气隙的变化在允许范围内，同时也保证了爬壁机器人的可靠驱动和运动灵活性，即使得爬壁机器人在表面是复杂空间曲面(如混流式水轮机叶片表面)上的负载能力和运动灵活性得到了保证，对壁面形貌(凹凸)及曲率的变化具有良好的自适应性能；
(4)可根据壁面的形貌选择曲面自适应机构的形式，如对于表面是近圆柱面的壁面，可选择圆柱铰曲面自适应机构，对于壁面是任意曲面(如碗状、马鞍形的)可选择对壁面形貌适应性更好但运动传递性能相对较差的球铰曲面自适应机构。
附图说明
图1是永磁非接触吸附轮式移动方案的工作原理示意图。
图2是如何根据曲面曲率大小和所允许的永磁吸附装置和导磁壁面之间的气隙变化的大小来确定永磁吸附装置大小及曲面自适应的原理示意图。
图3a是圆柱铰曲面自适应机构和永磁吸附装置的连接示意图。
图3b是采用圆柱铰曲面自适应机构的爬壁机器人在近圆柱面上的自适应效果示意图。
图4a是球铰曲面自适应机构和永磁吸附装置的连接示意图。
图4b是采用球铰曲面自适应机构的爬壁机器人在球面上的自适应效果示意图。
图5是永磁吸附装置之间通过圆柱铰曲面自适应机构相连的示意图。
图6是爬壁机器人的一种轮式移动机构的原理示意图。
图7是爬壁机器人的另一种轮式移动机构的原理示意图。
图8a是爬壁机器人的永磁吸附装置中采用乙型磁路的吸附单元主视图。
图8b是图8a所示吸附单元俯视图。
图9a是爬壁机器人的永磁吸附装置的一种结构的三维模型图。
图9b是爬壁机器人的永磁吸附装置的另一种结构的三维模型图。
图10a、10b是具有曲面自适应功能的磁吸附爬壁人的一个实施例的正、反面三维示意图。
图11是具有曲面自适应功能的磁吸附爬壁人一个应用实施例的三维示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详述本发明。
图1是永磁非接触吸附轮式移动方案的工作原理示意图。其中，轮式移动机构200靠其底盘上安装的永磁吸附装置产生的吸附力吸附并运行在导磁壁面100上。永磁吸附装置和导磁壁面100之间是非接触的(如图中虚线所示)，两者之间有一定的气隙。
图2是如何根据曲面曲率大小和所允许的永磁吸附装置和导磁壁面之间的气隙变化的大小来确定永磁吸附装置大小及曲面自适应的原理示意图。其中，为了减小永磁吸附装置和导磁壁面100之间的气隙变化，将较大的永磁吸附装置分成三个较小的永磁吸附装置，永磁吸附装置2的大小根据爬壁机器人所运行的导磁壁面100的曲率半径大小来和所允许的永磁吸附装置和导磁壁面之间的气隙变化的大小确定，多个永磁吸附装置2之间通过具有一至三个转动自由度的曲面自适应机构3相连，曲面自适应机构3使得每个永磁吸附装置2可以根据所运行的导磁壁面100的形貌调节其自身相对于导磁壁面100的位姿。由图中可以看出，在未将永磁吸附装置化大为小和采用曲面自适应机构前，永磁吸附装置和导磁壁面100之间的气隙变化过大，会导致爬壁机器人吸附能力和负载能力的剧减。在将永磁吸附装置化大为小和采用曲面自适应机构3后，由于每个小的永磁吸附装置可以自调节其相对于导磁壁面100的位姿，永磁吸附装置和导磁壁面100之间的气隙大为减小，这样在永磁吸附装置总质量或体积不变的情况下，使得永磁吸附装置和导磁壁面之间的吸附力变化在允许范围内，提高了爬壁机器人对壁面形貌及曲率变化的适应能力。因此，提高爬壁机器人曲面自适应能力的关键就是：(1)根据曲面曲率大小和实际应用所允许的气隙变化大小确定永磁吸附装置的大小，保证其和导磁壁面之间的间隙(气隙)变化在允许范围内；(2)设计合适的曲面自适应机构将这些永磁吸附装置按照一定的方式连接，使每个永磁吸附装置都能更具壁面的形貌调节其自身相对于壁面的位姿。
图3a是圆柱铰曲面自适应机构和永磁吸附装置的连接示意图。其中，两个永磁吸附装置2均通过具有一个转动自由度的圆柱铰曲面自适应机构3和底盘(移动机构车架)4相连，永磁吸附装置的一端通过球形辅助支撑轮5支撑在导磁壁面上，另一端通过机械方式(如螺钉连接等)和曲面自适应机构3固连，通过调节底盘4和辅助支撑轮5的安装高度可设定永磁吸附装置的工作气隙。
图3b是采用圆柱铰曲面自适应机构的爬壁机器人在近圆柱面上的自适应效果示意图。其中，由于两个永磁吸附装置2均通过具有一个转动自由度的圆柱铰曲面自适应机构3和移动机构200的底盘(车架)相连，使得每个永磁吸附装置2具有一个转动自由度，可以在一个方向上调节其相对于导磁壁面100和其它永磁吸附装置的位姿。只要永磁吸附装置2的大小合适，就可以保证永磁吸附装置2和近圆柱形导磁壁面100之间的间隙变化在允许的范围内，同时也可保证轮式移动机构车轮不会悬空，使得爬壁机器人对壁面形貌和曲率的变化具有一定的自适应能力。另外，由于圆柱铰曲面自适应机构3仅具有一个转动自由度，主要适用于壁面是近圆柱面(包括凹面和凸面)的情况。
图4a是球铰曲面自适应机构和永磁吸附装置的连接结示意图。其中，两个永磁吸附装置2通过具有三个转动自由度的球铰曲面自适应机构3和轮式移动机构底盘4相连，永磁吸附装置的一端通过球形辅助支撑轮5支撑在导磁壁面上，另一端通过机械方式(如螺钉连接等)和曲面自适应机构3固连，通过调节底盘4和辅助支撑轮5的安装高度可设定永磁吸附装置的工作气隙。图4b为采用球铰自适应机构的爬壁机器人在球面上的自适应效果示意图，其中，由于两个永磁吸附装置2均通过具有三个转动自由度的球铰曲面自适应机构3和移动机构200的底盘相连，使得每个永磁吸附装置2具有三个转动自由度，可以在三个方向上调节其相对于导磁壁面100和其它永磁吸附装置的位姿。只要永磁吸附装置2的大小合适，就可以保证永磁吸附装置2和球形导磁壁面100之间的间隙变化在允许的范围内，同时也保证轮式移动机构车轮不会悬空，使得爬壁机器人对壁面形貌和曲率的变化具有一定的自适应能力。由于球铰曲面自适应机构3具有三个转动自由度，适用于球面或其它任意形状的曲面。
图5是永磁吸附装置之间通过圆柱铰曲面自适应机构相连的示意图。其中，三个永磁吸附装置2通过两个圆柱铰曲面自适应机构3相连，永磁吸附装置2和轮式移动机构200的相对位置通过机械方式固连组成爬壁机器人，圆柱铰曲面自适应机构使得该装置对近圆柱形壁面具有一定的自适应能力。将图5中所示的圆柱铰曲面自适应机构换成球铰曲面自适应机构，由于转动自由度的增加使得该装置对于任意形状的曲面均具有较好的自适应能力。
图6是爬壁机器人的一种轮式移动机构的原理示意图。其中，轮式移动机构的两个辅助支撑轮5和两个驱动轮6对称安装在底盘4上，两个驱动轮6采用差动驱动方式。在移动机构运动时，若两驱动轮6速度(VL、VR)不同，则移动机构可绕不同转弯半径转向，特别地，当两驱动轮6速度(VL、VR)大小相同，方向相反时，移动机构可绕车体中心转向。两个辅助支撑轮5采用在运动时和导磁壁面之间为滚动摩擦的球形万向轮，减小了运行阻力，提高了运动灵活性。
图7是爬壁机器人的另一种轮式移动机构的原理示意图。其中，底盘4上配有四个驱动轮6，四个驱动轮6分成两组，各组内的驱动轮通过同步带或同步链7相连，每组驱动轮分别由一套驱动机构驱动。轮式移动机构运动时，若两组驱动轮的速度(VL、VR)不同，则移动机构可绕不同转弯半径转向，特别地，当两组驱动轮的速度(VL、VR)大小相同，方向相反时，移动机构可绕车体中心转向。
图8a是爬壁机器人的永磁吸附装置中采用乙型磁路的吸附单元主视图，图8b是图8a所示吸附单元俯视图。吸附单元由一块轭铁8和两块永磁体9组成，轭铁8和永磁体9磁极按照图8a和8b所示方式排列构成乙型磁路，所述吸附单元的永磁体9采用沿高度方向磁化的矩形永磁体，永磁体9可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁8采用纯铁或低碳钢(如Q235等)制造。
图9a是爬壁机器人的永磁吸附装置的一种结构的三维模型图。其中，永磁吸附装置包含6个如图8所示的由轭铁8和永磁体9构成的吸附单元。永磁吸附装置上各吸附单元排列组合(耦合)使得永磁吸附装置上各永磁体磁极按行、列交叉布置，相邻磁极的极性互不相同。永磁吸附装置上处于不同空间位置的各永磁体的尺寸不同，永磁体尺寸根据吸附单元磁路的耦合情况来确定，图9a中有两种尺寸规格的永磁体，图9a中所示较小的永磁体的尺寸为5.0cm×2.5cm×1.0cm，图9a中所示较大的永磁体的尺寸5.0cm×5cm×1.0cm，轭铁1尺寸为18cm×11cm×0.85cm。对图9a所示永磁吸附装置进行了试制，永磁吸附装置尺寸为18cm×11cm×1.85cm，重2.3kg，在爬壁机器人和导磁壁面(钢板)间的气隙为7mm时，可提供约1900N的吸附力，永磁吸附装置吸附力和自重的比值约为83。
图9b是爬壁机器人的永磁吸附装置的另一种结构的三维模型图。其中，永磁吸附装置包含12个如图8所示的由轭铁8和永磁体9构成的吸附单元，各吸附单元按照类似图9a的方式耦合，图9b中共有四种尺寸规格的永磁体，分别为5.0cm×2.5cm×1.0cm、5.0cm×5.0cm×1.0cm、10.0cm×2.5cm×1.0cm和10.0cm×5.0cm×1.0cm。另外，图9b中轭铁尺寸为22cm×18cm×0.85cm，永磁吸附装置尺寸为22cm×18cm×1.85cm，重4.6kg，根据有限元分析结果在爬壁机器人和导磁壁面(钢板)间的气隙为7mm时，可提供约4100N的吸附力，永磁吸附装置吸附力和自重的比值约为89。
图10a、10b是具有曲面自适应功能的磁吸附爬壁人的一个实施例的正、反面三维示意图。其中，移动机构底盘4、辅助支撑轮5、驱动轮6、减速器10及电机11组成类似图6所示的轮式移动机构，与图6所示轮式移动机构的差别仅在于图6所示移动机构辅助支撑万向轮5为2个，而本实施例轮式移动机构中辅助支撑万向轮5为12个。本实施例的轮式移动机构中两驱动轮6分别由减速器10及电机11组成的两套驱动装置独立驱动。本实施例所述爬壁机器人包含6个图9a所示的永磁吸附装置2，永磁吸附装置2一端通过辅助支撑万向球形轮5支撑在导磁壁面上，另一端通圆柱铰或球曲面自适应机构3和移动机构底盘4连接。本实施例中的永磁吸附装置上永磁体9之间的相对位置通过螺钉12固定。在本实施例中，通过移动机构底盘4和辅助支撑轮5可以控制永磁吸附装置和导磁壁面之间的气隙。在实际应用中，可根据导磁壁面的实际情况选择合适类型的曲面自适应机构。例如，图10a和10b所示的爬壁机器人可以作为修复混流式水轮机叶片的机器人，该机器人采用球铰曲面自适应机构。仿真和实验结果表明，球铰曲面自适应机构能够保证永磁吸附装置和水轮机叶片表面之间的气隙变化在允许范围之内以及爬壁机器人运动灵活性。
图11是具有曲面自适应功能的磁吸附爬壁人一个应用实施例的三维示意图。其中，多自由度作业机械臂400安装在本发明所述的具有曲面自适应功能的磁吸附爬壁人300上，组成修复(加工)机器人，可在导磁壁面上代替人进行修复作业(如磨削、焊接)等作业。
除了上述实施例外，本发明所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人还可以作进一步的改进和改变，而不超出本发明的范围。例如，曲面自适应机构也可以采用具有两个转动自由度的机构；为适应某一特定作业环境的需要，轮式移动机构差动驱动的驱动轮的数目也可以更多，比如6个驱动轮分成两组，分别由两个电机独立驱动；辅助支撑轮的数量可以根据实际需要来确定，辅助支持轮也可以采用其它形式的和壁面之间为滚动摩擦(运动时)的万向轮；非接触永磁吸附装置可以包含更多个按照类似图9a和9b的方式耦合的吸附单元。
Claims (7)
1、一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，包括轮式移动机构和多个永磁吸附装置，所述的轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的由电机和减速器组成的驱动机构、辅助支撑轮和由驱动机构驱动的驱动轮，其特征在于：所述爬壁机器人采用轮式移动机构，爬壁机器人和导磁壁面之间的吸附力由与导磁壁面之间有气隙的永磁吸附装置提供；所述永磁吸附装置的一端通过安装在吸附装置上的辅助支撑轮支撑在导磁壁面上，另一端通过曲面自适应机构与所述底盘相连，所述的曲面自适应机构为圆柱铰曲面自适应机构或球铰曲面自适应机构，当曲面自适应机构为圆柱铰曲面自适应机构时，曲面自适应机构具有一个转动自由度，使得所述的永磁吸附装置可以在一个方向上调节其自身相对于轮式移动机构或其它永磁吸附装置的位姿，当曲面自适应机构为球铰曲面自适应机构时，曲面自适应机构具有三个转动自由度，使得永磁吸附装置可以在三个方向上调节其自身相对于移动机构或其它永磁吸附装置的位姿；所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向。
2、如权利要求1所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其特征在于：所述永磁吸附装置的大小根据爬壁机器人所运行的导磁壁面的曲率半径大小，以及所允许的气隙变化范围确定。
3、如权利要求1所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其特征在于：所述驱动轮分为两组，每组驱动轮分别由一套驱动机构驱动，同一组驱动轮内包含至少一个驱动轮，所述同一组内的驱动轮之间通过同步带或链轮相连，实现运动的同步。
4、如权利要求1所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其特征在于：所述辅助支撑轮均采用在运动时和壁面之间的摩擦为滚动摩擦的万向轮。
5、如权利要求1所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其特征在于：所述永磁吸附装置包含多个吸附单元，每个吸附单元由两块永磁体和一块轭铁组成乙型磁路；所述的各吸附单元排列组合或耦合设置，使得所述永磁吸附装置上各永磁体磁极按行、列交叉布置，即相邻磁极的极性互不相同。
6、如权利要求5所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其特征在于：所述永磁体采用沿高度方向磁化的矩形永磁体。
7、如权利要求5或6所述的具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人，其特征在于：所述轭铁采用纯铁或低碳钢制造。
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