CN101565063B - 永磁吸附式轮式爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
一种微型机器人技术领域的永磁吸附式轮式爬壁机器人，包括：三组相同结构的永磁吸附爬壁单元和一个转向单元，其中：永磁吸附爬壁单元分别垂直设置于转向单元上，三组永磁吸附爬壁单元之间相互平行。本发明在狭窄的管道中移动具有很大优势，可水平，竖直，绕管道旋转，而且还可以在不同结构的管道之间可以切换。在机器人转向单元中，通过设计一套减速齿轮，实现了微型爬壁机器人无回转半径的全向运动，使其具有很高机动性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微型机器人技术领域的装置，具体是一种永磁吸附式轮式爬壁机器人。
背景技术
目前，国内外在爬壁机器人上的研究已取得很多成果，甚至许多已经进入了实用化阶段，但对于基于MEMS(微电子微机械系统)的微型爬壁机器人的研究才刚刚起步。随着MEMS技术的发展和微型移动机器人应用领域的不断拓展，用微型爬壁机器人代替人工进行各种极限作业已成为了可能，如进入空间狭窄的核工业管道群进行外管壁的检测和维修等，逐步引起了世界各国的重视，受到越来越多的科研人员的关注。
一般爬壁机器人实现方法主要两种：真空吸附与磁吸附。真空吸附式具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凹凸不平时，容易使吸盘漏气，从而使吸附力下降，承载能力降低，并且真空吸附装置主要由吸盘、气缸和真空泵等组成，这些装置很难按比例进行微型化，所以很难在微型爬壁机器人上得到较好的应用。磁吸附法具有两种方式：永磁体和电磁铁。它的结构简单，吸附力较大，对壁面凹凸适应性强，不存在真空吸附漏气的问题。与电磁铁方式相比，永磁体方式具有吸附不耗能、结构简单、安全性高、不受断电影响等优点。该方式虽然在机器人重量大时存在易脱离壁面的缺点，但对微机器人来说并不存在这个缺点。目前，永磁体式爬壁机器人的移动方式有三种，轮式、履带式和脚式，相对于后两种运动方式，轮式爬壁机器人具有结构简单、容易实现、行走速度快、转弯容易等优点，比较适合机器人在微小尺寸限制的条件下实现爬壁功能。
经对现有技术的文献检索发现，M.Takeda等在《Proceedings of theThirteenth IEEE International Conference on MEMS》(第13届IEEE会刊：微电子微机械系统)2000年一月发表的“Development of chain-typemicromachine for inspection of outer tube surfaces”，(“开发一种用于管道外部表面检测的链式微机械”)，该文设计了一种微型爬壁机器人，是结合微细加工技术和传统的精密加工技术制作的，其尺寸5mm×9mm×6.5mm，质量0.42g。由直径1.6mm的电磁微马达通过一个减速比为1/201的微型行星减速器，驱动自身安装的六个带有磁性的轮子，可以在可导磁的管道上进行水平和垂直运动。另外，该机器人本体两侧配有连接器，可与其它同型号机器人进行链接，形成一个多机器人群体，可沿管道进行攀爬，并通过配备的电涡流传感器对管道裂痕进行检测。该微型爬壁机器优点是体积小，在微小尺寸下实现了爬壁功能。但是也存在一些不足之处，结构复杂，制作成本非常高，而且自身并不能集成控制电路，很难应用到实际的环境中。另外，由于它采用的轮子是永磁体，吸附在可导磁的管道表面上时，磁力线在空气中衰减比较严重，在爬壁过程中很容易脱落。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种永磁吸附式轮式爬壁机器人，具有结构简单、易于装配、体积小、行走速度快、移动精度高、转向容易等优点，使机器人能在微小尺寸限制的条件下实现爬壁功能，可携带微型传感器在可导磁表面上进行一些极限作业。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：三组相同结构的永磁吸附爬壁单元和一个转向单元，其中：永磁吸附爬壁单元分别垂直设置于转向单元上，三组永磁吸附爬壁单元之间相互平行。
所述的永磁吸附爬壁单元包括：移动微驱动器、永磁体、两个导磁轮、两个第一微型滚动轴承和轮架，其中：移动微驱动器固定设置于轮架的外侧面，移动微驱动器的输出轴依次穿过分别设置于轮架两侧的一对第一微型滚动轴承，两个导磁轮分别固定设置于永磁体的两侧，导磁轮固定设置于移动微驱动器的输出轴上。
所述的转向单元包括：一个主动齿轮、三个从动齿轮、转向微驱动器、盖板和两个第二微型滚动轴承，其中：转向微驱动器固定设置于盖板的上面板，转向微驱动器的输出轴依次穿过分别内嵌在盖板的圆心处的一对第二微型滚动轴承，主动齿轮位于盖板下方且主动齿轮固定设置于转向微驱动器的输出轴的末端，三个从动齿轮均匀分布在主动齿轮的周围并与主动齿轮相啮合，从动齿轮的连接轴穿过盖板，该连接轴的一端与第二微型滚动轴承的内圈紧密配合，另一端与永磁吸附爬壁单元固定连接。
所述的主动齿轮与从动齿轮之间的减速比小于1，在确保每个轮子的朝向时刻保持相同的基础上，既增加旋转驱动力矩，又提高了机器人的转向精度，此结构实现了微型爬壁机器人无回转半径的全向运动，具有很高机动性。
所述的盖板的半径大于等于主动齿轮与从动齿轮的半径之和。
本发明通过爬壁轮子的设计，使得轮子在可导磁的表面上可形成闭合磁力线，既增加吸附力又具有灵活性，另外移动微驱动器直接驱动导磁轮的结构，简单实用，即易于装配，又避免了中间传动环节，减少摩擦、磨损问题。在狭窄的管道中移动具有很大优势，可水平，竖直，绕管道旋转，而且还可以在不同结构的管道之间可以切换。在机器人转向单元中，通过设计一套减速齿轮，实现了微型爬壁机器人无回转半径的全向运动，使其具有很高机动性。
附图说明
图1为发明结构示意图；
图2为永磁吸附爬壁单元示意图；
图3为转向单元主视图；
图4为转向单元后视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：三组相同结构的永磁吸附爬壁单元1和一个转向单元2，其中：三组永磁吸附爬壁单元1分别垂直设置于转向单元2上，三组永磁吸附爬壁单元1之间相互平行。
如图2所示，所述的永磁吸附爬壁单元1包括：移动微驱动器3、永磁体4、两个导磁轮5、两个第一微型滚动轴承6和轮架7，其中：移动微驱动器3固定在轮架7的一个外侧面，移动微驱动器的输出轴8穿过位于轮架7两个侧面的一对第一微型滚动轴承6，与其内圈紧密配合。两个导磁轮5固定在永磁体4的两侧，并固定安装在移动微驱动器的输出轴8上。这样，移动微驱动器3就可以驱动导磁轮5旋转。
如图3和图4所示，所述的转向单元2包括：一个主动齿轮9、三个从动齿轮10、转向微驱动器11、盖板12和第二微型滚动轴承13，其中：转向微驱动器11安装在盖板12上面板，其输出轴11穿过内嵌在盖板12圆心处的一对第二微型滚动轴承13，主动齿轮9就安装在输出轴11的末端，位于盖板12下方，三个从动齿轮10以主动齿轮9为中心，均匀分布在其周围并与主动齿轮9相啮合，三个从动齿轮的连接轴15的一端穿过盖板12并和位于盖板12的上面板的一对第二微型滚动轴承13的内圈紧密配合，从动齿轮的连接轴15的另一端分别与位于其下方的永磁吸附爬壁单元的轮架7固定连接，其中，主动齿轮9和从动齿轮10的减速比是1∶4。
所述的移动微驱动器3和转向微驱动器11都是采用双定子单转子结构的直径为6.8mm的电磁微马达；
所述的第一微型滚动轴承6和第二微型滚动轴承13的内径为1mm外径为3mm；
所述的永磁体4采用钕铁硼制作，导磁轮5采用铁镍合金制作。
本实施例的整体尺寸：高为20mm，直径28mm，所述的盖板12的半径大于等于主动齿轮9与从动齿轮10的半径之和。
在爬壁过程中，通过同步控制本发明本体上三个永磁吸附爬壁单元中的移动微驱动器3，共同驱动导磁轮5，机器人就可以在可导磁的表面进行直线运动。当需要转向时，可以通过控制转向单元中的转向微驱动器11，驱动主动齿轮8，带动与其啮合的三个从动齿轮9，即可实现无回转半径的转向。
Claims (7)
1.一种永磁吸附式轮式爬壁机器人，包括：三组相同结构的永磁吸附爬壁单元和一个转向单元，其特征在于，永磁吸附爬壁单元分别垂直设置于转向单元上，三组永磁吸附爬壁单元之间相互平行；
所述的永磁吸附爬壁单元包括：移动微驱动器、永磁体、两个导磁轮、两个第一微型滚动轴承和轮架，其中：移动微驱动器固定设置于轮架的外侧面，移动微驱动器的输出轴依次穿过分别设置于轮架两侧的一对第一微型滚动轴承，两个导磁轮分别固定设置于永磁体的两侧，导磁轮固定设置于移动微驱动器的输出轴上；
所述的转向单元包括：一个主动齿轮、三个从动齿轮、转向微驱动器、盖板和两个第二微型滚动轴承，其中：转向微驱动器固定设置于盖板的上面板，转向微驱动器的输出轴依次穿过分别内嵌在盖板的圆心处的一对第二微型滚动轴承，主动齿轮位于盖板下方且主动齿轮固定设置于转向微驱动器的输出轴的末端，三个从动齿轮均匀分布在主动齿轮的周围并与主动齿轮相啮合，从动齿轮的连接轴穿过盖板，该连接轴的一端与第二微型滚动轴承的内圈紧密配合，另一端与永磁吸附爬壁单元固定连接。
2.根据权利要求1所述的永磁吸附式轮式爬壁机器人，其特征是，所述的主动齿轮与从动齿轮之间的减速比小于1。
3.根据权利要求1所述的永磁吸附式轮式爬壁机器人，其特征是，所述的盖板的半径大于等于主动齿轮与从动齿轮的半径之和。
4.根据权利要求1所述的永磁吸附式轮式爬壁机器人，其特征是，所述的移动微驱动器采用双定子单转子结构的直径为6.8mm的电磁微马达。
5.根据权利要求1所述的永磁吸附式轮式爬壁机器人，其特征是，所述的转向微驱动器采用双定子单转子结构的直径为6.8mm的电磁微马达。
6.根据权利要求1所述的永磁吸附式轮式爬壁机器人，其特征是，所述的永磁体采用钕铁硼制作。
7.根据权利要求1所述的永磁吸附式轮式爬壁机器人，其特征是，所述的导磁轮采用铁镍合金制作。
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