CN101947777B - 轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器人技术领域的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，包括：机器人车架、五自由度机械臂、三组移动吸附机构及其对应的直线滑轨、丝杠及驱动电机，五自由度机械臂位于机器人车架的上方，三组直线滑轨以及丝杠竖直设置于机器人车架下方且两端分别与机器人车架及移动吸附机构相连，驱动电机与移动吸附机构固定连接。本发明解决现有爬壁机器人在垂直壁面作业时存在的技术不足，使机器人既具有轮式移动机器人速度快和转向灵活优点，又兼备履带式移动机器人磁吸附力大，负载能力好的特点，同时还具有越障能力，能满足在复杂环境中运动和作业。

Description

轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统
技术领域
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统。
背景技术
爬壁机器人是一种具有移动和吸附功能可以在垂直壁面上运动的自动化设备，可以在核工程、消防和大型非结构设备的制造和维护等危险和极限环境下代替工人完成工作。具有广泛的应用前景。
因永磁吸附具有吸附力大、效率高，在铁磁质环境中的爬壁机器人大多使用永磁铁作为吸附机构。与磁吸附相结合的轮式和履带式移动机构在爬壁机器人中应用较广，但各有优缺点。轮式移动机器人虽然移动灵活，但其磁能利用率低，磁吸附力小；履带移动机器人虽磁吸附力大但转向阻力大。
经过对现有技术的检索发现，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式爬壁机器人。磁轮式爬壁机器人是将永磁铁嵌入到驱动轮上，当在机器人导磁壁面上运动时磁轮产生吸附力保证机器人的爬壁运动安全。
中国专利申请20041006429.6，记载了一种“磁轮吸附式爬壁机器人”涉及到了这种机器人。其缺点是驱动轮与壁面接触面积小，磁能利用率低和吸附力小，磁轮往往需做的比较大才能满足机器人的负载和安全爬壁的要求，但这又增加了机器人的重量和运动的灵活性。
将磁铁嵌入到履带上组成磁吸附移动机构，在导磁壁面上运动时，具有吸附力大，负载能力强的优点，同时因履带与壁面接触面大，转向阻力大，降低了机器人的运动灵活性，致使机器人转向不灵活。
中国专利申请200510086383.X，记载了“一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人”，其特点是磁吸附机构固定在机器人车架上，为非接触吸附，采用轮式移动机构，其具有吸附力大运动灵活的优点，但磁铁与壁面间的间隙不能调节，不具备越障能力。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，解决现有爬壁机器人在垂直壁面作业时存在的技术不足，使机器人既具有轮式移动机器人速度快和转向灵活优点，又兼备履带式移动机器人磁吸附力大，负载能力好的特点，同时还具有越障能力，能满足在复杂环境中运动和作业。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机器人车架、五自由度机械臂、三组轮式移动可升降非接触磁吸附机构及其对应的直线滑轨、丝杠及驱动电机，其中：五自由度机械臂位于机器人车架的上方，三组直线滑轨以及丝杠竖直设置于机器人车架下方且两端分别与机器人车架及移动吸附机构相连，驱动电机与移动吸附机构固定连接。
所述的移动吸附机构包括：一个距离传感器、两组驱动轮及其对应驱动轮轴、一组磁铁组件及其对应的滑动导杆、弹簧、第一丝杠螺母和第二丝杠螺母，其中：两组驱动轮轴的一端分别与驱动轮相连，另一端与第一丝杠螺母相连接，第二丝杠螺母固定在磁铁组件中间，第一丝杠螺母和第二丝杠螺母与丝杠活动连接，驱动轮轴的中部与直线滑轨活动连接，每一个驱动轮轴的两侧分别设有两组竖直设置的滑动导杆，该滑动导杆的一端与驱动轮轴固定连接，另一端与磁铁组件相连，距离传感器固定设置于两个驱动轮轴中间并与驱动电机相连。
所述的磁铁组件包括：轭铁以及若干个永磁铁单元，其中：轭铁为高导磁材料制成，永磁铁单元为钕铁硼材料制成，磁化方向为竖直方向，相邻单元磁铁的磁极方向相反，交错排列，两头的磁铁宽度是中间磁铁宽度的一半。
所述轭铁由纯铁制成。
所述的第一丝杠螺母和第二丝杠螺母的螺距为分别为4.5和3mm，采用青铜合金制造，分别与磁铁组件和驱动轮轴相连。所述的丝杠与第一丝杠螺母和第二丝杠螺母分别组成运动副。所述的丝杠包括两段螺距分别为3mm和4.5mm的螺纹。
机器人的移动和越障的工作原理是：机器人每个驱动轮由电机单独驱动，依靠驱动轮的差速实现转向。移动作业时可六轮同时着地移动工作，也可将中间轮组升起由前后轮组驱动机器人移动。当机器人在运动中遇到并检测到障碍物时，可驱动丝杠使三组移动吸附机构轮流升降使机器人越过障碍物，同时因驱动轮轴和磁铁组件上丝杠螺母的螺距不一样，当丝杠被驱动时吸附机构可相对移动机构上下移动，磁铁与壁面间的气隙高度会相应变化，从而可根据负载运动实时要求可实现对吸附力的动态调节。
本发明与现有技术相比包括以下优点：机器人结构简单。每组移动吸附机构使用一个电机就实现了其升降和吸附力调节的功能；机器人具有大的负载能力和好的移动性能。将磁铁安装在机器人底盘下，与壁面间是非接触吸附，这样既能产生大的吸附力也不会影响机器人的移动灵活性；磁吸附机构经过使用有限元软件进行了优化设计，提高了磁铁磁能密度和磁吸附力；具有5自由度关节型机械臂，克服了现有爬壁机器人上没有机械臂或机械臂自由度较少的缺点，因而可完成一些复杂和难度大的任务；本发明的爬壁机器人具有移动灵活、磁吸附力大负载能力强、吸附力大小可调节，具有较好的越障能力。五自由度机械臂工作空间大、运动灵活，能完成复杂的任务。
附图说明
图1是本发明的总体结构三维示意图；
图2是本发明的正视图和前视图及局部放大图；
图2中图3是本发明永磁铁组件结构的三维示意图；
图4是本发明机器人越障过程示意图；
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和图2所示，本实施例包括：机器人车架1、五自由度机械臂2、三组移动吸附机构3及其对应的直线滑轨4、丝杠5及驱动电机6，其中：五自由度机械臂2位于机器人车架1的上方，三组直线滑轨4以及丝杠5竖直设置于机器人车架1下方且两端分别与机器人车架1及移动吸附机构3相连，驱动电机6与移动吸附机构3固定连接。
丝杠5旋转运动并驱动移动吸附机构3沿着直线滑轨4上下移动以调节吸附机构3与壁面间的距离从而实现改变吸附力大小。
所述的移动吸附机构3包括：一个距离传感器7、两组驱动轮8及其对应驱动轮轴9、三组磁铁组件10及其对应的滑动导杆11、弹簧12、第一丝杠螺母13和第二丝杠螺母14，其中：两组驱动轮轴9的一端分别与驱动轮8相连，另一端与第一丝杠螺母13相连接，磁铁组件10与第二丝杠螺母14相连接，第一丝杠螺母13和第二丝杠螺母14与丝杠5活动链接，驱动轮轴9的中部与直线滑轨4活动连接，每一个驱动轮轴9的两侧分别设有两组竖直设置的滑动导杆11，该滑动导杆11的一端与驱动轮轴9固定连接，另一端与磁铁组件10相连，距离传感器7固定设置于两个驱动轮轴9中间。
所述的驱动轮8由铝合金驱动轮毂15和一层10mm厚的橡胶外圈16组成，以增大驱动轮8与地面的摩擦系数，橡胶外圈16通过模具在驱动轮毂15上浇铸成型；
所述的驱动轮轴9为中空管状，驱动电机6固定设置于驱动轮轴9内，驱动电机输出轴直接与驱动轮8相连驱动轮8；
所述的磁铁组件10包括：轭铁17以及若干个单元永磁铁单元18，其中：轭铁17采用采用导磁性能良好的电工纯铁制造，永磁铁单元18采用高性能的钕铁硼材料，牌号为NdFe N45SH。因磁铁组件10中各结构参数对磁铁性能的影响较大，在不同气隙高度时，磁铁性能达到最优的时的磁铁结构参数相应会发生变化；
所述的第一丝杠螺母13和第二丝杠螺母14的螺距为分别为4.5和3mm，采用青铜合金制造，与丝杠5组成运动副；
所述的丝杠5包括两段螺距分别为3mm和4.5mm的螺纹，该丝杠5分别与驱动轮轴9上的第二丝杠螺母13和磁铁组件10上的第一丝杠螺母14组成运动副；
所述的五自由度机械臂2包括一个肩部绕竖直方向旋转的自由度、两个臂部绕水平方向旋转的自由度以及两个腕部正相交的自由度；
所述的弹簧12为压缩弹簧，在工作中可将磁铁产生的吸力传递到驱动轮轴9上，以减小丝杠5与吸附机构3螺母间的摩擦力，同时可使吸附机构3与驱动轮轴9间保持一定的相对距离；
所述的距离传感器7为红外或超声等传感器，安装在磁铁组件10的前面，用来探测障碍物及距离。
如图3所示，以气隙正常工作高度为10mm时经使用有限元方法优化后设计的磁铁组件10，具体尺寸为：轭铁尺寸为120mm×244mm×9mm，窄磁铁单元尺寸为120mm×25mm×12mm，宽磁铁单元尺寸为120mm×50mm×12mm，两磁铁间相距11mm，磁铁组件10总重4.5KG，在气隙高度为10mm时，可产生2350N的吸附力。
图4a、4b、4c是本实施例的越障过程示意图。机器人在运动过程如果最前的距离传感器7探测到障碍物，先驱动后面的丝杠5将后面的磁铁组件10向下移动减小磁铁与壁面间的间隙以增大磁吸附力，然后驱动前面轮组的升降机构将机器人前面的移动和吸附机构3抬起超过障碍物高度，驱动电机6使机器人前面轮组越过障碍物，然后将前面驱动轮8降到地面并使后面的磁铁组件10相上移恢复到原来的状况；以同样方法依次升降中间和后面移动机构和吸附机构3，从而实现越障。

Claims (7)

1.一种轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，包括：机器人车架、五自由度机械臂、三组移动吸附机构及其对应的直线滑轨、丝杠及驱动电机，其特征在于：五自由度机械臂位于机器人车架的上方，三组直线滑轨以及丝杠竖直设置于机器人车架下方且两端分别与机器人车架及移动吸附机构相连，驱动电机与移动吸附机构固定连接；
每组所述的移动吸附机构包括：一个距离传感器、两组驱动轮及其对应驱动轮轴、磁铁组件及其对应的滑动导杆、弹簧、第一丝杠螺母和第二丝杠螺母，其中：两组驱动轮轴的一端分别与驱动轮相连，另一端与第一丝杠螺母和第二丝杠螺母相连接，第一丝杠螺母和第二丝杠螺母与丝杠活动连接，驱动轮轴的中部与直线滑轨活动连接，每一个驱动轮轴的两侧分别设有两组竖直设置的滑动导杆，该滑动导杆的一端与驱动轮轴固定连接，另一端与磁铁组件相连，距离传感器固定设置于两个驱动轮轴中间并与驱动电机相连；
所述的第一丝杠螺母和第二丝杠螺母的螺距为分别为4.5和3mm，采用青铜合金制造，分别与磁铁组件和驱动轮轴相连，所述的丝杠与第一丝杠螺母和第二丝杠螺母分别组成运动副；丝杠包括两段螺距分别为3mm和4.5mm的螺纹。
2.根据权利要求1所述的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，其特征是，所述的驱动轮由铝合金轮毂和一层10mm厚的橡胶外圈组成，橡胶外圈通过模具在驱动轮毂上浇铸成型。
3.根据权利要求1所述的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，其特征是，所述的驱动轮轴为中空管状，驱动电机固定设置于驱动轮轴内，驱动电机输出轴直接与驱动轮相连。
4.根据权利要求1所述的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，其特征是，所述的磁铁组件包括：轭铁以及若干个永磁铁单元，其中：轭铁为高导磁材料制成，永磁铁单元为钕铁硼材料制成，磁化方向为竖直方向，相邻单元磁铁的磁极方向相反，交错排列，两头的磁铁宽度是中间磁铁宽度的一半。
5.根据权利要求1所述的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，其特征是，所述的距离传感器为红外或超声传感器，位于磁铁组件的前面。
6.根据权利要求1所述的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，其特征是，所述的五自由度机械臂包括一个肩部绕竖直方向旋转的自由度、两个臂部绕水平方向旋转的自由度以及两个腕部正相交的自由度。
7.根据权利要求1所述的轮足组合越障非接触磁吸附式爬壁机器人系统，其特征是，所述的弹簧为压缩弹簧。
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