CN101947778B - 磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构 - Google Patents
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Abstract
一种机器人技术领域的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，包括：移动机构、吸附机构、升降机构、直线导轨、弹簧、滑动导杆和导杆连接框，吸附机构置于驱动机构下并与四根滑动导杆活动连接，弹簧套接滑动导杆上，导杆连接框与弹簧相接触并与四根滑动导杆相连，升降机构与移动机构和吸附机构活动连接，直线导轨与移动机构相连，升降机构的驱动移动机构和吸附机构沿着直线导轨上下移动。本发明的非接触磁吸附轮式移动机构具有运动灵活、吸附力大且可调节、可升降的特点，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人技术领域的装置，具体是一种磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构。
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。
爬壁机器人常用的吸附方式主要有负压吸附和磁吸附，因永磁吸附具有吸附力大、不需要电源驱动，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。爬壁机器人的移动机构主要有足式、轮式和履带式。足式虽然越障能力好，轮式和履带式的移动方式在爬壁机器人中应用较多，但存在与磁吸附结合的磁轮移动机构的磁吸附力小和磁履带移动机构则转向阻力大的缺点。同时大多不具备越障能力和磁吸附力不可调节。
经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号20041006429.6，记载了一种“磁轮吸附式爬壁机器人”涉及到了磁轮吸附移动技术。其不足在于车轮与壁面接触面积小，磁能利用率低和磁吸附力小，磁轮往往需做的比较大采用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。
中国专利申请号200510086383.X，记载了“一种磁吸附力可调的爬壁机器人轮式越障机构”涉及到了非接触磁吸附和轮式移动技术，但存在移动机构不具备越障能力和吸附力大小不可调节的缺点。中国专利申请号02117079.7，记载了“一种磁吸附式爬壁机器人履带”，其缺点是运动转向阻力大，运动不灵活。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，解决现有吸附和移动机构存在的问题，该吸附移动机构运动灵活、移动机构可升降和吸附力可调节。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：移动机构、吸附机构、升降机构、直线导轨、弹簧、滑动导杆和导杆连接框，其中：吸附机构置于驱动机构下并与四根滑动导杆活动连接，弹簧套接滑动导杆上，导杆连接框与弹簧相接触并与四根滑动导杆相连，升降机构与移动机构和吸附机构活动连接，直线导轨与移动机构相连，升降机构的驱动移动机构和吸附机构沿着直线导轨上下移动。
所述的移动机构包括：两个驱动轮、驱动轮轴、滑动导筒、两个驱动电机，其中：驱动轮安装在驱动轮轴的两端，驱动轮轴为中空轴，驱动电机安装在轴中间，电机输出轴与驱动轮相连直接驱动驱动轮，滑动导筒安装在驱动轮轴的两侧。
所述的驱动轮由铝合金车轮毂和一层10mm厚的橡胶外圈组成，橡胶外圈通过模具在车轮毂上浇铸成型，橡胶外圈与壁面之间有着较大的摩擦系数。
所述的滑动导杆穿过移动机构上的滑动导筒使吸附机构活动设置于移动机构的驱动轮轴下。
所述的吸附机构包括：轭铁、两块第一永磁铁块、三块第二永磁铁块及相应磁铁固定板，磁铁固定板将永磁铁块固定在轭铁上，第一永磁铁块置于轭铁的两端，第二永磁铁块置于中间位置。
所述的第二永磁铁块的长度与第一永磁铁块相同，第二永磁铁块的宽度大于第一永磁铁块。
所述的升降机构包括：第一丝杠螺母、第二丝杠螺母和丝杠，其中：第一丝杠螺母和第二丝杠螺母的螺距为分别为4.5和3mm，第一丝杠螺母安装在吸附机构上，第二丝杠螺母安装在移动机构的驱动轮轴上，丝杠与所述的第一丝杠螺母和第二丝杠螺母分别组成运动副。
所述的丝杠上均设有两段螺距分别为3mm和4.5mm的螺纹。
所述的弹簧为压缩弹簧，该弹簧在工作中可将磁铁产生的吸力传递到车轮轴上，以减小丝杠与吸附机构螺母间的摩擦力，同时可使吸附机构与车轮轴间保持一定的相对距离。
本发明工作原理是：吸附机构通过滑动导杆与移动机构形成活动连接可相对移动机构上下移动，因第一丝杠螺母和第二丝杠螺母上的螺距不一样，当丝杠转动时，在第二丝杠螺母与丝杠啮合的范围内，吸附机构可相对移动机构上下移动，从而实现了对吸附力大小的调节。同时移动机构和吸附机构在丝杠的驱动下可一起沿着直线导轨一起上下移动，因此一套驱动电机可同时实现移动机构升降和吸附力大小的调节。
本发明优点包括：克服了现有磁轮式移动机构磁能利用率低磁吸附力小和有磁吸附履带式移动机构笨重、转向阻力大的缺点；具有较好的越障能力，磁吸附力大小可实现调节；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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的前视图。
图3a是永磁铁组件结构示意图。
图3b是永磁铁组件仰视图。
图4为实施实例示意图。
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：移动机构1、吸附机构2、升降机构3、直线导轨4、弹簧5、滑动导杆6和导杆连接框7，其中：吸附机构1通过滑动导杆6置于驱动机构1下并形成活动连接，弹簧套接滑动导杆上，导杆连接框压紧弹簧并将滑动导杆连接在一起，升降机构3与移动机构1和吸附机构2形成活动连接，直线导轨4与移动机构相连，这样在升降机构3的驱动下，移动机构1和吸附机构2可一起沿着直线导轨上下移动。
所述的移动机构1包括：两组驱动轮8、驱动轮轴9、滑动导筒10及对应的驱动电机11，其中：驱动轮8安装在驱动轮轴9的两端，驱动轮轴9为中空轴，驱动电机11安装在驱动轮轴中间并直接驱动驱动轮8。
所述的驱动轮8由铝合金驱动轮毂12和一层10mm厚的橡胶外圈13组成，以增大驱动轮8与地面的摩擦系数，橡胶外圈13通过模具在驱动轮毂12上浇铸成型；
所述的升降机构3包括：第一丝杠螺母14、第二丝杠螺母15和丝杠16，第一丝杠螺母14和第二丝杠螺母15的螺距为分别为4.5和3mm，丝杠螺母安装在吸附机构上，采用青铜合金制造，第一丝杠螺母14固定于吸附机构2上，第二丝杠螺母15固定在移动机构的驱动轮轴9上，丝杠16上有两段螺距分别为4.5mm和3mm的螺纹，前述第一丝杠螺母和第二丝杠螺母分别组成运动副，因两丝杠螺母螺距不相等，当丝杠16转动时，可调整吸附机构2与移动机构1的相对距离。
所述的吸附机构2包括：轭铁17、第一永磁铁块18、第二永磁铁块19、中间磁铁固定板20和两侧磁铁固定板21，其中：轭铁17采用采用导磁性能良好的电工纯铁制造，永磁铁块18、19采用高性能的钕铁硼材料，牌号为NdFe N45SH。第二永磁铁块19的宽度是第一永磁铁块18的两倍，磁铁固定板20、21将永磁铁块18、19固定在轭铁17上，第一永磁铁块置于两端，因吸附机构中各结构参数对吸附性能的影响较大，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；通过有限元方法对吸附机构中轭铁和永磁铁块的结构参数进行了优化设计。
所述的弹簧5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，可减小丝杠16与第一丝杠螺母14和第二丝杠螺母15间的摩擦力，同时可使吸附机构2与驱动轮轴9间保持一定的相对距离；
如图3所示，以正常气隙为10mm时经使用有限元方法优化后设计的吸附机构2，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，吸附机构2总重4.5KG，在气隙高度为10mm时，可产生2350N的吸附力。
图4是本发明一个实施实例的示意图。直线导轨安装在机器人的支架上，丝杠由电机驱动，当丝杠转动时，当丝杠和两个丝杠螺母都啮合时，吸附机构会相对移动机构相对移动，同时两机构也会一起上下移动，当吸附机构上的丝杠螺母与丝杠分离后，移动机构和吸附机构会一起上下移动。这样如果机器上安装多组移动和吸附机构，可实现吸附力大小的调节和升降越障的功能。
Claims (7)
1.一种磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，包括：移动机构、吸附机构、升降机构、直线导轨、弹簧、滑动导杆和导杆连接框，其特征在于：吸附机构通过滑动导杆置于移动机构下并形成活动连接，弹簧套接滑动导杆上，导杆连接框与弹簧相接触并与四根滑动导杆相连，升降机构与移动机构和吸附机构活动连接，直线导轨与移动机构相连，升降机构驱动移动机构和吸附机构沿着直线导轨上下移动；
所述的升降机构包括：第一丝杠螺母、第二丝杠螺母和丝杠，其中：第一丝杠螺母安装在吸附机构上，第二丝杠螺母安装在移动机构的驱动轮轴上，丝杠与所述的第一丝杠螺母和第二丝杠螺母分别组成运动副；
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，所述的丝杠上均设有两段螺距分别为3mm和4.5mm的螺纹。
2.根据权利要求1所述的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是，所述的移动机构包括：两个驱动轮、驱动轮轴、滑动导筒、两个驱动电机，其中：驱动轮安装在驱动轮轴的两端，驱动轮轴为中空轴，驱动电机安装在轴中间，电机输出轴与驱动轮相连直接驱动驱动轮，滑动导筒安装在驱动轮轴的两侧。
3.根据权利要求2所述的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是，所述的驱动轮由铝合金车轮毂和一层10mm厚的橡胶外圈组成。
4.根据权利要求1所述的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是，所述的滑动导杆穿过移动机构上的滑动导筒使吸附机构活动设置于移动机构的驱动轮轴下。
5.根据权利要求1所述的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是，所述的吸附机构包括：轭铁、两块第一永磁铁块、三块第二永磁铁块及相应磁铁固定板，磁铁固定板将永磁铁块固定在轭铁上，第一永磁铁块置于轭铁的两端，第二永磁铁块置于中间位置。
6.根据权利要求5所述的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是，所述的第二永磁铁块的长度与第一永磁铁块相同，第二永磁铁块的宽度大于第一永磁铁块。
7.根据权利要求1所述的磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构，其特征是，所述的弹簧为压缩弹簧。
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