CN106625739B - 一种机器人末端磁吸附模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人末端磁吸附模块，包括用于吸附壁面的磁霸、基座、舵机、固定架、传动销、舵盘、传动转盘和控制器。磁吸附模块的基座与磁霸固定连接，固定架将舵机固定在基座内，舵机通过舵盘驱动传动转盘转动，由于传动转盘通过定位销与磁芯传动连接，从而实现舵机精确控制磁芯的旋转角度，使磁力座逐渐磁化或逐渐退磁；另外，磁吸附模块内还设有自锁机构，该自锁机构的钢珠在弹簧的压力作用下顶在传动转盘的锥形槽内，使传动转盘在断电情况下难以转动，提高了磁吸附模块的可靠性，很好地保证了磁吸附模块的使用安全性。本发明的结构简单、操作方便、可靠性和安全性高、负载能力大而且容易实现自动控制。

Description

一种机器人末端磁吸附模块

技术领域

本发明涉及机器人自动化控制技术领域，尤其涉及一种基于永磁吸附原理的用于机器人末端的吸附模块。

背景技术

目前市场上具有吸附功能的机器人的用途广泛，可用在工厂、码头、仓库、交通运输行业中，也可以改进装卸搬运作业的工作条件，提高劳动效率。

而吸附模块可用作爬壁机器人的末端模块或者操作臂的末端执行器。爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂，在核工业中也可以用来检查测厚等，还可以用于消防和造船等行业。

目前常见吸附方式有真空吸附和永磁吸附两种。真空吸附法是通过真空泵设置或者是真空发生器形成真空，使吸盘内腔产生负压，从而使机器人吸附在壁面上。而磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，它的结构简单，吸附力远大于真空吸附，且对壁面的凸凹适应性强，不存在真空吸附的漏气问题。因此，当壁面材料是导磁材料时，使用末端磁吸附模块的爬壁机器人有它突出的优点。

而磁吸附又分为永磁吸附和电磁吸附。电磁吸附式主要缺点在于维持吸附力需要耗能，电磁体本身质量很大，结构复杂，维修成本高，且当断电时会失去磁力，会产生安全隐患。永磁吸附式维持吸附力不需要耗能，安全，负载能力较大且易于控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用安全、负载能力大、易于控制的带有自锁功能的基于永磁吸附原理的机器人末端吸附模块。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种机器人末端磁吸附模块，该模块利用永磁吸附原理，通过舵机驱动来改变磁霸磁性的强弱，实现强力吸附。所述磁吸附模块主要包括用于吸附壁面的磁霸、基座、舵机、固定架、传动销、舵盘、传动转盘和控制器。所述基座设置在磁霸的上方，通过三颗螺钉与磁霸固定连接。所述舵机安装在基座内，并与控制器电连接。所述固定架设置为条状门形结构，卡设在舵机上，将舵机套住，并通过螺钉将舵机固定；这样设计可以避免舵机在工作时发生抖动，影响吸附效果。所述舵盘安装在舵机的输出轴上，并通过花键齿轮与传动转盘固定连接，实现舵机与舵盘之间的紧固和传动。所述传动销的一端与传动转盘连接，另一端与磁霸连接，通过舵机带动传动转盘来驱动磁霸进行吸附或释放操作。

具体的，所述磁霸包括用于接触和吸附壁面的磁力座和用于磁化磁力座的磁芯。为了获得更好的吸附和释放效果，该磁力座由软磁材料制成，可以实现快速磁化和快速退磁。另外，该磁性采用永久磁铁制成，与电磁铁相比，永久磁铁的磁场稳定可靠、不需要消耗电能、而且负载能力大、容易实现自动控制。所述磁力座内设有用于安装磁芯的圆柱槽，所述磁芯设置在圆柱槽内。

作为本发明的优选方案，本发明提供的磁芯设有两层，分别为上层磁芯和下层磁芯，两层磁芯共同构成磁芯组，所述上层磁芯与传动销固定连接，并由传动销驱动，在圆柱槽内自由转动；下层磁芯为固定状态，不能移动或转动，磁芯组的顶部和底部均设有用于阻挡磁力线通过的非导磁体层。磁吸附模块在工作时，舵机驱动上层磁芯转动180度，其两极(N极和S极)旋转到与下层磁芯相同的磁极的位置时，上下两层磁芯共同对外产生磁场。(在非导磁体层的阻挡下，大部分磁感线只能通过磁力座来传导，使得两层磁芯的磁场更为有效地通过导磁工件)因此，磁力座在上下两层磁芯两极强大的磁场下被磁化并对壁面产生强大的吸力，从而牢牢地吸附在壁面上，实现吸附操作；当舵机驱动上层磁芯再旋转180度后，上层磁芯的两极与下层磁芯的两极极性相反，由于磁极异性相吸，磁极间的大部分磁感线在内部通过，而对磁力座产生的磁场十分弱，因此，磁力座可以轻松地从壁面上取下来，实现释放操作。

进一步的，为了提高磁吸附模块的可靠性，确保磁吸附模块在使用过程中的安全性，本发明还包括用于断电自锁的自锁机构。所述自锁机构包括顶丝、弹簧和钢珠。所述传动转盘上设有锥形槽，基座上设有螺纹通孔，所述螺纹通孔位于锥形槽上方，与锥形槽相对。所述顶丝、弹簧和钢珠自上而下依次设置在螺纹通孔内，顶丝通过弹簧将钢珠压在锥形槽内实现自锁，同时，通过拧紧或调松顶丝，可以实现自锁机构预紧力的增大或减小，以适应不同工作场合的要求。舵机在驱动传动转盘旋转时，钢珠在弹簧的压力下与传动转盘抵接并在传动转盘上沿着圆周滑动，直到传动转盘上的锥形槽与基座上的螺纹孔相对，钢珠在弹簧的压力下顶在锥形槽内，使传动转盘在断电后难以水平转动，对传动转盘当前的位置实现锁紧和固定，从而确保了磁吸附模块运行稳定、安全可靠。

作为本发明的优选方案，为了获得更好的自锁效果，进一步提高磁吸附模块的安全性，本发明所述自锁机构设为两个，且相对于舵机的输出轴对称设置。当磁吸附模块进入自锁状态后，驱动传动转盘的外力需要克服两个钢珠及弹簧的阻力之后才能使传动转盘转动，这样设计进一步加强了磁吸附模块的安全性，使磁吸附模块在工作中更可靠。

作为本发明的优选方案，为了固定基座与磁霸的相对位置，避免两者在使用过程中发生横向偏移，影响磁霸的吸附效果，本发明还包括用于定位基座与磁霸相对位置的定位销，所述定位销的一端与舵盘连接，另一端与磁霸固定。

本发明的工作过程和原理是：磁吸附模块的基座与磁霸固定连接，固定架将舵机固定在基座内，舵机通过舵盘驱动传动转盘转动，由于传动转盘通过定位销与磁芯传动连接，从而实现舵机精确控制磁芯的旋转角度，使磁力座逐渐磁化或逐渐退磁；另外，磁吸附模块内还设有自锁机构，该自锁机构的钢珠在弹簧的压力作用下顶在传动转盘的锥形槽内，使传动转盘在断电情况下难以转动，很好地保证了磁吸附模块的使用安全性，提高了磁吸附模块的可靠性；同时，弹簧预紧力的大小可通过调节顶丝的松紧位置来实现，操作十分方便。本发明的结构简单、操作方便、可靠性和安全性高、负载能力大而且容易实现自动控制。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的机器人末端磁吸附模块采用舵机驱动磁芯转动，可以轻易地实现自动化控制，使磁霸的吸附和释放更方便。

(2)本发明所提供的机器人末端磁吸附模块采用自锁模块实现断电自锁，该自锁模块利用弹簧将钢珠顶压在传动转盘的锥形凹槽内，使传动转盘在断电情况下难以实现转动，从而提高了磁吸附模块的可靠性，确保了磁吸附模块的使用安全。

(3)本发明所提供的机器人末端磁吸附模块的结构简单，操作方便，负载能力强，安全性高而且容易实现控制。

附图说明

图1是本发明所提供的机器人末端磁吸附模块的立体图。

图2是本发明所提供的机器人末端磁吸附模块的主剖视图。

图3是本发明所提供的机器人末端磁吸附模块的侧剖视图。

图4是本发明所提供的磁霸的立体图。

图5是本发明所提供的磁霸吸附时的原理图。

图6是本发明所提供的磁霸释放时的原理图。

上述附图中的标号说明：

1-传动销，2-半圆头十字槽螺栓，3-垫圈，4-传动转盘，5-舵盘，6-舵机，7-内六角螺栓，8-固定架，9-磁芯，10-磁力座，11-基座，12-顶丝，13-弹簧，14-钢珠，15-开槽盘头螺栓，16-定位销。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3和图4所示，本发明公开了一种机器人末端磁吸附模块，该模块利用永磁吸附原理，通过舵机6驱动来改变磁霸磁性的强弱，实现强力吸附。所述磁吸附模块主要包括用于吸附壁面的磁霸、基座11、舵机6、固定架8、传动销1、舵盘5、传动转盘4和控制器。所述基座11设置在磁霸的上方，通过三颗螺钉与磁霸固定连接。所述舵机6安装在基座11内，并与控制器电连接。所述固定架8设置为条状门形结构，卡设在舵机6上，将舵机6套住，并通过螺钉将舵机6固定；这样设计可以避免舵机6在工作时发生抖动，影响吸附效果。所述舵盘5安装在舵机6的输出轴上，并通过花键齿轮与传动转盘4固定连接，实现舵机6与舵盘5之间的紧固和传动。所述传动销1的一端与传动转盘4连接，另一端与磁霸连接，通过舵机6带动传动转盘4来驱动磁霸进行吸附或释放操作。

具体的，所述磁霸包括用于接触和吸附壁面的磁力座10和用于磁化磁力座10的磁芯9。为了获得更好的吸附和释放效果，该磁力座10由软磁材料制成，可以实现快速磁化和快速退磁。另外，该磁性采用永久磁铁制成，与电磁铁相比，永久磁铁的磁场稳定可靠、不需要消耗电能、而且负载能力大、容易实现自动控制。所述磁力座10内设有用于安装磁芯9的圆柱槽，所述磁芯9设置在圆柱槽内。

作为本发明的优选方案，本发明提供的磁芯9设有两层，分别为上层磁芯和下层磁芯，两层磁芯9共同构成磁芯组，所述上层磁芯与传动销1固定连接，并由传动销1驱动，在圆柱槽内自由转动；下层磁芯为固定状态，不能移动或转动，磁芯组的顶部和底部均设有用于阻挡磁力线通过的非导磁体层。磁吸附模块在工作时，舵机6驱动上层磁芯转动180度，其两极(N极和S极)旋转到与下层磁芯相同的磁极的位置时，上下两层磁芯共同对外产生磁场。(在非导磁体层的阻挡下，大部分磁感线只能通过磁力座来传导，使得两层磁芯的磁场更为有效地通过导磁工件)因此，磁力座10在上下两层磁芯两极强大的磁场下被磁化并对壁面产生强大的吸力，从而牢牢地吸附在壁面上，实现吸附操作，如图5所示；当舵机6驱动上层磁芯再旋转180度后，上层磁芯的两极与下层磁芯的两极极性相反，由于磁极异性相吸，磁极间的大部分磁感线在内部通过，而对磁力座10产生的磁场十分弱，因此，磁力座10可以轻松地从壁面上取下来，实现释放操作，如图6所示。

进一步的，为了提高磁吸附模块的可靠性，确保磁吸附模块在使用过程中的安全性，本发明还包括用于断电自锁的自锁机构。所述自锁机构包括顶丝12、弹簧13和钢珠14。所述传动转盘4上设有锥形槽，基座11上设有螺纹通孔，所述螺纹通孔位于锥形槽上方，与锥形槽相对。所述顶丝12、弹簧13和钢珠14自上而下依次设置在螺纹通孔内，顶丝12通过弹簧13将钢珠14压在锥形槽内实现自锁，同时，通过拧紧或调松顶丝12，可以实现自锁机构预紧力的增大或减小，以适应不同工作场合的要求。舵机6在驱动传动转盘4旋转时，钢珠14在弹簧13的压力下与传动转盘4抵接并在传动转盘4上沿着圆周滑动，直到传动转盘4上的锥形槽与基座11上的螺纹孔相对，钢珠14在弹簧13的压力下顶在锥形槽内，使传动转盘4在断电后难以水平转动，对传动转盘4当前的位置实现锁紧和固定，从而确保了磁吸附模块运行稳定、安全可靠。

作为本发明的优选方案，为了获得更好的自锁效果，进一步提高磁吸附模块的安全性，本发明所述自锁机构设为两个，且相对于舵机6的输出轴对称设置。当磁吸附模块进入自锁状态后，驱动传动转盘4的外力需要克服两个钢珠14及弹簧13的阻力之后才能使传动转盘4转动，这样设计进一步加强了磁吸附模块的安全性，使磁吸附模块在工作中更可靠。

作为本发明的优选方案，为了固定基座11与磁霸的相对位置，避免两者在使用过程中发生横向偏移，影响磁霸的吸附效果，本发明还包括用于定位基座11与磁霸相对位置的定位销16，所述定位销16的一端与舵盘5连接，另一端与磁霸固定。

本发明的工作过程和原理是：磁吸附模块的基座11与磁霸固定连接，固定架8将舵机6固定在基座11内，舵机6通过舵盘5驱动传动转盘4转动，由于传动转盘4通过定位销16与磁芯9传动连接，从而实现舵机6精确控制磁芯9的旋转角度，使磁力座10逐渐磁化或逐渐退磁；另外，磁吸附模块内还设有自锁机构，该自锁机构的钢珠14在弹簧13的压力作用下顶在传动转盘4的锥形槽内，使传动转盘4在断电情况下难以转动，很好地保证了磁吸附模块的使用安全性，提高了磁吸附模块的可靠性；同时，弹簧13预紧力的大小可通过调节顶丝12的松紧位置来实现，操作十分方便。本发明的结构简单、操作方便、可靠性和安全性高、负载能力大而且容易实现自动控制。

实施例2：

如图1至图4所示，本发明公开了一种机器人末端吸附模块，舵机6通过内六角螺栓7、舵机固定架8安装于基座11的内腔中。在基座11的底部内，传动转盘4、舵盘5、舵机6的输出轴(输出轴的传动部分是花键齿轮)通过半圆头十字槽螺栓2紧固。传动转盘4通过传动销1实现磁芯9的转动，磁力座10通过开槽盘头螺栓15与基座11紧固。钢珠14、弹簧13、顶丝12依次安装入基座11的通孔内，与传动转盘4的锥形槽组成自锁机构。该机构可实现断电自锁功能，即在舵机不通电情况下保持最大磁吸附力的状态或磁吸附力为零的状态。

如图4所示，磁霸可产生可变的磁力：磁霸由磁力座10和铁芯组成，其中磁芯9由永久磁铁制成，磁力座10由软磁性铁材料制成。转动磁芯9，当磁芯9的两极(N或S)呈东西方向时，磁力座10就被磁化了，这个磁力座10地面上具有强磁，所以能够用于吸住导磁材料的表面(设此时磁芯角度位置为180°)。而当磁铁的两极处于南北方向时，磁力座10不会被磁化，所以此时磁霸的磁力几乎没有消失，可以对被吸物体进行释放。磁霸具有两个重要特性:1、软磁性材料的磁化和退磁快；2、条形永久磁铁或恒磁性磁铁的中间磁场极弱而两端磁场极强。

本发明基于永磁吸附原理，利用磁霸的上述两个特性，可以开发出吸附快捷可靠的机器人末端吸附模块，克服电磁吸附持续耗电和断电导致脱落造成危险等不足。

该永磁吸附模块可对外产生或消除磁力。当磁芯在0°至180°的范围内转动时，磁力座对外产生的磁力逐渐增加。而磁芯的角度位置是通过舵机控制器来控制的。而该舵机调节角度的方式是PWM脉宽型。其周期为20ms,占空比0.5ms至2.5ms的脉宽电平对应于舵机的0°至180°角度范围，且成线性关系。舵机控制器采用500至2500数值对应于舵机控制输出角度的占空比0.5ms至2.5ms的范围，因此其控制精度是3us，在2000个脉宽范围内最小控制精度可达到0.3°。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机器人末端磁吸附模块，其特征在于，包括用于吸附壁面的磁霸、基座、舵机、固定架、传动销、舵盘、传动转盘和控制器；所述基座设置在磁霸上方，与磁霸固定连接；所述舵机安装在基座内，并与控制器连接，所述固定架卡在舵机上，通过螺钉将舵机固定；所述舵盘安装在舵机的输出轴上，并与传动转盘固定连接；所述传动销的一端与传动转盘连接，另一端与磁霸连接，驱动磁霸进行吸附或释放操作；

所述磁霸包括磁力座和磁芯；所述磁力座内设有用于安装磁芯的圆柱槽，所述磁芯设置在圆柱槽内，与传动销固定连接，由传动销驱动磁芯在圆柱槽内自由转动；

所述磁芯设为两层，分别为上层磁芯和下层磁芯，所述上层磁芯的上方和下层磁芯的下方均设有用于阻挡磁感线的非导磁体层；所述下层磁芯固定在圆柱槽内，上层磁芯与传动销连接，由传动销驱动其转动。

2.根据权利要求1所述的机器人末端磁吸附模块，其特征在于，还包括用于断电自锁的自锁机构，所述自锁机构包括顶丝、弹簧和钢珠；所述传动转盘上设有锥形槽，基座上设有螺纹通孔，所述螺纹通孔位于锥形槽上方，与锥形槽相对；所述顶丝、弹簧和钢珠自上而下依次设置在螺纹通孔内，顶丝通过弹簧将钢珠压在锥形槽内实现自锁。

3.根据权利要求2所述的机器人末端磁吸附模块，其特征在于，所述自锁机构设为两个，相对于舵机的输出轴对称设置。

4.根据权利要求1所述的机器人末端磁吸附模块，其特征在于，还包括用于定位基座与磁霸相对位置的定位销，所述定位销的一端与舵盘连接，另一端与磁霸固定。

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