CN108657301B - 磁性吸盘及在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性吸盘及在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人，所述磁性吸盘为电磁吸盘(3)，电磁吸盘(3)包括电磁连接器(3‑1)、吸盘轴(3‑2)、柔性包裹体(3‑3)、连杆机构(3‑4)、小型电磁线圈(3‑5)、弹性铰接部(3‑6)；所述自由行走机器人，包括机器人本体(1)、机械臂(2)、电磁吸盘(3)、伺服电机组件(4)、主体框架(5)、储能系统(6)、控制器(7)；机器人通过带有磁性吸盘结构的机械臂，实现在磁性或可磁化材料表面自由行走。本发明构思巧妙，结构简单，为特种机器人领域提供了一种新的技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁性吸盘及在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人。
背景技术
在工业生产中常需要某些作业装置能在在大型船体、大型罐体、大型球体、大型箱体、大型钢架结构建筑、大型料仓和大型炉体等表面进行移动作业，例如除锈、焊接、刷漆等。用人工来进行作业一般需要搭脚手架进行作业，这种方式非常的费时费力同时也存在着很大的风险。现有技术中的移动机器人其结构较为复杂，采用的磁性行走机构多是单磁铁结构，在有曲度或者有凹凸不平的表面行走时往往会导致吸盘吸附不牢固，现有技术中还有采用履带式结构的行走车，虽然其可以解决吸盘吸附不牢的问题，但是采用履带其结构更加复杂，重量负荷较大。
发明内容
本发明针对背景技术中提到的问题，设计了一种不同于以往结构的磁性吸盘及采用这种磁性吸盘在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人，其技术方案为：
一种磁性吸盘，其特征是：所述磁性吸盘为电磁吸盘，所述电磁吸盘包括电磁连接器、吸盘轴、柔性包裹体、连杆机构、小型电磁线圈、弹性铰接部；所述电磁吸盘通过电磁连接器上部连接机械臂；所述吸盘轴上部与电磁连接器下部活动连接；所述吸盘轴下部连接有多个连杆机构，每个所述连杆机构的一端和所述吸盘轴弹性铰接，每个所述连杆机构另一端安装有所述小型电磁线圈，所述小型电磁线圈以所述吸盘轴为中心呈圆形矩阵或放射状排列；所述柔性包裹体将每个所述小型电磁线圈和所述连杆机构包裹为一个整体，所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆和第三连杆；所述第一连杆一端与小型电磁线圈连接，另一端通过弹性铰接部与所述第二连杆一端连接；所述第二连杆另一端通过弹性铰接部与所述第三连杆一端连接；所述第三连杆另一端通过弹性铰接部与所述吸盘轴连接；所述弹性铰接部包括铰接轴和可恢复连接件。每个所述连杆机构均内置有导线为每个所述小型电磁线圈输送电能。
所述电磁连接器包括磁性堵头、套筒、弹簧、轴部线圈；磁性堵头为法兰结构，通过螺栓将所述套筒上部和所述机械臂连接起来；所述套筒下部具有向筒内的凸台结构，所述凸台结构和所述吸盘轴的轴凸台配合使得所述吸盘轴与套筒上下滑动连接；所述轴凸台上所述套筒内设置有轴部线圈和弹簧；所述弹簧套在所述轴部线圈外，其上端和下端分别抵住磁性堵头和所述轴凸台；所述轴部线圈固定在轴凸台上，在所述弹簧处于未压缩状态时不与磁性堵头接触。
优选的，所述柔性包裹体为高分子塑料材质；所述可恢复连接件为扭簧、拉簧或者是气弹簧。
优选的，所述小型电磁线圈的外部除底面外均包裹有磁屏蔽材料。
一种采用所述磁性吸盘的在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人，其还包括：机器人本体、伺服电机组件、主体框架、储能系统、控制器；其特征是：所述主体框架为矩形结构，在所述矩形结构的主体框架上部的每个角上通过法兰安装有伺服电机组件；所述每个伺服电机组件中的动力输出轴连接一个机械臂的一端，所述机械臂的另一端下部连接有电磁吸盘，所述机械臂位于所述主体框架下部；所述主体框架上部中间安装有所述储能装置，所述储能装置上部安装有所述控制器，所述控制器上安装有天线；所述控制器与所述储能装置连接，所述储能装置通过导线分别与每个伺服电机组件和每个电磁吸盘连接，用于提供电能，所述控制器控制每个伺服电机组件和每个电磁吸盘的工作状态，所述主体框架中间下部安装有作业装置。
优选的，所述伺服电机组件包括驱动器、电机本体和减速箱；所述机械臂为空壳结构；所述储能装置包括锂电池组和电源管理电路。
优选的，所述轴部线圈和小型电磁线圈分别通过导线和所述储能装置连接，所述控制器可以单独控制每个所述小型电磁线圈和所述轴部线圈导通/断开。
优选的，所述自由行走机器人可采用有线或者无线控制。
本发明通过在一个吸盘内设置多个小型电磁线圈，使得每个小型电磁线圈都能和物体表面尽可能接触，同时由于采用柔性包裹体内连接有连杆机构，促使整个电磁吸盘产生变形，最大限度的和物体表面产生接触，提高了吸盘的吸附力，进而可以与凹凸不平的表面充分接触，采用本发明的自由行走机器人，构思巧妙，结构简单，方便控制。
附图说明
图1为自由行走机器人的示意图。
图2为磁性吸盘的主视图。
图3为磁性吸盘的俯视图。
图4为连杆机构连接图。
图5、图6为吸盘在凹凸不平表明紧密吸合的示意图。
附图标记说明：1、机器人本体；2、机械臂；3、电磁吸盘；3-1、电磁连接器；3-1-1、磁性堵头；3-1-2、套筒；3-1-3、弹簧；3-1-4、轴部线圈；3-2、吸盘轴；3-2-1轴凸台；3-3、柔性包裹体；3-4、连杆机构；3-4-1、第一连杆；3-4-2、第二连杆；3-4-3、第三连杆；3-5、小型电磁线圈；3-6、弹性铰接部；3-6-1可恢复连接件；4、伺服电机组件；5、主体框架；6、储能装置；7、控制器；8、天线。
具体实施方式
实施例1
如附图2-4所示的一种磁性吸盘，磁性吸盘为电磁吸盘3，电磁吸盘3包括电磁连接器3-1、吸盘轴3-2、柔性包裹体3-3、连杆机构3-4、小型电磁线圈3-5、弹性铰接部3-6；电磁吸盘3通过电磁连接器3-1上部连接机械臂2；吸盘轴3-2上部与电磁连接器3-1下部连接；吸盘轴3-2下部连接有多个连杆机构3-4，每个连杆机构3-4的一端和吸盘轴3-2弹性铰接，另一端安装有小型电磁线圈3-5，小型电磁线圈3-5以吸盘轴3-2为中心呈圆形矩阵或放射状排列；柔性包裹体3-3将每个小型电磁线圈3-5和连杆机构3-4包裹为一个整体，柔性包裹体3-3为高分子塑料材质，可以随着每个小型电磁线圈3-5位置的改变而改变其形态，同时也起到了保护小型电磁线圈不受外界环境(例如灰尘或水等)的影响；小型电磁线圈3-5的外部除底面外均包裹有磁屏蔽材料，例如不锈钢等，用于防止线圈之间相互干扰，小型电磁线圈3-5中间插有磁芯用于聚拢磁感线。连杆机构3-4包括第一连杆3-4-1、第二连杆3-4-2和第三连杆3-4-3；第一连杆3-4-1一端与小型电磁线圈3-5连接，另一端通过弹性铰接部3-6与第二连杆3-4-2的一端连接；第二连杆3-4-2另一端通过弹性铰接部3-6与第三连杆3-4-3的一端连接；第三连杆3-4-3的另一端通过弹性铰接部3-6与吸盘轴3-2连接；弹性铰接部3-6包括铰接轴和可恢复连接件3-6-1，可恢复连接件3-6-1为扭簧、拉簧或者是气弹簧，同时，可恢复连接件3-6-1的弹力以及预紧力均可以根据实际工作状态进行调整。每个连杆机构3-4均内置有导线为每个小型电磁线圈3-5输送电能。电磁连接器3-1包括磁性堵头3-1-1、套筒3-1-2、弹簧3-1-3、轴部线圈3-1-4；磁性堵头3-1-1为法兰结构，通过螺栓将套筒3-1-2上部和机械臂2连接起来；套筒3-1-2下部具有向筒内的凸台结构，凸台结构和吸盘轴3-2的轴凸台3-2-1配合使得吸盘轴3-2与套筒3-1-2上下滑动连接；轴凸台3-2-1上套筒3-1-2内设置有轴部线圈3-1-4和弹簧3-1-3；弹簧3-1-3套在轴部线圈3-1-4外，其上端和下端分别抵住磁性堵头3-1-1和轴凸台3-2-1；轴部线圈3-1-4固定在轴凸台3-2-1上，在弹簧3-1-3处于未压缩状态时不与磁性堵头3-1-1接触。
其工作原理是，在机械臂2开始运动时，控制每个小型电磁线圈3-5断电，小型线圈3-5失去和接触物体表面的磁性吸引力；与此同时，控制轴部线圈3-1-4通电，轴部线圈3-1-4产生磁力，带动和其连接的轴凸台3-2-1向上移动，套在弹簧3-1-3轴部线圈3-1-4外的弹簧被压缩，从而使得吸盘轴3-2向上抬起，使得电磁吸盘3脱离与物体表面的接触。
在机械臂需要固定时，控制轴部线圈3-1-4断电，轴部线圈3-1-4失去磁力，套在弹簧3-1-3轴部线圈3-1-4外的弹簧从被压缩状态释放，带动和其接触的轴凸台3-2-1向下移动从而使得吸盘轴3-2向下运动，接触物体表面；与此同时，控制每个小型电磁线圈3-5通电，小型电磁线圈3-5产生磁场，小型线圈3-5和接触物体表面产生磁性吸引，使得小型线圈3-5被固定在物体表面，从而使得电磁吸盘3被固定在物体表面。
在电磁吸盘3于凹凸不平的表面接触时，一个吸盘内存在有多个小型电磁线圈3-5，使得如附图5-6所示，每个小型电磁线圈3-5都能和物体表面尽可能的接触，同时由于采用柔性包裹体3-3包裹小型电磁线圈3-5，每个小型电磁线圈3-5都连接有连杆机构3-4，促使整个电磁吸盘产生变形，最大限度的和物体表面产生接触，提高了吸盘的吸附力；在吸盘离开物体表面时由于每个小型电磁线圈3-5连接的连杆机构3-4采用可恢复的连接件3-6-1，例如扭簧、拉簧或者是气弹簧等，可恢复的连接件3-6-1使得连杆机构3-4带动小型电磁线圈3-5和整个电磁吸盘恢复到形变之前的状态。
实施例2
参照图1-4为，一种在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人，包括机器人本体1、机械臂2、电磁吸盘3、伺服电机组件4、主体框架5、储能系统6、控制器7；主体框架5为矩形结构，在矩形结构的主体框架5上部的每个角上通过法兰安装有伺服电机组件4，伺服电机组件4包括驱动器、电机本体和减速箱；每个伺服电机组件4中的动力输出轴连接一个机械臂2的一端，机械臂2的另一端下部连接有电磁吸盘3，机械臂2位于主体框架5下部，机械臂可以为空壳结构以减少机器人自身重量；主体框架5上部中间安装有储能装置6，储能装置6上部安装有控制器7，控制器7上安装有天线8；控制器7与储能装置6连接，储能装置6通过导线分别与每个伺服电机组件4和每个电磁吸盘3连接，用于提供电能，储能装置6可以包括锂电池组和电源管理电路；控制器7控制每个伺服电机组件4和每个电磁吸盘3的工作状态，主体框架5中间下部安装有作业装置。该机器人可以通过无线或者有线控制。电磁吸盘3包括电磁连接器3-1、吸盘轴3-2、柔性包裹体3-3、连杆机构3-4、小型电磁线圈3-5、弹性铰接部3-6；电磁吸盘3通过电磁连接器3-1上部连接机械臂2另一端下部；吸盘轴3-2上部与电磁连接器3-1下部活动连接；吸盘轴3-2下部连接有多个连杆机构3-4，每个连杆机构3-4的一端和吸盘轴3-2弹性铰接，每个连杆机构3-4另一端安装有小型电磁线圈3-5，小型电磁线圈3-5以吸盘轴3-2为中心呈圆形矩阵或放射状排列；柔性包裹体3-3将每个小型电磁线圈3-5和连杆机构3-4包裹为一个整体，柔性包裹体采用高分子柔性材料制成，例如聚乙烯、聚丙烯等材料。连杆机构包括第一连杆3-4-1、第二连杆3-4-2和第三连杆3-4-3；第一连杆3-4-1一端与小型电磁线圈3-5连接，另一端通过弹性铰接部3-6与第二连杆3-4-2的一端连接；第二连杆3-4-2的另一端通过弹性铰接部3-6与第三连杆3-4-3的一端连接；第三连杆3-4-3的另一端通过弹性铰接部3-6与吸盘轴3-2连接；弹性铰接部3-6包括铰接轴和可恢复连接件3-6-1，可恢复连接件3-6-1可以为扭簧、拉簧或者是气弹簧。每个连杆机构3-4均内置有导线为每个小型电磁线圈3-5提供电能。电磁连接器3-1包括磁性堵头3-1-1、套筒3-1-2、弹簧3-1-3、轴部线圈3-1-4；磁性堵头3-1-1为法兰结构，通过螺栓将套筒3-1-2上部和机械臂2连接起来；套筒3-1-2下部具有向筒内的凸台结构，凸台结构和吸盘轴3-2的轴凸台3-2-1配合使得吸盘轴3-2与套筒3-1-2上下滑动连接；轴凸台3-2-1上套筒3-1-2内设置有轴部线圈3-1-4和弹簧3-1-3；弹簧3-1-3套在轴部线圈3-1-4外，其上端和下端分别抵住磁性堵头3-1-1和轴凸台3-2-1；轴部线圈3-1-4固定在轴凸台3-2-1上，在弹簧3-1-3处于未压缩状态时不与磁性堵头3-1-1接触。
其工作原理为四个机械臂2相互配合交替固定和运动，带动自由行走装置在磁性或可磁化材料表面上的运动。
上述仅为发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，容易想到的变化或替换实施方式，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种磁性吸盘，其特征是：所述磁性吸盘为电磁吸盘(3)，所述电磁吸盘(3)包括电磁连接器(3-1)、吸盘轴(3-2)、柔性包裹体(3-3)、连杆机构(3-4)、小型电磁线圈(3-5)、弹性铰接部(3-6)；所述电磁吸盘(3)通过电磁连接器(3-1)上部连接机械臂(2)；所述吸盘轴(3-2)上部与电磁连接器(3-1)下部活动连接；所述吸盘轴(3-2)下部连接有多个连杆机构(3-4)，每个所述连杆机构(3-4)的一端和所述吸盘轴(3-2)弹性铰接，每个所述连杆机构(3-4)另一端安装有所述小型电磁线圈(3-5)，所述小型电磁线圈(3-5)以所述吸盘轴(3-2)为中心呈圆形矩阵或放射状排列；所述柔性包裹体(3-3)将每个所述小型电磁线圈(3-5)和所述连杆机构(3-4)包裹为一个整体，所述连杆机构(3-4)包括第一连杆(3-4-1)、第二连杆(3-4-2)和第三连杆(3-4-3)；所述第一连杆(3-4-1)一端与小型电磁线圈(3-5)连接，另一端通过弹性铰接部(3-6)与所述第二连杆(3-4-2)一端连接；所述第二连杆(3-4-2)另一端通过弹性铰接部(3-6)与所述第三连杆(3-4-3)一端连接；所述第三连杆(3-4-3)另一端通过弹性铰接部(3-6)与所述吸盘轴(3-2)连接；所述弹性铰接部(3-6)包括铰接轴和可恢复连接件(3-6-1)，每个所述连杆机构(3-4)均内置有导线为每个所述小型电磁线圈(3-5)输送电能。
2.如权利要求1所述的一种磁性吸盘，其特征在于：所述电磁连接器(3-1)包括磁性堵头(3-1-1)、套筒(3-1-2)、弹簧(3-1-3)、轴部线圈(3-1-4)；磁性堵头(3-1-1)为法兰结构，通过螺栓将所述套筒(3-1-2)上部和所述机械臂(2)连接起来；所述套筒(3-1-2)下部具有向筒内的凸台结构，所述凸台结构和所述吸盘轴(3-2)的轴凸台(3-2-1)配合使得所述吸盘轴(3-2)与套筒(3-1-2)上下滑动连接；所述轴凸台(3-2-1)上所述套筒(3-1-2)内设置有轴部线圈(3-1-4)和弹簧(3-1-3)；所述弹簧(3-1-3)套在所述轴部线圈(3-1-4)外，其上端和下端分别抵住磁性堵头(3-1-1)和所述轴凸台(3-2-1)；所述轴部线圈(3-1-4)固定在轴凸台(3-2-1)上，在所述弹簧(3-1-3)处于未压缩状态时不与磁性堵头(3-1-1)接触。
3.如权利要求2所述的一种磁性吸盘，其特征在于：所述柔性包裹体(3-3)为高分子塑料材质；所述可恢复连接件(3-6-1)为扭簧、拉簧或者是气弹簧。
4.如权利要求2所述的一种磁性吸盘，其特征在于：所述小型电磁线圈(3-5)的外部除底面外均包裹有磁屏蔽材料。
5.一种采用如权利要求2-4任一项所述磁性吸盘的在磁性或可磁化材料表面自由行走机器人，其特征是，还包括：机器人本体(1)、伺服电机组件(4)、主体框架(5)、储能系统(6)、控制器(7)；其特征是：所述主体框架(5)为矩形结构，在所述矩形结构的主体框架(5)上部的每个角上通过法兰安装有伺服电机组件(4)；所述每个伺服电机组件(4)中的动力输出轴连接一个机械臂(2)的一端，所述机械臂(2)的另一端下部连接有电磁吸盘(3)，所述机械臂(2)位于所述主体框架(5)下部；所述主体框架(5)上部中间安装有所述储能装置(6)，所述储能装置(6)上部安装有所述控制器(7)，所述控制器(7)上安装有天线(8)；所述控制器(7)与所述储能装置(6)连接，所述储能装置(6)通过导线分别与每个伺服电机组件(4)和每个电磁吸盘(3)连接，用于提供电能，所述控制器(7)控制每个伺服电机组件(4)和每个电磁吸盘(3)的工作状态，所述述主体框架(5)中间下部安装有作业装置。
6.如权利要求5所述的一种自由行走机器人，其特征在于：所述伺服电机组件(4)包括驱动器、电机本体和减速箱；所述机械臂(2)为空壳结构；所述储能装置(6)包括锂电池组和电源管理电路。
7.如权利要求5所述的一种自由行走机器人，其特征在于：所述轴部线圈(3-1-4)和小型电磁线圈(3-5)分别通过导线和所述储能装置(6)连接，所述控制器可以单独控制每个所述小型电磁线圈(3-5)和所述轴部线圈(3-1-4)导通/断开。
8.如权利要求5所述的一种自由行走机器人，其特征在于：所述机器人采用有线或者无线控制。
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| CN108657301A (zh) | 2018-10-16 |
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