CN108890612A - 一种用于爬壁机器人的非接触磁吸附轮腿复合机构 - Google Patents
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Abstract
一种用于爬壁机器人的非接触磁吸附轮腿复合机构，包括两个轮式驱动机构、腿部转动机构、非接触磁吸附机构、两个连接法兰以及两个连接支架；两个轮式驱动机构分别通过连接法兰固装于腿部转动机构的两侧，非接触磁吸附机构放置于腿部转动机构下方并固装于两个轮式驱动机构之间，轮式驱动机构和非接触磁吸附机构可通过驱动腿部转动机构实现摆动，两个连接支架分别固装于腿部转动机构两侧。本发明既保证了轮式机构原有的运动灵活、平稳的特点，又使机构具有腿足式行走机构的越障能力；实现了磁吸附力的调节，提高了机构的移动灵活性；实现了机构对小曲率半径壁面的稳定吸附，提高了机构对不同壁面的适应性。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域。
背景技术
爬壁机器人是一种能够携带作业工具在各式各样的壁面上实现特定作业功能的特种机器人，可以替代人在危险、极限等环境下作业，在建筑清洗、船舶焊接、核储罐检测等领域具有广阔的应用前景。
吸附机构和行走机构是爬壁机器人实现壁面安全、高效作业的关键组成部分。常用的吸附方式主要有负压吸附和磁吸附，其中永磁吸附由于具有结构小、吸附力大、无需提供能源等特点，被铁磁环境下工作的爬壁机器人广泛采用。常用的行走机构主要有腿足式、履带式和轮式，其中轮式行走方式由于具有运动灵活、平稳等特点，被从事检测、焊接等作业的爬壁机器人所采用。
现有的永磁吸附轮式爬壁机器人普遍存在磁吸附力不可调节，不具备越障能力或越障能力有限，壁面适应能力差的问题。
中国专利申请号201620441879.8记载了“一种新型轮式永磁吸附爬壁机器人”，涉及了磁吸附轮式爬壁机器人的吸附和移动技术，采用永磁轮和非接触磁吸附机构相配合的方式，提高了机器人壁面适应能力。
该专利虽然在一定程度上提高了机器人的壁面适应能力，但机器人底盘高度决定了其越障能力，其越障能力十分有限；磁吸附机构相对机器人的方位固定，磁吸附力不可调节，在越障或弧形壁面作业时，其磁吸附力将会衰减，增加了机器人的作业风险。
中国专利申请号201010289541.2记载了一种“磁吸附力可调节的爬壁机器人用轮式越障机构”，机构采用非接触式永磁吸附，并利用差动螺旋原理通过丝杆机构实现磁吸附力的调节以及机构的越障。
该专利虽然能够实现磁吸附力的调节和机构的越障，但是其磁吸附机构只能相对机器人机架升降，改变磁吸附机构与壁面之间的高度，而无法改变其与壁面之间的角度，在曲率半径较小的弧形壁面，其磁吸附力将会出现很大程度的衰减，采用该机构的爬壁机器人将无法在曲率半径较小的弧形壁面上安全作业。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，将壁面适应能力好、越障能力强的腿足式行走方式与运动灵活、平稳的轮式行走方式结合，提出了一种非接触磁吸附轮腿复合机构。该机构既能像轮式移动机构灵活、平稳地在壁面上移动，还能通过腿部的运动实现越障和磁吸附力的调节，从而提高爬壁机器人对壁面的适应能力。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种用于爬壁机器人的非接触磁吸附轮腿复合机构，包括两个轮式驱动机构、腿部转动机构、非接触磁吸附机构、两个连接法兰以及两个连接支架。两个轮式驱动机构分别通过连接法兰固装于腿部转动机构的两侧，非接触磁吸附机构放置于腿部转动机构下方并固装于两个轮式驱动机构之间，轮式驱动机构和非接触磁吸附机构可通过驱动腿部转动机构实现摆动，两个连接支架分别固装于腿部转动机构两侧。
所述的轮式驱动机构包括：驱动轮、蜗轮蜗杆减速器、电机座Ⅰ以及驱动电机Ⅰ。驱动轮固装在蜗轮蜗杆减速器侧面，驱动电机Ⅰ通过电机座Ⅰ固装在蜗轮蜗杆减速器顶部。
所述的腿部转动机构包括：两个连接杆、转动轴、蜗轮蜗杆机构、电机座Ⅱ以及驱动电机Ⅱ。两个连接杆分别固装于转动轴两端，转动轴中部固装于蜗轮蜗杆机构内，驱动电机Ⅱ通过电机座Ⅱ固装在蜗轮蜗杆机构上。
所述的非接触磁吸附机构包括：两个窄永磁体、两个宽永磁体、轭铁、三个隔磁铝块、两个限位铝块以及两个限位铝板。两个窄永磁体分别放置于轭铁底面两侧，两个宽永磁体放置于轭铁底面中部，三个隔磁铝块分别放置在上述四个永磁体之间并与轭铁固定连接，两个限位铝块分别放置在两个窄永磁体外侧并与轭铁固定连接，两个限位铝板固装于轭铁前后两端面。
本发明的工作原理是：通过驱动电机驱动腿部转动机构实现转动轴的转动，使连接杆带动轮式驱动机构和非接触磁吸附机构相对转动轴轴心摆动，实现轮式驱动机构和吸附机构的抬起和放下，从而达到机构越障的目的；此外，通过控制非接触磁吸附机构的摆动角度，能够调整吸附机构相对铁磁壁面的距离和角度，从而实现磁吸附力的调节和对壁面的适应。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明将腿足式行走方式与轮式行走方式相结合，提出了非接触磁吸附轮腿复合机构，既保证了轮式机构原有的运动灵活、平稳的特点，又使机构具有腿足式行走机构的越障能力；通过改变非接触磁吸附机构与壁面之间的距离和角度，实现了磁吸附力的调节，提高了机构的移动灵活性；通过控制磁吸附机构相对壁面的角度，实现了机构对小曲率半径壁面的稳定吸附，提高了机构对不同壁面的适应性。
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3是本发明的仰视图。
图4是本发明平整壁面正常工作示意图。
图5是本发明的越障原理示意图。
图6是本发明磁吸附力调节原理示意图。
图7是本发明小曲率半径壁面工作示意图。
其中，1为轮式驱动机构、2为腿部转动机构、3为非接触磁吸附机构、4为连接法兰、5为连接支架、6为驱动轮、7为蜗轮蜗杆减速器、8为电机座Ⅰ、9为驱动电机Ⅰ、10为转动轴、11为蜗轮蜗杆机构、12为连接杆、13为电机座Ⅱ、14为驱动电机Ⅱ、15为窄永磁体、16为宽永磁体、17为轭铁、18为隔磁铝块、19为限位铝块、20为限位铝板。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明。
如图1所示，非接触磁吸附轮腿复合机构包括：两个轮式驱动机构1、腿部转动机构2、非接触磁吸附机构3、两个连接法兰4以及两个连接支架5，两个轮式驱动机构1分别通过连接法兰4固装于腿部转动机构2的两侧，非接触磁吸附机构3放置于腿部转动机构3的下方，并固装于两个轮式驱动机构1之间，两个连接支架5分别固装于腿部转动机构2的两侧，整个机构左右两侧完全对称，通过驱动腿部转动机构2能够实现两个轮式驱动机构1和非接触磁吸附机构3的摆动。
如图1，图2所示，所述两个轮式驱动机构1结构组成完全相同，均包括：驱动轮6、蜗轮蜗杆减速器7、电机座Ⅰ8以及驱动电机Ⅰ9，所述驱动轮6固装于蜗轮蜗杆减速器7侧面，所述驱动电机Ⅰ9通过电机座Ⅰ8固装于蜗轮蜗杆减速器7顶部，驱动电机Ⅰ9通过蜗轮蜗杆减速器7实现对驱动轮6的驱动，蜗轮蜗杆减速器7具有自锁功能，能够有效防止机器人因断电而产生下滑。
如图1，图2，图3所示，所述腿部转动机构2包括：转动轴10、蜗轮蜗杆机构11、两个连接杆12、电机座Ⅱ13以及驱动电机Ⅱ14，所述转动轴10的中部固装于蜗轮蜗杆机构11的内部，所述两个连接杆12的一端分别固装于转动轴10的两端， 另一端与连接法兰固定连接，所述驱动电机Ⅱ14通过电机座Ⅱ13固装于蜗轮蜗杆机构11后侧，驱动电机Ⅱ14通过驱动蜗轮蜗杆机构11带动转动轴10的转动，从而实现两个连接杆12的摆动，蜗轮蜗杆机构11具有自锁功能，能够保证机构整体结构的稳定。
如图1，图2，图3所示，所述非接触磁吸附机构3包括：两个窄永磁体15、两个宽永磁体16、轭铁17、三个隔磁铝块18、两个限位铝块19以及两个限位铝板20，所述两个窄永磁体15分别放置于轭铁17底面两侧，两个宽永磁体16分别放置于轭铁17底面中部，所述三个隔磁铝块18分别放置于上述四个永磁体之间，并与轭铁17固定连接，从而起到隔磁的作用，所述两个限位铝块19分别放置于两个窄永磁铁15的外侧并与轭铁17固定连接，所述轭铁17底面设置有凹槽，便于限位铝块19的定位安装，从而实现窄永磁体15、宽永磁体16、隔磁铝块18宽度方向位置的确定，所述两个限位铝板20分别固装于轭铁17前后两个端面，用于限制窄永磁体15和宽永磁体16长度方向的位置。
所述两个个永体磁体15和两个宽永磁体16均采用钕铁硼N45SH制成，并沿厚度方向充磁，相邻两个永磁体安置极性相反，所示轭铁17采用普通碳素结构钢Q235制成，两端分别与轮式驱动机构1中的减速7固定连接。
如图3所示，非接触磁吸附机构3并非关于驱动轮6的轴心对称安装，而是相对轴心前置，以便机构抬腿越障时，磁吸附机构吸附力能快速衰减，从而减小抬腿过程腿部转动机构2所需驱动力矩。
如图1，图2所示，所述两个连接支架5固装于腿部转动机构两侧，用于与机器人机架相连，实现非接触磁吸附轮腿复合机构与机器人机架的固定安装。
如图4所示为本发明平整壁面正常工作示意图，驱动电机Ⅰ9驱动减速器7带动驱动轮6转动，机构以轮式行走方式进行移动，此时非接触磁吸附机构3底面与壁面平行，永磁体15和永磁体16与壁面之间的距离为7mm，经仿真计算，此时磁吸附机构产生的吸附力为1720N。
如图5所示为本发明的越障示意图，当壁面存在障碍时，驱动电机Ⅱ14驱动蜗轮蜗杆机构11带动转动轴10转动，使连接杆12带动轮式驱动机构1和非接触磁吸附机构3向机构前方摆动，从而越过障碍；越过障碍后，驱动电机Ⅱ14驱动蜗轮蜗杆机构11使轮式驱动机构1和非接触磁吸附机构3向后方摆动，使机构回到图4所示状态。
如图6所示为本发明磁吸附力调节示意图，驱动电机Ⅱ14驱动蜗轮蜗杆机构11使转动轴转动一个角度θ，在连接杆12的带动下，轮式驱动机构1和非接触磁吸附机构3相对转动轴摆动的角度也为θ，此时，相对图4所示状态，非接触磁吸附机构3相对壁面的距离和角度均发生了变化，所产生的磁吸附力也将改变，经仿真计算，非接触磁吸附机构3与壁面间的角度由0度变化至20度时，磁吸附力将从1720N变化至745N，从而实现了磁吸附力的调节。
如图7所示为本发明在小曲率半径壁面工作示意图，爬壁机器人在小曲率半径壁面上工作时，磁吸附机构与壁面之间的气隙高度相对平整壁面会发生变化，磁吸附力也将随之而改变，特别是对于非接触式磁吸附机构，其吸附面积较大，磁吸附力会发生很大程度的衰减，从而加大了机器人的作业风险。本发明能够通过驱动电机Ⅱ14驱动蜗轮蜗杆机构11，控制轮式驱动机构1和非接触磁吸附机构3的摆动角度，使非接触磁吸附机构3相对壁面始终处于最佳吸附状态，使气隙的变化达到最小，经过仿真计算，在曲率半径为0.5m的外圆弧壁面作业时，非接触磁吸附机构3在最佳吸附状态时的吸附力仍然具有1600N，从而提高了机器人对不同壁面的适应性。
Claims (1)
1.一种用于爬壁机器人的非接触磁吸附轮腿复合机构，其特征是包括两个轮式驱动机构、腿部转动机构、非接触磁吸附机构、两个连接法兰以及两个连接支架；两个轮式驱动机构分别通过连接法兰固装于腿部转动机构的两侧，非接触磁吸附机构放置于腿部转动机构下方并固装于两个轮式驱动机构之间，轮式驱动机构和非接触磁吸附机构可通过驱动腿部转动机构实现摆动，两个连接支架分别固装于腿部转动机构两侧；
所述的轮式驱动机构包括驱动轮、蜗轮蜗杆减速器、电机座Ⅰ以及驱动电机Ⅰ；驱动轮固装在蜗轮蜗杆减速器侧面，驱动电机Ⅰ通过电机座Ⅰ固装在蜗轮蜗杆减速器顶部；
所述的腿部转动机构包括两个连接杆、转动轴、蜗轮蜗杆机构、电机座Ⅱ以及驱动电机Ⅱ；两个连接杆分别固装于转动轴两端，转动轴中部固装于蜗轮蜗杆机构内，驱动电机Ⅱ通过电机座Ⅱ固装在蜗轮蜗杆机构上；
所述的非接触磁吸附机构包括两个窄永磁体、两个宽永磁体、轭铁、三个隔磁铝块、两个限位铝块以及两个限位铝板；两个窄永磁体分别放置于轭铁底面两侧，两个宽永磁体放置于轭铁底面中部，三个隔磁铝块分别放置在上述四个永磁体之间并与轭铁固定连接，两个限位铝块分别放置在两个窄永磁体外侧并与轭铁固定连接，两个限位铝板固装于轭铁前后两端面。
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