CN109866840A - 一种自适应可变吸力的吸附轮组及其高度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种自适应可变吸力的吸附轮组，包括滚轮和龙门架，滚轮与龙门架之间转动连接，所述龙门架内设有磁铁扣件连接架和磁铁扣件，所述龙门架上端设有驱动磁铁扣件连接架升降的驱动机构，驱动机构输出端与磁铁扣件连接架连接，磁铁扣件连接架下端与磁铁扣件连接，磁铁扣件内设有电磁铁和永磁铁，所述磁铁扣件上设有距离传感器；吸附力的大小可以控制，越障能力强，能够适应复杂的避免环境，轮组与铁壁的接触面积大。

Description

一种自适应可变吸力的吸附轮组及其高度调节方法

技术领域

本发明涉及爬壁机器人技术领域，具体地说是一种自适应可变吸力的吸附轮组及其高度调节方法。

背景技术

爬壁机器人能够在壁面稳定的工作，最主要机构就是吸附机构，它是实现高效、安全作业的关键部件。在爬壁机器人移动方式方面，大都采用履带式和轮式的移动方式，其中轮式的移动方式具有控制灵活、平稳、转向方便、移动速度快的优势，常用于检测、焊接、除锈、喷漆等作业的爬壁机器人上。

目前，船舶表面使用较多的的吸附方式为永磁吸附，但是永磁铁的吸附力越大，质量越大，并且存在吸附力难以控制的缺点；普通的爬壁机器人吸附机构与壁面的吸附距离不可调，限制了爬壁机器人的越障能力，在壁面弧度较大的地方，吸附机构容易与壁面吸合，使机器人移动困难，在凹度较大的壁面，吸附机构与壁面的距离较大，难以提供稳定的吸力，导致壁面机器人坠落，难以适应复杂的铁磁壁面环境；现有的壁面机器人采用轮式的移动方式，并将环形磁铁镶嵌在轮子中间，具有接触面积不足，摩擦力小，吸附力不足的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种自适应可变吸力的吸附轮组及其高度调节方法，吸附力的大小可以控制，越障能力强，能够适应复杂的壁面环境，轮组与铁壁的接触面积大。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种自适应可变吸力的吸附轮组，包括滚轮和龙门架，滚轮与龙门架之间转动连接，所述龙门架内设有磁铁扣件连接架和磁铁扣件，所述龙门架上端设有驱动磁铁扣件连接架升降的驱动机构，驱动机构输出端与磁铁扣件连接架连接，磁铁扣件连接架下端与磁铁扣件连接，磁铁扣件内设有电磁铁和永磁铁，所述磁铁扣件上设有距离传感器。

进一步地，所述滚轮对称的分布在龙门架两侧，所述龙门架下端设有转轴，转轴两端与滚轮连接，转轴上与龙门架下端转动连接。

进一步地，所述转轴两端位于滚轮内侧均设有同步轮。

进一步地，所述磁铁扣件连接架下端设有U形开口，转轴穿过U形开口， U形开口末端均设有一个磁铁扣件。

进一步地，所述驱动机构伺服电机、丝杠和导向机构，所述伺服电机安装在龙门架上端，伺服电机输出端与丝杠连接，磁铁扣件连接架中间位置设有调节螺母，调节螺母固定在磁铁扣件连接架上，丝杠与调节螺母螺纹配合。

进一步地，所述导向机构包括导向杆，导向杆下端与磁铁扣件连接架连接，导向杆上端与龙门架之间滑动连接。

进一步地，所述磁铁扣件、电磁铁和永磁铁中间位置均设有通孔，磁铁扣件、电磁铁和永磁铁通过螺栓连接。

进一步地，前端和后端所述的磁铁扣件上均设有一个距离传感器，距离传感器与磁铁扣件之间设有传感器支架。

本发明的有益效果是：

1、本发明中在龙门架内设有磁铁扣件连接架和磁铁扣件，磁铁扣件连接架下端与磁铁扣件连接，磁铁扣件内设有电磁铁和永磁铁，采用电磁铁和永磁铁相结合的方式，在保证永磁吸力的前提下，可通过改变电磁铁的电流大小来改变吸附力，控制灵活。

2、本发明中在龙门架上端设有驱动磁铁扣件连接架升降的驱动机构，驱动机构输出端与磁铁扣件连接架连接，所述磁铁扣件上设有距离传感器，通过距离传感器测定距离，驱动机构能够驱动磁铁组件的升降，采用吸附力可调的非接触机构，越障能力强，能够适应复杂的铁磁壁面。

3、本发明中滚轮对称的分布在龙门架两侧，吸附轮组内设有两个滚轮，既将之前的一个滚轮变为两个滚轮，增加了与铁壁之间的接触面积，增加了摩擦力，经过的铁壁表面不光滑时，一轮悬空，另一滚轮可继续保持与铁壁壁面接触，可靠性好。

4、本发明将原本套在双轮之间传统的质量大、接触面小的环形磁铁换成由接触面积大的块状永磁铁和电磁铁叠加的组合体，相较于环形磁铁，增大了磁铁与壁面的接触面积，减小了整体的磁铁体积以及质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明主视图；

图3为本发明磁铁扣件连接架结构示意图；

图4为本发明电磁铁和永磁铁连接处剖视图；

图5为本发明吸附轮组高度调节流程图。

图中：滚轮1，龙门架2，转轴3，同步轮4，磁铁扣件连接架5，磁铁扣件6，电磁铁7，永磁铁8，距离传感器9，U形开口10，伺服电机11，丝杠12，调节螺母13，通孔14，螺栓15，导向杆16。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为方便描述，现定义坐标系如图1所示。

如图1和图2所示，一种自适应可变吸力的吸附轮组，包括滚轮1和龙门架2，滚轮1与龙门架2之间转动连接，所述龙门架2内设有磁铁扣件连接架5 和磁铁扣件6，所述龙门架2上端设有驱动磁铁扣件连接架5升降的驱动机构，驱动机构输出端与磁铁扣件连接架5连接，磁铁扣件连接架5下端与磁铁扣件6 连接，磁铁扣件6内设有电磁铁7和永磁铁8，电磁铁7位于永磁铁8上方，所述磁铁扣件6上设有距离传感器9，距离传感器9通过导线与控制器连接。

在双轮承重组成的单整体结构中，吸附机构采用与壁面非接触的吸附形式，永磁铁在下，电磁铁在上，永磁铁和电磁铁之间的轭铁用来聚集磁感线，两磁铁的磁力线沿着磁铁的厚度方向并垂直于铁磁壁面；吸附机构采用电磁铁和永磁铁相结合的方式，在保证永磁吸力的前提下，可通过改变电磁铁的电流大小来改变吸附力，控制灵活。

通过驱动机构驱动磁铁组合的升降，当吸附轮吸附于铁磁壁面时，永磁铁、电磁铁同时作用；车轮运动到凸度较大的壁面时，吸附机构与壁面的距离太近，为了防止吸附力过大使磁铁组合体与铁磁壁面吸合，控制器计算距离传感器采集到的距离信息，控制驱动机构驱动磁铁组合上升，使吸附机构与铁磁壁面达到合适的距离，同时为了避免吸附力过大，驱动机构难以拉动，在抬升的过程中，电磁铁可以通过改变电流的大小，减小电磁铁的吸附力，使抬升更加的容易，也可以通过改变电磁铁输入电流的方向，改变电磁铁的磁极方向，减小吸附力，容易抬升，抬升完成后，电磁铁得电，与永磁铁的磁感线方向相同，增大吸附力。

当吸附机构与壁面的距离较大时，控制器处理距离传感器采集到的信息，控制调节电机，驱动机构驱动磁铁组合下降，使吸附机构与铁磁壁面达到合适的距离，保证吸附力足够大，使本吸附轮稳定的吸附到铁磁壁面。

如图1和图2所示，所述滚轮1对称的分布在龙门架2两侧，吸附轮组内设有两个滚轮，既将之前的一个滚轮变为两个滚轮，增加了与铁壁之间的接触面积，增加了摩擦力，经过的铁壁表面不光滑时，一轮悬空，另一滚轮可继续保持与铁壁壁面接触，可靠性好，所述龙门架2下端设有转轴3，转轴3两端与滚轮1连接，转轴3上与龙门架2下端通过轴承转动连接，将原本套在双轮之间传统的质量大、接触面小的环形磁铁换成由接触面积大的块状永磁铁和电磁铁叠加的组合体，相较于环形磁铁，增大了磁铁与壁面的接触面积，减小了整体的磁铁体积以及质量。

如图1和图2所示，所述转轴3两端位于滚轮1内侧均设有同步轮4，电机的输出端设有两个带轮，两个带轮分布对应两个同步轮4，并与同步轮4之间通过皮带连接，图未视，保证了两滚轮1的同步转动，可靠性好。

如图1和图3所示，所述磁铁扣件连接架5下端设有U形开口10，转轴3 穿过U形开口10，在磁铁扣件连接架5升降的过程中，转轴3不会与磁铁扣件连接架5产生干涉。U形开口10末端均设有一个磁铁扣件6，磁铁扣件连接架从侧面看呈倒U字形，磁铁扣件连接架的两个末端都采用相同的结构，即：磁铁支架固定于磁铁扣件连接架的末端，永磁铁和电磁铁放置于磁铁支架内，永磁铁在下，电磁铁在上，两组磁铁组件对称的分布在转轴前后两侧，组装成整体的吸附机构。其中，永磁铁均采用钕铁硼N45SH制成，均沿厚度方向进行充磁，电磁铁的充磁方向与永磁铁的充磁方向保证一致，所述的磁铁支架采用不锈钢材料制成，在保证承载强度的同时，能够避免对磁路产生干扰。

如图1、图2和图3所示，所述驱动机构伺服电机11、丝杠12和导向机构，所述伺服电机11安装在龙门架2上端，伺服电机11输出端与丝杠12连接，磁铁扣件连接架5中间位置设有调节螺母13，调节螺母13固定在磁铁扣件连接架 5上，丝杠12与调节螺母13螺纹配合，在本实施例中选用丝杠螺母驱动升降的方式，也可采用气缸等方式驱动升降，丝杠螺母驱动升降仅作为本实施例的最优方案。伺服电机11通过导线与控制器连接，控制器接受到距离传感器9检测的距离信号，判读距离是否超过预设的范围，进而通过控制器控制伺服电机11的启闭，伺服电机11正反转时，通过丝杠12和调节螺母13传递动力，使得磁铁组合升降。

如图1和图2所示，所述导向机构包括导向杆16，导向杆16下端与磁铁扣件连接架5连接，导向杆16对称的分布在丝杠12两端，导向杆16上端与龙门架2之间滑动连接，导向杆16可相对于龙门架2上下滑动，如此设置，可以避免磁铁扣件连接架因受力不平衡导致的倾斜问题，也可以很好的加固整体框架。

如图4所示，所述磁铁扣件6、电磁铁7和永磁铁8中间位置均设有通孔 14，磁铁扣件6、电磁铁7和永磁铁8通过螺栓15连接。

如图1所示，前端和后端所述的磁铁扣件6上均设有一个距离传感器9，距离传感器9与磁铁扣件6之间设有传感器支架17，两个相同规格的距离传感器通过传感器支架固定于磁铁支架上，使得距离测定更加准确，龙门架固定孔在龙门架的上端面，加装连板或支架后可安装其他辅助机构，如此设置，可以起到对车轮装置的加固以及增强稳定性的作用。

如图5所示，吸附轮组高度调节步骤如下：

1)爬壁机器人开始运行；2)距离传感器9测定与铁壁壁面的距离，并将信号传递到控制器；3)控制器判定是否符合指定的距离范围，若符合，爬壁机器人继续运行，若不符合，控制器向伺服电机输出信号；4)伺服电机接受到信号后转动；5)吸附机构升降到合适的距离；6)调节结束。

在对本发明的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (9)

1.一种自适应可变吸力的吸附轮组，包括滚轮（1）和龙门架（2），滚轮（1）与龙门架（2）之间转动连接，其特征是，所述龙门架（2）内设有磁铁扣件连接架（5）和磁铁扣件（6），龙门架（2）上端设有驱动磁铁扣件连接架（5）升降的驱动机构，驱动机构输出端与磁铁扣件连接架（5）连接，磁铁扣件连接架（5）下端与磁铁扣件（6）连接，磁铁扣件（6）内设有电磁铁（7）和永磁铁（8），所述磁铁扣件（6）上设有距离传感器（9）。

2.根据权利要求1所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，所述滚轮（1）对称的分布在龙门架（2）两侧，所述龙门架（2）下端设有转轴（3），转轴（3）两端与滚轮（1）连接，转轴（3）上与龙门架（2）下端转动连接。

3.根据权利要求2所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，所述转轴（3）两端位于滚轮（1）内侧均设有同步轮（4）。

4.根据权利要求1所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，所述磁铁扣件连接架（5）下端设有U形开口（10），转轴（3）穿过U形开口（10），U形开口（10）末端均设有一个磁铁扣件（6）。

5.根据权利要求1所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，所述驱动机构伺服电机（11）、丝杠（12）和导向机构，所述伺服电机（11）安装在龙门架（2）上端，伺服电机（11）输出端与丝杠（12）连接，磁铁扣件连接架（5）中间位置设有调节螺母（13），调节螺母（13）固定在磁铁扣件连接架（5）上，丝杠（12）与调节螺母（13）螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，所述导向机构包括导向杆（16），导向杆（16）下端与磁铁扣件连接架（5）连接，导向杆（16）上端与龙门架（2）之间滑动连接。

7.根据权利要求1所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，所述磁铁扣件（6）、电磁铁（7）和永磁铁（8）中间位置均设有通孔（14），磁铁扣件（6）、电磁铁（7）和永磁铁（8）通过螺栓（15）连接，电磁铁（7）和永磁铁（8）均为块状。

8.根据权利要求1所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，前端和后端所述的磁铁扣件（6）上均设有一个距离传感器（9），距离传感器（9）与磁铁扣件（6）之间设有传感器支架（17）。

9.一种自适应可变吸力的吸附轮组高度调节方法，利用权利要求1至8中任一项所述的一种自适应可变吸力的吸附轮组，其特征是，包括以下步骤：

1）爬壁机器人开始运行；

2）距离传感器（9）测定与铁壁壁面的距离，并将信号传递到控制器；

3）控制器判定是否符合指定的距离范围，若符合，爬壁机器人继续运行，若不符合，控制器向伺服电机输出信号；

4）伺服电机接受到信号后转动；

5）吸附机构升降到合适的距离；

6）调节结束。