CN112429103A - 一种复合吸附的履带式无源攀附机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合吸附的履带式无源攀附机构，包括吸附杯、同步带、输送带、磁铁单元、导轨骨架和导轨面，作为攀附机构骨架支撑的导轨骨架与攀爬机器人本体装配连接，且导轨骨架的外周设置有导轨面，吸附杯一端通过滚动轴承约束在导轨面上，另一端以胶粘的方式连接在输送带的外侧；输送带的内侧胶粘于同步带外侧，同步带为圆弧齿同步带，同步带与攀爬机器人本体的带轮啮合驱动，由橡胶外壳封装的磁铁单元以铆接和胶粘的方式安装在输送带的内侧。综合电磁吸附和负压吸附原理实现法向吸附力复合作用，增强攀附机构攀附力的稳定性、提高攀附机构的带载能力、保障攀附机构的运动灵活性和减少对爬壁机器人的能源消耗。

Description

一种复合吸附的履带式无源攀附机构

技术领域

本发明涉及爬壁机器人技术领域，特别是涉及一种复合吸附的履带式无源攀附机构。

背景技术

爬壁机器人在大型设备表面监测、表面涂覆、故障诊断预警等方面具有重要的应用前景，可以代替人力在复杂、危险、狭窄、污染等环境中完成作业任务。攀附机构是爬壁机器人的核心组成，其结构形式直接决定了爬壁机器人的爬壁环境适应性和攀附可靠性。在自然/人工环境中，建筑设施和重大装备的表面材料性质不同、表面形貌各异、环境湿度有别、表面附着物(紧致/松散、粘黏性、湿滑性等)状态纷繁复杂，给攀爬机器人攀附机构的稳定可靠攀附和移动作业，提出了很大的技术挑战。

为了提高爬壁机器人的攀附移动和作业能力，国内外针对不同的应用目的已经提出了大量不同的攀附机构，现有的攀附机构表现出适应环境表面形貌变化的能力有限、适应攀爬表面材料特种的变化能力不足、攀附机构的攀附力稳定性差、攀爬移动能力有限等方面的局限性。

中国专利“一种除锈喷涂爬壁机器人”(申请号：CN 111283527 A)中，提出了一种除锈喷涂爬壁机器人，在机架和万向轮上设置永磁铁组块，产生间隙磁吸附力吸附在导磁性壁面，但该机器人只能吸附在强磁性壁面上，且磁铁单元不多，容错率不够，若壁面不平整或导磁性不好，会导致磁吸力不足，爬壁机器人的掉落的问题；中国专利“一种永磁吸附爬壁机器人”(申请号：CN 111232079 A)中，提出了一种永磁吸附爬壁机器人，永磁铁布置在四个驱动轮圆周上和密封箱安装空间里，两者共同产生磁力吸附在磁性壁面上，但驱动轮的圆周的接触面减小，会导致磁吸力不足，而布置在密封箱用来增加磁吸力的磁块会对密封箱里的其他设备有干扰，且耗费密封箱的安装空间；中国专利“一种新型的全驱动复合吸附式爬壁机器人”(授权号：CN 102673670 B)中，提出接触式磁轮吸附和非接触式磁块间隙吸附的复合方式，非接触式磁块可以调整气隙，但此结构仍为单一磁性吸附，只能吸附在磁性壁面；中国专利“一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人”(授权号：CN 103129639 B)公开一种凸轮式负压吸附爬壁机器人，虽使用反凸轮机构和无源真空吸附机构实现吸盘的负压吸附功能，摆脱了真空源设备带来的限制，但移动与转向较为缓慢，缺乏灵活性，只能吸附在光滑平整的壁面。

综上，现有的攀附机构既有无源和有源的负压吸盘，也有永磁吸附的履带式攀附机构，但存在攀附壁面的环境限制，吸附形式单一，能源消耗大的问题；且已有的磁吸附结构，磁铁利用率不高，壁面粗糙度引起的气隙变化，将导致吸附力下降，同时吸盘结构简单，只能吸附在光滑壁面上，与履带的兼容性不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合吸附的履带式无源攀附机构，以解决上述现有技术存在的问题，综合电磁吸附和负压吸附原理，提出一种法向吸附力复合作用的履带式攀附机构，改善攀附机构对相关设施表面材料性质和表面形貌变换的适应性、增强攀附力的稳定性、提高攀附机构的带载能力、保障攀附机构的运动灵活性和减少对爬壁机器人的能源消耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种复合吸附的履带式无源攀附机构，包括吸附杯、同步带、输送带、磁铁单元、导轨骨架和导轨面，所述导轨骨架作为攀附机构的骨架支撑与攀爬机器人本体装配连接，且所述导轨骨架的外周设置有导轨面，所述吸附杯一端通过滚动轴承约束在导轨面上，另一端以胶粘的方式连接在所述输送带的外侧；所述输送带的内侧胶粘于同步带外侧，所述同步带为圆弧齿同步带，所述同步带与攀爬机器人本体的带轮啮合驱动，由橡胶外壳封装的所述磁铁单元以铆接和胶粘的方式安装在输送带的内侧。

优选地，所述磁铁单元由多块钕磁铁组成Halbach阵列，Halbach阵列中钕磁铁为方形截面，多块钕磁铁按照充磁方向每次偏转90°进行粘接。

优选地，所述Halbach阵列是由五块10mm×5mm×5mm规格的长方体状钕磁铁拼成的10mm×25mm×5mm的长方体阵列。

优选地，所述吸附杯为波纹异形结构的被动式柔性吸附杯，所述吸附杯包括刚性盘头、柔性盘体、唇部和连接机构，所述柔性盘体的两端分别连接所述刚性盘头和唇部，所述唇部位于所述输送带的外侧用于与接触面吸附，所述刚性盘头上固定有所述连接机构，所述连接机构将所述吸附杯安装在所述导轨面上。

优选地，所述吸附杯采用3D打印制成，其中，所述刚性盘头用刚性不透明树脂材料打印而成，所述柔性盘体和唇部用软胶打印成肖氏硬度30°；所述柔性盘体的截面是波纹型。

优选地，所述连接机构包括滚动轴承、U形连接架、螺母、心轴和螺钉，所述刚性盘头留有开口与螺钉连接，并用螺母紧固；所述螺钉连接于U形连接架的下孔处，所述U形连接架上有两个支耳，支耳处均设置有用于安装所述心轴的连接孔，所述心轴上安装有滚动轴承。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1.本发明综合磁吸附和负压吸附原理，提出一种法向吸附力复合作用的履带式攀附机构，改善攀附机构对相关设施表面磁性材料的依赖性，提高在非磁性壁面的攀附力，保障攀附机构的运动灵活性。

2.钕磁铁采用Halbach阵列形式布置在履带上，能提高永磁铁的利用率，使得磁力线在攀附一侧密集，从而不易受磁铁与壁面气隙的变化影响，同时采用特定长方形磁铁组合外形，减小履带变形时块状磁铁与安装带连接处的局部应力应变幅值，有效提高攀附机构的使用寿命，同时这种细长型磁铁块设计方案，还有利于均匀化攀附机构运动过程中的攀附力和脱附力，降低脱附阻力，提高攀附机构的运动能效。

3.提出采用特定接触表面形状和特定垂直剖面形状的弹性材料吸附杯。其中特定的接触表面形状可提高吸附杯在接触平整表面时的密封性，拥有大接触面的柔软唇部可以提高在一定粗糙壁面的吸附能力，从而提高拉伸过程的吸附力，而采用特定波纹型的垂直剖面形状，可以优化吸附杯弹性材料结构的应力应变关系，近似为线性关系，使得这种结构形状的负压吸附杯能与履带式结构良好兼容。

4.吸附杯与Halbach阵列均为无源器件，极大的降低对攀附机器人本体的能源消耗，提高机器人的续航能力。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为复合吸附的履带式无源攀附机构的整体结构示意图；

图2为Halbach阵列的钕磁铁布置图；

图3为磁吸附力优化有限元分析图；

图4为异形吸附杯的半剖图；

图5为异形吸附杯的结构图；

图6为吸附杯的法向吸附力与法向变形量关系优化图；

其中，1吸附杯；101滚动轴承；102U形连接架；103薄螺母；104心轴；105螺钉；106刚性盘头；107柔性盘体；108唇部；2同步带；3输送带；4Halbach阵列；5导轨骨架；6导轨面。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种复合吸附的履带式无源攀附机构，以解决上述现有技术存在的问题，综合电磁吸附和负压吸附原理，提出一种法向吸附力复合作用的履带式攀附机构，改善攀附机构对相关设施表面材料性质和表面形貌变换的适应性、增强攀附力的稳定性、提高攀附机构的带载能力、保障攀附机构的运动灵活性和减少对爬壁机器人的能源消耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种复合吸附的履带式无源攀附机构，包括吸附杯1、同步带2、输送带3、磁铁单元、导轨骨架5和导轨面6，吸附杯1一端通过滚动轴承101约束在导轨骨架5的导轨面6上，另一端以胶粘的方式连接在输送带3的外侧，导轨骨架5作为攀爬机器人的骨架支撑与攀爬机器人本体装配连接，且外周设置有导轨面6，导轨面6在吸附侧有高度提升，可以法向拉伸吸附杯产生吸附作用；输送带3作为履带的外侧攀爬区，其内侧胶粘于同步带2的外侧，同步带2为标准圆弧齿同步带，作为履带的内侧传动区，与攀爬机器人本体的带轮啮合驱动，磁铁单元由橡胶外壳封装，以铆接和胶粘的方式安装在输送带3的内侧。

如图2所示，磁铁单元由多块钕磁铁组成Halbach阵列4，钕磁铁按照充磁方向每次偏转90°进行粘接，Halbach阵列4中钕磁铁为方形截面，使得每次偏转后保证阵列的两端面平整。

如图3所示，Halbach阵列4的有限元仿真图可见，磁力线在一侧密集，另一侧稀疏，将密集的一侧用于吸附面，极大的提高攀附机构在磁铁壁面吸附力，同时减弱由壁面凹凸不平引起的磁力衰退问题。Halbach阵列4由五块10mm×5mm×5mm长方体的磁块拼成10mm×25mm×5mm长方体阵列，在普通导磁面1mm间隙下，试验测得吸附力为42.65N。

如图4和5所示，吸附杯1为波纹异形结构的被动式柔性吸附杯，包括大硬度的刚性盘头106、小硬度的柔性盘体107、柔软的唇部108、滚动轴承101、U形连接架102、薄螺母103、心轴104和螺钉105，波纹异形结构的吸附杯1采用3D打印技术由两种材料软硬一体化制成，刚性盘头106用刚性不透明树脂Vero PureWhite打印，柔性盘体107和唇部108用软胶Agilus打印成肖氏硬度30°，柔性盘体107的截面是波纹型，有利于提高吸附杯1的法向变形量并减小吸附杯1的切向变形量；柔性盘体107的唇部108接触面做成硬度低(30°肖氏硬度)的薄层，提高吸附杯1在拉伸吸附过程的密封性能，刚性盘头106留有开口与螺钉105连接，并用薄螺母103紧固，螺钉105连接于U形连接架102的下孔处；U形连接架102有两个支耳，两个支耳上均设置有用于安装心轴104的连接孔，心轴104上安装有滚动轴承101，并用薄螺母103固定，这样一个负压单元组成了，通过导轨骨架5约束滚动轴承101实现吸附杯1的拉伸控制。

如图6所示，图中线性拟合虚线与判定系数R²＝0.9953可知：吸附杯1结构有较好的线性关系，具体为法向吸附力与法向拉伸量的线性关系，调节吸附杯1的拉伸量来控制产生的法向吸附力，便于和履带兼容，并使用在攀爬机器人本体上。

本发明提出一种综合用磁吸附和负压吸附的复合吸附原理的履带式攀附机构设计方案。该攀附机构主要由钕铁硼磁铁的Halbach阵列4与异形截面的吸附杯1组成。其中钕磁铁阵列采用特定的Halbach排布方式(图2)，能有效提高攀附机构在平整铁磁性材料表面的攀附力(图3)，同时采用特定长方形磁铁组合外形，减小履带变形时块状磁铁与安装带连接处的局部应力应变幅值，有效提高攀附机构的使用寿命，同时这种细长型磁铁块设计方案，还有利于均匀化攀附机构运动过程中的攀附力和脱附力，提高攀附机构的运动能效。

本发明采用特定接触表面形状和特定垂直剖面形状的弹性材料吸附杯。其中特定的接触表面形状(图4)可改善吸附杯1在接触平整表面时的密封性能；而采用特定垂直剖面形状(图5)，可以优化吸附杯1弹性材料结构的法向吸附力与法向变形量的线性关系(图6)，使得这种结构形状的负压吸附杯能与履带式结构良好兼容。把该吸附杯1与磁铁阵列块等距间隔布置，进一步提高履带式攀附机构的法向吸附力生成源和吸附力的稳定性。

该攀附机构的所有攀附力生成部件均为无源器件，实现攀附力生成的功耗极大降低。负压吸附力的生成利用了履带式攀附机构运动过程中的外部驱动力。这种驱动力既可以是有源驱动元件，例如电机、泵等，也可以使自然环境中的场力，例如重力、风力等。

本发明通过将钕铁硼磁铁排列成Halbach阵列4，再与被动式无源柔性吸附杯均匀相间布置在履带上，达到了壁面环境适应能力强，可吸附磁性与非磁性光滑壁面，增大吸附力与自重比和减少能耗的目的。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种复合吸附的履带式无源攀附机构，其特征在于：包括吸附杯、同步带、输送带、磁铁单元、导轨骨架和导轨面，作为攀附机构骨架支撑的导轨骨架与攀爬机器人本体装配连接，且所述导轨骨架的外周设置有导轨面，所述吸附杯一端通过滚动轴承约束在导轨面上，另一端以胶粘的方式连接在所述输送带的外侧；所述输送带的内侧胶粘于同步带外侧，所述同步带为圆弧齿同步带，所述同步带与攀爬机器人本体的带轮啮合驱动，由橡胶外壳封装的所述磁铁单元以铆接和胶粘的方式安装在输送带的内侧。

2.根据权利要求1所述的复合吸附的履带式无源攀附机构，其特征在于：所述磁铁单元由多块钕磁铁组成Halbach阵列，Halbach阵列中钕磁铁为方形截面，多块钕磁铁按照充磁方向每次偏转90°进行粘接。

3.根据权利要求2所述的复合吸附的履带式无源攀附机构，其特征在于：所述Halbach阵列是由五块10mm×5mm×5mm规格的长方体状钕磁铁拼成的10mm×25mm×5mm的长方体阵列。

4.根据权利要求1所述的复合吸附的履带式无源攀附机构，其特征在于：所述吸附杯为波纹异形结构的被动式柔性吸附杯，所述吸附杯包括刚性盘头、柔性盘体、唇部和连接机构，所述柔性盘体的两端分别连接所述刚性盘头和唇部，所述唇部位于所述输送带的外侧并用于与接触面吸附，所述刚性盘头上固定有所述连接机构，所述连接机构将所述吸附杯安装在所述导轨面上。

5.根据权利要求4所述的复合吸附的履带式无源攀附机构，其特征在于：所述吸附杯采用3D打印制成，其中，所述刚性盘头用刚性不透明树脂材料打印而成，所述柔性盘体和唇部用软胶打印成肖氏硬度30°；所述柔性盘体的截面是波纹型。

6.根据权利要求4所述的复合吸附的履带式无源攀附机构，其特征在于：所述连接机构包括滚动轴承、U形连接架、螺母、心轴和螺钉，所述刚性盘头与螺钉连接并用螺母紧固；所述螺钉连接于U形连接架的下孔处，所述U形连接架上有两个支耳，支耳处均设置有用于安装所述心轴的连接孔，所述心轴上安装有滚动轴承。

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