CN115257989B - 一种轮式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮式爬壁机器人，由外转子电机驱动实现行走；其吸附轮包括球轮、固定轴、轴套、固定框架、转动框架、第一线圈绕组、第一永磁阵列、第二线圈绕组和第二永磁阵列；其中，第一永磁阵列的磁场，穿过球轮与被吸附的金属壁面形成磁回路，从而产生对壁面的磁吸附力；当第一线圈绕组通电时，第一永磁阵列能绕连接轴左右摆动，当第二线圈绕组通电时，第二永磁阵列能绕固定轴前后摆动，由此产生两个正交方向的偏摆力矩，使得转动框架上的永磁阵列产生两自由度的球面偏摆运动；并且，第一永磁阵列的偏摆意味着吸附力的方向也在改变，因此，能够通过对第一永磁阵列偏摆方向的主动控制，使得吸附力总是垂直于接触壁面，从而保持最佳吸附性能。

Description

一种轮式爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种轮式爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是一种能在大型壁面上垂直攀爬，并完成检测与维护作业的自动化机器人，在飞机蒙皮铆接、风电叶片维修、船舰除锈与探伤等方面具有重要应用潜力，可有效解决传统人工作业方式(如搭载吊篮或腰系绳索)的劳动强度大、工作效率低、危险性高等缺陷。其中，磁吸附轮式机器人具有吸附力强、运动灵活等特点，因此受到研究者的广泛关注，也取得了不少成果。但目前磁吸附轮式爬壁机器人尚存在如下问题：一是吸附及脱附力的可控性较弱；二是对吸附面的顺应性不够强，尤其是缺乏对复杂壁面的主动顺应性。

发明内容

本发明的目的是：提供一种轮式爬壁机器人，能够实现吸附力的主动控制。

为了实现上述目的，本发明提供了一种轮式爬壁机器人，其包括机架、万向轮、第一吸附轮、第二吸附轮、第一外转子电机和第二外转子电机；

所述万向轮、第一吸附轮和第二吸附轮分别安装在所述机架的下方且呈三角布置，所述万向轮位于所述第一吸附轮和所述第二吸附轮之间；

所述第一吸附轮和所述第二吸附轮均包括球轮、固定轴、轴套、固定框架、转动框架、第一线圈绕组、第一永磁阵列、第二线圈绕组和第二永磁阵列；所述球轮通过轴承与所述固定轴转动连接，所述轴套可转动地套接在所述固定轴上，所述轴套的径向两端分别固设有连接轴，所述连接轴的轴线与所述固定轴的轴线垂直相交的交点与所述球轮的球心重合，所述转动框架可转动地连接在所述连接轴上且位于所述球轮内，所述固定框架固定连接在所述固定轴上且位于所述转动框架内，所述第一线圈绕组固定在所述固定框架的下端内侧，所述第二线圈绕组固定在所述固定框架的上端外侧，所述第一永磁阵列固定在所述转动框架的下端内侧且与所述第一线圈绕组相对，所述第二永磁阵列固定在所述固定框架的上端内侧且与所述第二线圈绕组相对，所述第一永磁阵列呈圆弧状且所述第一永磁阵列的中心圆弧线所在的平面与所述连接轴的轴线重合，所述第二永磁阵列呈圆弧状且所述第二永磁阵列的中心圆弧线所在的平面与所述固定轴的轴线重合；当所述第一线圈绕组通电时，所述第一永磁阵列能绕所述连接轴左右摆动，当所述第二线圈绕组通电时，所述第二永磁阵列能绕所述固定轴前后摆动；

所述第一外转子电机固定在所述机架上，所述第一吸附轮的球轮与所述第一外转子电机的外转子固定连接，所述第一吸附轮的固定轴与所述第一外转子电机的内定子或所述机架固定连接；

所述第二外转子电机固定在所述机架上，所述第二吸附轮的球轮与所述第二外转子电机的外转子固定连接，所述第二吸附轮的固定轴与所述第二外转子电机的内电子或所述机架固定连接。

作为本发明的优选方案，所述第一永磁阵列和所述第二永磁列阵均由外至内依次设有外层阵列、中层阵列和内层阵列，所述外层阵列和所述内层阵列均为用于加强所述球轮的球面一侧磁场强度的哈尔巴赫阵列，所述中层阵列为周向交替阵列，且在相邻的两个永磁体之间布置有导磁体。

作为本发明的优选方案，所述转动框架的外侧面与所述球轮的内侧面之间设有气隙。

作为本发明的优选方案，所述第一线圈绕组与所述第一永磁列阵之间以及所述第二线圈绕组与所述第二永磁阵列之间均设有气隙。

作为本发明的优选方案，所述第一永磁阵列绕所述固定轴前后摆动的角度范围和所述第二永磁阵列绕所述固定轴前后摆动的角度范围均为0度～45度。

作为本发明的优选方案，所述球轮为刚性球轮。

作为本发明的优选方案，所述球轮的材质为导磁材料。

作为本发明的优选方案，所述球轮的表面设有多个环形槽，多个所述环形槽沿所述固定轴的轴线方向间隔布置。

作为本发明的优选方案，所述环形槽嵌置有柔性载体，所述柔性载体内填充有磁流体。

作为本发明的优选方案，所述柔性载体为柔性密封管，所述磁流体为铁磁流体。

本发明实施例一种轮式爬壁机器人，与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)第一永磁阵列的磁场，穿过球轮与被吸附的金属壁面形成磁回路，从而产生对壁面的磁吸附力，该磁吸附力能将球轮压紧在壁面上，增大与壁面之间的摩擦力，使爬壁机器人使用过程中具有较好的附着能力；

(2)当第一线圈绕组通电时，第一永磁阵列能在磁场相互作用下绕连接轴左右摆动，当第二线圈绕组通电时，第二永磁阵列能在磁场相互作用下绕固定轴前后摆动，由此产生两个正交方向的偏摆力矩，使得转动框架上的永磁阵列产生两自由度的球面偏摆运动；并且，第一永磁阵列的偏摆意味着吸附力的方向也在改变，因此，能够通过对第一永磁阵列偏摆方向的主动控制，使得吸附力总是垂直于接触壁面，从而保持最佳吸附性能；

(3)由于本发明能够实现第一永磁阵列偏摆方向的主动控制，使得第一永磁阵列的中心圆弧线(即吸附力方向)偏离垂直位置，实现对吸附力的精准控制，从而适应不同的应用需求；比如，当对系统灵活性要求较高时，可适当降低吸附单元的吸附力；当第一永磁阵列偏离垂直位置较多时，还能够实现快速主动脱附。

附图说明

图1是本发明实施例的轮式爬壁机器人的结构示意图；

图2是第一吸附轮(或第二吸附轮)的结构示意图；

图3是第一吸附轮(或第二吸附轮)隐藏球轮后的结构示意图；

图4是第一永磁阵列(或第二永磁阵列)磁极构型的结构示意图。

附图标记：

机架100；万向轮200；第一吸附轮300；第二吸附轮400；第一外转子电机500；第二外转子电机600；球轮1；固定轴2；轴套3；固定框架4；转动框架5；第一线圈绕组6；第一永磁阵列7；第二线圈绕组8；第二永磁阵列9；轴承10；连接轴11；环形槽12；柔性载体13；外层阵列A，第一外层永磁体a1，第二外层永磁体a2，第三外层永磁体a3，第四外层永磁体a4，第五外层永磁体a5；中层阵列B，第一中层永磁体b1，第二中层永磁体b2；内层阵列C，第一内层永磁体c1，第二内层永磁体c2，第三内层永磁体c3，第四内层永磁体c4，第五内层永磁体c5；导磁体D，第一导磁体d1，第二导磁体d2，第三导磁体d3。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供的一种轮式爬壁机器人，其包括机架100、万向轮200、第一吸附轮300、第二吸附轮400、第一外转子电机500和第二外转子电机600；所述万向轮200、第一吸附轮300和第二吸附轮400分别安装在所述机架100的下方且呈三角布置，所述万向轮200位于所述第一吸附轮300和所述第二吸附轮400之间。

如图2至图4所示，所述第一吸附轮300和所述第二吸附轮400均包括球轮1、固定轴2、轴套3、固定框架4、转动框架5、第一线圈绕组6、第一永磁阵列7、第二线圈绕组8和第二永磁阵列9；所述球轮1通过轴承10与所述固定轴2转动连接，所述轴套3可转动地套接在所述固定轴2上，所述轴套3的径向两端分别固设有连接轴11，所述连接轴11的轴线与所述固定轴2的轴线垂直相交的交点与所述球轮1的球心重合，所述转动框架5可转动地连接在所述连接轴11上且位于所述球轮1内，所述固定框架4固定连接在所述固定轴2上且位于所述转动框架5内，所述第一线圈绕组6固定在所述固定框架4的下端内侧，所述第二线圈绕组8固定在所述固定框架4的上端外侧，所述第一永磁阵列7固定在所述转动框架5的下端内侧且与所述第一线圈绕组6相对，所述第二永磁阵列9固定在所述固定框架4的上端内侧且与所述第二线圈绕组8相对，所述第一永磁阵列7呈圆弧状且所述第一永磁阵列7的中心圆弧线所在的平面与所述连接轴11的轴线重合，所述第二永磁阵列9呈圆弧状且所述第二永磁阵列9的中心圆弧线所在的平面与所述固定轴2的轴线重合；当所述第一线圈绕组6通电时，所述第一永磁阵列7能绕所述连接轴11左右摆动，当所述第二线圈绕组8通电时，所述第二永磁阵列9能绕所述固定轴2前后摆动。

所述第一外转子电机500固定在所述机架100上，所述第一吸附轮300的球轮1与所述第一外转子电机500的外转子固定连接，所述第一吸附轮300的固定轴2与所述第一外转子电机500的内定子或所述机架100固定连接。

所述第二外转子电机600固定在所述机架100上，所述第二吸附轮400的球轮1与所述第二外转子电机600的外转子固定连接，所述第二吸附轮400的固定轴2与所述第二外转子电机600的内电子或所述机架100固定连接。

根据本发明实施例提供的轮式爬壁机器人，其工作原理大致如下：吸附轮的球轮1由外转子电机驱动，与壁面接触产生响应滚动，实现行走。其中所述吸附轮中第一永磁阵列7的磁场，穿过球轮1与被吸附的金属壁面形成磁回路，从而产生对壁面的磁吸附力，该磁吸附力能将球轮1压紧在壁面上，增大与壁面之间的摩擦力，使爬壁机器人使用过程中具有较好的附着能力；当第一线圈绕组6通电时，第一永磁阵列7能在磁场相互作用下绕连接轴11左右摆动，当第二线圈绕组8通电时，第二永磁阵列9能在磁场相互作用下绕固定轴2前后摆动，由此产生两个正交方向的偏摆力矩，使得转动框架5上的永磁阵列产生两自由度的球面偏摆运动；并且，第一永磁阵列7的偏摆意味着吸附力的方向也在改变，因此，能够通过对第一永磁阵列7偏摆方向的主动控制，使得吸附力总是垂直于接触壁面，从而保持最佳吸附性能。

还需要说明的是，由于本发明实施例的轮式爬壁机器人的吸附轮能够实现第一永磁阵列7偏摆方向的主动控制，使得第一永磁阵列7的中心圆弧线(即吸附力方向)偏离垂直位置，实现对吸附力的精准控制，从而适应不同的应用需求；比如，当对系统灵活性要求较高时，可适当降低吸附单元的吸附力；当第一永磁阵列7偏离垂直位置较多时，还能够实现快速主动脱附。

示例性的，如图4所示，所述第一永磁阵列7和所述第二永磁阵列9的磁极构型相同，由外至内依次设有外层阵列A、中层阵列B和内层阵列C，所述外层阵列A和所述内层阵列C均为用于加强所述球轮的球面一侧磁场强度的哈尔巴赫阵列；所述中层阵列B为周向交替阵列，且在相邻的两个永磁体之间布置有导磁体D。由此，中层阵列B的设置能够同时增强外层阵列A和内层阵列C的永磁磁场强度，从而提升吸附力和偏摆力矩。本实施例中，所述内层阵列C设有5个内层永磁体，分别为设于内层阵列C中间且充磁方向为指向球心的第一内层永磁体c1、设于内层阵列C一端且充磁方向为背向球心的第二内层永磁体c2、设于内层阵列C另一端且充磁方向为背向球心的第三内层永磁体c3、设于第一内层永磁体c1和第二内层永磁体c2之间且充磁方向为逆时针切线方向的第四内层永磁体c4以及设于第一内层永磁体c1和第三内层永磁体c3之间且充磁方向为顺时针切线方向的第五内层永磁体c5。所述外层阵列A设有5个外层永磁体，分别为设于外层阵列A中间且充磁方向为背向球心的第一外层永磁体a1、设于外层阵列A一端且充磁方向为指向球心的第二外层永磁体a2、设于外层阵列A另一端且充磁方向为指向球心的第三外层永磁体a3、设于第一外层永磁体a1和第二外层永磁体a2之间且充磁方向为逆时针切线方向的第四外层永磁体a4以及设于第一外层永磁体a1和第三外层永磁体a3之间且充磁方向为顺时针切线方向的第五外层永磁体a5。所述中层阵列B包括2个中层永磁体和3个导磁体，其中3个导磁体分别为设于中层阵列B中间的第一导磁体d1、设于中层阵列B一端的第二导磁体d2以及设于中层阵列B另一端的第三导磁体d3；2个外层永磁体分别为设于第一导磁体d1和第二导磁体d2之间且充磁方向为逆时针切线方向的第一中层永磁体b1和设于第一导磁体d1和第三导磁体d3之间且充磁方向为顺时针切线方向的第二中层永磁体b2。第一导磁体d1的弧长小于第一内层永磁体c1，第二导磁体d2的弧长小于第二内层永磁体c2，第三导磁体d3的弧长小于第三内层永磁体c3。

示例性的，所述转动框架5的外侧面与所述球轮1的内侧面之间、所述第一线圈绕组6与所述第一永磁阵列7之间以及所述第二线圈绕组8与所述第二永磁阵列9之间均设有气隙，以避免各个部件之间存在运动干涉。

示例性的，所述第一永磁阵列7绕所述固定轴2前后摆动的角度范围为0度～45度；所述第二永磁阵列9绕所述固定轴2前后摆动的角度范围为0度～45度。

示例性的，所述球轮1为刚性球轮，其材质优选为导磁材料，以减小系统磁阻，提升偏摆转矩。

示例性的，所述球轮1的表面设有多个环形槽12，所述环形槽12沿所述固定轴2方向间隔布置；所述环形槽12上嵌置有柔性载体13，所述柔性载体13内填充有磁流体；所述柔性载体13优选为如环形橡胶管的柔性密封管，所述磁流体优选为铁磁流体,该铁磁流体由磁性固体颗粒(如：铁)、基载液以及界面活性剂混合而成。球轮1表面嵌入的磁流体能跟随第一永磁阵列7的位置被磁化，减小永磁体与接触壁面间的等效气隙，以提升吸附力；同时，磁流体的位置能受到第一永磁阵列7位置的控制，具有随动特性，由此加强了对曲面顺应能力的自主性。此外，载有磁流体的柔性载体13在强吸附力的作用下，会产生一定的形变，使得球轮1与壁面之间形成局部面接触，能显著提升磁吸附单元对壁面的顺应性以及附着能力，与传统轮式爬壁机器人与壁面间的多点接触方式有着本质区别。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不退出本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种轮式爬壁机器人，其特征在于，包括机架、万向轮、第一吸附轮、第二吸附轮、第一外转子电机和第二外转子电机；

所述万向轮、第一吸附轮和第二吸附轮分别安装在所述机架的下方且呈三角布置，所述万向轮位于所述第一吸附轮和所述第二吸附轮之间；

所述第一吸附轮和所述第二吸附轮均包括球轮、固定轴、轴套、固定框架、转动框架、第一线圈绕组、第一永磁阵列、第二线圈绕组和第二永磁阵列；所述球轮通过轴承与所述固定轴转动连接，所述轴套可转动地套接在所述固定轴上，所述轴套的径向两端分别固设有连接轴，所述连接轴的轴线与所述固定轴的轴线垂直相交的交点与所述球轮的球心重合，所述转动框架可转动地连接在所述连接轴上且位于所述球轮内，所述固定框架固定连接在所述固定轴上且位于所述转动框架内，所述第一线圈绕组固定在所述固定框架的下端内侧，所述第二线圈绕组固定在所述固定框架的上端外侧，所述第一永磁阵列固定在所述转动框架的下端内侧且与所述第一线圈绕组相对，所述第二永磁阵列固定在所述固定框架的上端内侧且与所述第二线圈绕组相对，所述第一永磁阵列呈圆弧状且所述第一永磁阵列的中心圆弧线所在的平面与所述连接轴的轴线重合，所述第二永磁阵列呈圆弧状且所述第二永磁阵列的中心圆弧线所在的平面与所述固定轴的轴线重合；当所述第一线圈绕组通电时，所述第一永磁阵列能绕所述连接轴左右摆动，当所述第二线圈绕组通电时，所述第二永磁阵列能绕所述固定轴前后摆动；

所述第一外转子电机固定在所述机架上，所述第一吸附轮的球轮与所述第一外转子电机的外转子固定连接，所述第一吸附轮的固定轴与所述第一外转子电机的内定子或所述机架固定连接；

所述第二外转子电机固定在所述机架上，所述第二吸附轮的球轮与所述第二外转子电机的外转子固定连接，所述第二吸附轮的固定轴与所述第二外转子电机的内电子或所述机架固定连接。

2.根据权利要求1所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述第一永磁阵列和所述第二永磁列阵均由外至内依次设有外层阵列、中层阵列和内层阵列，所述外层阵列和所述内层阵列均为用于加强所述球轮的球面一侧磁场强度的哈尔巴赫阵列，所述中层阵列为周向交替阵列，且在相邻的两个永磁体之间布置有导磁体。

3.根据权利要求1所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述转动框架的外侧面与所述球轮的内侧面之间设有气隙。

4.根据权利要求1所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述第一线圈绕组与所述第一永磁列阵之间以及所述第二线圈绕组与所述第二永磁阵列之间均设有气隙。

5.根据权利要求1所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述第一永磁阵列绕所述固定轴前后摆动的角度范围和所述第二永磁阵列绕所述固定轴前后摆动的角度范围均为0度～45度。

6.根据权利要求1所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述球轮为刚性球轮。

7.根据权利要求6所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述球轮的材质为导磁材料。

8.根据权利要求1-7任一项所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述球轮的表面设有多个环形槽，多个所述环形槽沿所述固定轴的轴线方向间隔布置。

9.根据权利要求8所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述环形槽嵌置有柔性载体，所述柔性载体内填充有磁流体。

10.根据权利要求9所述的轮式爬壁机器人，其特征在于，所述柔性载体为柔性密封管，所述磁流体为铁磁流体。