CN1321781C - 一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人，属于机器人设计技术领域。为了克服现有的爬壁机器人或者是运动灵活性较好而负载能力差、或者是负载能力强而运动灵活性差的不足，本发明公开了一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人，包括轮式移动机构和永磁吸附装置，轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮。所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向；永磁吸附装置安装在所述底盘上，所述永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，磁能利用率高，吸附能力强。本发明所述的爬壁机器人负载能力强，运动灵活性特别是转向灵活性好，克服了爬壁机器人固有的吸附和移动的矛盾，具有良好的应用前景。

Description

一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，特别是一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人，属于机器人设计技术领域。

背景技术

磁吸附爬壁机器人是特种机器人的一种，是一种设计用来在恶劣、危险、极限情况下、在导磁壁面上进行特定作业如焊接、打磨、检查、检测等的一种自动化机械装置，越来越受到人们的重视。目前磁吸附爬壁机器人已在核工业、石化工业、建筑工业、消防部门、造船业等铁磁性结构的生产施工中得到了广泛的应用。

爬壁机器人必须具有两个基本功能：壁面吸附功能和移动功能。但是，这两者又是矛盾的：机器人的负载能力越强，要求爬壁机器人和导磁壁面间的吸附力越大，但这也造成了爬壁机器人在运动时的阻力越大，爬壁机器人的吸附能力和移动性能是矛盾的。

经文献检索发现，现有的磁吸附爬壁机器人主要有磁足式爬壁机器人，磁轮式爬壁机器人，履带式磁吸附爬壁机器人。

磁足式爬壁机器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附力必须可调，多采用电磁铁提供吸附力，如日本日立公司研制的八足磁吸附爬壁机器人。足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好。另外，采用电磁铁提供吸附力，需要消耗电能，且存在意外断电造成的安全隐患。

磁轮式爬壁机器人是靠磁轮的吸附力吸附在导磁壁面上。申请日为2004年1月5日、申请号为20041006429.6的专利文献涉及的“磁轮吸附式爬壁机器人”，其特点是运动灵活性较好，但是由于磁轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力较差。

履带式磁吸附爬壁机器人是靠安装在履带式移动机构上的吸块吸附在导磁壁面上。申请日为2000年1月26日、申请号为00200795.9的专利文献涉及的“履带式永磁爬壁机构”，其特点是负载能力强，但是其运动灵活性较差，特别是在进行转向运动时，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻力大，转向半径大，转向灵活性差。

综上所述，现有的爬壁机器人或者是运动灵活性较好而负载能力差，或者是负载能力强而运动灵活性差，未能较好地解决爬壁机器人移动和吸附的矛盾，综合性能不好。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术在运动灵活性和负载能力两方面综合性能的不足，解决爬壁机器人吸附和移动的矛盾，设计一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人，使其在具有强负载能力的同时，能在壁面上灵活运动，从而解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人，包括轮式移动机构和永磁吸附装置，所述的轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的由电机和减速器组成的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮，其特征在于：所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向；所述的永磁吸附装置安装在所述底盘上，所述永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。

本发明的一种改进为：所述爬壁机器人还包括辅助支撑轮，其对称安装在所述永磁吸附装置或底盘上。

在本发明中，所述的永磁吸附装置包含多个吸附单元，每个吸附单元由两块永磁体和一块轭铁组成乙型磁路；所述的各吸附单元排列组合或耦合设置，使得所述吸附装置上各永磁体磁极按行、列交叉布置，即相邻磁极的极性互不相同。

在本发明中，经有限元分析和优化设计，所述吸附单元的永磁体厚度是永磁体宽度的0.4～0.6倍。所述的吸附单元的轭铁厚度是永磁体厚度的0.8～1.2倍。所述的吸附单元上两永磁体间距是实际应用工作气隙的1～1.5倍。

在本发明中，所述吸附单元永磁体采用沿高度方向磁化的矩形永磁体，永磁体选用高性能永磁材料。

在本发明中，所述轭铁采用纯铁或低碳钢制造。

在本发明中，所述驱动轮分为两组，每组驱动轮由一套驱动机构驱动；同一组驱动轮内包含至少一个驱动轮，所述同一组内的驱动轮之间通过同步带或链轮相连，实现运动的同步。

在本发明中，所述辅助支撑轮均采用在运动时和导磁壁面间的摩擦为滚动摩擦的万向轮。

本发明所述的爬壁机器人和现有技术相比，特点在于：

(1)有效克服了磁吸附爬壁机器人吸附能力和运动灵活性间的矛盾，负载能力强，运动灵活性好：爬壁机器人采用对称式轮式移动机构，差动驱动方式，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半经为0；本发明所采用的非接触吸附装置在具有强吸附能力的同时，由于和导磁壁面之间是非接触的，减小了爬壁机器人的运行阻力，在保证爬壁机器人具有强负载能力的同时，使爬壁机器人具有优良的运动灵活性。

(2)永磁吸附装置吸附单元采用乙型磁路，乙型磁路有下列优点：①磁路结构靠近被吸附体，磁块越靠近被吸附体，产生的吸附力越大，特别是在非接触吸附装置中，吸附装置和吸附体之间存在一定的气隙，磁块越靠近吸附体，对吸附越有利；②磁块和轭铁的接触面积比较小，减小了磁路结构的磁阻；③磁路结构采用两个磁块，这样产生相同的吸附力，相对减小了单个磁块的面积，而磁块面积越大，磁块的磁势损失系数越大，漏磁也越大，磁能利用率越低。

(3)运用有限元分析工具对吸附装置中吸附单元关键参数进行了优化设计，充分发挥了永磁体性能，使得吸附单元所能提供的吸附力和自重的比值达到最大，提高了磁能利用率。

(4)吸附单元间的磁路耦合设计使得在一定的空间内采用最合理的方式布置吸附单元，最大限度减小了磁路漏磁，提高了磁能利用率，且便于安装和拆卸。当本发明所述吸附装置尺寸为(22cm×18cm×1.8cm)，重(4.6kg)，在爬壁机器人和导磁壁面间的气隙为7mm(设计工作气隙)时，可提供4100N的吸附力。

(5)吸附装置采用永磁吸附方式，不须外界提供能量，安全可靠。吸附装置的轭铁和永磁体采用机械方式固定，便于制造、安装、拆卸及维护。

(6)爬壁机器人结构简单，控制方便。

附图说明

图1是非接触磁吸附轮式爬壁机器人的工作原理示意图。

图2a是爬壁机器人的轮式移动机构的原理示意图。

图2b显示了图2a所示的轮式移动机构的一种改进的原理示意图。

图3是爬壁机器人的另一种轮式移动机构的原理示意图。

图4a是爬壁机器人的永磁吸附装置中采用乙型磁路的吸附单元主视图。

图4b是图4a所示吸附单元俯视图。

图5a是爬壁机器人的永磁吸附装置的一种结构的三维模型图。

图5b是爬壁机器人的永磁吸附装置的另一种结构的三维模型图。

图6a、6b是非接触磁吸附轮式爬壁机器人的第一个实施例的正、反面三维示意图。

图7a、7b是非接触磁吸附轮式爬壁机器人的第二个实施例的正、反面三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细描述本发明。

图1为非接触磁吸附轮式爬壁机器人的工作原理示意图。其中，轮式移动机构200靠其底盘上安装的永磁吸附装置产生的吸附力吸附并运行在导磁壁面100上。永磁吸附装置和导磁壁面之间是非接触的(如图中虚线所示)，两者之间有一定的气隙，通过调节轮式移动机构200的底盘和导磁壁面100之间的距离，可以设定吸附装置和导磁壁面间的工作气隙，进而可调节爬壁机器人和导磁壁面之间的吸附力和爬壁机器人的负载能力。另外，通过对移动机构进行控制，爬壁机器人可在导磁壁面上进行各种运动。

图2a是爬壁机器人的轮式移动机构的原理示意图。其中，轮式移动机构的两个驱动轮1和两个辅助支撑轮2对称安装在底盘3上，两个驱动轮1采用差动驱动方式。在移动机构运动时，若两驱动轮1速度(V_L、V_R)不同，则移动机构可绕不同转弯半径转向，特别地，当两驱动轮1速度(V_L、V_R)大小相同，方向相反时，移动机构可绕车体中心转向。两个辅助支撑轮2采用在运动时和导磁壁面之间为滚动摩擦的球形万向轮，减小了运行阻力，提高了运动灵活性。吸附装置可安装在底盘3上，构成非接触磁吸附轮式爬壁机器人。图2b是磁吸附爬壁机器人的轮式移动机构的一种改进的原理示意图，其基本结构和图1所示基本相同，和图1所示方案相比，图2b所示轮式移动机构增加了两个辅助支撑轮2，具有更大的承载能力和更好的稳定性。

图3是爬壁机器人的另一种轮式移动机构的原理示意图。其中，底盘3上配有四个驱动轮1，四个驱动轮1分成两组，各组内的驱动轮通过同步带或同步链4相连，每组驱动轮分别由一个驱动机构驱动。轮式移动机构运动时，若两组驱动轮的速度(V_L、V_R)不同，则移动机构可绕不同转弯半径转向，特别地，当两组驱动轮的速度(V_L、V_R)大小相同，方向相反时，移动机构可绕车体中心转向。

图4a是爬壁机器人的永磁吸附装置中采用乙型磁路的吸附单元主视图。图4b是图4a所示吸附单元俯视图，吸附单元由一块轭铁5和两块永磁体6组成，永磁体6磁极和轭铁5按照图4a及4b所示方式排列构成乙型磁路。根据有限元分析和优化结果，当永磁体各关键尺寸满足下列关系时，吸附单元产生的吸附力和自重的比值最大，磁能利用率最高：永磁体厚度H₁是永磁体宽度W的(0.4～0.6)倍，轭铁厚度H₂是永磁体厚度H₁的(0.8～1.2)倍，两永磁体间距M GAP是实际应用所设定工作气隙的(1～1.5)倍。另外，根据有限元分析结果，吸附单元所能提供的吸附力和吸附单元长度近似成正比，可根据实际应用要求提供的吸附力和空间大小情况来确定。所述吸附单元永磁体采用沿高度方向磁化的矩形永磁体，永磁体可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁采用纯铁或低碳钢(如Q235等)制造。

图5a是爬壁机器人的永磁吸附装置的一种结构的三维模型图，其中，吸附装置包含6个如图4a及图4b所示的由轭铁5和永磁体6构成的吸附单元。吸附装置上各吸附单元排列组合(耦合)使得吸附装置上各永磁体磁极按行、列交叉布置，相邻磁极的极性互不相同。吸附装置上处于不同空间位置的各永磁体的尺寸不同，永磁体尺寸根据吸附单元磁路的耦合情况来确定，图5a中有两种尺寸规格的永磁体，图5a中所示较小的永磁体的尺寸为5.0cm×2.5cm×1.0cm，图中所示较大的永磁体的尺寸5.0cm×5cm×1.0cm，轭铁5的尺寸为18cm×11cm×0.85cm。对图5a所示吸附装置进行了试制，吸附装置尺寸为18cm×11cm×1.85cm，重2.3kg，在爬壁机器人和导磁壁面(钢板)间的气隙为7mm时，可提供约1900N的吸附力，吸附装置吸附力和自重的比值约为83。

图5b是爬壁机器人的永磁吸附装置的另一种结构的三维模型图，其中，吸附装置包含12个如图4所示的由轭铁5和永磁体6构成的吸附单元，各吸附单元按照类似图5a的方式耦合，图5b中共有四种尺寸规格的永磁体，分别为5.0cm×2.5cm×1.0cm、5.0cm×5.0cm×1.0cm、10.0cm×2.5cm×1.0cm和10.0cm×5.0cm×1.0cm。另外，图5b中轭铁5的尺寸为22cm×18cm×0.85cm，吸附装置尺寸为22cm×18cm×1.85cm，重4.6kg，根据有限元分析结果在爬壁机器人和导磁壁面(钢板)间的气隙为7mm时，可提供约4100N的吸附力，吸附装置吸附力和自重的比值约为89。

图6a、6b是非接触磁吸附轮式爬壁机器人的第一个实施例的正、反面三维示意图。该爬壁机器人包括轮式移动机构和永磁吸附装置，轮式移动机构包括底盘3、安装在底盘3上的由电机9和减速器组成的驱动机构、由驱动机构驱动的四个驱动轮1，所述四个驱动轮分成两组对称布置，两组之间的驱动轮通过车轴7连接，各组内的驱动轮通过安装在电机座8上的同步带或同步链4相连，每组驱动轮由一套驱动机构独立驱动。所述电机座8安装在底盘3上。驱动轮1采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向。永磁体6直接安装在轮式移动机构的底盘上构成永磁吸附装置(在本实施例中，移动机构底盘即为吸附装置的轭铁)。永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘3和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。

图7a、7b是非接触磁吸附轮式爬壁机器人的第二个实施例的正、反面三维示意图。其中，驱动轮1、辅助支撑轮2、底盘3、电机9和减速器10组成类似图2a和图2b所示的轮式移动机构，与图2a和图2b所示轮式移动机构的差别仅在于图2a所示移动机构辅助支撑轮2为两个，图2b所示移动机构辅助支撑轮2为四个，而图7a及图7b所示轮式移动机构辅助支撑轮2为12个。本实施例的轮式移动机构中两驱动轮1分别由电机9及减速器10组成的两套驱动装置独立驱动。图7所示的非接触磁吸附轮式爬壁机器人包含6个图5a所示的吸附装置13，吸附装置13一端通过辅助支撑轮2支撑在导磁壁面上，另一端通过具有一个转动自由度的圆柱铰机构或三个自由度的球铰机构12和底盘3连接。本发明所述的吸附装置上永磁体6之间的相对位置通过机械方式(如螺钉14)固定。在本实施例中，通过辅助支撑轮2和底盘3可以控制永磁吸附装置和导磁壁面之间的气隙。

除了上述实施例外，本发明所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人还可以采用其它的结构，而不超出本发明的范围。例如，为适应某一特定作业环境的需要，轮式移动机构差动驱动的驱动轮的数目也可以更多，比如6个驱动轮分成两组，分别由两套驱动机构独立驱动；辅助支撑轮的数量可以根据实际的需要来确定，辅助支撑轮也可以采用其它形式的和壁面之间为滚动摩擦(运动时)的万向轮；为了保证移动机构的可靠驱动，可以在辅助支撑轮上安装弹性悬挂机构；非接触吸附装置可以包含更多按照类似图5a和5b所示的方式耦合的吸附单元。

Claims (9)

1、一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人，包括轮式移动机构和永磁吸附装置，所述的轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的由电机和减速器组成的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮，其特征在于：所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向；所述的永磁吸附装置安装在所述底盘上，所述永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙；所述的永磁吸附装置包含多个吸附单元，每个吸附单元由两块永磁体和一块轭铁组成乙型磁路，且各吸附单元排列组合或耦合设置，使得所述吸附装置上各吸附单元的永磁体磁极按行、列交叉布置，即吸附装置上相邻磁极的极性互不相同。

2、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述爬壁机器人还包括辅助支撑轮，其对称安装在所述永磁吸附装置或底盘上。

3、如权利要求2所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述辅助支撑轮均采用在运动时和导磁壁面间的摩擦为滚动摩擦的万向轮。

4、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述吸附单元的永磁体采用沿高度方向磁化的矩形永磁体。

5、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述吸附单元的永磁体厚度是永磁体宽度的0.4～0.6倍。

6、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述的吸附单元的轭铁厚度是永磁体厚度的0.8～1.2倍。

7、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述的吸附单元上两永磁体间距是实际应用工作气隙的1～1.5倍。

8、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述轭铁采用纯铁或低碳钢制造。

9、如权利要求1所述的非接触磁吸附轮式爬壁机器人，其特征在于：所述驱动轮分为两组，每组驱动轮由一套驱动机构驱动；同一组驱动轮内包含至少一个驱动轮，所述同一组内的驱动轮之间通过同步带或链轮相连，实现运动的同步。

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