CN202481175U - 一种磁吸附式擦黑板爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种磁吸附式擦黑板爬壁机器人，由吸附系统、驱动系统、控制系统、清洗系统组成。该机器人具有结构简单操作灵活的特点，同时又实现了计算机自控，全自动化操作，应用计算机自控技术，以单片机传感器实现了机器人运行的自适应调节，自动识别黑板边缘、自动转向、行进中自动纠正移动偏差。

Description

一种磁吸附式擦黑板爬壁机器人

技术领域

本实用新型涉及一种磁吸附式擦黑板爬壁机器人。 

背景技术

在中小学校中，每天都要反复擦拭黑板，而使用黑板擦擦拭黑板，既浪费时间，产生的粉尘也对身体有害。因此，利用爬壁机器人技术设计研制一种自动擦拭黑板的装置，可以很好地解决上述问题。 

自80年代以来，国内外针对不同应用，研究开发了多种爬壁机器人，部分已在实际生产中应用。日本钢管株式会社于1988年开发了磁性轮式爬壁机器人，该机器人通过8-12个永磁车轮吸附在壁面上，左右两组车轮由两台电机分别驱动，机器人外形尺寸为515mm×420mm×135mm，自重38kg，最大运行速度9m/min。丹麦的Force公司开发了检测用磁性轮式爬壁机器人，该机器人可在圆柱形筒壁上工作。美国Massachusetts Institute of Technology(MIT)研制了一种用于医院内运输物品的磁性轮式爬壁机器人样机，该机器人配备了2个磁性车轮，单个磁轮和2mm厚钢板壁面间的吸附力为310N。美国ULTRASTRIP SYSTEMS INC.公司在2001年申请的专利(US6564815)公布了一种用于金属部件(如船体外壳)覆盖物清理的爬壁机器人方案，吸附系统采用棒状磁铁(电磁体或永磁体)，且为了保证机器人运行不破坏金属表面涂层，磁体和壁面是非接触的，和壁面接触的部分采用较软的轮胎。在国内，上海交通大学在2004年研制了一种超声串列自动扫查磁性轮式爬壁机器人，该机器人配备4个永磁轮，采用差动驱动方式。北京石油化工学院研制了大型钢制球罐自动焊接用柔性磁性轮式爬行机构，并研制了基于上述行走机构的全位置智能焊接机器人产品样机。中国专利CN201633804U公开了一种船舶壁面除锈爬壁机器人，该机器人采用永磁吸附单元安装在链条履带行走机构上，超高压水射流真空除锈清洗器外接真空源和永磁吸附单元形成真空永磁混合吸附，有效利用回收锈渣真空的负压压力，并且结合永磁吸附力，使机器人吸附可靠、工作安全、吸附结构紧凑，可以实现爬壁机器人高空大负载作业。中国专利CN1373028A公开了一种采用遥控操作对高楼进行擦洗的吸板风扇式擦窗机器人，由擦洗机器人本体和缆车系统组成。安装在本体框架中部的涵道风扇和底部吸板使得机器人本体吸附于待擦洗壁面上，在主体框架上安装有纵横向行走四轮机构，由安装在该涵道上下两侧的湿带布液机构和橡胶刮片机构把清洁液均布在擦洗壁面上并将污液刮下；楼顶缆车系统中的缆绳卷绕鼓轮和随动滑车机构通过一组导向轮垂下缆绳，用以牵引所述机器人本体沿擦洗壁面上下运动完成擦洗作业。宋金鹏(自动擦黑板刷的设计，机电信息.2009(30).164-165)通过对目前各类 自动擦黑板刷的优缺点进行分析，设计出了一种无尘自动擦黑板刷，其原理为，在黑板的上下边缘各安装两条滑轨，工作刷就跨接在两条滑轨之间；在滑轨上(黑板左右边缘正对着的位置)各装一个行程开关，用来控制工作刷的左右往返动作；黑板的上下边缘同时也安装有丝杆及其配套的螺母，将螺母与工作刷焊接在一起从而带动工作刷的水平移动；电动机安装在黑板的右方，通过电动机的正反转来控制工作刷的左右移动。使用时只需按下启动按钮，电动机就带动丝杆螺母拖动工作刷沿着导轨往返运动，把黑板擦干净。 

然而，现有技术中的机器人存在结构复杂，操作繁琐等缺陷，亟需一种能实现稳定吸附、无人值守、自适应调节、操作简单、清理方便、体积小的吸附式擦黑板爬壁机器人。 

实用新型内容

本实用新型为克服上述技术问题，提供一种能实现稳定吸附、无人值守、自适应调节、操作简单、清理方便、体积小的吸附式擦黑板爬壁机器人。 

本实用新型为一种磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于由吸附系统、驱动系统、控制系统、清洗系统组成，其外形呈圆形。 

所述吸附系统采用间隙式永磁吸附方式，采用非磁性轮式移动机构，吸附系统安装或连接在轮式移动机构底盘上，间隙由轮式移动机构控制。 

所述吸附系统是多体耦合面状间隙式永磁吸附系统。 

所述轭铁高度可调，从而可调节吸附力。 

所述驱动系统为轮式移动系统。 

所述驱动系统采用带轮、同步带实现电机驱动轮轴及轮子转动。 

所述清洗系统位于机器人底盘下方，由布和海绵叠置构成。 

所述控制系统通过单片机产生PWM波信号发给电机驱动芯片L298N控制左、右两路电机运转，实现机器人的直行，转弯以及加、减速控制，并且由光电开关PS-117作为检测黑板边沿的传感器，向单片机传输转向信号，由倾角传感器检测机器人行走姿态与并进行自动校正，所述单片机是AVR Mega16。 

所述磁吸附式擦黑板爬壁机器人，包括底盘7和固定在底盘上的底座3，电机座2固定在底座上，电机1固定在电机座上，同时轴承座4固定在底座上支撑轴承12，电机连接带轮5，同步带6，轮轴10组成同步传动驱动系统带动轮毂13转动、轮胎11固定在轮毂上；永磁铁9与轭铁15共同组成吸附系统固定在底座下面中央位置，由调节螺栓14实现间隙调节，由粘在底座下面两侧的海绵和附着的可拆卸擦洗布组成清洗系统8实现擦黑板功能。 

具体地， 

本实用新型所述吸附系统由永磁体和轭铁组成的面状吸附系统和壁面是非接触的，两者之间预留一定的工作间隙，预留的工作间隙可根据需要进行设计，只要间隙大小合适，其磁能的损失将小于或接近磁性轮式或履带式。另一方面，采用间隙磁吸附方式的爬壁机器人与磁性轮式或履带式爬壁机器人集吸附、移动功能于一体不同，其吸附与移动功能是分离实现的。由于吸附与移动功能是独立的，使得机器人可同时采用吸附能力强的吸附系统和运动灵活性好的移动机构。  因此，间隙吸附式爬壁机器人结构采用非磁性轮式移动机构，吸附系统安装或连接在轮式移动机构底盘上，间隙由轮式移动机构控制。 

为了使吸附单元的厚度降低并使磁能可以有效利用，本实用新型设计了一种多体耦合面状间隙式吸附系统。吸附系统设计时采用了吸附单元耦合方式优化。吸附单元耦合是指：吸附系统由多个n-s极交替布置的吸附单元组成。吸附单元间的磁路耦合设计就是在一定空间内采用最合理的方式布置吸附单元，最大限度减少漏磁，提高吸附能力，同时还能降低吸附系统的高度。 

本实用新型创造性地采用了聚磁技术，即吸附单元同时在横向和纵向耦合，使吸附单元磁极按行、列交叉布置，相邻磁极的极性互不相同，这样就可以达到减小漏磁、提高工作间隙磁通密度、增大吸附系统吸附能力的目的。 

本实用新型所述驱动系统设计为只需要两个轮子驱动即可，每个轮子按照扭矩需要单独配一个电机驱动。 

本实用新型所述清洗系统由布和海绵叠置构成。为了使结构尽可能简单，将清洗单元放在机器人底盘的下面。这样可以使机器人走到哪里就清洗到哪里，不会有死角清洗不到。 

本实用新型所述控制系统，应用ICCAVR作为C语言开发工具，通过单片机AVR Mega 16产生PWM波信号发给电机驱动芯片L298N控制左右两路电机运转，实现机器人直行、转弯以及加减速控制。 

附图说明

图1是本实用新型的内部机械结构示意图； 

图2是本实用新型的底部机械结构示意图； 

图3是本实用新型控制系统结构图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步的说明。 

如图1和2，本实施例的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，包括底盘7和固定在地盘 上的底座3，电机座2固定在底座上，电机1固定在电机座上，同时轴承座4固定在底座上支撑轴承12，电机连接带轮5，同步带6，轮轴10组成同步传动驱动系统带动轮毂13转动、轮胎11固定在轮毂上。永磁铁9与轭铁15共同组成吸附系统固定在底座下面中央位置，由调节螺栓14实现间隙调节，由粘在底座下面两侧的海绵和附着的可拆卸擦洗布组成清洗系统8实现擦黑板功能。 

如图3，机器人需要功能强大的控制系统才能完成擦洗黑板的任务。机器人控制系统的作用是根据用户的指令，控制机器人完成相应的动作。机器人的控制系统主要由Mega16单片机，电源模块、串口通讯模块、电机驱动芯片、传感器、无线接收模块等部分组成。机器人控制系统的主要控制对象为直流电机，电机额定电压为12V。而单片机所需电压为5V，所以控制电路与功率电路必须隔离。系统的电源输入电压为12V经电源模块产生5V电压供给单片机。单片机的最小系统主要包括电源、时钟和复位电路等。选用的主处理芯片为AVR公司的8位微处理器ATMega16。电机的驱动控制部分选择了SGS公司的L298N。传感器模块是机器人感知外界环境信息的重要组成部分，本机器人需要倾角传感器和光电开光两款传感器。倾角传感器选择了SCA60C倾角传感器。当单片机接收到倾角传感器接收到的信号时，向电机驱动模块传输信号，改变两电机电压，从而防止机器人发生跑偏。机器人需要能够自动识别黑板边缘，考虑到黑板边缘一般都要高于黑板壁面，所以本实用新型选择了光电开关PS-117。当单片机接收到传感器机器人已经走到了黑板边缘的信息时，向电机驱动模块传输信号，使电机减速，并反转实现机器人转向。串口通信模块的主要作用是与个人电脑通信，方便进行程序调试。串口通信模块选用专用芯片MAX3232，可以将TTL电平转换为RS232电平。为了使机器人能够在擦洗黑板的时候随开即用，随关即停，还加装了无线接收模块，实际上就是一款无线遥控开关，同时还可以在突发意外(如程序跑飞)时，及时停止机器的运行。 

虽然本实用新型通过具体实施方式描述，但是相对于本领域技术人员而言明显的修改和等效方式包括在本实用新型的范围之内。 

Claims (7)

1.一种磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于由吸附系统、驱动系统、控制系统、清洗系统组成，其外形呈圆形；

底盘(7)和固定在底盘上的底座(3)，电机座(2)固定在底座上，电机(1)固定在电机座上，同时轴承座(4)固定在底座上支撑轴承(12)，电机连接带轮(5)、同步带(6)、轮轴(10)组成同步传动驱动系统带动轮毂(13)转动，轮胎(11)固定在轮毂上；永磁铁(9)与轭铁(15)共同组成吸附系统固定在底座下面中央位置，由调节螺栓(14)实现间隙调节，由粘在底座下面两侧的海绵和附着的可拆卸擦洗布组成清洗系统(8)实现擦黑板功能。

2.如权利要求1所述的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于，所述吸附系统采用间隙式永磁吸附方式，采用非磁性轮式移动机构，吸附系统安装或连接在轮式移动机构底盘上，间隙由轮式移动机构控制。

3.如权利要求2所述的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于，所述吸附系统是多体耦合面状间隙式永磁吸附系统。

4.如权利要求3所述的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于，所述轭铁高度可调，从而可调节吸附力。

5.如权利要求1所述的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于，所述驱动系统为轮式移动系统。

6.如权利要求5所述的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于，所述驱动系统采用带轮、同步带实现电机驱动轮轴及轮子转动。

7.如权利要求1所述的磁吸附式擦黑板爬壁机器人，其特征在于，所述控制系统通过单片机产生PWM波信号发给电机驱动芯片L298N控制左、右两路电机运转，实现机器人的直行，转弯以及加、减速控制，并且由光电开关PS-117作为检测黑板边沿的传感器，向单片机传输转向信号，由倾角传感器检测机器人行走姿态与并进行自动校正，所述单片机是AVR Mega16。 

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