專利名稱：磁吸附式爬壁機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種機(jī)器人，特別是一種磁吸附式爬壁機(jī)器人，屬于機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁吸附爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，是一種設(shè)計(jì)用來(lái)在惡劣、危險(xiǎn)、極限情況下、在導(dǎo)磁壁面上進(jìn)行特定作業(yè)如檢查、檢測(cè)、焊接、打磨等的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置，越來(lái)越受到人們的重視。目前磁吸附爬壁機(jī)器人已在核工業(yè)、石化工業(yè)、建筑工業(yè)、消防部門(mén)、造船業(yè)等鐵磁性結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)施工中得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，有些導(dǎo)磁壁面是空間曲面，其表面形貌變化大，凹凸不平，曲率半經(jīng)較小，且曲率變化范圍較大，如水輪機(jī)葉片表面。對(duì)于在這類表面運(yùn)行的磁吸附爬壁機(jī)器人，其吸附裝置和葉片表面之間的氣隙會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致吸附力的變化，進(jìn)而影響爬壁機(jī)器人的負(fù)載能力。另外，由于導(dǎo)磁壁面的凹凸不平，也會(huì)對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生影響， 如壁面的凹凸不平可能會(huì)使驅(qū)動(dòng)輪懸空，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)失效。因此，對(duì)于在表面是復(fù)雜空間曲面的導(dǎo)磁壁面上運(yùn)行的爬壁機(jī)器人，在要求其具有強(qiáng)負(fù)載能力、良好的運(yùn)動(dòng)靈活性的同時(shí)，還要對(duì)導(dǎo)磁壁面形貌及曲率的變化具有較好的自適應(yīng)能力。

實(shí)用新型內(nèi)容(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)在負(fù)載能力、運(yùn)動(dòng)靈活性、曲面自適應(yīng)性這三個(gè)方面綜合性能的不足之處，設(shè)計(jì)一種磁吸附式爬壁機(jī)器人，使其在具有強(qiáng)負(fù)載能力、良好的運(yùn)動(dòng)靈活性的同時(shí)，對(duì)壁面形貌及曲率的變化具有較好的自適應(yīng)性，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。( 二 )技術(shù)方案本實(shí)用新型提供了一種磁吸附式爬壁機(jī)器人，包括輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和多個(gè)永磁吸附裝置，所述的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底盤(pán)、安裝在底盤(pán)上的由電機(jī)和減速器組成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪和輔助支撐輪，其特征在于所述爬壁機(jī)器人采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，爬壁機(jī)器人和導(dǎo)磁壁面之間的吸附力由與導(dǎo)磁壁面之間有氣隙的永磁吸附裝置提供；所述永磁吸附裝置的一端通過(guò)安裝在其上的輔助支撐輪支撐在導(dǎo)磁壁面上，另一端通過(guò)具有一或三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)與所述底盤(pán)或其它的永磁吸附裝置相連；所述驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱布置，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，依靠驅(qū)動(dòng)輪的差速實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向。在本實(shí)用新型中，所述曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的一種形式為圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，該曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使得永磁吸附裝置可以在一個(gè)方向上調(diào)節(jié)其自身相對(duì)于移動(dòng)機(jī)構(gòu)或其它永磁吸附裝置的位姿，適用于壁面曲面是近圓柱面(包括凹面和凸面)的情況。在本實(shí)用新型中，所述曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的另一種形式為球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，該曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使得永磁吸附裝置可以在三個(gè)方向上調(diào)節(jié)其自身相對(duì)于移動(dòng)機(jī)構(gòu)或其它永磁吸附裝置的位姿，適用于壁面曲面是球面及其它任意形狀的曲面的情況。在本實(shí)用新型中，所述永磁吸附裝置的大小根據(jù)爬壁機(jī)器人所運(yùn)行的導(dǎo)磁壁面的曲率半徑大小，以及所允許的氣隙變化范圍確定。在本實(shí)用新型中，所述驅(qū)動(dòng)輪分為兩組，每組驅(qū)動(dòng)輪分別由一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，同一組驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)包含至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，所述同一組內(nèi)的驅(qū)動(dòng)輪之間通過(guò)同步帶或鏈輪相連， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的同步。在本實(shí)用新型中，所述輔助支撐輪均采用在運(yùn)動(dòng)時(shí)和壁面之間摩擦為滾動(dòng)摩擦的萬(wàn)向輪。在本實(shí)用新型中，所述永磁吸附裝置包含多個(gè)吸附單元，每個(gè)吸附單元由兩塊永磁體和一塊軛鐵組成乙型磁路；所述的各吸附單元排列組合或耦合設(shè)置，使得所述永磁吸附裝置上各永磁體磁極按行、列交叉布置，即相鄰磁極的極性互不相同。在本實(shí)用新型中，所述永磁體采用沿高度方向磁化的矩形永磁體。在本實(shí)用新型中，所述軛鐵采用純鐵或低碳鋼制造。(三)有益效果本實(shí)用新型所述的爬壁機(jī)器人和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步(1)采用永磁非接觸吸附輪式移動(dòng)方案，有效克服了磁吸附爬壁機(jī)器人吸附能力和運(yùn)動(dòng)靈活性間的矛盾爬壁機(jī)器人采用對(duì)稱式輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)靈活性好，可繞車體中心轉(zhuǎn)向，最小轉(zhuǎn)向半經(jīng)為0 ；本實(shí)用新型所采用的非接觸永磁吸附裝置在具有強(qiáng)吸附能力的同時(shí)，由于和導(dǎo)磁壁面之間是非接觸的，減小了爬壁機(jī)器人的運(yùn)行阻力，在保證爬壁機(jī)器人具有強(qiáng)負(fù)載能力的同時(shí)，使爬壁機(jī)器人具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)靈活性。(2)爬壁機(jī)器人上每個(gè)永磁吸附裝置的大小是根據(jù)爬壁機(jī)器人所運(yùn)行的導(dǎo)磁壁面曲率大的大小和所允許的永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的氣隙變化的大小設(shè)計(jì)的，使得每個(gè)永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的工作氣隙的變化在允許范圍內(nèi)。(3)設(shè)計(jì)了圓柱鉸和球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，永磁吸附裝置和輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)或其它的永磁吸附裝置之間通過(guò)曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)聯(lián)接，使得爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置可以根據(jù)所運(yùn)行的導(dǎo)磁壁面狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)其自身的位姿，保證了每個(gè)永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的工作氣隙的變化在允許范圍內(nèi)，同時(shí)也保證了爬壁機(jī)器人的可靠驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)靈活性，即使得爬壁機(jī)器人在表面是復(fù)雜空間曲面(如混流式水輪機(jī)葉片表面)上的負(fù)載能力和運(yùn)動(dòng)靈活性得到了保證，對(duì)壁面形貌(凹凸)及曲率的變化具有良好的自適應(yīng)性能；(4)可根據(jù)壁面的形貌選擇曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的形式，如對(duì)于表面是近圓柱面的壁面，可選擇圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，對(duì)于壁面是任意曲面(如碗狀、馬鞍形的)可選擇對(duì)壁面形貌適應(yīng)性更好但運(yùn)動(dòng)傳遞性能相對(duì)較差的球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。

圖1是永磁非接觸吸附輪式移動(dòng)方案的工作原理示意圖。圖2是如何根據(jù)曲面曲率大小和所允許的永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的氣隙變化的大小來(lái)確定永磁吸附裝置大小及曲面自適應(yīng)的原理示意圖。[0024]圖3a是圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和永磁吸附裝置的連接示意圖。圖北是采用圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人在近圓柱面上的自適應(yīng)效果示意圖。圖如是球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和永磁吸附裝置的連接示意圖。圖4b是采用球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人在球面上的自適應(yīng)效果示意圖。圖5是永磁吸附裝置之間通過(guò)圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)相連的示意圖。圖6是爬壁機(jī)器人的一種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖。圖7是爬壁機(jī)器人的另一種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖。圖是爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置中采用乙型磁路的吸附單元主視圖。圖8b是圖8a所示吸附單元俯視圖。圖9a是爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置的一種結(jié)構(gòu)的三維模型圖。圖9b是爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置的另一種結(jié)構(gòu)的三維模型圖。圖10a、10b是具有曲面自適應(yīng)功能的磁吸附爬壁人的一個(gè)實(shí)施例的正、反面三維示意圖。圖11是具有曲面自適應(yīng)功能的磁吸附爬壁人一個(gè)應(yīng)用實(shí)施例的三維示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳述本實(shí)用新型。圖1是永磁非接觸吸附輪式移動(dòng)方案的工作原理示意圖。其中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)200 靠其底盤(pán)上安裝的永磁吸附裝置產(chǎn)生的吸附力吸附并運(yùn)行在導(dǎo)磁壁面100上。永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面100之間是非接觸的(如圖中虛線所示)，兩者之間有一定的氣隙。圖2是如何根據(jù)曲面曲率大小和所允許的永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的氣隙變化的大小來(lái)確定永磁吸附裝置大小及曲面自適應(yīng)的原理示意圖。其中，為了減小永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面100之間的氣隙變化，將較大的永磁吸附裝置分成三個(gè)較小的永磁吸附裝置，永磁吸附裝置2的大小根據(jù)爬壁機(jī)器人所運(yùn)行的導(dǎo)磁壁面100的曲率半徑大小來(lái)和所允許的永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的氣隙變化的大小確定，多個(gè)永磁吸附裝置2之間通過(guò)具有一至三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3相連，曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3使得每個(gè)永磁吸附裝置2可以根據(jù)所運(yùn)行的導(dǎo)磁壁面100的形貌調(diào)節(jié)其自身相對(duì)于導(dǎo)磁壁面100的位姿。由圖中可以看出，在未將永磁吸附裝置化大為小和采用曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)前，永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面100之間的氣隙變化過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致爬壁機(jī)器人吸附能力和負(fù)載能力的劇減。 在將永磁吸附裝置化大為小和采用曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3后，由于每個(gè)小的永磁吸附裝置可以自調(diào)節(jié)其相對(duì)于導(dǎo)磁壁面100的位姿，永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面100之間的氣隙大為減小， 這樣在永磁吸附裝置總質(zhì)量或體積不變的情況下，使得永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的吸附力變化在允許范圍內(nèi)，提高了爬壁機(jī)器人對(duì)壁面形貌及曲率變化的適應(yīng)能力。因此，提高爬壁機(jī)器人曲面自適應(yīng)能力的關(guān)鍵就是(1)根據(jù)曲面曲率大小和實(shí)際應(yīng)用所允許的氣隙變化大小確定永磁吸附裝置的大小，保證其和導(dǎo)磁壁面之間的間隙(氣隙)變化在允許范圍內(nèi)；( 設(shè)計(jì)合適的曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)將這些永磁吸附裝置按照一定的方式連接，使每個(gè)永磁吸附裝置都能更具壁面的形貌調(diào)節(jié)其自身相對(duì)于壁面的位姿。圖3a是圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和永磁吸附裝置的連接示意圖。其中，兩個(gè)永磁吸
5附裝置2均通過(guò)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3和底盤(pán)(移動(dòng)機(jī)構(gòu)車架)4 相連，永磁吸附裝置的一端通過(guò)球形輔助支撐輪5支撐在導(dǎo)磁壁面上，另一端通過(guò)機(jī)械方式(如螺釘連接等)和曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3固連，通過(guò)調(diào)節(jié)底盤(pán)4和輔助支撐輪5的安裝高度可設(shè)定永磁吸附裝置的工作氣隙。圖北是采用圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人在近圓柱面上的自適應(yīng)效果示意圖。其中，由于兩個(gè)永磁吸附裝置2均通過(guò)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3和移動(dòng)機(jī)構(gòu)200的底盤(pán)(車架)相連，使得每個(gè)永磁吸附裝置2具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度， 可以在一個(gè)方向上調(diào)節(jié)其相對(duì)于導(dǎo)磁壁面100和其它永磁吸附裝置的位姿。只要永磁吸附裝置2的大小合適，就可以保證永磁吸附裝置2和近圓柱形導(dǎo)磁壁面100之間的間隙變化在允許的范圍內(nèi)，同時(shí)也可保證輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)車輪不會(huì)懸空，使得爬壁機(jī)器人對(duì)壁面形貌和曲率的變化具有一定的自適應(yīng)能力。另外，由于圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3僅具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，主要適用于壁面是近圓柱面(包括凹面和凸面)的情況。圖如是球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和永磁吸附裝置的連接結(jié)示意圖。其中，兩個(gè)永磁吸附裝置2通過(guò)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3和輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)底盤(pán)4相連， 永磁吸附裝置的一端通過(guò)球形輔助支撐輪5支撐在導(dǎo)磁壁面上，另一端通過(guò)機(jī)械方式(如螺釘連接等)和曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3固連，通過(guò)調(diào)節(jié)底盤(pán)4和輔助支撐輪5的安裝高度可設(shè)定永磁吸附裝置的工作氣隙。圖4b為采用球鉸自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人在球面上的自適應(yīng)效果示意圖，其中，由于兩個(gè)永磁吸附裝置2均通過(guò)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3和移動(dòng)機(jī)構(gòu)200的底盤(pán)相連，使得每個(gè)永磁吸附裝置2具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可以在三個(gè)方向上調(diào)節(jié)其相對(duì)于導(dǎo)磁壁面100和其它永磁吸附裝置的位姿。只要永磁吸附裝置2的大小合適，就可以保證永磁吸附裝置2和球形導(dǎo)磁壁面100之間的間隙變化在允許的范圍內(nèi)，同時(shí)也保證輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)車輪不會(huì)懸空，使得爬壁機(jī)器人對(duì)壁面形貌和曲率的變化具有一定的自適應(yīng)能力。由于球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，適用于球面或其它任意形狀的曲面。圖5是永磁吸附裝置之間通過(guò)圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)相連的示意圖。其中，三個(gè)永磁吸附裝置2通過(guò)兩個(gè)圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3相連，永磁吸附裝置2和輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu) 200的相對(duì)位置通過(guò)機(jī)械方式固連組成爬壁機(jī)器人，圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)使得該裝置對(duì)近圓柱形壁面具有一定的自適應(yīng)能力。將圖5中所示的圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)換成球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的增加使得該裝置對(duì)于任意形狀的曲面均具有較好的自適應(yīng)能力。圖6是爬壁機(jī)器人的一種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖。其中，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩個(gè)輔助支撐輪5和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪6對(duì)稱安裝在底盤(pán)4上，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪6采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。 在移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若兩驅(qū)動(dòng)輪6速度(VL、VR)不同，則移動(dòng)機(jī)構(gòu)可繞不同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向， 特別地，當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)輪6速度(VL、VR)大小相同，方向相反時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)可繞車體中心轉(zhuǎn)向。 兩個(gè)輔助支撐輪5采用在運(yùn)動(dòng)時(shí)和導(dǎo)磁壁面之間為滾動(dòng)摩擦的球形萬(wàn)向輪，減小了運(yùn)行阻力，提高了運(yùn)動(dòng)靈活性。圖7是爬壁機(jī)器人的另一種輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理示意圖。其中，底盤(pán)4上配有四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪6，四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪6分成兩組，各組內(nèi)的驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)同步帶或同步鏈7相連，每組驅(qū)動(dòng)輪分別由一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，若兩組驅(qū)動(dòng)輪的速度(VL、VR)不同，則移動(dòng)機(jī)構(gòu)可繞不同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向，特別地，當(dāng)兩組驅(qū)動(dòng)輪的速度(VL、VR)大小相同，方向相反時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)可繞車體中心轉(zhuǎn)向。圖是爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置中采用乙型磁路的吸附單元主視圖，圖8b是圖8a所示吸附單元俯視圖。吸附單元由一塊軛鐵8和兩塊永磁體9組成，軛鐵8和永磁體 9磁極按照?qǐng)D8a和8b所示方式排列構(gòu)成乙型磁路，所述吸附單元的永磁體9采用沿高度方向磁化的矩形永磁體，永磁體9可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，軛鐵8采用純鐵或低碳鋼(如Q235等)制造。圖9a是爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置的一種結(jié)構(gòu)的三維模型圖。其中，永磁吸附裝置包含6個(gè)如圖8所示的由軛鐵8和永磁體9構(gòu)成的吸附單元。永磁吸附裝置上各吸附單元排列組合(耦合)使得永磁吸附裝置上各永磁體磁極按行、列交叉布置，相鄰磁極的極性互不相同。永磁吸附裝置上處于不同空間位置的各永磁體的尺寸不同，永磁體尺寸根據(jù)吸附單元磁路的耦合情況來(lái)確定，圖9a中有兩種尺寸規(guī)格的永磁體，圖9a中所示較小的永磁體的尺寸為5. OcmX 2. 5cmX 1. 0cm,圖9a中所示較大的永磁體的尺寸5. OcmX 5cmX 1. 0cm, 軛鐵1尺寸為IScmX llcmXO. 85cm。對(duì)圖9a所示永磁吸附裝置進(jìn)行了試制，永磁吸附裝置尺寸為18cmX IlcmX 1. 85cm，重2. 3kg，在爬壁機(jī)器人和導(dǎo)磁壁面(鋼板)間的氣隙為7mm 時(shí)，可提供約1900N的吸附力，永磁吸附裝置吸附力和自重的比值約為83。圖9b是爬壁機(jī)器人的永磁吸附裝置的另一種結(jié)構(gòu)的三維模型圖。其中，永磁吸附裝置包含12個(gè)如圖8所示的由軛鐵8和永磁體9構(gòu)成的吸附單元，各吸附單元按照類似圖9a的方式耦合，圖9b中共有四種尺寸規(guī)格的永磁體，分別為5. OcmX 2. 5cmXl. Ocm、 5. OcmX 5. OcmX 1. Ocm、10. OcmX 2. 5cmXl. Ocm 禾口 10. OcmX 5. OcmX 1. Ocm。另夕卜，圖 9b 中軛鐵尺寸為22cmX18cmX0. 85cm，永磁吸附裝置尺寸為22cmX18cmXl. 85cm，重4. 6kg，根據(jù)有限元分析結(jié)果在爬壁機(jī)器人和導(dǎo)磁壁面(鋼板)間的氣隙為7mm時(shí)，可提供約4100N 的吸附力，永磁吸附裝置吸附力和自重的比值約為89。圖10a、10b是具有曲面自適應(yīng)功能的磁吸附爬壁人的一個(gè)實(shí)施例的正、反面三維示意圖。其中，移動(dòng)機(jī)構(gòu)底盤(pán)4、輔助支撐輪5、驅(qū)動(dòng)輪6、減速器10及電機(jī)11組成類似圖6 所示的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，與圖6所示輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的差別僅在于圖6所示移動(dòng)機(jī)構(gòu)輔助支撐萬(wàn)向輪5為2個(gè)，而本實(shí)施例輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中輔助支撐萬(wàn)向輪5為12個(gè)。本實(shí)施例的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)中兩驅(qū)動(dòng)輪6分別由減速器10及電機(jī)11組成的兩套驅(qū)動(dòng)裝置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。本實(shí)施例所述爬壁機(jī)器人包含6個(gè)圖9a所示的永磁吸附裝置2，永磁吸附裝置2 —端通過(guò)輔助支撐萬(wàn)向球形輪5支撐在導(dǎo)磁壁面上，另一端通圓柱鉸或球曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)3和移動(dòng)機(jī)構(gòu)底盤(pán)4連接。本實(shí)施例中的永磁吸附裝置上永磁體9之間的相對(duì)位置通過(guò)螺釘12固定。在本實(shí)施例中，通過(guò)移動(dòng)機(jī)構(gòu)底盤(pán)4和輔助支撐輪5可以控制永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面之間的氣隙。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)導(dǎo)磁壁面的實(shí)際情況選擇合適類型的曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。例如，圖IOa和IOb所示的爬壁機(jī)器人可以作為修復(fù)混流式水輪機(jī)葉片的機(jī)器人，該機(jī)器人采用球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)能夠保證永磁吸附裝置和水輪機(jī)葉片表面之間的氣隙變化在允許范圍之內(nèi)以及爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。圖11是具有曲面自適應(yīng)功能的磁吸附爬壁人一個(gè)應(yīng)用實(shí)施例的三維示意圖。其中，多自由度作業(yè)機(jī)械臂400安裝在本實(shí)用新型所述的具有曲面自適應(yīng)功能的磁吸附爬壁人300上，組成修復(fù)(加工)機(jī)器人，可在導(dǎo)磁壁面上代替人進(jìn)行修復(fù)作業(yè)(如磨削、焊接)等作業(yè)。 除了上述實(shí)施例外，本實(shí)用新型所述的磁吸附式爬壁機(jī)器人還可以作進(jìn)一步的改進(jìn)和改變，而不超出本實(shí)用新型的范圍。例如，曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)也可以采用具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的機(jī)構(gòu)；為適應(yīng)某一特定作業(yè)環(huán)境的需要，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪的數(shù)目也可以更多，比如6個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分成兩組，分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；輔助支撐輪的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定，輔助支持輪也可以采用其它形式的和壁面之間為滾動(dòng)摩擦(運(yùn)動(dòng)時(shí)) 的萬(wàn)向輪；非接觸永磁吸附裝置可以包含更多個(gè)按照類似圖9a和9b的方式耦合的吸附單兀。
權(quán)利要求1.一種磁吸附式爬壁機(jī)器人，包括輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和多個(gè)永磁吸附裝置，所述的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底盤(pán)、安裝在底盤(pán)上的由電機(jī)和減速器組成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助支撐輪和由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪，其特征在于所述爬壁機(jī)器人采用所述輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，爬壁機(jī)器人和導(dǎo)磁壁面之間的吸附力由與導(dǎo)磁壁面之間有氣隙的所述永磁吸附裝置提供；所述永磁吸附裝置的一端通過(guò)安裝在吸附裝置上的輔助支撐輪支撐在導(dǎo)磁壁面上，另一端通過(guò)曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)與所述底盤(pán)相連，所述的曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)為圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)或球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)為圓柱鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)時(shí)，曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使得所述的永磁吸附裝置可以在一個(gè)方向上調(diào)節(jié)其自身相對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)或其它永磁吸附裝置的位姿，當(dāng)曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)為球鉸曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)時(shí)，曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使得永磁吸附裝置可以在三個(gè)方向上調(diào)節(jié)其自身相對(duì)于移動(dòng)機(jī)構(gòu)或其它永磁吸附裝置的位姿；所述驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱布置，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，依靠驅(qū)動(dòng)輪的差速實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向。
2.如權(quán)利要求1所述的磁吸附式爬壁機(jī)器人，其特征在于所述永磁吸附裝置的大小根據(jù)爬壁機(jī)器人所運(yùn)行的導(dǎo)磁壁面的曲率半徑大小，以及所允許的氣隙變化范圍確定；所述驅(qū)動(dòng)輪分為兩組，每組驅(qū)動(dòng)輪分別由一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，同一組驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)包含至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，所述同一組內(nèi)的驅(qū)動(dòng)輪之間通過(guò)同步帶或鏈輪相連，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的同步。
3.如權(quán)利要求1所述的磁吸附式爬壁機(jī)器人，其特征在于所述輔助支撐輪均采用在運(yùn)動(dòng)時(shí)和壁面之間的摩擦為滾動(dòng)摩擦的萬(wàn)向輪；所述永磁吸附裝置包含多個(gè)吸附單元，每個(gè)吸附單元由兩塊永磁體和一塊軛鐵組成乙型磁路；所述的各吸附單元排列組合或耦合設(shè)置，使得所述永磁吸附裝置上各永磁體磁極按行、列交叉布置，即相鄰磁極的極性互不相同。
4.如權(quán)利要求3所述的磁吸附式爬壁機(jī)器人，其特征在于所述永磁體采用沿高度方向磁化的矩形永磁體；所述軛鐵采用純鐵或低碳鋼制造。
專利摘要一種磁吸附式爬壁機(jī)器人，屬于機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。為了克服現(xiàn)有的爬壁機(jī)器人在負(fù)載能力、運(yùn)動(dòng)靈活性和曲面自適應(yīng)能力的綜合性能上的不足，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種磁吸附式爬壁機(jī)器人，包括輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和多個(gè)永磁吸附裝置，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)輪和輔助支撐輪；永磁吸附裝置的一端通過(guò)輔助支撐輪支撐在導(dǎo)磁壁面上，另一端通過(guò)具有一至三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的曲面自適應(yīng)機(jī)構(gòu)與底盤(pán)或其它的永磁吸附裝置相連；驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱布置，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，依靠驅(qū)動(dòng)輪的差速實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向。本實(shí)用新型所述爬壁機(jī)器人負(fù)載能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，具有良好的曲面自適應(yīng)能力，應(yīng)用前景良好。
文檔編號(hào)B62D57/024GK202243767SQ201120412530
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者張衛(wèi)珠 申請(qǐng)人:寧波力匠機(jī)械制造有限公司