CN104875807B - 一种用于爬壁机器人的行动装置 - Google Patents

Abstract

一种用于爬壁机器人的行动装置，包括机架，在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮和从动轮，主动轮与从动轮通过同步带连接，主动轮与驱动电机连接；磁吸附轮的转轴安装在抱毂上，抱毂上固定有弹簧轴，弹簧轴穿过机架的竖向通孔，弹簧轴顶部设有挡片，在弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧。爬壁机器人通过四个磁轮吸附在壁面上，吸轮的减震梁弹性自适应结构使得机器人与壁面紧密贴合。每个主动轮由电机单独驱动，依靠同步带带动后轮转动，可依靠两侧轮子的差速实现转弯。

Description

一种用于爬壁机器人的行动装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于爬壁机器人的行动装置。

背景技术

高空大型设备，如压力容器、港口物流设备等，需要进行外表面的喷涂检测等相关作业，爬壁机器人的需求也应运而生，因而为了满足机器人在贴壁行进时能进行避障，车架就要有相应的悬挂结构，以适应爬壁机器人在遇到壁面的曲面变化以及特定的突起时仍能越过障碍继续作业。

目前，爬壁机器人主要有磁轮式、磁履带式和非接触磁吸附轮式爬壁机器人，且其相应的车架模块采用的越障机构主要取决于车架自身的柔性，结构设计较为复杂。

并且现有技术对爬壁机器人的磁吸附结构也没有优化，公开号为CN102673673A，发明名称为“一种用于磁吸附爬壁机器人的新型万向滚动磁轮装置”的中国专利，以及公开号为CN102897242A，发明名称为“悬浮式磁吸附轮”的中国专利，也采用了磁吸附方式作为爬壁机器人的轮子，但以上专利均采用整块的环形磁块，只是进行了单一的轴向或径向充磁，未对磁轮内部的吸附单元进行优化，以达到增大磁吸附力的目的。

发明内容

为解决现有技术中爬壁机器人行动装置结构复杂、成本高、磁吸附力弱的问题，提供一种用于爬壁机器人的行动装置，这种装置结构简单、设计合理、磁吸附力强、制造方便、成本低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于爬壁机器人的行动装置，包括机架，在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮和从动轮，主动轮与从动轮通过同步带连接，主动轮与驱动电机连接；磁吸附轮的转轴安装在抱毂上，抱毂上固定有带帽弹簧轴，带帽弹簧轴穿过机架的竖向通孔，带帽弹簧轴顶部设有挡帽，在带帽弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧。

上述的一种用于爬壁机器人的行动装置，弹簧轴穿过减震梁板的竖向通孔，减震梁板与机架螺纹连接。

上述的一种用于爬壁机器人的行动装置，在减震梁板上开设有两个竖向通孔，与抱毂固定安装的带帽弹簧轴为两支，两支带帽弹簧轴分别穿过减震梁板上的两个竖向通孔。

上述的一种用于爬壁机器人的行动装置，磁吸附轮的外夹板与转轴螺纹连接，转轴为空心键轴，同步带轮与转轴通过键与键槽结构连接，内夹板通过螺栓与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内；在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块。

上述的一种用于爬壁机器人的行动装置，阵列磁环包括四组磁阵列单元。

上述的一种用于爬壁机器人的行动装置，相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.4-0.8。

爬壁机器人通过四个磁轮吸附在壁面上，吸轮的减震梁弹性自适应结构使得机器人与壁面紧密贴合。每个主动轮由电机单独驱动，依靠同步带带动后轮转动，可依靠两侧轮子的差速实现转弯。同步带轮分别与前后轮的转轴相连，通过同步带使主动轮和从动轮的运转方式相同，保证了爬壁机器人在行进时有着合理的摩擦力分布，大大提高了吸附的可靠性与安全性。

在遇到曲面环境或者局部突起时，由于车架悬挂机构允许有一定减震适应活动范围，从而保证车轮四点接触、同时安全行进。

在同一支带帽弹簧轴上、在机架通孔的两侧安装弹簧，使得爬壁机器人能适应导磁面在机器人下方，和导磁面在机器人上方两种正爬和悬爬的方式，延长弹簧的使用寿命，使爬壁机器人适应更多工况的壁面攀爬条件。

环形Halbach的排列方式变化多样，人们常把一个径向的N极永磁单元和一个环向的S极永磁单元形成的磁极称为一个极对。多极的Halbach环形阵列极对数有偶数和奇数两类，奇数极对数Halbach圆形阵列为对内加强型，偶数极对数Halbach阵列为对外加强型。根据爬壁机器人需要用到外加强型把爬壁机器人吸附在导磁体，通常吸附在铁罐体上用于检测铁罐体的性能使用，故以4，6，8，12，16偶数极对数，进行仿真分析。

附图7中X为磁轮旋转角度，单位为°；Y为吸附力，单位为N。由附图7可知从有限元的模拟计算中可以得出极对数越多，吸附力越趋于平稳，极对数较少的磁轮吸附力大小峰值波动越大。采用8极对数磁轮吸附力波动控制在5%以内，而且磁吸附力也较高。

针对8个极对数组成的磁环，相邻纵向永磁单元和横向永磁单元的体积配比对吸附力也有不同的影响。为直观的反应两者的大小引入系数环向角度比k，

k=n/(n+m)

上式中：n为径向永磁单元角度；m为环向永磁单元角度。

附图8中X1为k值；Y为吸附力，单位为N。由附图8可知对有限元的仿真中，可见吸附力在k=0.6左右，磁轮吸附力将达到峰值。而k在0.4-0.8的区间内，吸附力也是令人满意的。

本发明优化了永磁吸附轮中永磁吸附单元结构，通过优化排列永磁吸附单元充磁角度，使得磁环的外圈吸附力增强，内圈吸附力几乎为零。提高了永磁单元的单位磁效能，达到了同体积未优化时近2倍的吸附力。

附图说明

图1为本发明车架整体结构示意图。

图2为本发明减震悬挂结构示意图。

图3是爬壁机器人磁吸附轮整体结构示意图。

图4是爬壁机器人磁吸附轮轴向剖视图。

图5是爬壁机器人磁吸附轮径向剖视图。

图6是Habalch阵列中永磁单元的磁化方向。

图7是磁吸附力与极数的有限元模拟图。

图8是不同环向角度比与磁吸附力的有限元模拟图。

图中标记为：1内夹板， 2橡胶垫圈，3连接外夹板与转轴的螺钉，4环形轭铁，5转轴，51转轴上的键槽，6连接内夹板与外夹板的螺钉，7外夹板，8环形阵列磁环，81为N极向心到S极的径向磁块、82为N极到S极的顺时针环向磁块、83为N极外向心到S极的径向磁块，84为N板到S极的逆时针环向磁块，9机架，91步进电机，92抱毂，93主动磁吸附轮，94同步带，95从动磁吸附轮，96同步带轮，97带帽弹簧轴，98弹簧，99带帽弹簧轴顶部的挡帽，100减震梁板。

具体实施方式

实施例一

参照附图，一种用于爬壁机器人的行动装置，包括机架9，在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮93和从动轮95，主动轮与从动轮通过同步带94连接，主动轮与驱动电机91连接；磁吸附轮的转轴安装在抱毂92上，抱毂上固定有两支带帽弹簧轴97，带帽弹簧轴穿过减震梁板100的两个竖向通孔，减震梁板与机架螺纹连接，带帽弹簧轴顶部设有挡帽99，在带帽弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧，挡帽外径大于带帽弹簧轴用于阻挡弹簧。

磁吸附轮转轴为空心键轴，同步带轮与转轴通过键与键槽结构连接，外夹板7与转轴5通过螺钉3连接，内夹板1通过螺钉6与外夹板连接，阵列磁环8内周面安装有环形导磁轭铁4，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈2，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内。

阵列磁环包括四组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块81、N极到S极的顺时针环向磁块82、N极外向心到S极的径向磁块83，N板到S极的逆时针环向磁块84；其中相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.6。

将爬壁机器人放在需要检测的导磁铁壁面上，通常罐体为铁制导磁材料制作，爬壁机器人的磁吸附轮将爬壁机器人吸附在罐体上，通过步进电机的驱动，主动磁轮通过同步带使从动磁轮亦开始转动，驱使爬壁机器人向前爬行或者转弯，而碰到工作壁面的曲度发生变化、以及特定的突起时，由于采用了悬挂减震结构，磁轮能相对爬壁机器人的机架相对运动，使得爬壁机器人仍能越过障碍继续作业。

这种爬壁机器人的行动装置，使得机器人能在大中型罐体复杂工况条件下爬行，从根本上消除了人工检测的危险。

Claims (3)

1.一种用于爬壁机器人的行动装置，包括机架，其特征在于在机架上安装有两组磁吸附轮，每组磁吸附轮分为主动轮和从动轮，主动轮与从动轮通过同步带连接，主动轮与驱动电机连接；磁吸附轮的转轴安装在抱毂上，抱毂上固定有弹簧轴，弹簧轴穿过机架的竖向通孔，弹簧轴顶部设有挡片，在弹簧轴外侧、机架的两侧安装有弹簧；弹簧轴穿过减震梁板的竖向通孔，减震梁板与机架螺纹连接；在减震梁板上开设有两个竖向通孔，与抱毂固定安装的弹簧轴为两支，两支弹簧轴分别穿过减震梁板上的两个竖向通孔；

磁吸附轮的外夹板与转轴螺纹连接，转轴为空心键轴，同步带轮与转轴通过键与键槽结构连接，内夹板通过螺栓与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内；在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块。

2.如权利要求1所述的一种用于爬壁机器人的行动装置，其特征在于阵列磁环包括四组磁阵列单元。

3.如权利要求1所述的一种用于爬壁机器人的行动装置，其特征在于相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.4-0.8。