一种用于爬壁机器人的变磁力吸附单元

1.一种用于爬壁机器人的变磁力吸附单元，包括由永磁体(7)和磁轭(3)组成的吸附 磁路部分和联接部分，其特征在于：该吸附单元还包括拨动—回复机构，所述的拨动—回复 机构主要由设置在永磁体一端的芯轴(10)、回复弹簧(11)和拨秆(12)组成，所述拨杆安 装在芯轴上；所述回复弹簧一端固定在磁轭上，另一端固定在拨杆上；所述磁轭由两部分组 成且对称布置，其中间放置隔磁体(4)；永磁体位于磁轭和隔磁体组成的中心通孔中，所述 的拨动—回复机构沿永磁体轴线在0°～90°范围内转动。
2.按照权利要求1所述的变磁力吸附单元，其特征在于：永磁体采用沿径向磁化的圆柱 体。
3.按照权利要求1或2所述的变磁力吸附单元，其特征在于：所述的芯轴通过由隔磁材 料制成的轴承与永磁体相连接。
4.按照权利要求3所述的变磁力吸附单元，其特征在于：所述的回复弹簧采用扭簧。
5.按照权利要求3所述的变磁力吸附单元，其特征在于：所述的轴承材料采用尼龙材料。

技术领域\n本发明属于机器人控制装置技术领域，特别涉及一种爬壁机器人磁吸附机构的结构设计。\n技术背景\n磁吸附爬壁机器人作为非结构化环境下作业的移动载体，在球(储)罐、管道、造船、 航空、汽车、锅炉、电站、水轮机、建筑、机车等钢结构的生产施工中得到了广泛的应用。\n爬壁机器人必须具备两个基本功能：壁面吸附和移动作业。吸附单元作为爬壁机器人的 重要组成部分，为机器人提供吸附力，使其可靠吸附在壁面。但爬壁机器人在移动作业时， 吸附力成为其主要的运动阻力；并且，吸附力越大，运动阻力也越大，机器人的移动作业能 力也就越差。由此可见，磁吸附爬壁机器人的吸附能力和移动性能是相互矛盾的。履带式磁 吸附爬壁机器人的吸附履带由多个吸附单元组成，因此，吸附单元性能的优劣，不仅决定了 机器人的整体结构尺寸、承载能力和自身重量，而且还直接影响着其运动灵活性和驱动功耗。 所以，研究设计合理的吸附单元，使得吸附单元能够更大的吸附力，并能运动灵活，成为爬 壁机器人的主要关键技术所在。\n现有技术中，爬壁机器人的吸附单元主要包括电磁式吸附机构和永磁式吸附机构两种。\n电磁式吸附机构是通过电磁铁提供磁吸力，将机器人吸附于壁面。例如日本TOSHIBA KK (TOKE)发明了一部框架式电磁吸附小车，该小车通过电磁线圈产生磁场经铁心传给柔性极 靴，通过柔性极靴中的软磁性粉末与磁性表面相互作用产生吸力。中国实用新型专利“履带 式电磁吸附爬壁机构”(专利号：ZL97219169.0)，也是类似的原理，每个履带吸附单元在激 磁电流的作用下，产生吸附力，实现其壁面吸附功能。对于此种电磁式吸附单元，虽然吸附 力可以通过电流的通断而改变，但这种机构工作时要消耗电能，并且安全性较差，当意外断 电时易发生危险。\n永磁式吸附机构是依靠永磁体提供吸附力。例如日本石川岛播磨重工业公司开发了一种 “永磁轮式超声波检查机器人”，也采用铁磁性吸附机构，吸力可达200公斤左右；清华大 学研制的“履带式永磁爬壁机构”(专利号：ZL00200795.9)以及北京石油化工学院研制的“轮 式永磁吸附爬壁焊接机器人”(专利申请号：00107432.6)都采用了永磁式吸附单元。此种 吸附单元所产生的磁吸附力不能改变，在吸附单元脱离壁面时需要消耗额外的能量，增加了 运动阻力，因此驱动系统需将一部分功率用于吸附单元脱离壁面，增大了驱动功耗和额外的 扭矩要求，造成系统的运动冲击，尤其是机器人低速运行时更为显著。\n发明内容\n本发明的目的是为了克服永磁式吸附单元吸附能力和机器人移动作业能力之间的矛盾， 设计一种磁吸力可调节的吸附单元，能够实现吸附单元靠近吸附面的瞬间，磁吸力最大，而 在将脱离附着面的时刻，磁吸力最小。\n本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种用于爬壁机器人的变磁力吸附单元，包 括由永磁体和磁轭组成的吸附磁路部分和联接部分，其特征在于：该吸附单元还包括拨动— 回复机构，所述的拨动—回复机构主要由设置在永磁体一端的芯轴、回复弹簧和拨秆组成，拨 杆安装在芯轴上，回复弹簧一端固定在磁轭上，另一端固定在拨杆上，所述磁轭由两部分组 成且对称布置，其中间放置隔磁体，永磁体位于磁轭和隔磁体组成的中心通孔中。\n本发明所提供的变磁力吸附单元，其永磁体采用沿径向磁化的圆柱体。所述的芯轴通过 由隔磁材料制成的轴承与永磁体相连接；所述的回复弹簧采用扭簧。\n本发明所设计的变磁力吸附单元，是通过设置在永磁体一端的拨动—回复机构，来改变 永磁体磁化方向与轭铁的相对位置，从而达到改变吸附单元的磁吸力大小的目的。\n本发明所述的变磁力吸附单元与现有技术相比，具有如下特点：\n(1)效克服了磁吸附爬壁机器人吸附能力和移动性能之间的矛盾；能够实现吸附单元靠近 吸附面的瞬间，磁吸力最大，而在将脱离附着面的时刻，磁吸力最小；附状态时最大吸附力 可达25kgf，磁短路状态时最小吸附力仅为0.9kgf。\n(2)附单元具有双稳态特性，即磁吸附状态和磁短路状态；两稳态(吸附—脱附、脱附— 吸附)之间的切换控制方便；\n(3)体积小(54×20×16mm)、重量轻(仅为0.13kg)、结构紧凑。\n附图说明\n图1：为变磁力吸附单元实施例的结构示意图(正剖视图)。\n图2：为图1的A-A剖面图。\n图3a：为变磁力吸附单元磁吸附状态的工作原理示意图。\n图3b：为变磁力吸附单元磁短路状态的工作原理示意图\n图4：为回弹力矩M和旋转角度δ之间的关系图。\n图5a：为变磁力吸附单元的吸附状态向短路状态切换示意图。\n图5b：为变磁力吸附单元的短路状态向吸附状态切换示意图。\n在图1～图5中：\n1、5、15、16：联接螺钉  2：后端盖  3：轭铁  4：隔磁体\n6：联接卡子  7：永磁体  8：轴承  9：前端盖  10：芯轴\n11：回复弹簧  12：拨秆  13：弹簧垫圈  14：紧固螺母\n下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：\n本发明所述的变磁力吸附单元如附图1和附图2所示，本发明设计的永磁式变磁力吸附 单元，包括吸附磁路部分、联接部分和拨动—回复机构三部分。吸附磁路部分由永磁体7， 磁轭3与隔磁体4组成。永磁体7呈圆柱形，沿径向磁化。磁轭由两部分组成且对称布置， 其中间放置隔磁体4，长方形磁轭3中心开一通孔，永磁体位于磁轭和隔磁体组成的中心通 孔中，永磁体7可以在孔内自由转动。其中，永磁体选用矫顽力较高的钕铁硼(NdFeB)磁性 材料，并经过老化处理工艺，提高永磁体的温度稳定性，采用表面镀Ni工艺，提高其化学稳 定性；磁轭选用低碳钢等导磁性能良好的材料，隔磁体选用铜或铝等导磁性能差的材料。\n联接部分中，通过前后端盖9、2和联接卡子6以及螺钉1，15，16，将分离的轭铁3和 隔磁体4联结在一起。联接螺钉5用于联接吸附单元和履带部分的连接，构成可变磁力履带； 拨动—回复机构由芯10、轴承8、回复弹簧11、拨秆12、弹簧垫圈13和紧固螺母14组成， 其中，芯轴10位于永磁体的端面开口处，通过轴承8外延出前端盖9与拨杆12联接，并采 用紧固螺母14和弹簧垫圈13将其紧固。回复弹簧11一端位于拨杆12中的小孔中，另一端 固定在前端盖9与轭铁3的联接螺钉上。其中，回复弹簧11采用扭簧。为减轻重量，轴承8 可采用具有隔磁性能的尼龙材料。前端盖9将拨动—回复机构中的轴承8固定在轭铁3中， 限制了轭铁沿永磁体轴向的位移；联接卡子6通过联接螺钉，限定了轭铁3和隔磁体4沿垂 直和永磁体轴向方向的相对运动。联接螺钉5通过联接卡子6，可以使本发明设计的吸附单 元和爬壁机器人履带链条的翼板相联接，组成完整的爬壁机器人履带。连接卡子选用不导磁 的材料如不锈钢、铝或者铜。\n本发明的工作原理结合图3a、3b说明如下：\n本发明所设计的吸附单元，是通过改变永磁体磁化方向和轭铁的相对位置，来实现磁吸 附力可变的目的。\n本发明所设计的吸附单元，具有独特的双稳态特性——磁吸附状态和磁短路状态：\n当吸附磁路部分如图3a放置在钢铁等导磁壁面上时，吸附单元与壁面足够接近，气隙磁 阻很小，永磁体的磁通几乎完全经过轭铁和导磁壁面闭合，气隙中磁感应强度达到最大值， 此时永磁体处于磁吸附状态，吸力为最大磁吸力；当永磁体处于磁短路状态时(图3b)，磁 通主要通过两侧轭铁闭合，气隙中磁感应强度降低到最小值，此时吸力减为最小磁吸力；而 当永磁体和轭铁的相对位置处于两者之间时，吸附单元对导磁壁面的吸附力也介于二者之间。 因此，改变永磁体磁化方向和轭铁的相对位置，可以改变吸附单元的磁吸力大小。\n下面说明吸附单元双稳态之间的切换原理：\n当吸块底面与钢铁壁面间气隙足够小时，磁吸附状态(图3a)为稳定位置，令永磁体磁 化方向与吸块垂直对称轴的夹角为δ，此时δ＝0°；当吸块底面远离钢铁壁面时，磁短路状态 (图3b)为稳定位置，δ＝90°。当永磁体偏离稳定位置时，将受到回复力矩M的作用，M与δ 的关系如图4所示。\n磁吸附状态向磁短路状态切换(如图5a所示)：\n处于磁吸附状态的吸附单元，其拨杆受到外力F的作用，拨杆将沿着心轴的中心线旋转。 当拨杆由δ＝0°旋转至δ＝90°时，吸附单元由磁吸附状态切换到磁短路状态。\n磁短路状态向磁吸附状态切换(如图5b所示)：\n在磁吸附状态向磁短路状态切换过程中，弹簧受拉伸储能，再加上永磁体偏离稳定位置 时将受到回复力矩M的作用。所以，在吸附单元重新和壁面贴合的时候，在回复力矩和弹簧 的共同作用下，单元完成磁短路状态向磁吸附状态的自动切换，不需任何外力。\n因此，本发明所设计的吸附单元实现了吸附单元最大和最小吸附力之间的转化，具有变 磁力的功能。在吸附单元和壁面接触的时候，吸附力为最大值，而在脱离壁面的时候，又会 减为最小。所以，由其构成的吸附机构(如爬壁机器人磁吸附履带等)，能够克服磁吸附爬壁 机器人吸附能力和移动性能之间的矛盾。