一种磁吸附式爬壁机器人履带

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一种磁吸附式爬壁机器人履带\n技术领域\n本发明属于爬壁机器人领域，特别涉及一种用于磁吸附爬壁机器人的履带。\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。尤其是在焊接等低速运载的情况下，由于吸附而造成的运动灵活性问题更为显著。因此，急需设计一种变磁力的爬壁机器人，使得机器人吸附部分能够提供足够大的吸附力，而在运动时，又能克服吸附力造成的矛盾。\n履带式爬壁机器人较轮式爬壁机器人的吸附力大，负载能力强，因此在爬壁机器人中应用更为广泛。中国实用新型专利(专利号：ZL00200795.9)公开了一种永磁履带式爬壁机构，这种履带采用多个磁吸力恒定的永磁履带单元与作业面接触，使得吸附能力大大提高，但由于永磁履带单元的磁吸力不变，使得其运动时不得不以牺牲电机的功率和运动稳定性为前提。为解决上述问题，专利“ZL97219169.0”的履带吸附单元采用电磁铁结构，通过对电磁铁的通断电实现对吸附力的调节。这种履带虽然克服了爬壁式机器人的吸附和运动之间的矛盾，但是外供电的方式给系统带来了不便和不安全的隐患。\n上述目的是通过如下技术方案实现的：一种磁吸附式爬壁机器人履带，主要包括由若干个吸附单元、链条、主动链轮、从动链轮、链轮轴、张紧机构、连接板组成的吸附机构和由直流电机、减速器组成的驱动机构，其特征在于：所述的吸附单元采用变磁力吸附单元，该吸附单元主要包括永磁体、磁轭、隔磁体和拨动—回复机构，所述的拨动—回复机构由设置在永磁体一端的芯轴、回复弹簧和安装在芯轴上的拨秆组成，永磁体位于磁轭和隔磁体组成的中心通孔中，所述的吸附机构还包括拨轮，所述拨轮分别与主、从动链轮同轴安装在链轮轴上，使拨轮与吸附单元的拨杆接触。\n本发明所提供的磁吸附式爬壁机器人履带，包括若干个变磁力吸附单元，所述的吸附单元均匀布置在链条上，其布置方式应按照磁力吸附单元的磁极极化方向交替排列，以防止吸附单元之间因为相互吸引而造成的运动内部阻力。\n为了避免吸附单元处于磁短路状态时彼此之间相互干涉，变磁力吸附单元应按照拨杆位置交替均匀排列在链条上。\n本发明的特征还在于：在所述的拨杆上装有滑轮装置，使得滑轮和拨杆之间为点接触，避免由于运动死点造成的内部阻力，减小摩擦。\n本发明所述的减速齿轮组采用开式齿轮传动机构，安放在两连接板之间。采用减速器配合开式齿轮传动这种传动方式，能够充分利用连接板之间的空间，减小了驱动机构的整体体积，有利于履带小型化。\n本发明所述的磁吸附爬壁机器人履带，与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：此种履带，既能将自身可靠地吸附在作业面上，又能在运动时克服强大吸附力所造成的运动阻力，减小系统的运动冲击和驱动损耗。吸附单元最大吸附力可达25kgf，吸附单元在脱离壁面时最小吸附力仅为0.9kgf，减小了其运动驱动功率，所发明的履带仅用3W直流电机就能在水平壁面上正常运转。吸附单元拨杆上采用滑轮装置，使得拨轮和拨杆之间为点接触，避免由于运动死点造成的内部阻力，减小了摩擦；拨杆和拨轮构成一杠杆机构，一方面减小了对链轮轴的瞬时冲击，提高履带的运动性能，另一方面，杠杆的放大作用，使得链轮轴承受的冲击力大大减小。同时采用减速器配合开式齿轮传动这种传动方式，能够充分利用连接板之间的空间，减小了驱动机构的整体体积，有利于履带小型化。自重仅为8kg；履带运动速度最大可达2m/min。所需直流电机的功率大大减小，转动力矩也相应有很大幅度的降低，既克服了永磁式磁吸附爬壁机器人履带吸附能力和运动性能之间的矛盾，又能降低对直流电机的功率和输出转矩的要求。具有运动阻力小，驱动功耗低等特点。\n履带具有一定的柔性，可适应不同形状的作业面，比如球罐、储罐、锅炉等曲面。可以构成不同形式的爬壁机器人或者类似的爬壁机构。\n图2为履带吸附机构连接关系以及与驱动机构连接关系示意图。\n图3为变磁力吸附单元与链条部分连接关系示意图。\n图4为变磁力吸附单元在履带中的排列次序图。\n图5为变磁力吸附单元拨杆与拨轮之间工作状态示意图。\n图6为变磁力吸附单元实施例的结构示意图。\n图7为图6的A-A剖视图。\n图8为变磁力吸附单元外形结构图。\n图9a为变磁力吸附单元磁吸附状态工作原理示意图。\n图9b为变磁力吸附单元磁短路状态工作原理示意图。\n图1～图9中：\n1-前链轮轴        2-拨轮       3-主动链轮   4-链条5-变磁力吸附单元  6-减速器     7-直流电机   8-连接板9-从动链轮       10-后链轮轴   11-输出齿轮  12-调节套筒13-齿轮轴        14-中间齿轮   15-输入齿轮  16-调节套筒17-张紧机构      18-隔磁体     19-磁轭      20-永磁体21-滑轮          22-拨杆       23-回复弹簧  24-吸附壁面驱动机构由直流电机7、减速器6、减速齿轮组组成。直流电机和减速器同轴安装，用长螺栓将其固定在吸附机构一侧的连接板上；减速齿轮组输入齿轮15安装在减速器输出轴上，输出齿轮11和主动链轮3同轴安装在链轮轴上，并采用螺钉紧固；减速齿轮组为开式齿轮传动机构，安放在两连接板8之间，中间齿轮14通过轴承连接在齿轮轴上，调节套筒12为其轴向定位。这样，直流电机可以通过减速机构直接驱动主动链轮。采用减速器配合开式齿轮传动这种传动方式，能够充分利用连接板之间的空间，减小了驱动机构的整体体积，有利于履带小型化。直流电机通过减速机构，将动力传递给链轮。链轮带动链条运动，吸附单元也随链条运动，使得履带能够前进和后退。调节直流电机的转速，可以调节履带的运动速度。\n连接在履带链条上的吸附单元，按照其瞬时运动状态可以分为两类——运动单元和静止单元。其中，静止单元贴合在吸附壁面，运动单元脱离壁面，并随链条运动，从主(从)动链轮的位置运动到从(主)动链轮的位置。本发明中的吸附单元采用变磁力吸附单元，其结构如图6、图7所示。该吸附单元主要包括永磁体、磁轭、隔磁体和拨动—回复机构；拨动—回复机构由设置在永磁体一端的芯轴、回复弹簧和安装在芯轴上的拨秆组成，永磁体位于磁轭和隔磁体组成的中心通孔中。这种变磁力吸附单元为一双稳态机构(磁吸附状态和磁短路状态)，当贴合在吸附壁面时，吸附单元处于磁吸附状态，吸附力为最大；当脱离吸附壁面时，吸附单元切换至磁短路状态，吸附力减为最小。\n吸附单元从磁吸附状态向磁短路状态转变时，需要一外力作用来完成切换过程。当吸附单元脱离壁面的瞬间，与链轮同轴安装的拨轮和吸附单元拨杆的滑轮相接触，由于拨轮和拨杆组成杠杆的放大作用，拨轮可以为吸附单元拨杆提供较大的力，改变了吸附单元的磁路状态，吸附单元由磁吸附状态变为磁短路状态，吸附力减为最小，而其他静止吸附的单元吸附力不变。当拨轮和拨杆相分离时，吸附单元能够自动保持磁短路状态，并且一直保持到吸附单元重新运动至壁面，与壁面重新贴合，此时，吸附单元在自身拨动—回复机构弹簧和回复转矩M的作用下，自动由磁短路状态变为磁吸附状态，吸附力又回复为最大值。链条随链轮不断运动，每个时刻都有一个吸附单元由磁吸附状态变为短路状态，另一个单元从磁短路状态变为吸附状态。这样，履带总能保持一定数量的吸附单元的磁吸附力最大，满足其负载要求；同时，脱离壁面的吸附单元，在拨轮作用下，又能将其吸附力减为最小，降低了对驱动系统功率和转矩的要求。\n因此，在运动过程中，吸附单元能够在拨轮的作用下，自然脱离壁面，不需要额外的能量克服永磁式吸附单元的吸附力所造成的脱离壁面的阻力，同时又能保证爬壁机器人履带的负载能力。这样，所需直流电机的功率大大减小，转动力矩也相应有很大幅度的降低，即克服了永磁式磁吸附爬壁机器人履带吸附能力和运动性能之间的矛盾，又能降低对直流电机的功率和输出转矩的要求。\n为了便于叙述，结合实施例附图说明如下：履带吸附机构的连接关系如图2所示。此机构由若干个变磁力吸附单元5、链条4、主动链轮3、从动链轮9、前后链轮轴1、10、连接板8、张紧机构17、拨轮2、调节套筒16等组成。其连接关系如下：前链轮轴1固定在连接板8上，后链轮轴9依靠张紧机构17来确定其位置；链轮以轴承安装形式连接在链轮轴上，相对于两连接板8中心对称，两连接板与链轮之间的距离由调节套筒16来调整；链条4为带两侧翼板的标准链条；变磁力吸附单元5根据拨杆22的位置，按照图3所示的方式均匀交替排列，安装在链条上，组成吸附履带，以避免拨杆之间相互干涉引起的内部阻力。根据吸附单元磁极极化方向的不同，按照如图4所示的方式，即N-S-S-N-N-S的次序交替均匀排列，安装到链条上；这样，避免了吸附单元之间相互吸引造成粘连。履带依靠调节前后链轮轴之间的距离张紧，以适应不同曲率的壁面。\n拨轮2和吸附单元拨杆22之间位置关系如图5所示。拨轮与链轮同轴安装，其轴向通过调节套筒16定位，螺母紧固。拨轮2通过调节套筒16，使得其能够和吸附单元拨杆的滑轮21相接触。这样，拨轮拨动吸附单元的拨动—回复机构，形成一点接触结构，避免了一些接触死点，减小了因此所造成的运动阻力。拨轮拨杆机构采用杠杆原理，拨轮的半径远远大于拨杆的长度，这样，更加减小了吸附单元脱离壁面时对履带的运动冲击。\n驱动机构和吸附机构之间的连接关系如图2所示：直流电机7和减速机构组成了履带的驱动机构。为了结构紧凑，本减速装置采用减速器6和由输出齿轮11、输入齿轮15、中间齿轮14组成的减速齿轮组进行两级减速后直接驱动主动链轮3。直流电机7和减速器6同轴安装，由长螺栓将其共同固结在吸附机构的连接板8上。减速齿轮组为开式减速装置，其输入齿轮15安装在减速器6的输出轴上，中间齿轮14安装在吸附运动机构的两连接板8之间的齿轮轴13上，通过调节套筒12轴向定位，输出齿轮11和主动链轮3同轴安装，并通过螺栓固结在一起。这种减速方式，可以将部分减速装置安放在两连接板内部，减小了整个履带的体积，使得履带能够小型化。\n图6和图7为变磁力吸附单元的结构原理示意图。图8为变磁力吸附单元的外形结构图。该变磁力吸附单元主要包括永磁体20、磁轭19、隔磁体18和拨动—回复机构；拨动—回复机构由设置在永磁体一端的芯轴、回复弹簧23和安装在芯轴上的拨秆22组成，拨杆上设有滑轮装置21，永磁体位于磁轭和隔磁体组成的中心通孔中。变磁力吸附单元是通过改变永磁体20磁化方向和磁轭19的相对位置，实现了磁吸力的调节。当吸附磁路部分如图9a贴合在壁面上时，永磁体20产生的磁通几乎完全经过磁轭19和导磁壁面24闭合，气隙磁感应强度达到最大，吸附单元处于磁吸附状态，吸力为最大；当处于磁短路状态时(图9b)，磁通主要通过两侧磁轭闭合，气隙中磁感应强度减为最小，此时吸力相应减小；而当永磁体和磁轭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磁轭的相对位置，可以改变吸附单元的磁吸力大小。拨轮拨动拨杆，吸附单元由最大吸力状态变为最小吸力；吸附单元重新贴合壁面，回复弹簧23促使吸附单元由最小吸力变为最大吸力。\n履带的工作过程如下：当直流电机7通电后，通过减速器6和减速齿轮组，带动主动链轮3运动。链条4在链轮作用下发生运动，位于链轮下方的吸附单元5即将脱离壁面时，拨轮2和吸附单元拨杆22的滑轮21相接触，将拨杆位置由垂直变为水平状态，其磁路也由磁吸附转变为磁短路状态，使得吸附单元的吸附力减为最小，从而在履带运动过程中，减小了电机因克服吸附力造成的阻力而额外增加的能量消耗。而位于前方的吸附单元，在与壁面重新贴合后，其拨动—回复机构能够自动回复到吸附力最大的状态，使得吸附履带总能保证足够多的吸附单元处于最大吸附力状态，维持其载重。如此循环，履带就能够在保证其承载能力的前提下，克服永磁式履带爬壁机器人履带吸附力大而造成的运动困难的问题，既满足了机器人负载的需要，又能降低对直流电机功率、转矩的要求，达到运动灵活、运动冲击小和电机驱动损耗小的目的。调节直流电机的转速，可以调节履带的运动速度。