專利名稱：一種用于爬壁機器人的變磁力吸附單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械制造技術領域，特別涉及一種爬壁機器人磁吸附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計。
爬壁機器人必須具備兩個基本功能壁面吸附和移動作業(yè)。吸附單元作為爬壁機器人的重要組成部分，為機器人提供吸附力，使其可靠吸附在壁面。但爬壁機器人在移動作業(yè)時，吸附力成為其主要的運動阻力；并且，吸附力越大，運動阻力也越大，機器人的移動作業(yè)能力也就越差。由此可見，磁吸附爬壁機器人的吸附能力和移動性能是相互矛盾的。履帶式磁吸附爬壁機器人的吸附履帶由多個吸附單元組成，因此，吸附單元性能的優(yōu)劣，不僅決定了機器人的整體結(jié)構(gòu)尺寸、承載能力和自身重量，而且還直接影響著其運動靈活性和驅(qū)動功耗。所以，研究設計合理的吸附單元，使得吸附單元能夠更大的吸附力，并能運動靈活，成為爬壁機器人的主要關鍵技術所在。
現(xiàn)有技術中，爬壁機器人的吸附單元主要包括電磁式吸附機構(gòu)和永磁式吸附機構(gòu)兩種。
電磁式吸附機構(gòu)是通過電磁鐵提供磁吸力，將機器人吸附于壁面。例如日本TOSHIBA KK(TOKE)發(fā)明了一部框架式電磁吸附小車，該小車通過電磁線圈產(chǎn)生磁場經(jīng)鐵心傳給柔性極靴，通過柔性極靴中的軟磁性粉末與磁性表面相互作用產(chǎn)生吸力。中國實用新型專利“履帶式電磁吸附爬壁機構(gòu)”(專利號ZL97219169.0)，也是類似的原理，每個履帶吸附單元在激磁電流的作用下，產(chǎn)生吸附力，實現(xiàn)其壁面吸附功能。對于此種電磁式吸附單元，雖然吸附力可以通過電流的通斷而改變，但這種機構(gòu)工作時要消耗電能，并且安全性較差，當意外斷電時易發(fā)生危險。
永磁式吸附機構(gòu)是依靠永磁體提供吸附力。例如日本石川島播磨重工業(yè)公司開發(fā)了一種“永磁輪式超聲波檢查機器人”，也采用鐵磁性吸附機構(gòu)，吸力可達200公斤左右；清華大學研制的“履帶式永磁爬壁機構(gòu)”(專利號ZL00200795.9)以及北京石油化工學院研制的“輪式永磁吸附爬壁焊接機器人”(專利申請?zhí)?0107432.6)都采用了永磁式吸附單元。此種吸附單元所產(chǎn)生的磁吸附力不能改變，在吸附單元脫離壁面時需要消耗額外的能量，增加了運動阻力，因此驅(qū)動系統(tǒng)需將一部分功率用于吸附單元脫離壁面，增大了驅(qū)動功耗和額外的扭矩要求，造成系統(tǒng)的運動沖擊，尤其是機器人低速運行時更為顯著。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種用于爬壁機器人的變磁力吸附單元，包括由永磁體和磁軛組成的吸附磁路部分和聯(lián)接部分，其特征在于該吸附單元還包括撥動—回復機構(gòu)，所述的撥動—回復機構(gòu)主要由設置在永磁體一端的芯軸、回復彈簧和撥稈組成，撥桿安裝在芯軸上，回復彈簧一端固定在磁軛上，另一端固定在撥桿上，所述磁軛由兩部分組成且對稱布置，其中間放置隔磁體，永磁體位于磁軛和隔磁體組成的中心通孔中。
本發(fā)明所提供的變磁力吸附單元，其永磁體采用沿徑向磁化的圓柱體。所述的芯軸通過由隔磁材料制成的軸承與永磁體相連接；所述的回復彈簧采用扭簧。
本發(fā)明所設計的變磁力吸附單元，是通過設置在永磁體一端的撥動—回復機構(gòu)，來改變永磁體磁化方向與軛鐵的相對位置，從而達到改變吸附單元的磁吸力大小的目的。
本發(fā)明所述的變磁力吸附單元與現(xiàn)有技術相比，具有如下特點(1)效克服了磁吸附爬壁機器人吸附能力和移動性能之間的矛盾；能夠?qū)崿F(xiàn)吸附單元靠近吸附面的瞬間，磁吸力最大，而在將脫離附著面的時刻，磁吸力最??；附狀態(tài)時最大吸附力可達25kgf，磁短路狀態(tài)時最小吸附力僅為0.9kgf。
(2)附單元具有雙穩(wěn)態(tài)特性，即磁吸附狀態(tài)和磁短路狀態(tài)；兩穩(wěn)態(tài)(吸附—脫附、脫附—吸附)之間的切換控制方便；(3)體積小(54×20×16mm)、重量輕(僅為0.13kg)、結(jié)構(gòu)緊湊。
圖2為

圖1的A-A剖面圖。
圖3a為變磁力吸附單元磁吸附狀態(tài)的工作原理示意圖。
圖3b為變磁力吸附單元磁短路狀態(tài)的工作原理示意4為回彈力矩M和旋轉(zhuǎn)角度δ之間的關系圖。
圖5a為變磁力吸附單元的吸附狀態(tài)向短路狀態(tài)切換示意圖。
圖5b為變磁力吸附單元的短路狀態(tài)向吸附狀態(tài)切換示意圖。
在圖1～圖5中1、5、15、16聯(lián)接螺釘 2后端蓋 3軛鐵 4隔磁體6聯(lián)接卡子7永磁體 8軸承9前端蓋10芯軸11回復彈簧12撥稈13彈簧墊圈 14緊固螺母下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實施方式本發(fā)明所述的變磁力吸附單元如附圖1和附圖2所示，本發(fā)明設計的永磁式變磁力吸附單元，包括吸附磁路部分、聯(lián)接部分和撥動—回復機構(gòu)三部分。吸附磁路部分由永磁體7，磁軛3與隔磁體4組成。永磁體7呈圓柱形，沿徑向磁化。磁軛由兩部分組成且對稱布置，其中間放置隔磁體4，長方形磁軛3中心開一通孔，永磁體位于磁軛和隔磁體組成的中心通孔中，永磁體7可以在孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。其中，永磁體選用矯頑力較高的釹鐵硼(NdFeB)磁性材料，并經(jīng)過老化處理工藝，提高永磁體的溫度穩(wěn)定性，采用表面鍍Ni工藝，提高其化學穩(wěn)定性；磁軛選用低碳鋼等導磁性能良好的材料，隔磁體選用銅或鋁等導磁性能差的材料。
聯(lián)接部分中，通過前后端蓋9、2和聯(lián)接卡子6以及螺釘1，15，16，將分離的軛鐵3和隔磁體4聯(lián)結(jié)在一起。聯(lián)接螺釘5用于聯(lián)接吸附單元和履帶部分的連接，構(gòu)成可變磁力履帶；撥動—回復機構(gòu)由芯10、軸承8、回復彈簧11、撥稈12、彈簧墊圈13和緊固螺母14組成，其中，芯軸10位于永磁體的端面開口處，通過軸承8外延出前端蓋9與撥桿12聯(lián)接，并采用緊固螺母14和彈簧墊圈13將其緊固?；貜蛷椈?1一端位于撥桿12中的小孔中，另一端固定在前端蓋9與軛鐵3的聯(lián)接螺釘上。其中，回復彈簧11采用扭簧。為減輕重量，軸承8可采用具有隔磁性能的尼龍材料。前端蓋9將撥動—回復機構(gòu)中的軸承8固定在軛鐵3中，限制了軛鐵沿永磁體軸向的位移；聯(lián)接卡子6通過聯(lián)接螺釘，限定了軛鐵3和隔磁體4沿垂直和永磁體軸向方向的相對運動。聯(lián)接螺釘5通過聯(lián)接卡子6，可以使本發(fā)明設計的吸附單元和爬壁機器人履帶鏈條的翼板相聯(lián)接，組成完整的爬壁機器人履帶。連接卡子選用不導磁的材料如不銹鋼、鋁或者銅。
本發(fā)明的工作原理結(jié)合圖3a、3b說明如下本發(fā)明所設計的吸附單元，是通過改變永磁體磁化方向和軛鐵的相對位置，來實現(xiàn)磁吸附力可變的目的。
本發(fā)明所設計的吸附單元，具有獨特的雙穩(wěn)態(tài)特性——磁吸附狀態(tài)和磁短路狀態(tài)當吸附磁路部分如圖3a放置在鋼鐵等導磁壁面上時，吸附單元與壁面足夠接近，氣隙磁阻很小，永磁體的磁通幾乎完全經(jīng)過軛鐵和導磁壁面閉合，氣隙中磁感應強度達到最大值，此時永磁體處于磁吸附狀態(tài)，吸力為最大磁吸力；當永磁體處于磁短路狀態(tài)時(圖3b)，磁通主要通過兩側(cè)軛鐵閉合，氣隙中磁感應強度降低到最小值，此時吸力減為最小磁吸力；而當永磁體和軛鐵的相對位置處于兩者之間時，吸附單元對導磁壁面的吸附力也介于二者之間。因此，改變永磁體磁化方向和軛鐵的相對位置，可以改變吸附單元的磁吸力大小。
下面說明吸附單元雙穩(wěn)態(tài)之間的切換原理當吸塊底面與鋼鐵壁面間氣隙足夠小時，磁吸附狀態(tài)(圖3a)為穩(wěn)定位置，令永磁體磁化方向與吸塊垂直對稱軸的夾角為δ，此時δ＝0°；當吸塊底面遠離鋼鐵壁面時，磁短路狀態(tài)(圖3b)為穩(wěn)定位置，δ＝90°。當永磁體偏離穩(wěn)定位置時，將受到回復力矩M的作用，M與δ的關系如圖4所示。
磁吸附狀態(tài)向磁短路狀態(tài)切換(如圖5a所示)處于磁吸附狀態(tài)的吸附單元，其撥桿受到外力F的作用，撥桿將沿著心軸的中心線旋轉(zhuǎn)。當撥桿由δ＝0°旋轉(zhuǎn)至δ＝90°時，吸附單元由磁吸附狀態(tài)切換到磁短路狀態(tài)。
磁短路狀態(tài)向磁吸附狀態(tài)切換(如圖5b所示)在磁吸附狀態(tài)向磁短路狀態(tài)切換過程中，彈簧受拉伸儲能，再加上永磁體偏離穩(wěn)定位置時將受到回復力矩M的作用。所以，在吸附單元重新和壁面貼合的時候，在回復力矩和彈簧的共同作用下，單元完成磁短路狀態(tài)向磁吸附狀態(tài)的自動切換，不需任何外力。
因此，本發(fā)明所設計的吸附單元實現(xiàn)了吸附單元最大和最小吸附力之間的轉(zhuǎn)化，具有變磁力的功能。在吸附單元和壁面接觸的時候，吸附力為最大值，而在脫離壁面的時候，又會減為最小。所以，由其構(gòu)成的吸附機構(gòu)(如爬壁機器人磁吸附履帶等)，能夠克服磁吸附爬壁機器人吸附能力和移動性能之間的矛盾。
權(quán)利要求
1.一種用于爬壁機器人的變磁力吸附單元，包括由永磁體和磁軛組成的吸附磁路部分和聯(lián)接部分，其特征在于該吸附單元還包括撥動—回復機構(gòu)，所述的撥動—回復機構(gòu)主要由設置在永磁體一端的芯軸、回復彈簧和撥稈組成，撥桿安裝在芯軸上，回復彈簧一端固定在磁軛上，另一端固定在撥桿上，所述磁軛由兩部分組成且對稱布置，其中間放置隔磁體，永磁體位于磁軛和隔磁體組成的中心通孔中。
2.按照權(quán)利要求1所述的變磁力吸附單元，其特征在于永磁體采用沿徑向磁化的圓柱體。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的變磁力吸附單元，其特征在于所述的芯軸通過由隔磁材料制成的軸承與永磁體相連接。
4.按照權(quán)利要求3所述的變磁力吸附單元，其特征在于所述的回復彈簧采用扭簧。
5.按照權(quán)利要求3所述的變磁力吸附單元，其特征在于所述的軸承材料采用尼龍材料。
全文摘要
一種用于爬壁機器人的變磁力吸附單元,涉及一種履帶式爬壁機器人磁吸附機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計。本發(fā)明包括吸附磁路部分、聯(lián)接部分和撥動－回復機構(gòu)。撥動－回復機構(gòu)主要包括芯軸、軸承、回復彈簧、撥稈;永磁體采用沿徑向磁化的圓柱體,放置于長方體磁軛的中心通孔中,可自由轉(zhuǎn)動;磁軛被隔磁體沿中心隔為對稱的兩半,撥桿通過芯軸和永磁體連接。本發(fā)明具有雙穩(wěn)態(tài)特性——磁吸附狀態(tài)和磁短路狀態(tài),兩穩(wěn)態(tài)之間的切換控制方便;體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊;磁吸附狀態(tài)時最大吸附力可達25kgf,磁短路狀態(tài)時最小吸附力僅為0.9kgf;制造工藝成熟、成本低廉。本發(fā)明適于與履帶機構(gòu)相結(jié)合,可以安裝在履帶式爬壁機器人鏈節(jié)上,組成變磁力吸附履帶。
文檔編號B25J15/06GK1375382SQ02117080
公開日2002年10月23日 申請日期2002年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月29日
發(fā)明者陳強, 紀萌, 王軍波, 孫振國 申請人:清華大學