專利名稱：磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī) 器人用輪式越障機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
爬壁機(jī)器人是一種具有移動(dòng)和吸附功能可以在垂直壁面上運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化設(shè)備，可 以在核工程、消防和大型非結(jié)構(gòu)設(shè)備的制造和維護(hù)等危險(xiǎn)和極限環(huán)境下代替工人完成工 作。具有廣泛的應(yīng)用前景。爬壁機(jī)器人常用的吸附方式主要有負(fù)壓吸附和磁吸附，因永磁吸附具有吸附力 大、不需要電源驅(qū)動(dòng)，在鐵磁質(zhì)環(huán)境中的爬壁機(jī)器人大多使用永磁鐵作為吸附機(jī)構(gòu)。爬壁機(jī) 器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有足式、輪式和履帶式。足式雖然越障能力好，輪式和履帶式的移動(dòng)方 式在爬壁機(jī)器人中應(yīng)用較多，但存在與磁吸附結(jié)合的磁輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁吸附力小和磁履帶 移動(dòng)機(jī)構(gòu)則轉(zhuǎn)向阻力大的缺點(diǎn)。同時(shí)大多不具備越障能力和磁吸附力不可調(diào)節(jié)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0041006429. 6，記載了一種“磁輪 吸附式爬壁機(jī)器人”涉及到了磁輪吸附移動(dòng)技術(shù)。其不足在于車輪與壁面接觸面積小，磁 能利用率低和磁吸附力小，磁輪往往需做的比較大采用滿足機(jī)器人的負(fù)載和安全爬壁的要 求，但這又增加了機(jī)器人的重量和運(yùn)動(dòng)的靈活性。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00510086383. X，記載了 “一種磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人輪式 越障機(jī)構(gòu)”涉及到了非接觸磁吸附和輪式移動(dòng)技術(shù)，但存在移動(dòng)機(jī)構(gòu)不具備越障能力和吸 附力大小不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2117079. 7，記載了 “一種磁吸附式爬壁機(jī)器 人履帶”，其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向阻力大，運(yùn)動(dòng)不靈活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪 式越障機(jī)構(gòu)，解決現(xiàn)有吸附和移動(dòng)機(jī)構(gòu)存在的問題，該吸附移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活、移動(dòng)機(jī)構(gòu)可 升降和吸附力可調(diào)節(jié)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、 直線導(dǎo)軌、彈簧、滑動(dòng)導(dǎo)桿和導(dǎo)桿連接框，其中吸附機(jī)構(gòu)置于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下并與四根滑動(dòng)導(dǎo) 桿活動(dòng)連接，彈簧套接滑動(dòng)導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿連接框與彈簧相接觸并與四根滑動(dòng)導(dǎo)桿相連，升降 機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)活動(dòng)連接，直線導(dǎo)軌與移動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī) 構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)沿著直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)。所述的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪軸、滑動(dòng)導(dǎo)筒、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中驅(qū) 動(dòng)輪安裝在驅(qū)動(dòng)輪軸的兩端，驅(qū)動(dòng)輪軸為中空軸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在軸中間，電機(jī)輸出軸與驅(qū) 動(dòng)輪相連直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，滑動(dòng)導(dǎo)筒安裝在驅(qū)動(dòng)輪軸的兩側(cè)。所述的驅(qū)動(dòng)輪由鋁合金車輪轂和一層IOmm厚的橡膠外圈組成，橡膠外圈通過模 具在車輪轂上澆鑄成型，橡膠外圈與壁面之間有著較大的摩擦系數(shù)。
所述的滑動(dòng)導(dǎo)桿穿過移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的滑動(dòng)導(dǎo)筒使吸附機(jī)構(gòu)活動(dòng)設(shè)置于移動(dòng)機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動(dòng)輪軸下。所述的吸附機(jī)構(gòu)包括軛鐵、兩塊第一永磁鐵塊、三塊第二永磁鐵塊及相應(yīng)磁鐵固 定板，磁鐵固定板將永磁鐵塊固定在軛鐵上，第一永磁鐵塊置于軛鐵的兩端，第二永磁鐵塊 置于中間位置。所述的第二永磁鐵塊的長(zhǎng)度與第一永磁鐵塊相同，第二永磁鐵塊的寬度大于第一 永磁鐵塊。所述的升降機(jī)構(gòu)包括第一絲杠螺母、第二絲杠螺母和絲杠，其中第一絲杠螺母 和第二絲杠螺母的螺距為分別為4. 5和3mm，第一絲杠螺母安裝在吸附機(jī)構(gòu)上，第二絲杠螺 母安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪軸上，絲杠與所述的第一絲杠螺母和第二絲杠螺母分別組成運(yùn) 動(dòng)副。所述的絲杠上均設(shè)有兩段螺距分別為3mm和4. 5mm的螺紋。所述的彈簧為壓縮彈簧，該彈簧在工作中可將磁鐵產(chǎn)生的吸力傳遞到車輪軸上， 以減小絲杠與吸附機(jī)構(gòu)螺母間的摩擦力，同時(shí)可使吸附機(jī)構(gòu)與車輪軸間保持一定的相對(duì)距罔。本發(fā)明工作原理是吸附機(jī)構(gòu)通過滑動(dòng)導(dǎo)桿與移動(dòng)機(jī)構(gòu)形成活動(dòng)連接可相對(duì)移動(dòng) 機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，因第一絲杠螺母和第二絲杠螺母上的螺距不一樣，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在第二絲 杠螺母與絲杠嚙合的范圍內(nèi)，吸附機(jī)構(gòu)可相對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)吸附力大 小的調(diào)節(jié)。同時(shí)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)在絲杠的驅(qū)動(dòng)下可一起沿著直線導(dǎo)軌一起上下移動(dòng)， 因此一套驅(qū)動(dòng)電機(jī)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)升降和吸附力大小的調(diào)節(jié)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)包括克服了現(xiàn)有磁輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)磁能利用率低磁吸附力小和有磁吸 附履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)笨重、轉(zhuǎn)向阻力大的缺點(diǎn)；具有較好的越障能力，磁吸附力大小可實(shí)現(xiàn)調(diào) 節(jié)；磁吸附機(jī)構(gòu)經(jīng)過使用有限元軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了磁鐵磁能密度和磁吸附力。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的前視圖。圖3a是永磁鐵組件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3b是永磁鐵組件仰視圖。圖4為實(shí)施實(shí)例示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)1、吸附機(jī)構(gòu)2、升降機(jī)構(gòu)3、直線導(dǎo)軌 4、彈簧5、滑動(dòng)導(dǎo)桿6和導(dǎo)桿連接框7，其中吸附機(jī)構(gòu)1通過滑動(dòng)導(dǎo)桿6置于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1下 并形成活動(dòng)連接，彈簧套接滑動(dòng)導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿連接框壓緊彈簧并將滑動(dòng)導(dǎo)桿連接在一起，升 降機(jī)構(gòu)3與移動(dòng)機(jī)構(gòu)1和吸附機(jī)構(gòu)2形成活動(dòng)連接，直線導(dǎo)軌4與移動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，這樣在升降機(jī)構(gòu)3的驅(qū)動(dòng)下，移動(dòng)機(jī)構(gòu)1和吸附機(jī)構(gòu)2可一起沿著直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)。所述的移動(dòng)機(jī)構(gòu)1包括兩組驅(qū)動(dòng)輪8、驅(qū)動(dòng)輪軸9、滑動(dòng)導(dǎo)筒10及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電 機(jī)11，其中驅(qū)動(dòng)輪8安裝在驅(qū)動(dòng)輪軸9的兩端，驅(qū)動(dòng)輪軸9為中空軸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)11安裝在 驅(qū)動(dòng)輪軸中間并直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪8。所述的驅(qū)動(dòng)輪8由鋁合金驅(qū)動(dòng)輪轂12和一層IOmm厚的橡膠外圈13組成，以增大 驅(qū)動(dòng)輪8與地面的摩擦系數(shù)，橡膠外圈13通過模具在驅(qū)動(dòng)輪轂12上澆鑄成型；所述的升降機(jī)構(gòu)3包括第一絲杠螺母14、第二絲杠螺母15和絲杠16，第一絲杠 螺母14和第二絲杠螺母15的螺距為分別為4. 5和3mm，絲杠螺母安裝在吸附機(jī)構(gòu)上，采用 青銅合金制造，第一絲杠螺母14固定于吸附機(jī)構(gòu)2上，第二絲杠螺母15固定在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動(dòng)輪軸9上，絲杠16上有兩段螺距分別為4. 5mm和3mm的螺紋，前述第一絲杠螺母和第二 絲杠螺母分別組成運(yùn)動(dòng)副，因兩絲杠螺母螺距不相等，當(dāng)絲杠16轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可調(diào)整吸附機(jī)構(gòu)2 與移動(dòng)機(jī)構(gòu)1的相對(duì)距離。所述的吸附機(jī)構(gòu)2包括軛鐵17、第一永磁鐵塊18、第二永磁鐵塊19、中間磁鐵固 定板20和兩側(cè)磁鐵固定板21，其中軛鐵17采用采用導(dǎo)磁性能良好的電工純鐵制造，永磁 鐵塊18、19采用高性能的釹鐵硼材料，牌號(hào)為NdFe N45SH。第二永磁鐵塊19的寬度是第一 永磁鐵塊18的兩倍，磁鐵固定板20、21將永磁鐵塊18、19固定在軛鐵17上，第一永磁鐵塊 置于兩端，因吸附機(jī)構(gòu)中各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸附性能的影響較大，在不同氣隙高度時(shí)，磁鐵性能 達(dá)到最優(yōu)的時(shí)的磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)相應(yīng)會(huì)發(fā)生變化；通過有限元方法對(duì)吸附機(jī)構(gòu)中軛鐵和永磁 鐵塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。所述的彈簧5為壓縮彈簧，在工作中可將磁鐵產(chǎn)生的吸力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪軸9上，可 減小絲杠16與第一絲杠螺母14和第二絲杠螺母15間的摩擦力，同時(shí)可使吸附機(jī)構(gòu)2與驅(qū) 動(dòng)輪軸9間保持一定的相對(duì)距離；如圖3所示，以正常氣隙為IOmm時(shí)經(jīng)使用有限元方法優(yōu)化后設(shè)計(jì)的吸附機(jī)構(gòu)2，具 體尺寸為軛鐵尺寸為120_X244_X9mm，窄磁鐵單元尺寸為120_X25_X 12_，寬磁 鐵單元尺寸為120mmX 50mmX 12mm,兩磁鐵間相距11mm，吸附機(jī)構(gòu)2總重4. 5KG，在氣隙高度 為IOmm時(shí)，可產(chǎn)生2350N的吸附力。圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施實(shí)例的示意圖。直線導(dǎo)軌安裝在機(jī)器人的支架上，絲杠由 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)絲杠和兩個(gè)絲杠螺母都嚙合時(shí)，吸附機(jī)構(gòu)會(huì)相對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì) 移動(dòng)，同時(shí)兩機(jī)構(gòu)也會(huì)一起上下移動(dòng)，當(dāng)吸附機(jī)構(gòu)上的絲杠螺母與絲杠分離后，移動(dòng)機(jī)構(gòu)和 吸附機(jī)構(gòu)會(huì)一起上下移動(dòng)。這樣如果機(jī)器上安裝多組移動(dòng)和吸附機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)吸附力大小 的調(diào)節(jié)和升降越障的功能。
權(quán)利要求
一種磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、直線導(dǎo)軌、彈簧、滑動(dòng)導(dǎo)桿和導(dǎo)桿連接框，其特征在于吸附機(jī)構(gòu)置于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下并與四根滑動(dòng)導(dǎo)桿活動(dòng)連接，彈簧套接滑動(dòng)導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿連接框與彈簧相接觸并與四根滑動(dòng)導(dǎo)桿相連，升降機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)活動(dòng)連接，直線導(dǎo)軌與移動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)沿著直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪軸、滑動(dòng)導(dǎo)筒、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)輪安裝在 驅(qū)動(dòng)輪軸的兩端，驅(qū)動(dòng)輪軸為中空軸，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在軸中間，電機(jī)輸出軸與驅(qū)動(dòng)輪相連直 接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，滑動(dòng)導(dǎo)筒安裝在驅(qū)動(dòng)輪軸的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的驅(qū)動(dòng)輪由鋁合金車輪轂和一層IOmm厚的橡膠外圈組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的滑動(dòng)導(dǎo)桿穿過移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的滑動(dòng)導(dǎo)筒使吸附機(jī)構(gòu)活動(dòng)設(shè)置于移動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪軸下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的吸附機(jī)構(gòu)包括軛鐵、兩塊第一永磁鐵塊、三塊第二永磁鐵塊及相應(yīng)磁鐵固定板，磁鐵 固定板將永磁鐵塊固定在軛鐵上，第一永磁鐵塊置于軛鐵的兩端，第二永磁鐵塊置于中間 位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的第二永磁鐵塊的長(zhǎng)度與第一永磁鐵塊相同，第二永磁鐵塊的寬度大于第一永磁鐵塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的升降機(jī)構(gòu)包括第一絲杠螺母、第二絲杠螺母和絲杠，其中第一絲杠螺母和第二絲杠 螺母的螺距為分別為4. 5和3mm，第一絲杠螺母安裝在吸附機(jī)構(gòu)上，第二絲杠螺母安裝在移 動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪軸上，絲杠與所述的第一絲杠螺母和第二絲杠螺母分別組成運(yùn)動(dòng)副。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的絲杠上均設(shè)有兩段螺距分別為3mm和4. 5mm的螺紋。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，其特征是，所 述的彈簧為壓縮彈簧。
全文摘要
一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的磁吸附力可調(diào)的爬壁機(jī)器人用輪式越障機(jī)構(gòu)，包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸附機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、直線導(dǎo)軌、彈簧、滑動(dòng)導(dǎo)桿和導(dǎo)桿連接框，吸附機(jī)構(gòu)置于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下并與四根滑動(dòng)導(dǎo)桿活動(dòng)連接，彈簧套接滑動(dòng)導(dǎo)桿上，導(dǎo)桿連接框與彈簧相接觸并與四根滑動(dòng)導(dǎo)桿相連，升降機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)活動(dòng)連接，直線導(dǎo)軌與移動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和吸附機(jī)構(gòu)沿著直線導(dǎo)軌上下移動(dòng)。本發(fā)明的非接觸磁吸附輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)靈活、吸附力大且可調(diào)節(jié)、可升降的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B25J5/00GK101947778SQ20101028954
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者付莊, 吳明暉, 趙言正, 陳善本, 高曉飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)