專利名稱：輪式越障爬壁機(jī)器人的制作方法
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，具體是一種輪式越障爬壁機(jī)器人。
背景技術(shù)：
爬壁機(jī)器人是一種具有移動和吸附功能可以在垂直壁面上運動的自動化設(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。因永磁吸附具有吸附力大、不需要電源驅(qū)動，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)。與磁吸附相結(jié)合的輪式和履帶式爬壁機(jī)器人中應(yīng)各有優(yōu)缺點。 磁輪式爬壁機(jī)器人存在磁能利用率低，磁吸附力小的缺點，磁履帶爬壁機(jī)器人存在轉(zhuǎn)向阻 力大的缺點。已有的具有曲面自適應(yīng)能力的爬壁機(jī)器人雖能能自動適應(yīng)壁面變化，但不具 備越障能力。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?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)器人的重量和運動的靈活性。中國專利申請?zhí)?00510086383. X記載了 “一種非接觸磁吸附輪式爬壁機(jī)器人”， 其特征是磁吸附機(jī)構(gòu)固定在車架上，采用輪式移動機(jī)構(gòu)，其具有吸附力大運動靈活的優(yōu)點， 但磁鐵與壁面間的間隙不能調(diào)節(jié)，不具備越障能力。中國專利申請?zhí)?00510086382. 5記載 了 “一種具有曲面自適應(yīng)能力的磁吸附爬壁機(jī)器人”，其不足在于不具備越障能力和磁吸力 調(diào)節(jié)能力，難于從工作環(huán)境脫離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種輪式越障爬壁機(jī)器人，解決現(xiàn)有 爬壁機(jī)器人在垂直壁面作業(yè)時存在的問題，機(jī)器人既具有輪式移動機(jī)器人速度快和轉(zhuǎn)向靈 活、履帶式移動機(jī)器人磁吸附力大的特點，同時還具有好的越障能力，能滿足在復(fù)雜環(huán)境中 運動和作業(yè)的需求。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括機(jī)器人車架、三組移動吸附機(jī)構(gòu) 及其對應(yīng)的直線滑軌、絲杠及驅(qū)動電機(jī)，其中三組直線滑軌以及絲杠豎直設(shè)置于機(jī)器人 車架下方且兩端分別與機(jī)器人車架及移動吸附機(jī)構(gòu)相連，驅(qū)動電機(jī)與移動吸附機(jī)構(gòu)固定連接。所述的移動吸附機(jī)構(gòu)包括磁鐵組件、絲杠螺母、兩組驅(qū)動輪及其對應(yīng)驅(qū)動輪軸和 直線電機(jī)，其中直線電機(jī)的輸出軸與驅(qū)動輪相連，兩組驅(qū)動輪軸的一端分別與驅(qū)動輪相 連，另一端與絲杠螺母相連接，絲杠螺母與絲杠活動連接，驅(qū)動輪軸的中部與直線滑軌活動 連接，磁鐵組件固定設(shè)置于驅(qū)動輪軸下方。所述的磁鐵組件包括軛鐵以及若干個單元永磁鐵單元，其中軛鐵為純鐵或高導(dǎo)磁材料制成，永磁鐵單元為釹鐵硼材料制成，磁化方向為豎直方向，相鄰單元磁鐵的磁極 方向相反，交錯排列，兩頭的磁鐵寬度是中間磁鐵寬度的一半。所述的絲杠包括兩段螺距分別為3mm和4. 5mm的螺紋，絲杠一端通過滾動軸承固 定在車架上，該絲杠與移動吸附機(jī)構(gòu)的絲杠螺母組成運動副。機(jī)器人的移動和越障的工作原理是每個車輪由電機(jī)單獨驅(qū)動，依靠驅(qū)動輪的差 速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時，先驅(qū)動機(jī)器人前面移動吸附機(jī)構(gòu)上的直線電機(jī)使其 軸頂?shù)奖诿嫔?，以免機(jī)器人因一端吸附力大于另一端的而出現(xiàn)翹起現(xiàn)象，然后驅(qū)動絲杠將 前面一組的移動吸附機(jī)構(gòu)升到足夠高度使該組車輪越過障礙物，這樣通過輪流升降這3組 移動吸附機(jī)構(gòu)就可使機(jī)器人完成越障運動。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點包括磁鐵安裝在機(jī)器人底盤下，與被吸附面形成 面狀非接觸吸附，這樣不但吸附力大，而且不會影響機(jī)器人的運動靈活性；整個移動吸附機(jī) 構(gòu)可上下移動，具有好的越障能力；采用直線電機(jī)輔助機(jī)器人越障，這保證了機(jī)器人越障的
安全可靠。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)三維示意圖。圖2是本發(fā)明的正視圖和前視圖。圖3是本發(fā)明永磁鐵組件結(jié)構(gòu)的三維示意圖。圖4是本發(fā)明機(jī)器人越障過程示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實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施 例。如圖1和圖2所示，本實施例包括機(jī)器人車架1、三組移動吸附機(jī)構(gòu)2及其對應(yīng) 的直線滑軌3、絲杠4及驅(qū)動電機(jī)5，其中三組直線滑軌3以及絲杠4豎直設(shè)置于機(jī)器人車 架1下方且兩端分別與機(jī)器人車架1及移動吸附機(jī)構(gòu)2相連，驅(qū)動電機(jī)5與移動吸附機(jī)構(gòu) 2固定連接。所述的移動吸附機(jī)構(gòu)2包括磁鐵組件6、絲杠螺母7、兩組驅(qū)動輪8、驅(qū)動電機(jī)9及 其對應(yīng)驅(qū)動輪軸10和直線電機(jī)11，其中兩組驅(qū)動輪軸10的一端分別與驅(qū)動輪8相連，另 一端與絲杠螺母7相連接，絲杠螺母7與絲杠4活動連接，驅(qū)動輪軸9的中部與直線滑軌3 活動連接，驅(qū)動電機(jī)9安裝在中空的驅(qū)動輪軸10內(nèi)，驅(qū)動電機(jī)的輸出軸與驅(qū)動輪8直接相 連，直線電機(jī)11安裝在車輪軸的外側(cè)，磁鐵組件6固定設(shè)置于驅(qū)動輪軸9下方。所述的絲杠4包括兩段螺距分別為3mm和4. 5mm的螺紋，，絲杠4 一端通過滾動軸 承固定在車架1上，絲杠4與絲杠螺母7形成運動副。所述的磁鐵組件6包括軛鐵12以及若干個單元永磁鐵單元13，其中軛鐵12為 純鐵或高導(dǎo)磁材料制成，永磁鐵單元13為釹鐵硼材料制成，磁化方向為豎直方向，相鄰單 元磁鐵的磁極方向相反，交錯排列，兩頭的磁鐵寬度是中間磁鐵寬度的一半。所述的軛鐵12采用采用導(dǎo)磁性能良好的電工純鐵制造，永磁鐵采用高性能的釹鐵硼材料，牌號為NdFe N45SH。因磁鐵組件6中各結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁鐵性能的影響較大，在不同 氣隙高度時，磁鐵性能達(dá)到最優(yōu)的時的磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)相應(yīng)會發(fā)生變化。如圖3所示，以氣隙正常工作高度為IOmm時經(jīng)使用有限元方法優(yōu)化后設(shè)計 的磁鐵組件6，具體尺寸為軛鐵11尺寸為120mmX244mmX9mm，窄磁鐵單元尺寸為 120_Χ 25謹(jǐn)X 12謹(jǐn)，寬磁鐵單元尺寸為120_Χ50_Χ12謹(jǐn)，兩磁鐵間相距11mm，磁鐵組 件6總重4. 5KG，在氣隙高度為IOmm時，可產(chǎn)生2350N的吸附力。如圖4所示，為本實施例的越障過程示意圖。當(dāng)遇到障礙物需越障時，為了克服因 前后磁鐵的吸附力大小不一樣而出現(xiàn)機(jī)器人一端翹起現(xiàn)象，先將前面車輪上的直線電機(jī)10 啟動，使其軸頂?shù)奖诿嫔?；然后啟動升降電機(jī)驅(qū)動絲杠4使移動吸附機(jī)構(gòu)2抬起，同時也驅(qū) 動直線電機(jī)11使其軸一直頂住壁面，當(dāng)前移動吸附機(jī)構(gòu)2抬到一定高度前面吸附力小于 后面吸附力時，直線電機(jī)11反向驅(qū)動將其軸縮回，同時繼續(xù)將前移動吸附機(jī)構(gòu)2抬高到可 跨越障礙物的高度；然后移動機(jī)器人使前輪越過障礙物并降下前輪；當(dāng)前輪降到一定高度 時，啟動直線電機(jī)11，使其軸頂住壁面，然后使前移動吸附機(jī)構(gòu)2繼續(xù)下降，同時驅(qū)動直線 電機(jī)11使其軸同步縮回直到車輪完全這地；中間移動吸附機(jī)構(gòu)2直接升降通過障礙物，后 部移動吸附機(jī)構(gòu)2的越障控制過程與前輪相類似。這樣通過三組移動吸附機(jī)構(gòu)2的輪流升 降實現(xiàn)機(jī)器人的越障運動。
權(quán)利要求
一種輪式越障爬壁機(jī)器人，包括機(jī)器人車架、三組移動吸附機(jī)構(gòu)及其對應(yīng)的直線滑軌、絲杠及驅(qū)動電機(jī)，其特征在于三組直線滑軌以及絲杠豎直設(shè)置于機(jī)器人車架下方且兩端分別與機(jī)器人車架及移動吸附機(jī)構(gòu)相連，驅(qū)動電機(jī)與移動吸附機(jī)構(gòu)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪式越障爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的移動吸附機(jī)構(gòu)包括 磁鐵組件、絲杠螺母、兩組驅(qū)動輪及其對應(yīng)驅(qū)動輪軸和直線電機(jī)，其中直線電機(jī)的輸出軸 與驅(qū)動輪相連，兩組驅(qū)動輪軸的一端分別與驅(qū)動輪相連，另一端與絲杠螺母相連接，絲杠螺 母與絲杠活動連接，驅(qū)動輪軸的中部與直線滑軌活動連接，磁鐵組件固定設(shè)置于驅(qū)動輪軸 下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪式越障爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的磁鐵組件包括軛鐵 以及若干個單元永磁鐵單元，其中軛鐵為純鐵或高導(dǎo)磁材料制成，永磁鐵單元為釹鐵硼材 料制成，磁化方向為豎直方向，相鄰單元磁鐵的磁極方向相反，交錯排列，兩頭的磁鐵寬度 是中間磁鐵寬度的一半。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪式越障爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的絲杠包括兩段螺距 分別為3mm和4. 5mm的螺紋。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的輪式越障爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的絲杠一端通 過滾動軸承固定在車架上，該絲杠與移動吸附機(jī)構(gòu)的絲杠螺母組成運動副。
全文摘要
一種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的輪式越障爬壁機(jī)器人，包括機(jī)器人車架、三組移動吸附機(jī)構(gòu)及其對應(yīng)的直線滑軌、絲杠及驅(qū)動電機(jī)，三組直線滑軌以及絲杠豎直設(shè)置于機(jī)器人車架下方且兩端分別與機(jī)器人車架及移動吸附機(jī)構(gòu)相連，驅(qū)動電機(jī)與移動吸附機(jī)構(gòu)固定連接。本發(fā)明解決現(xiàn)有爬壁機(jī)器人在垂直壁面作業(yè)時存在的問題，機(jī)器人既具有輪式移動機(jī)器人速度快和轉(zhuǎn)向靈活、履帶式移動機(jī)器人磁吸附力大的特點，同時還具有好的越障能力，能滿足在復(fù)雜環(huán)境中運動和作業(yè)的需求。
文檔編號B25J5/00GK101947776SQ20101028932
公開日2011年1月19日 申請日期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 申請人:上海交通大學(xué)