本實用新型涉及機器人自動化控制技術領域，尤其涉及一種基于永磁吸附原理的用于機器人末端的吸附模塊。

背景技術：

目前市場上具有吸附功能的機器人的用途廣泛，可用在工廠、碼頭、倉庫、交通運輸行業(yè)中，也可以改進裝卸搬運作業(yè)的工作條件，提高勞動效率。

而吸附模塊可用作爬壁機器人的末端模塊或者操作臂的末端執(zhí)行器。爬壁機器人必須具備吸附和移動兩個基本功能，主要用于石化企業(yè)對圓柱形大罐進行探傷檢查或噴漆處理，或進行建筑物的清潔和噴涂，在核工業(yè)中也可以用來檢查測厚等，還可以用于消防和造船等行業(yè)。

目前常見吸附方式有真空吸附和永磁吸附兩種。真空吸附法是通過真空泵設置或者是真空發(fā)生器形成真空，使吸盤內腔產(chǎn)生負壓，從而使機器人吸附在壁面上。而磁吸附法要求壁面必須是導磁材料，它的結構簡單，吸附力遠大于真空吸附，且對壁面的凸凹適應性強，不存在真空吸附的漏氣問題。因此，當壁面材料是導磁材料時，使用末端磁吸附模塊的爬壁機器人有它突出的優(yōu)點。

而磁吸附又分為永磁吸附和電磁吸附。電磁吸附式主要缺點在于維持吸附力需要耗能，電磁體本身質量很大，結構復雜，維修成本高，且當斷電時會失去磁力，會產(chǎn)生安全隱患。永磁吸附式維持吸附力不需要耗能，安全，負載能力較大且易于控制。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種使用安全、負載能力大、易于控制的帶有自鎖功能的基于永磁吸附原理的機器人末端吸附模塊。

本實用新型的目的通過下述技術方案實現(xiàn)：

一種機器人末端磁吸附模塊，該模塊利用永磁吸附原理，通過舵機驅動來改變磁霸磁性的強弱，實現(xiàn)強力吸附。所述磁吸附模塊主要包括用于吸附壁面的磁霸、基座、舵機、固定架、傳動銷、舵盤、傳動轉盤和控制器。所述基座設置在磁霸的上方，通過三顆螺釘與磁霸固定連接。所述舵機安裝在基座內，并與控制器電連接。所述固定架設置為條狀門形結構，卡設在舵機上，將舵機套住，并通過螺釘將舵機固定；這樣設計可以避免舵機在工作時發(fā)生抖動，影響吸附效果。所述舵盤安裝在舵機的輸出軸上，并通過花鍵齒輪與傳動轉盤固定連接，實現(xiàn)舵機與舵盤之間的緊固和傳動。所述傳動銷的一端與傳動轉盤連接，另一端與磁霸連接，通過舵機帶動傳動轉盤來驅動磁霸進行吸附或釋放操作。

具體的，所述磁霸包括用于接觸和吸附壁面的磁力座和用于磁化磁力座的磁芯。為了獲得更好的吸附和釋放效果，該磁力座由軟磁材料制成，可以實現(xiàn)快速磁化和快速退磁。另外，該磁性采用永久磁鐵制成，與電磁鐵相比，永久磁鐵的磁場穩(wěn)定可靠、不需要消耗電能、而且負載能力大、容易實現(xiàn)自動控制。所述磁力座內設有用于安裝磁芯的圓柱槽，所述磁芯設置在圓柱槽內。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，本實用新型提供的磁芯設有兩層，分別為上層磁芯和下層磁芯，兩層磁芯共同構成磁芯組，所述上層磁芯與傳動銷固定連接，并由傳動銷驅動，在圓柱槽內自由轉動；下層磁芯為固定狀態(tài)，不能移動或轉動，磁芯組的頂部和底部均設有用于阻擋磁力線通過的非導磁體層。磁吸附模塊在工作時，舵機驅動上層磁芯轉動180度，其兩極(N極和S極)旋轉到與下層磁芯相同的磁極的位置時，上下兩層磁芯共同對外產(chǎn)生磁場。(在非導磁體層的阻擋下，大部分磁感線只能通過磁力座來傳導，使得兩層磁芯的磁場更為有效地通過導磁工件)因此，磁力座在上下兩層磁芯兩極強大的磁場下被磁化并對壁面產(chǎn)生強大的吸力，從而牢牢地吸附在壁面上，實現(xiàn)吸附操作；當舵機驅動上層磁芯再旋轉180度后，上層磁芯的兩極與下層磁芯的兩極極性相反，由于磁極異性相吸，磁極間的大部分磁感線在內部通過，而對磁力座產(chǎn)生的磁場十分弱，因此，磁力座可以輕松地從壁面上取下來，實現(xiàn)釋放操作。

進一步的，為了提高磁吸附模塊的可靠性，確保磁吸附模塊在使用過程中的安全性，本實用新型還包括用于斷電自鎖的自鎖機構。所述自鎖機構包括頂絲、彈簧和鋼珠。所述傳動轉盤上設有錐形槽，基座上設有螺紋通孔，所述螺紋通孔位于錐形槽上方，與錐形槽相對。所述頂絲、彈簧和鋼珠自上而下依次設置在螺紋通孔內，頂絲通過彈簧將鋼珠壓在錐形槽內實現(xiàn)自鎖，同時，通過擰緊或調松頂絲，可以實現(xiàn)自鎖機構預緊力的增大或減小，以適應不同工作場合的要求。舵機在驅動傳動轉盤旋轉時，鋼珠在彈簧的壓力下與傳動轉盤抵接并在傳動轉盤上沿著圓周滑動，直到傳動轉盤上的錐形槽與基座上的螺紋孔相對，鋼珠在彈簧的壓力下頂在錐形槽內，使傳動轉盤在斷電后難以水平轉動，對傳動轉盤當前的位置實現(xiàn)鎖緊和固定，從而確保了磁吸附模塊運行穩(wěn)定、安全可靠。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，為了獲得更好的自鎖效果，進一步提高磁吸附模塊的安全性，本實用新型所述自鎖機構設為兩個，且相對于舵機的輸出軸對稱設置。當磁吸附模塊進入自鎖狀態(tài)后，驅動傳動轉盤的外力需要克服兩個鋼珠及彈簧的阻力之后才能使傳動轉盤轉動，這樣設計進一步加強了磁吸附模塊的安全性，使磁吸附模塊在工作中更可靠。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，為了固定基座與磁霸的相對位置，避免兩者在使用過程中發(fā)生橫向偏移，影響磁霸的吸附效果，本實用新型還包括用于定位基座與磁霸相對位置的定位銷，所述定位銷的一端與舵盤連接，另一端與磁霸固定。

本實用新型的工作過程和原理是：磁吸附模塊的基座與磁霸固定連接，固定架將舵機固定在基座內，舵機通過舵盤驅動傳動轉盤轉動，由于傳動轉盤通過定位銷與磁芯傳動連接，從而實現(xiàn)舵機精確控制磁芯的旋轉角度，使磁力座逐漸磁化或逐漸退磁；另外，磁吸附模塊內還設有自鎖機構，該自鎖機構的鋼珠在彈簧的壓力作用下頂在傳動轉盤的錐形槽內，使傳動轉盤在斷電情況下難以轉動，很好地保證了磁吸附模塊的使用安全性，提高了磁吸附模塊的可靠性；同時，彈簧預緊力的大小可通過調節(jié)頂絲的松緊位置來實現(xiàn)，操作十分方便。本實用新型的結構簡單、操作方便、可靠性和安全性高、負載能力大而且容易實現(xiàn)自動控制。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型還具有以下優(yōu)點：

(1)本實用新型所提供的機器人末端磁吸附模塊采用舵機驅動磁芯轉動，可以輕易地實現(xiàn)自動化控制，使磁霸的吸附和釋放更方便。

(2)本實用新型所提供的機器人末端磁吸附模塊采用自鎖模塊實現(xiàn)斷電自鎖，該自鎖模塊利用彈簧將鋼珠頂壓在傳動轉盤的錐形凹槽內，使傳動轉盤在斷電情況下難以實現(xiàn)轉動，從而提高了磁吸附模塊的可靠性，確保了磁吸附模塊的使用安全。

(3)本實用新型所提供的機器人末端磁吸附模塊的結構簡單，操作方便，負載能力強，安全性高而且容易實現(xiàn)控制。

附圖說明

圖1是本實用新型所提供的機器人末端磁吸附模塊的立體圖。

圖2是本實用新型所提供的機器人末端磁吸附模塊的主剖視圖。

圖3是本實用新型所提供的機器人末端磁吸附模塊的側剖視圖。

圖4是本實用新型所提供的磁霸的立體圖。

圖5是本實用新型所提供的磁霸吸附時的原理圖。

圖6是本實用新型所提供的磁霸釋放時的原理圖。

上述附圖中的標號說明：

1-傳動銷，2-半圓頭十字槽螺栓，3-墊圈，4-傳動轉盤，5-舵盤，6-舵機，7-內六角螺栓，8-固定架，9-磁芯，10-磁力座，11-基座，12-頂絲，13-彈簧，14-鋼珠，15-開槽盤頭螺栓，16-定位銷。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型作進一步說明。

實施例1：

如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實用新型公開了一種機器人末端磁吸附模塊，該模塊利用永磁吸附原理，通過舵機6驅動來改變磁霸磁性的強弱，實現(xiàn)強力吸附。所述磁吸附模塊主要包括用于吸附壁面的磁霸、基座11、舵機6、固定架8、傳動銷1、舵盤5、傳動轉盤4和控制器。所述基座11設置在磁霸的上方，通過三顆螺釘與磁霸固定連接。所述舵機6安裝在基座11內，并與控制器電連接。所述固定架8設置為條狀門形結構，卡設在舵機6上，將舵機6套住，并通過螺釘將舵機6固定；這樣設計可以避免舵機6在工作時發(fā)生抖動，影響吸附效果。所述舵盤5安裝在舵機6的輸出軸上，并通過花鍵齒輪與傳動轉盤4固定連接，實現(xiàn)舵機6與舵盤5之間的緊固和傳動。所述傳動銷1的一端與傳動轉盤4連接，另一端與磁霸連接，通過舵機6帶動傳動轉盤4來驅動磁霸進行吸附或釋放操作。

具體的，所述磁霸包括用于接觸和吸附壁面的磁力座10和用于磁化磁力座10的磁芯9。為了獲得更好的吸附和釋放效果，該磁力座10由軟磁材料制成，可以實現(xiàn)快速磁化和快速退磁。另外，該磁性采用永久磁鐵制成，與電磁鐵相比，永久磁鐵的磁場穩(wěn)定可靠、不需要消耗電能、而且負載能力大、容易實現(xiàn)自動控制。所述磁力座10內設有用于安裝磁芯9的圓柱槽，所述磁芯9設置在圓柱槽內。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，本實用新型提供的磁芯9設有兩層，分別為上層磁芯和下層磁芯，兩層磁芯9共同構成磁芯組，所述上層磁芯與傳動銷1固定連接，并由傳動銷1驅動，在圓柱槽內自由轉動；下層磁芯為固定狀態(tài)，不能移動或轉動，磁芯組的頂部和底部均設有用于阻擋磁力線通過的非導磁體層。磁吸附模塊在工作時，舵機6驅動上層磁芯轉動180度，其兩極(N極和S極)旋轉到與下層磁芯相同的磁極的位置時，上下兩層磁芯共同對外產(chǎn)生磁場。(在非導磁體層的阻擋下，大部分磁感線只能通過磁力座來傳導，使得兩層磁芯的磁場更為有效地通過導磁工件)因此，磁力座10在上下兩層磁芯兩極強大的磁場下被磁化并對壁面產(chǎn)生強大的吸力，從而牢牢地吸附在壁面上，實現(xiàn)吸附操作，如圖5所示；當舵機6驅動上層磁芯再旋轉180度后，上層磁芯的兩極與下層磁芯的兩極極性相反，由于磁極異性相吸，磁極間的大部分磁感線在內部通過，而對磁力座10產(chǎn)生的磁場十分弱，因此，磁力座10可以輕松地從壁面上取下來，實現(xiàn)釋放操作，如圖6所示。

進一步的，為了提高磁吸附模塊的可靠性，確保磁吸附模塊在使用過程中的安全性，本實用新型還包括用于斷電自鎖的自鎖機構。所述自鎖機構包括頂絲12、彈簧13和鋼珠14。所述傳動轉盤4上設有錐形槽，基座11上設有螺紋通孔，所述螺紋通孔位于錐形槽上方，與錐形槽相對。所述頂絲12、彈簧13和鋼珠14自上而下依次設置在螺紋通孔內，頂絲12通過彈簧13將鋼珠14壓在錐形槽內實現(xiàn)自鎖，同時，通過擰緊或調松頂絲12，可以實現(xiàn)自鎖機構預緊力的增大或減小，以適應不同工作場合的要求。舵機6在驅動傳動轉盤4旋轉時，鋼珠14在彈簧13的壓力下與傳動轉盤4抵接并在傳動轉盤4上沿著圓周滑動，直到傳動轉盤4上的錐形槽與基座11上的螺紋孔相對，鋼珠14在彈簧13的壓力下頂在錐形槽內，使傳動轉盤4在斷電后難以水平轉動，對傳動轉盤4當前的位置實現(xiàn)鎖緊和固定，從而確保了磁吸附模塊運行穩(wěn)定、安全可靠。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，為了獲得更好的自鎖效果，進一步提高磁吸附模塊的安全性，本實用新型所述自鎖機構設為兩個，且相對于舵機6的輸出軸對稱設置。當磁吸附模塊進入自鎖狀態(tài)后，驅動傳動轉盤4的外力需要克服兩個鋼珠14及彈簧13的阻力之后才能使傳動轉盤4轉動，這樣設計進一步加強了磁吸附模塊的安全性，使磁吸附模塊在工作中更可靠。

作為本實用新型的優(yōu)選方案，為了固定基座11與磁霸的相對位置，避免兩者在使用過程中發(fā)生橫向偏移，影響磁霸的吸附效果，本實用新型還包括用于定位基座11與磁霸相對位置的定位銷16，所述定位銷16的一端與舵盤5連接，另一端與磁霸固定。

本實用新型的工作過程和原理是：磁吸附模塊的基座11與磁霸固定連接，固定架8將舵機6固定在基座11內，舵機6通過舵盤5驅動傳動轉盤4轉動，由于傳動轉盤4通過定位銷16與磁芯9傳動連接，從而實現(xiàn)舵機6精確控制磁芯9的旋轉角度，使磁力座10逐漸磁化或逐漸退磁；另外，磁吸附模塊內還設有自鎖機構，該自鎖機構的鋼珠14在彈簧13的壓力作用下頂在傳動轉盤4的錐形槽內，使傳動轉盤4在斷電情況下難以轉動，很好地保證了磁吸附模塊的使用安全性，提高了磁吸附模塊的可靠性；同時，彈簧13預緊力的大小可通過調節(jié)頂絲12的松緊位置來實現(xiàn)，操作十分方便。本實用新型的結構簡單、操作方便、可靠性和安全性高、負載能力大而且容易實現(xiàn)自動控制。

實施例2：

如圖1至圖4所示，本實用新型公開了一種機器人末端吸附模塊，舵機6通過內六角螺栓7、舵機固定架8安裝于基座11的內腔中。在基座11的底部內，傳動轉盤4、舵盤5、舵機6的輸出軸(輸出軸的傳動部分是花鍵齒輪)通過半圓頭十字槽螺栓2緊固。傳動轉盤4通過傳動銷1實現(xiàn)磁芯9的轉動，磁力座10通過開槽盤頭螺栓15與基座11緊固。鋼珠14、彈簧13、頂絲12依次安裝入基座11的通孔內，與傳動轉盤4的錐形槽組成自鎖機構。該機構可實現(xiàn)斷電自鎖功能，即在舵機不通電情況下保持最大磁吸附力的狀態(tài)或磁吸附力為零的狀態(tài)。

如圖4所示，磁霸可產(chǎn)生可變的磁力：磁霸由磁力座10和鐵芯組成，其中磁芯9由永久磁鐵制成，磁力座10由軟磁性鐵材料制成。轉動磁芯9，當磁芯9的兩極(N或S)呈東西方向時，磁力座10就被磁化了，這個磁力座10地面上具有強磁，所以能夠用于吸住導磁材料的表面(設此時磁芯角度位置為180°)。而當磁鐵的兩極處于南北方向時，磁力座10不會被磁化，所以此時磁霸的磁力幾乎沒有消失，可以對被吸物體進行釋放。磁霸具有兩個重要特性:1、軟磁性材料的磁化和退磁快；2、條形永久磁鐵或恒磁性磁鐵的中間磁場極弱而兩端磁場極強。

本實用新型基于永磁吸附原理，利用磁霸的上述兩個特性，可以開發(fā)出吸附快捷可靠的機器人末端吸附模塊，克服電磁吸附持續(xù)耗電和斷電導致脫落造成危險等不足。

該永磁吸附模塊可對外產(chǎn)生或消除磁力。當磁芯在0°至180°的范圍內轉動時，磁力座對外產(chǎn)生的磁力逐漸增加。而磁芯的角度位置是通過舵機控制器來控制的。而該舵機調節(jié)角度的方式是PWM脈寬型。其周期為20ms,占空比0.5ms至2.5ms的脈寬電平對應于舵機的0°至180°角度范圍，且成線性關系。舵機控制器采用500至2500數(shù)值對應于舵機控制輸出角度的占空比0.5ms至2.5ms的范圍，因此其控制精度是3us，在2000個脈寬范圍內最小控制精度可達到0.3°。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。