專利名稱：永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微型機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種永磁吸附式輪 式爬壁機(jī)器人。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外在爬壁機(jī)器人上的研究已取得很多成果，甚至許多已經(jīng)進(jìn)入了 實用化階段，但對于基于MEMS (微電子微機(jī)械系統(tǒng))的微型爬壁機(jī)器人的研究 才剛剛起步。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展和微型移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，用 微型爬壁機(jī)器人代替人工進(jìn)行各種極限作業(yè)己成為了可能，如進(jìn)入空間狹窄的核 工業(yè)管道群進(jìn)行外管壁的檢測和維修等，逐步引起了世界各國的重視，受到越來 越多的科研人員的關(guān)注。
一般爬壁機(jī)器人實現(xiàn)方法主要兩種真空吸附與磁吸附。真空吸附式具有不 受壁面材料限制的優(yōu)點，但當(dāng)壁面凹凸不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力 下降，承載能力降低，并且真空吸附裝置主要由吸盤、氣缸和真空泵等組成，這 些裝置很難按比例進(jìn)行微型化，所以很難在微型爬壁機(jī)器人上得到較好的應(yīng)用。 磁吸附法具有兩種方式永磁體和電磁鐵。它的結(jié)構(gòu)簡單，吸附力較大，對壁面 凹凸適應(yīng)性強(qiáng)，不存在真空吸附漏氣的問題。與電磁鐵方式相比，永磁體方式具 有吸附不耗能、結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、不受斷電影響等優(yōu)點。該方式雖然在機(jī)器 人重量大時存在易脫離壁面的缺點，但對微機(jī)器人來說并不存在這個缺點。目前， 永磁體式爬壁機(jī)器人的移動方式有三種，輪式、履帶式和腳式，相對于后兩種運 動方式，輪式爬壁機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、行走速度快、轉(zhuǎn)彎容易等優(yōu) 點，比較適合機(jī)器人在微小尺寸限制的條件下實現(xiàn)爬壁功能。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，M. Takeda等在《Proceedings of the Thirteenth IEEE International Conference on MEMS》(第13屆IEEE會刊 微電子微機(jī)械系統(tǒng))2000年一月發(fā)表的"Development of chain-type micromachine for inspection of outer tube surfaces"，("開發(fā)~"禾中用于 管道外部表面檢測的鏈?zhǔn)轿C(jī)械")，該文設(shè)計了一種微型爬壁機(jī)器人，是結(jié)合
3微細(xì)加工技術(shù)和傳統(tǒng)的精密加工技術(shù)制作的，其尺寸5mmX9mmX6.5咖，質(zhì)量 0. 42g。由直徑1. 6mm的電磁微馬達(dá)通過一個減速比為1/201的微型行星減速器， 驅(qū)動自身安裝的六個帶有磁性的輪子，可以在可導(dǎo)磁的管道上進(jìn)行水平和垂直運 動。另外，該機(jī)器人本體兩側(cè)配有連接器，可與其它同型號機(jī)器人進(jìn)行鏈接，形 成一個多機(jī)器人群體，可沿管道進(jìn)行攀爬，并通過配備的電渦流傳感器對管道裂 痕進(jìn)行檢測。該微型爬壁機(jī)器優(yōu)點是體積小，在微小尺寸下實現(xiàn)了爬壁功能。但 是也存在一些不足之處，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本非常高，而且自身并不能集成控制 電路，很難應(yīng)用到實際的環(huán)境中。另外，由于它采用的輪子是永磁體，吸附在可 導(dǎo)磁的管道表面上時，磁力線在空氣中衰減比較嚴(yán)重，在爬壁過程中很容易脫落。

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，提供一種永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器 人，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、體積小、行走速度快、移動精度高、轉(zhuǎn)向容易等 優(yōu)點，使機(jī)器人能在微小尺寸限制的條件下實現(xiàn)爬壁功能，可攜帶微型傳感器在 可導(dǎo)磁表面上進(jìn)行一些極限作業(yè)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括三組相同結(jié)構(gòu)的永磁吸附 爬壁單元和一個轉(zhuǎn)向單元，其中永磁吸附爬壁單元分別垂直設(shè)置于轉(zhuǎn)向單元上， 三組永磁吸附爬壁單元之間相互平行。
所述的永磁吸附爬壁單元包括移動微驅(qū)動器、永磁體、兩個導(dǎo)磁輪、兩個 第一微型滾動軸承和輪架，其中移動微驅(qū)動器固定設(shè)置于輪架的外側(cè)面，移動 微驅(qū)動器的輸出軸依次穿過分別設(shè)置于輪架兩側(cè)的一對第一微型滾動軸承，兩個 導(dǎo)磁輪分別固定設(shè)置于永磁體的兩側(cè)，導(dǎo)磁輪固定設(shè)置于移動微驅(qū)動器的輸出軸 上。
所述的轉(zhuǎn)向單元包括 一個主動齒輪、三個從動齒輪、轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器、蓋板 和兩個第二微型滾動軸承，其中轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器固定設(shè)置于蓋板的上面板，轉(zhuǎn)向 微驅(qū)動器的輸出軸依次穿過分別內(nèi)嵌在蓋板的圓心處的一對第二微型滾動軸承， 主動齒輪位于蓋板下方且主動齒輪固定設(shè)置于轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器的輸出軸的末端，三 個從動齒輪均勻分布在主動齒輪的周圍并與主動齒輪相嚙合，從動齒輪的連接軸 穿過蓋板，該連接軸的一端與第二微型滾動軸承的內(nèi)圈緊密配合，另一端與永磁 吸附爬壁單元固定連接。
所述的主動齒輪與從動齒輪之間的減速比小于1，在確保每個輪子的朝向時刻保持相同的基礎(chǔ)上，既增加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，又提高了機(jī)器人的轉(zhuǎn)向精度，此結(jié) 構(gòu)實現(xiàn)了微型爬壁機(jī)器人無回轉(zhuǎn)半徑的全向運動，具有很高機(jī)動性。 所述的蓋板的半徑大于等于主動齒輪與從動齒輪的半徑之和。 本發(fā)明通過爬壁輪子的設(shè)計，使得輪子在可導(dǎo)磁的表面上可形成閉合磁力 線，既增加吸附力又具有靈活性，另外移動微驅(qū)動器直接驅(qū)動導(dǎo)磁輪的結(jié)構(gòu)，簡 單實用，即易于裝配，又避免了中間傳動環(huán)節(jié)，減少摩擦、磨損問題。在狹窄的 管道中移動具有很大優(yōu)勢，可水平，豎直，繞管道旋轉(zhuǎn)，而且還可以在不同結(jié)構(gòu) 的管道之間可以切換。在機(jī)器人轉(zhuǎn)向單元中，通過設(shè)計一套減速齒輪，實現(xiàn)了微 型爬壁機(jī)器人無回轉(zhuǎn)半徑的全向運動，使其具有很高機(jī)動性。


圖l為發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2為永磁吸附爬壁單元示意圖3為轉(zhuǎn)向單元主視圖4為轉(zhuǎn)向單元后視圖。
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所示，本實施例包括三組相同結(jié)構(gòu)的永磁吸附爬壁單元1和一個轉(zhuǎn) 向單元2，其中三組永磁吸附爬壁單元1分別垂直設(shè)置于轉(zhuǎn)向單元2上，三組 永磁吸附爬壁單元1之間相互平行。
如圖2所示，所述的永磁吸附爬壁單元1包括移動微驅(qū)動器3、永磁體4、 兩個導(dǎo)磁輪5、兩個第一微型滾動軸承6和輪架7，其中移動微驅(qū)動器3固定 在輪架7的一個外側(cè)面，移動微驅(qū)動器的輸出軸8穿過位于輪架7兩個側(cè)面的一 對第一微型滾動軸承6，與其內(nèi)圈緊密配合。兩個導(dǎo)磁輪5固定在永磁體4的兩 側(cè)，并固定安裝在移動微驅(qū)動器的輸出軸8上。這樣，移動微驅(qū)動器3就可以驅(qū) 動導(dǎo)磁輪5旋轉(zhuǎn)。
如圖3和圖4所示，所述的轉(zhuǎn)向單元2包括 一個主動齒輪9、三個從動齒 輪10、轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器11、蓋板12和第二微型滾動軸承13，其中轉(zhuǎn)向微驅(qū)動 器11安裝在蓋板12上面板，其輸出軸11穿過內(nèi)嵌在蓋板12圓心處的一對第二
5微型滾動軸承13，主動齒輪9就安裝在輸出軸11的末端，位于蓋板12下方， 三個從動齒輪10以主動齒輪9為中心，均勻分布在其周圍并與主動齒輪9相嚙 合，三個從動齒輪的連接軸15的一端穿過蓋板12并和位于蓋板12的上面板的 一對第二微型滾動軸承13的內(nèi)圈緊密配合，從動齒輪的連接軸15的另一端分別 與位于其下方的永磁吸附爬壁單元的輪架7固定連接，其中，主動齒輪9和從動 齒輪10的減速比是1: 4。
所述的移動微驅(qū)動器3和轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器11都是采用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直 徑為6.8mra的電磁微馬達(dá)；
所述的第一微型滾動軸承6和第二微型滾動軸承13的內(nèi)徑為lmm外徑為
3腿5
所述的永磁體4采用釹鐵硼制作，導(dǎo)磁輪5采用鐵鎳合金制作。 本實施例的整體尺寸高為20mm,直徑28mm，所述的蓋板12的半徑大于等 于主動齒輪9與從動齒輪10的半徑之和。
在爬壁過程中，通過同歩控制本發(fā)明本體上三個永磁吸附爬壁單元中的移動 微驅(qū)動器3，共同驅(qū)動導(dǎo)磁輪5，機(jī)器人就可以在可導(dǎo)磁的表面進(jìn)行直線運動。 當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，可以通過控制轉(zhuǎn)向單元中的轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器ll，驅(qū)動主動齒輪8， 帶動與其嚙合的三個從動齒輪9，即可實現(xiàn)無回轉(zhuǎn)半徑的轉(zhuǎn)向。
權(quán)利要求
1、一種永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，包括三組相同結(jié)構(gòu)的永磁吸附爬壁單元和一個轉(zhuǎn)向單元，其特征在于，永磁吸附爬壁單元分別垂直設(shè)置于轉(zhuǎn)向單元上，三組永磁吸附爬壁單元之間相互平行；所述的永磁吸附爬壁單元包括移動微驅(qū)動器、永磁體、兩個導(dǎo)磁輪、兩個第一微型滾動軸承和輪架，其中移動微驅(qū)動器固定設(shè)置于輪架的外側(cè)面，移動微驅(qū)動器的輸出軸依次穿過分別設(shè)置于輪架兩側(cè)的一對第一微型滾動軸承，兩個導(dǎo)磁輪分別固定設(shè)置于永磁體的兩側(cè)，導(dǎo)磁輪固定設(shè)置于移動微驅(qū)動器的輸出軸上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的 轉(zhuǎn)向單元包括 一個主動齒輪、三個從動齒輪、轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器、蓋板和兩個第二 微型滾動軸承，其中轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器固定設(shè)置于蓋板的上面板，轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器的 輸出軸依次穿過分別內(nèi)嵌在蓋板的圓心處的一對第二微型滾動軸承，主動齒輪位 于蓋板下方且主動齒輪固定設(shè)置于轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器的輸出軸的末端，三個從動齒輪 均勻分布在主動齒輪的周圍并與主動齒輪相嚙合，從動齒輪的連接軸穿過蓋板， 該連接軸的一端與第二微型滾動軸承的內(nèi)圈緊密配合，另一端與永磁吸附爬壁單 元固定連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的 主動齒輪與從動齒輪之間的減速比小于1。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的 蓋板的半徑大于等于主動齒輪與從動齒輪的半徑之和。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的移動微驅(qū)動器采用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直徑為6. 8mm的電磁微馬達(dá)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的 轉(zhuǎn)向微驅(qū)動器采用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直徑為6. 8mm的電磁微馬達(dá)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的 永磁體采用釹鐵硼制作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，其特征是，所述的 導(dǎo)磁輪采用鐵鎳合金制作。
全文摘要
一種微型機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的永磁吸附式輪式爬壁機(jī)器人，包括三組相同結(jié)構(gòu)的永磁吸附爬壁單元和一個轉(zhuǎn)向單元，其中永磁吸附爬壁單元分別垂直設(shè)置于轉(zhuǎn)向單元上，三組永磁吸附爬壁單元之間相互平行。本發(fā)明在狹窄的管道中移動具有很大優(yōu)勢，可水平，豎直，繞管道旋轉(zhuǎn)，而且還可以在不同結(jié)構(gòu)的管道之間可以切換。在機(jī)器人轉(zhuǎn)向單元中，通過設(shè)計一套減速齒輪，實現(xiàn)了微型爬壁機(jī)器人無回轉(zhuǎn)半徑的全向運動，使其具有很高機(jī)動性。
文檔編號B62D57/00GK101565063SQ20091005163
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者張大偉, 李振波, 陳佳品 申請人:上海交通大學(xué)