空化射流清洁船体机器人转磁极吸附机构及履带的制作方法

本发明涉及一种空化射流清洁船体机器人的转磁极吸附机构及履带，属于机器人技术领域。

背景技术：

海运是国际贸易中的一种重要交通方式，具有货物运载量大，运输费用低等优点，但海洋中水生物种类繁多，船舶常年在水中航行，大量海生物会附着于船体之上。对船舶来讲，海洋生物的附着会产生很多不利的影响：1)它增大了船体表面的粗糙程度，增加了船舶在水中航行的阻力。经过实验测定，当航速为2-9节时，船体附着生物会使船舶的航行阻力增加3倍；2)海洋生物在螺旋桨上附着使螺旋桨的有效输出功率减小为原来的80％；3)船体附着生物随着时间的延长，其质量会不断增大，无形之中使得船舶运输的无效负荷增加；4)船体附着生物和铁细菌、硫酸盐还原细菌在海水环境中通过联合作用呈现出弱酸性，会对船体表面的防护层产生很强的电化学腐蚀作用，最终可能导致船体钢板的强烈腐蚀。

为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全航行，船舶必须定期的进行船坞检查。但是，船坞数量不足，清理修复时间长等问题，无形之中增加了船舶的成本损耗和非运营时间。所以开展船体水下清洁作业，提高水下清洁的自动化水平具有非常重要的实际意义和商业价值。为克服上述问题，现有技术中公开了一种用于清洁船体的机器人，其传动装置采用履带，履带式机器人包括左右两条履带，分别由电机整体驱动，这种驱动方式的机器人稳定性与可靠性差，越障与防倾覆能力差，且采用永磁履带式爬壁结构，这种履带采用多个磁吸力恒定的永磁履带单元与作业面接触，使得吸附能力大大提高，但由于永磁履带单元的磁吸力不变，使得其运动时不得不以牺牲电机的功率和运动稳定性为前提。为解决上述问题，现有技术还提供了一种履带吸附单元采用电磁铁结构，通过对电磁铁的通断电实现对吸附力的调节。这种履带虽然克服了爬壁式机器人的吸附和运动之间的矛盾，但是外供电的方式使系统的能量大大提高，且使复杂性也大大提高。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的缺点，本发明的发明目的是提供一种空化射流清洁船体机器人的转磁极吸附机构及履带，能够节省能量且使运动稳定性大大提高，且使复杂性降低。

为实现所述发明目的，本发明提供一种转磁极吸附机构，其特征在于，包括圆柱形的磁体组件、设置在磁体组件两端的轴以及分别垂直设置在轴上的第一磁极转向组件和第二磁极转向组件，所述第一磁极转向组件的第一端与磁体组件一端的轴连接，第二端设置了垂直于第一磁极转向组件的轴，垂直于第一磁极转向组件的轴上设置了第一磁极转向轴承；所述第二磁极转向组件的第一端与磁体组件另一端的轴连接，第二端设置了垂直于第二磁极转向组件的轴，垂直于第二磁极转向组件的轴上设置了第二磁极转向轴承。

优选地，所述磁体组件包括第一永磁体、第二永磁体、隔磁板和导磁条，隔磁板和导磁条拼成一个面板，第一永磁体和第二永磁体设置在面板两端。

优选地，转磁极吸附机构还包括磁路结构，所述磁路结构包括丙型磁回路结构，丙型磁回路结构包括依次连接的第一上导磁块40A、隔磁条39、第二上导磁块40B和下导磁块41，其内部形成圆柱形空腔以容纳磁体组件。

优选在在丙型磁回路结构的两端设置有第一隔磁块43A和第二隔磁块43B。

优选地，转磁极吸附机构还包括用于容纳磁路结构的磁座，所述磁座两端面分别向下延伸一段从而形成第一销轴座和第二销轴座，第一销轴座上设置有第一销轴和第二销轴，第二销轴座上设置有第三销轴和第四销轴，第一销轴和第二销轴对称且在内端均设置有轴承。

优选地，第一永磁体和第二永磁体的磁极对角对称。

为实现所述发明目的，本发明的另一方面提供一种履带，其包括多节如上述任一所述的转磁极吸附机构。

优选地，履带还包括导向架，多节转磁极吸附机构设置在导向架上。

优选地，履带还包括对称的内导向板和外导向板；内导向板与外导向板分别设置在导向架的两侧，内导向板与外导向板上分别设置有磁极转向导轨，磁体组件两端的磁极转向轴承分别活动地嵌入在内导向板与内导向板上的磁极转向导轨中。

与现有技术相比，采用本发明提供转磁极吸附机构的空化射流清洁船体机器人具有如下优点：

(1)利用履带链节永磁体磁极转换方式实现机器人运动过程中磁体的吸附与脱离状态的转换，将传统的磁体状态转换的“硬”操作转换为“软”操作。磁体转磁极(吸附/脱离)状态转换方式相比传统力学“拔拽”硬操作方式，履带链轮作用力矩更平稳、振幅更小、驱动系统稳定性更好。

(2)用履带两侧挡板设置导轨的纯机械方式实现机器人运动过程中永磁体的自动磁极变换。这种方式，结构简单、易于实现；纯机械方式工作稳定、可靠性高，且能节省能量。

附图说明

图1是本发明提供的空化射流清洁船体机器人的整机示意图；

图2是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带及连接结构图；

图3是本发明提供的空化射流清洁船体机器人主履带内部结构图；

图4A是本发明提供的转磁体吸附机构的结构示意图；

图4B是本发明提供的转磁体吸附机构的结构的截面示意图；

图5是本发明提供的转磁体吸附机构磁极转换原理图，

图5是本发明提供的转磁体吸附机构原理图，其中，图5A为转磁体吸附机构吸附状态磁力回路示意图、图5B为转磁体吸附机构脱离状态磁力回路示意图；

图6A是本发明提供的履带内导向板的结构示意图；

图6B是本发明提供的履带外导向板的结构示意图；

图7A是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带导向架结构示意图；

图7B是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带导向架缓冲机构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“右侧”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方向是以机器人设置清洁枪的方位为参考的，设置清洁枪的方向为前，与其相反的方向为后，在左为左侧，在右为右侧。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明提供的空化射流清洁船体水下机器人的整机示意图，如图1所示，本发明提供的空化射流清洁船体机器人包括主体框架1，在主体框架左侧设置有左侧主履带2A和左侧越障履带3A，在主体框架右侧设置有右侧主履带2B和右侧越障履带3B；左侧主履带2A和左侧越障履带3A通过左侧履带间传动机构4A连接，右侧主履带2B和右侧越障履带3B通过右侧履带间传动机构4B连接。机器人还包括左侧越障俯仰机构和右侧越障俯仰机构；左侧伺服电机6A和右侧伺服电机6B；左侧伺服电机6A通过左侧锥形齿轮机构7A驱动左侧主履带2A，右侧伺服电机6B通过右侧锥形齿轮机构7B驱动右侧主履带2B。主体框架1内后部设置有电气密封箱8，其内搭载机器人控制系统电路板及其他辅助电路、接插件等，完成机器人运动控制、清洁设备控制、传感信号接收以及与远程操控监视终端的数据传输；电气密封箱8通过数据电缆与摄像设备、传感器设备、动力设备等连接。主体框架1内-前部搭载3个空化射流清洁盘(简称：空化盘)9A、9B、9C，呈“三角型”布置并设置在机器人本体主体框架的下部；在主体框架1的前端两侧位置设置有2个空化射流清洁枪(简称：空化枪)10A、10B，实现机器人履带前向区域以及履带与空化盘间隙前向区域的清洁。

本发明提供的空化射流清洁船体机器人主履带、越障履带、履带间传动机构及履带动力机构、连接结构等呈左右镜像对称布置，且主履带与越障履带传动方式相似。因而下文以主履带及其内结构详细介绍本发明转磁极吸附机构实施过程及有益效果。

图2是本发明提供射流空化船体清洁机器人履带机构及连接结构示意图，如图2所示，本发明提供的机器人履带包括主履带2、越障履带3、以及用于链接主履带2和越障履带3的履带间传动机构4。主履带2包括主履带内导向板21、主履带外导向板22和主履带上护板23，它们形成只有下端具有开口的壳体，用于容纳主履带传动机构。越障履带3包括越障履带内导向板24、越障履带外导向板25和越障履带上护板26，它们形成只有下端具有开口的壳体，用于容纳越障履带传动机构。履带间传动结构4包括一对链轮以及用于链接链轮的链条，其中，链轮通过键连接分别设置在主履带从动轴18上和越障履带驱动轴19上，从而实现主履带2和越障履带3之间的力学传递。

本发明提供的履带机构连接结构还包括连接件11、连接件12、连接件13和连接件20，它们均与主体框架1焊接。轴承机构14设置在连接件11中设置的安装孔中，履带传动轴17设置在轴承机构14上。轴承机构15设置在连接件12中、履带传动轴18设置在轴承机构15上。轴承机构16设置在连接件13中，越障履带传动轴19设置在轴承机构16上。连接件20内设置有设置越障俯仰机构5。

图3是本发明提供的空化射流清洁船体机器人主履带内部结构图，如图3所示，主履带内部结构包括主动链轮32、从动链轮33、链轮间传动链条31、连接在链条上的m(m大于或者等于3)个转磁极吸附机构(如转磁极吸附机构30)、导向架机构27及k(k大于或者等于3)个导向架定位杆(如导向架定位杆28)，主动链轮32发置在传动轴18上；从动链轮33设置在传动轴17上；导向架机构设置2(k-2)个定位孔29用于穿过导向架定位杆，定位杆两端分别与履带内外导向板进行连接，从而建立起了转磁极导向机械、导向架、导向板和承力轴间的力学传递关系。转磁极吸附机构30两侧设置转向机构，通过改变转向磁极转向组件的角度实现了转磁极导向机械吸附-脱离状态的转换。

图4A是本发明提供的转磁体吸附机构的结构示意图；图4B是本发明提供的转磁体吸附机构的结构的截面示意图；如图4A-4B所示，转磁体吸附机构包括圆柱形的磁体组件、设置在磁体组件两端的轴以及分别垂直设置在轴上的第一磁极转向组件和第二磁极转向组件(磁极转向组件)，如磁极转向组件38，所述第一磁极转向组件的第一端与磁体组件一端的轴连接，第二端设置了垂直于第一磁极转向组件的轴，垂直于第一磁极转向组件的轴上设置了第一磁极转向轴承；所述第二磁极转向组件的第一端与磁体组件另一端的轴连接，第二端设置了垂直于第二磁极转向组件的轴，垂直于第二磁极转向组件的轴上设置了第二磁极转向轴承。

所述磁体组件包括第一永磁体44A、第二永磁体44B、隔磁板45和导磁条46，隔磁板45和导磁条46拼成一个面板，第一永磁体44A和第二永磁体44B为对称的少半圆柱体结构，设置在面板两侧。本发明提供的转磁极吸附机构还包括磁路结构，所述磁路结构包括丙型磁回路结构，丙型磁回路结构包括依次连接的第一上导磁块40A、隔磁条(铜)39、第二上导磁块40B和下导磁块41，其内部形成圆柱形空腔以容纳磁体组件，在丙型磁回路结构的两端设置有第一隔磁块43A和第二隔磁块43B。导磁块由硅钢片堆叠形成。第一永磁体和第二永磁体的磁极对角对称。

本发明提供的转磁极吸附机构还包括用于容纳磁路结构的磁座35，所述磁座两端面分别向下延伸一段从而形成第一销轴座和第二销轴座，第一销轴座上设置有第一销轴和第二销轴，如销轴36，第一销轴和第二销轴为设置在导向架左侧的链条的一节链节的两个销轴；第二销轴座上设置有第三销轴和第四销轴，第三销轴和第四销轴为设置在导向架右侧的链条的一节链节的两个销轴；第一销轴和第二销轴对称且在内端均设置有轴承，如轴承37。

一对少半圆形永磁体44A、44B以隔磁板45隔离并与导磁条46形成串联布置，共同组成圆柱体磁芯组件。圆柱形磁芯组件设置于磁路结构空腔内，并与磁极转向组件38连接，转动磁极转向组件带动磁芯旋转，从而改变磁芯与磁路结构组成的磁体结构的磁力线回路，具体过程如图5所示。

图5是本发明提供的转磁体吸附机构原理图，其中，图5A为转磁体吸附机构吸附状态磁力回路示意图、图5B为转磁体吸附机构脱离状态磁力回路示意图。如图5A所示，磁极转向组件向右偏45度时，磁芯组件的隔磁板45和磁路结构的隔磁条39共面(垂直)，则磁力线48从永磁体44A的磁北极发出，先后经过上导磁结构40A、空隙、导磁板(机器人运动吸附面)47、空隙和上导磁结构40B到达永磁44B的磁南极，另一端磁力线49从永磁体44B发出，经过磁路结构的下导磁结构41和磁芯组件的导磁条46到达永磁体44A的磁南极。永磁体44A、永磁体44B和磁力线48、磁力线49组成了闭合的磁力回路，由于磁力线48通过了导磁板47，因而磁体结构30与导磁板47之间产生了磁吸附力，定义此时磁体结构为吸附状态。

如图5B所示，磁体结构的磁极转向组件顺时针转动45度至垂直，带动磁芯组件旋转45度，则磁力线50从永磁体44A磁北极发出经过上导磁结构40B到达永磁体44B的磁南极，另一端磁力线51从永磁体44B发出经过导磁条46和导磁结构41到达永磁44A的磁南极，形成了闭合的磁力回路。由于磁力线50和磁力线51皆不通过导磁板47，因而磁体结构30与导磁板之间无磁吸附力，定义此时磁体结构为脱离状态。

转磁体吸附机构30的吸附状态与脱离状态的转换需要其他机构辅助实现，因而本发明在履带内外导向板对称设置了导轨机构以实现机器人运动过程中磁体结构的状态转换。

图6A是本发明提供的履带内导向板的结构示意图；图6B是本发明提供的履带外导向板的结构示意图，由于内导向板22与外导向板21上磁极转向导轨的设置及导向板的安装位置为镜像对称，因而以内导向板22为例描述磁极导轨实施过程与原理。如图6A所示，内导向板前后两端分别设置有轴孔52A和轴孔52B，轴孔52A和轴孔52B分别与履带轴组件连接以定位轴心距，轴心线上设置2(k-2)个导向杆定位位置，如导向杆定位位置53，以连接导向固定杆的一端。磁极转向导轨包括上脱离状态导轨段54A、前脱离状态导轨段54B、后脱离状态导轨段54C、前状态转换导轨段55A、后状态转换导轨段55B和吸附状态导轨段56，其中上脱离状态导轨段54A、前脱离状态导轨段54B和后脱离状态段54C共同组成脱离状态导轨，导轨与轴心面的距离恒定(小)，该位置内运动的磁体转向磁极转向组件结构的方向与其吸附面垂直，磁体处于脱离状；前状态转换导轨55A导轨与轴心面的距离逐渐增大，磁体运动过程中导轨上表面推动转向磁极转向组件结构由垂直旋转至偏转45度，磁体结构则相应的由脱离状态转换为吸附状态；吸附状态导轨56与轴心面的距离恒定(大)，磁体结构转向磁极转向组件结构保持偏转45度状态，即磁体结构保持为吸附状态；后状态转换导轨55B的导轨与轴心面的距离逐渐减小，磁体运动过程中导轨下表面带动转向磁极转向组件结构由偏转45度旋转至垂直，则磁体结构由吸附状态转换为脱离状态。

图7A是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带导向架结构示意图，如图7A所示，主履带导向架27包括设置在两端的D型空心体、D型空心体和设置于两端空心体之间的k-2段长方形空心体，两端空心体分别设置有轴孔；每个方形空心体设置了两个定位孔，如此形成一个类似截面为椭圆形的空心柱体。空心柱体的后端的圆孔用于插入履带主动链轮的轴，前端的圆孔用于插入履带从动链轮的轴，定位孔用于设置固定装置。D型空心体的弧形端和方形空心体的下端设置有导轨槽，组合所有空心体后，在主履带导向架两端的形成两条对称的“腰型”导轨。

装配时，使导向架定位杆28穿过导向架的定位孔，且使导向架定位杆28的两端分别固定于内导向板21和外导向板22上。定位孔具有上平面和下平面，上平面和下平面分别起到导向架定位杆28上下运动的上限位和下限位作用。主履带导向架27两端的导轨皆包括导轨上平面、导轨下表面和导轨内表面。主履带导向架27还包括转磁体吸附机构30，转磁体吸附机构30具有左右设置有磁极导向轴承，转磁极导向机构30左侧的磁极导向轴承设置在内导向板的导轨内，转磁极导向机构30右侧的磁极导向轴承设置在外导向板的导轨内。转磁极导向机构30中设置在左侧销轴上的轴承设置在导向架左侧的导轨内，导轨内表面限制其横向运动。转磁极导向机构30中设置在右侧销轴上的轴承设置在导向架右侧的导轨内，导轨内表面限制其横向运动。机器人俯仰姿态大于-90°小于90°，即机器人与其运动导磁面呈现压力关系时，轴承37接触导轨上表面，从而推动导向架方形块向上运动直至定位孔下表面接触导向架定位杆28，因而机器人重力与其运动导磁面对转磁极导向机械支撑力之间建立力学平衡；机器人俯仰姿态处于其他角度，即机器人与其运动导磁面呈现“拉力”关系时，轴承37接触导轨下表面，从而拉动导向架方向块向下运动直至定位孔上表面接触导向架定位杆28，使得机器人重力与其运动导磁面对转磁极导向机械的吸附力之间建立力学平衡。可见该结构能够实现机器人运动过程中导磁面对转磁极导向机械支撑力或吸附力的平衡传导，从而增强了机器人的稳定性。然而该结构为非连续变化，因而在导向架的每个导向杆上设置了导向架缓冲连接机构。

越障履带的导向架与主履带的导向架的结构类同，这里不再重述。

7B是本发明提供的空化射流清洁船体机器人履带导向架缓冲机构示意图，如图7B所示，导向架缓冲连接机构包括缓冲连接块58，及镜像分布的弹簧轴59A、弹簧轴59B，弹簧60A、弹簧60B和弹簧套61A、弹簧套61B；缓冲连接块58穿过导向架定位杆28并与之固连，弹簧轴59A和弹簧轴59B分别垂直并镜像设置在缓冲连接块58的两端；弹簧60A与弹簧60B分别套于弹簧轴59A与弹簧轴59B之上并置于弹簧套61A与61B之内，弹簧套61A与弹簧套61B分别与导向架上端和导向架下端连接，装配该缓冲连接结构后，可实现机器人姿态变化时导向架上下连续运动与力学传动的连续变化。机器人与其运动导磁面呈现压力关系时，磁块上轴承通过导轨上平面推动导向架上移、弹簧60B将机器人运动导磁面对磁体块支撑力传递给导向定位杆28，从而建立机器人与导磁面对磁体块支撑力的力学平衡；反之，机器人与其运动导磁面呈现“拉力”关系时，磁体上轴承通过导轨下平面拉动导向架下移、弹簧60A将机器人运动导磁面对磁体块支撑力传递给导向定位杆28，从而建立机器人与导磁面对磁体块吸附力的力学平衡。通过弹簧60A、弹簧NB实现机器人压力、吸附力的传递并建立力学平衡，保证了机器人姿态改变时力学平衡的连续变化，从而机器人运动平稳性大幅度提高。

以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。