一种基于内平衡原理的吸附力可调节永磁间隙吸附装置的制作方法

本发明属于机器人技术领域。

背景技术

吸附装置是实现爬壁机器人壁面稳定、安全作业的核心部件。现有爬壁机器人常用的吸附装置根据吸附原理可分为负压吸附和磁吸附，其中，永磁吸附装置由于具有结构小、吸附力大、无需提供能源等特点，而被铁磁环境下工作的爬壁机器人广泛采用。

现有的永磁吸附装置主要有永磁间隙式、永磁轮式和永磁履带式，这些永磁吸附装置通常不具备吸附力调节功能，为了使机器人具有足够的负载能力携带作业工具在壁面稳定作业，永磁吸附装置的吸附力需要被设计的足够大，然而过大的吸附力会增加机器人的转向阻力，限制机器人运动的灵活性，且不利于机器人从壁面取下。

申请号cn201310424613.3记载了“一种吸附力可调永磁吸附间隙吸附装置”，通过磁铁调节手柄转动凸轮，改变永磁吸附装置和导磁工件之间的气隙，从而实现磁吸附力的调节。

该专利申请虽然实现了磁吸附力的调节，但其所采用的磁路磁能利用率不高，磁吸附装置体积大，只适用于增加机器人的附着力，而不适合作为爬壁机器人的吸附装置。

申请号cn201010289541.2记载了一种“磁吸附力可调的爬壁机器人用轮式越障机构”涉及到了一种磁吸附力可调节的永磁吸附装置，通过丝杆机构控制永磁吸附装置与壁面之间的距离，实现磁吸附力的调节。

该专利申请虽然通过丝杆机构实现了磁吸附装置吸附力的调节，但在吸附力调节的过程中，吸附力作用在螺母上，在螺母与丝杆之间会产生很大的摩擦力，且随着吸附力的增大，摩擦力也会加大，这将要求驱动电机需要具有足够大的驱动力矩克服摩擦力实现丝杆机构的驱动，从而造成驱动电机的重量和体积较大，不利于爬壁机器人的轻型化和小型化，同时也会使得机器人的能耗增加，降低了机器人的续航时间。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于内平衡原理的吸附力可调节永磁间隙吸附装置，该装置能够实现磁吸附力的调节，且在不影响装置吸附性能的同时，能够有效限制磁吸附力调节所需的驱动力矩。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种基于内平衡原理的吸附力可调节永磁间隙吸附装置，包括吸附力调节机构、永磁间隙吸附机构和内平衡弹簧机构。吸附力调节机构与机器人本体固定连接，永磁间隙吸附机构置于机器人本体下方并与吸附力调节机构连接，内平衡弹簧机构固装于机器人本体下方，并与永磁间隙吸附机构连接。

所述的吸附力调节机构包括丝杆轴承座、丝杆、锁紧螺母以及螺母。其中：丝杆轴承座固装在机器人本体上，丝杆一端套装在丝杆轴承座上，锁紧螺母套装在丝杆上，并与丝杆轴承座抵靠，螺母套装在丝杆下方，并与永磁间隙吸附机构固定连接。

所述的永磁间隙吸附机构包括：两个窄永磁体、两个宽永磁体、轭铁、三个隔磁铝块、两个支撑板以及两个限位铝板。其中：两个窄永磁体分别置于轭铁底面两侧，两个宽永磁体分别置于轭铁底面中部，三个隔磁铝块分别置于上述四个永磁体之间并与轭铁固定连接，两个支撑板分别置于两个窄永磁体外侧并与轭铁固定连接，两个限位铝板分别固装于轭铁前后两端面。

所述的内平衡弹簧机构包括：两个连接板、四组第一弹簧机构和四组第二弹簧机构。其中：两个连接板分别固装于机器人本体下方的两侧，四组第一弹簧机构分别固装于两个连接板的外侧，四组第二弹簧机构分别固装于两个连接板的内侧。

所述的第一弹簧机构包括：弹簧支撑座ⅰ、弹簧导套ⅰ、弹簧ⅰ、弹簧ⅲ、弹簧压板ⅰ以及弹簧压杆ⅰ。其中：弹簧导套ⅰ安装在弹簧支撑座ⅰ上，弹簧ⅰ放置于弹簧导套ⅰ内，弹簧ⅲ放置于弹簧ⅰ内部，弹簧压板ⅰ置于弹簧ⅰ顶端，弹簧压杆ⅰ一端与弹簧压板ⅰ固定连接，另一端穿过弹簧ⅲ与永磁间隙吸附机构中的支撑板固定连接。

所述的第二弹簧机构包括：弹簧支撑座ⅱ、弹簧导套ⅱ、弹簧ⅱ、弹簧压板ⅱ以及弹簧压杆ⅱ。其中：弹簧导套ⅱ安装在弹簧支撑座ⅱ上，弹簧ⅱ放置于弹簧导套ⅱ内，弹簧压板ⅱ置于弹簧ⅱ上方，并与弹簧压杆ⅱ一端固定连接，弹簧压杆ⅱ另一端穿过弹簧ⅱ与永磁间隙吸附机构中的轭铁固定连接。

本发明的工作原理是：通过驱动丝杆使螺母带动永磁间隙吸附机构相对机器人本体上下移动，从而改变永磁间隙吸附机构与壁面之间的距离，实现磁吸附力的调节；在永磁间隙吸附机构的移动过程中，会带动弹簧机构中的压杆一起移动，使弹簧机构的弹力跟随吸附力一同发生变化，弹簧机构将作用于螺母上的吸附力转化为弹力并最终作用于机器人本体，由于永磁间隙吸附机构的吸附力随壁面距离的变化为非线性，为了使弹簧机构的弹力尽可能的接近吸附力，采用三种刚度不同的弹簧相互配合，使弹簧机构弹力的变化与吸附力的变化保持一致，从而使作用于螺母的吸附力以及螺母与丝杆之间的摩擦力尽可能小，进而有效的限制了吸附力调节所需的驱动力矩；弹簧机构的弹力对于整个装置而言为内力，弹簧机构的弹力、作用于螺母的吸附力以及永磁间隙吸附机构产生的吸附力之间为内部平衡，机器人本体所受的力始终等于永磁间隙吸附机构产生的吸附力，因此装置的吸附性能并没有受到影响。

与现有技术相比，本发明克服了现有永磁吸附装置吸附力不可调节的缺点，实现了永磁吸附装置吸附力的调节；采用内平衡原理，在不影响装置吸附性能的同时，有效限制了吸附力调节需要的驱动力矩。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的前视图。

图3为本发明的工作示意图。

图4为本发明吸附力与弹力的变化图。

其中，1为吸附力调节机构、2为永磁间隙吸附机构、3为内平衡弹簧机构、4为机器人本体、5为丝杆轴承座、6为丝杆、7为锁紧螺母、8为螺母、9为窄永磁体、10为宽永磁体、11为轭铁、12为隔磁铝块、13为支撑板、14为限位铝板、15为连接板、16为第一弹簧机构、17为第二弹簧机构、18为弹簧支撑座ⅰ、19为弹簧导套ⅰ、20为弹簧ⅰ、21为弹簧ⅲ、22为弹簧压板ⅰ、23为弹簧压杆ⅰ、24为弹簧支撑座ⅱ、25为弹簧导套ⅱ、26为弹簧ⅱ、27为弹簧压板ⅱ、28为弹簧压杆ⅱ。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括：吸附力调节机构1、永磁间隙吸附机构2和内平衡弹簧机构3，其中：吸附力调节机构1与机器人本体4固定连接，永磁间隙吸附机构2放置于机器人本体4的下方，并与吸附力调节机构1连接，内平衡弹簧机构3固装于机器人本体4的下方，并与永磁间隙吸附机构2连接。

如图1、图2所示，所述吸附力调节机构1包括：丝杆轴承座5、丝杆6、锁紧螺母7以及螺母8，其中：所述丝杆轴承座5固装在机器人本体4上，所述丝杆6一端套装在丝杆轴承座5上，所述锁紧螺母7通过螺纹与丝杆6啮合，并与丝杆轴承5座抵紧，以防止丝杆6发生轴向窜动，所述螺母8通过螺纹与丝杆6啮合，且底端与永磁间隙吸附机构2固定连接。

所述丝杆6与螺母8之间具有自锁功能，通过驱动丝杆6能够使螺母8带动永磁间隙吸附机构2相对机器人本体4上下移动。

如图1、图2所示，所述永磁间隙吸附机构2包括：两个窄永磁体9、两个宽永磁体10、轭铁11、三个隔磁铝块12、两个支撑板13以及两个限位铝板14，其中：所述两个窄永磁体9分别置于轭铁11的底面两侧，所述两个宽永磁体10分别置于轭铁11的底面中部，所述三个隔磁铝块12分别置于上述四个永磁体之间，并与轭铁11固定连接，所述两个支撑板13分别置于两个窄永磁体9外侧，并与轭铁11固定连接，所述两个限位铝板14分别固装于轭铁11前后两端面。

所述窄永磁体9和宽永磁体10均采用钕铁硼n45sh制成，并沿厚度方向充磁，相邻两个永磁体安装极性相反，所述轭铁11采用高导磁材料普通碳素结构钢q235制成，所述支撑板13采用不导磁的304不锈钢制成。

如图1所示，所述内平衡弹簧机构3包括：两个连接板15、四组第一弹簧机构16和四组第二弹簧机构17，其中：所述两个连接板15分别固装于机器人本体4下方两侧，所述四组第一弹簧机构16分别固装于两个连接板15的外侧，四组第二弹簧机构17分别固装于两个连接板15的内侧。

如图1、图2所示，所述第一弹簧机构16包括：弹簧支撑座ⅰ18、弹簧导套ⅰ19、弹簧ⅰ20、弹簧ⅲ21、弹簧压板ⅰ22以及弹簧压杆ⅰ23，其中：所述弹簧支撑座ⅰ18固装于连接板15的底部，所述弹簧导套ⅰ19安装在弹簧支撑座ⅰ18上，所述弹簧ⅰ20置于弹簧导套ⅰ19内，所述弹簧ⅲ21置于弹簧ⅰ20的内部，所述弹簧压板ⅰ22置于弹簧ⅰ20的顶端，所述弹簧压杆ⅰ23一端与弹簧压板ⅰ22固定连接，一端穿过弹簧ⅲ21与永磁间隙吸附机构2中的支撑板13固定连接。

如图1、图2所示，所述第二弹簧机构17包括：弹簧支撑座ⅱ24、弹簧导套ⅱ25、弹簧ⅱ26、弹簧压板ⅱ27以及弹簧压杆ⅱ28，其中：所述弹簧支撑座ⅱ24固装于连接板15的内侧，所述弹簧导套ⅱ25安装在弹簧支撑座ⅱ24上，所述弹簧ⅱ26置于弹簧导套ⅱ25内，所述弹簧压板ⅱ27置于弹簧ⅱ26的上方，并与弹簧压杆ⅱ28的一端固定连接，弹簧压杆ⅱ28的另一端穿过弹簧ⅱ26与永磁间隙吸附机构2中的轭铁11固定连接。

所述弹簧压杆ⅰ23与弹簧支撑座ⅰ18、弹簧压杆ⅱ28与弹簧支撑座ⅱ24之间均为间隙配合，可为吸附力调节机构1提供导向作用。

所述弹簧ⅰ20、弹簧ⅱ26和弹簧ⅲ21均为圆柱螺旋压缩弹簧，但弹簧参数均不相同，弹簧刚度依次为15.56n/mm、31.39n/mm、58.45n/mm，弹簧自由高度依次为55mm、35mm、18mm，永磁间隙吸附机构2相对机器人本体4向下移动时，将带动弹簧压杆ⅰ23和弹簧压杆ⅱ28一起移动，弹簧ⅰ20、弹簧ⅱ26、弹簧ⅲ21将被依次压缩。

图3所示为本发明的工作示意图，装置的初始状态如图中所示，永磁间隙吸附机构2距离壁面的初始距离为19mm，此时弹簧ⅰ20已经被压缩，而弹簧ⅱ26、弹簧ⅲ21并未与弹簧压板ⅱ27、弹簧压板ⅰ22接触，分别存在9mm和15mm的距离，弹簧机构3中的弹力均由弹簧ⅰ20产生，当驱动丝杆6使永磁间隙吸附机构2向下移动时，将带动弹簧压杆ⅰ23和弹簧压杆ⅱ28一起移动，在永磁间隙机构2向下移动9mm后，弹簧ⅱ26将与弹簧压板ⅱ27接触并逐渐被压缩，弹簧机构3中的弹力由弹簧ⅰ20和弹簧ⅱ26共同产生，在永磁间隙机构2向下移动15mm后，弹簧ⅲ21将与弹簧压板ⅰ22接触并逐渐被压缩，弹簧机构3中的弹力由弹簧ⅰ20、弹簧ⅱ26以及弹簧ⅲ21共同产生，上述过程中弹簧机构3中的弹力、作用于螺母8的吸附力以及永磁间隙吸附机构2产生的吸附力始终平衡，由于弹簧机构3中的弹力对于整个装置而言为内力，作用于机器人本体4的力始终等于永磁间隙吸附机构2产生的吸附力，因此并不影响装置的吸附性能。经仿真计算，在永磁间隙吸附机构2相对壁面的距离由19mm变化至0mm的过程中，永磁间隙吸附机构2的吸附力和弹簧机构3的弹力变化如图4所示，图中实线为吸附力变化曲线，虚线为弹力变化曲线，永磁间隙吸附机构吸附力的变化范围为300n-3760n，而此过程中作用于螺母8的吸附力最大仅为180n，从而有效的限制了磁吸附力调节所需的驱动力矩。