专利名称：一种磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法及磁块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁吸附爬壁机器人设计技术领域，特别涉及一种用于野外高大的圆锥形钢塔表面上任意方向移动的爬壁机器人的磁吸附单元的高效、多磁路的磁块的设计方法以及利用该方法设计的磁块。
背景技术：
工业领域往往会用到又高又大的罐体，例如石油化工或天然气企业的储油、储气罐、发电厂等企业的锅炉、风力发电设备的风机塔等。这些罐体的几何外形呈现圆柱状、球状以及圆锥状的特点。而罐体往往需要进行维护、壁厚检测，目前仍采用传统的人工方式， 其设备一般就是软梯、绳索或脚手架之类的，这样就带来了劳动强度大、周期长、效率低下以及安全性差等问题，因此急需一种自动化的检测或进行其他作业的设备，这种设备要具有在这些罐体表面贴敷且灵活移动的特点。对于一般的磁吸附爬壁机器人来讲，由于要工作在这种变截面的壁面上，而且壁面上的焊接处较高，因此要想进行任意方向的移动，将很难做到能时时达到牢牢吸附的目的。应用于这些罐体上的爬壁机器人一般采用磁块提供磁吸力，一般来讲，磁吸附爬壁机器人对导磁性壁面的吸附，最直接的方法是采用永磁吸附方式和电磁吸附方式，电磁吸附方式机构较多、控制上复杂、耗能较大，但可以实现对磁力的主动控制；永磁吸附方式结构简单、不需耗能，但无法控制磁力。因此当采用永磁吸附方式提供吸力时，需要根据机器人的运动状态进行分析，并根据分析结果进行磁块设计，从而令磁块提供足够的吸力。
发明内容
有鉴于此，本发明基于一种用于高大圆锥壁面的永磁式爬壁机器人，提供了爬壁机器人中磁块的设计方法以及应用该方法设计的磁块，采用该方法设计的磁块能够提供足够的吸力使得机器人不从倾斜壁面跌落。而且，本发明磁块为多磁路结构，可提高单个磁块对非平面壁面吸附的适应性。该方案是这样实现的—种履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，应用于具有两排履带且每个履带安装有采用永磁铁实现的磁块，以磁块提供吸力的爬壁机器人，每个磁块包含多个磁吸附单元；其特征在于，设定爬壁机器人的重量为G，壁面与垂直面的夹角为θ，壁面与爬壁机器人磁块的最大静摩擦系数为P ‘ _，m为单排履带中同一时刻与壁面接触的磁块数量； 该方法包括如下步骤步骤一、以机器人在壁面上不滑动、不倾覆为条件，根据力平衡和力矩平衡的关系，推导出机器人在倾斜壁面上下爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fil，以及机器人在倾斜壁面平行爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi2 ；步骤二、履带上的每个磁块包含多个磁吸附单元，通过电磁学的理论计算分析并结合磁回复曲线，得到机器人履带上的磁块所包含的单个磁吸附单元的吸カ为 F =^r_^_ι2α μ0%+(υ u(III)其中，も为单个磁吸附单元气隙中的磁感应強度，Hg为单个磁吸附单元气隙中的 磁场强度，も为单个磁吸附单元的气隙面积，μ 。为回复磁导率，f为磁势损失系数，ん是 单个磁吸附单元的磁极面积，μ ^为真空磁导率常数，Br为磁铁的剩余磁感应强度，B'、Η' 为磁块初始工作点的磁感应強度和磁场强度；步骤三、在设计磁块时，根据当前磁块的结构确定參数(III)式中的各參数值，然 后代入公式(III)得到单个磁吸附单元能够提供的吸力，再乘以磁块中同一时刻接触壁面 的磁吸附単元的数量得到磁块预计提供的吸力；然后判断磁块预计提供的吸カ是否大于或 等于Fil和Fi2，如果是，则完成磁块设计；否则，通过调整磁吸附单元的结构和/或数量，以 提高磁块的吸力，再利用公式(III)、Fil和Fi2进行验证。当所述倾斜壁面为锥形壁面时机器人在锥形壁面竖直爬行吋，磁块所需要提供的吸カ为
权利要求
1. 一种履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，应用于具有两排履带且每个履带安装有采用永磁铁实现的磁块，以磁块提供吸力的爬壁机器人，每个磁块包含多个磁吸附单元；其特征在于，设定爬壁机器人的重量为G，壁面与垂直面的夹角为θ，壁面与爬壁机器人磁块的最大静摩擦系数为P ‘ _，m为单排履带中同一时刻与壁面接触的磁块数量；该方法包括如下步骤步骤一、以机器人在壁面上不滑动、不倾覆为条件，根据力平衡和力矩平衡的关系，推导出机器人在倾斜壁面上下爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fil，以及机器人在倾斜壁面平行爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi2 ；步骤二、履带上的每个磁块包含多个磁吸附单元，通过电磁学的理论计算分析并结合磁回复曲线，得到机器人履带上的磁块所包含的单个磁吸附单元的吸力为
2.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，其特征在于，所述倾斜壁面为锥形壁面机器人在锥形壁面竖直爬行时，磁块所需要提供的吸力为
3.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，其特征在于，当 磁块的初始工作点在最大磁能处时，？ = Tf^Br为磁铁的剩余磁感应强度，Hc为磁铁的矫 顽力；则在所述步骤二中，采用}的值作为<代入公式(III)得到单个磁吸附单元的吸 力。
4.根据权利要求1所述的履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，其特征在于，所述磁吸附单元采用轭铁-磁条-轭铁的结构，一条磁条位于两个轭铁中间且与两侧轭铁,Bh紧密贴合，从而构成一个磁吸附单元；磁条与轭铁的尺寸关系为《>f，其中，轭铁厚度为a'，磁条高度为h，轭铁的饱和磁感应强度为Bs。
5.根据权利要求4所述的履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，其特征在于，磁块中包含η个磁条和η+1个轭铁，磁条与轭铁间隔布置构成η个磁吸附单元，每个轭铁为两侧的磁条共用，且同一轭铁两侧所对应的磁条的磁极相同。
6.一种用于履带式磁吸附爬壁机器人的磁块，所述爬壁机器人具有两排履带且每个履带安装有磁块；其特征在于，该磁块包括底部隔磁板(1)、侧面挡板( 、轭铁C3)、磁条(5)； 磁条( 与轭铁(3)间隔布置，一条磁条( 位于两个轭铁(3)中间且与两侧轭铁紧密贴合，从而构成一个磁吸附单元；每个轭铁C3)为两侧的磁条共用，且同一轭铁C3)两侧的磁条的磁极相同；磁条( 与轭铁C3)设置于底部隔磁板(1)，侧面挡板( 通过沉头螺钉与底部隔磁板(1)相连；设磁块中同一时刻接触壁面的磁吸附单元的数量为r，Fa为一个磁吸附单元的吸力，则磁块预计提供的吸力为r X Fa，令r X Fa大于或等于机器人在倾斜壁面上下爬行时磁块所需要提供最小吸力Fil以及机器人在倾斜壁面上水平爬行时磁块所需要提供最小吸力Fi2 ；其中，Fil和Fi2以机器人在壁面上不滑动、不倾覆为条件，并根据力平衡和力矩平衡的关系的推导得出；
7.根据权利要求6所述的用于履带式磁吸附爬壁机器人的磁块，其特征在于，所述磁块应用于在锥形壁面爬行的爬壁机器人时，机器人在锥形壁面竖直爬行时，磁块所需要提供的吸力为
8.根据权利要求6所述的用于履带式磁吸附爬壁机器人的磁块，其特征在于，所述磁吸附单元采用轭铁-磁条-轭铁的结构，一条磁条位于两个轭铁中间且与两侧轭铁紧密贴 合，从而构成一个磁吸附单元；磁条与轭铁的尺寸之间的关系为，其中，轭铁厚度为a'，磁条高度为h，轭铁的饱和磁感应强度为Bs。
9.根据权利要求8所述的用于履带式磁吸附爬壁机器人的磁块，其特征在于，磁块中包含η个磁条和η+1个轭铁，磁条与轭铁间隔布置构成η个磁吸附单元，每个轭铁为两侧的磁条共用，且同一轭铁两侧所对应的磁条的磁极相同。
全文摘要
本发明公开了一种履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，以机器人在壁面上不滑动、不倾覆为条件，根据力平衡和力矩平衡的关系，推导出机器人在倾斜壁面上下爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi1，以及机器人在倾斜壁面平行爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi2；通过电磁学的理论计算分析并结合磁回复曲线，得到机器人履带上的磁块所包含的单个磁吸附单元的吸力为Fa；在设计磁块时，通过磁块结构的调整使得Fa大于或等于Fi1和Fi2。使用本发明设计的磁块能够提供足够的吸力使得机器人不从倾斜壁面跌落。而且，本发明磁块为多磁路结构，可提高单个磁块对非平面壁面吸附的适应性。
文档编号H01F41/02GK102290192SQ20111011610
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者戴福全, 邵洁, 高学山 申请人:北京理工大学