一种轮式永磁吸附装置的制作方法

本实用新型涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种轮式永磁吸附装置，该装置可应用于机器人领域。本发明要解决的技术问题是为爬壁机器人等行走设备提供一种体积小、重量轻、易于维护、具备高摩擦系数、同时比现有永磁吸附装置磁能利用率更高的轮式永磁吸附装置，以实现爬壁机器人等行走设备在各类导磁性壁面上的可靠吸附与灵活爬行。

背景技术：

近年来，机器人在各个领域均得到了广泛应用与发展。用机器人代替人工从事各种劳动强度大、危险性高、简单重复的工作，已是社会发展的必然趋势。爬壁机器人作为移动机器人的一种，能吸附在各类壁面上且可携带相应工具完成一定作业，广泛应用于核工业、石化、船舶、建筑、消防等领域，代替人工进行清洗、检测、维护、观察、搜救等作业。因此，研发高性能、高可靠性的爬壁机器人已成为各行各业的迫切需求与研发重点。目前，爬壁机器人常采用的磁吸附方式主要分为电磁吸附和永磁吸附两种，其中永磁吸附方式因具有吸附不耗能、安全性较高等诸多优点得到了较广应用。

经专利检索发现，专利号为：200820176461.4的专利涉及一种橡胶磁轮吸附驱动机构，其采用两块钢轮夹紧一个环形永磁磁轮，并在磁轮外侧包裹一层橡胶敷层以提高磁轮摩擦力。该结构虽从原理上能够实现对导磁性壁面的吸附，但实用意义有限，存在诸多不足，具体如下：（1）从原理上看，该专利磁路设计欠佳，磁场方向未明确指出，且仅采用普通钢轮与环形永磁体局部接触，导磁能力有限，磁能利用率较低；（2）从结构上看，该专利结构设计极不合理，两块钢轮通过中间凸起部位的外圆柱面与环形永磁体内圆柱面实现定位，利用吸附力实现二者连接，须知永磁体均为脆性材料且对钢轮存在巨大作用力，装配难度较大，如定位圆柱面配合过紧，装配过程中不易定位且易发生永磁体破碎现象，如定位圆柱面配合较松，两块钢轮的同轴度不易保证。同时，磁轮运动过程中可能存在较大的轴向载荷，仅依靠吸附力连接，极不可靠且不易拆卸维护，另外，考虑永磁体为低强度脆性材料，工作过程中直接承受壁面压力，寿命会大大缩短；（3）从工艺上看，该专利可行性欠佳，该专利将橡胶直接包裹在环形永磁体上，须知即使目前最先进的包胶工艺包胶过程中所需的温度亦能使当今最耐温的永磁体退磁。

目前应用于爬壁机器人的磁吸附装置普遍存在结构笨重、不易维护、摩擦力小、磁能利用率低等诸多局限，已成为阻碍爬壁机器人研发与应用的瓶颈问题。针对现有永磁吸附装置存在的诸多不足，急需提出了一种体积小、重量轻、易于维护、具备高摩擦力、同时比现有永磁吸附装置磁能利用率更高的新型轮式永磁吸附装置，以实现爬壁机器人等行走设备在各类导磁性壁面上的可靠吸附与灵活爬行。

技术实现要素：

针对上述技术不足，本实用新型提供一种轮式永磁吸附装置，该装置采用夹心结构，将环形永磁体内嵌在两块高磁导率轭铁，如硅钢、铁镍合金等之间的凹槽内，两导磁轭铁分别充分接触包裹轴向充磁的永磁体两极，使两极磁感线充分聚拢，不仅提高了磁能利用率还避免了环形永磁体跟导磁性壁面的直接接触，弥补了环形永磁体易碎、强度低的缺陷。

为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案

一种轮式永磁吸附装置，该轮式永磁吸附装置由环形钕铁硼永磁体103、外侧硅钢导磁轭铁101、内侧硅钢导磁轭铁104、定位套105、磁轮外侧橡胶102组成，所述的定位套105由非导磁性材料制成的定位元件，其一端套在外侧硅钢导磁轭铁101中心的外圆上，另一端套在内侧硅钢导磁轭铁104中心部位位置的外圆上，实现外侧硅钢导磁轭铁101与内侧硅钢导磁轭铁104的径向定位，保证了安装时两者的同轴度；所述的环形钕铁硼永磁体103内嵌在外侧硅钢导磁轭铁101与内侧硅钢导磁轭铁104之间的凹槽内；外侧硅钢导磁轭铁101经驱动轴末端的螺钉109跟磁轮驱动轴106固定在一起，外侧硅钢导磁轭铁101和内侧硅钢导磁轭铁104分别通过各自侧面的螺纹孔107与110固定拧紧，构成夹心结构轮式永磁吸附单元；且磁轮外侧橡胶102包覆在外侧硅钢导磁轭铁101和内侧硅钢导磁轭铁104外圆柱面上，用于增大磁轮摩擦力，避免磁轮在转动过程中出现打滑现象。

一种轮式永磁吸附装置，所述的外侧硅钢导磁轭铁101为柱状“山”字形结构，其中心轴为用于磁轮驱动与装配的外圆内方中空结构；外侧硅钢导磁轭铁101内侧面有四个环形阵列螺纹孔110，用于配合内侧硅钢导磁轭铁104侧面四个螺纹孔107实现磁轮内外侧导磁轭铁和环形永磁体的固定与定位；内侧硅钢导磁轭铁104为柱状“王”字形结构，在其中心位置同样固定有一外圆内方中空轴，用于磁轮装配与驱动。

一种轮式永磁吸附装置，所述的内侧硅钢导磁轭铁104内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的那一组环形阵列螺纹孔108用于实现环形钕铁硼永磁体103拆卸维护与更换，半径较小的那一组环形阵列螺纹孔107用于将外侧硅钢导磁轭铁101和内侧硅钢导磁轭铁104固定在一起，外侧硅钢导磁轭铁104和内侧硅钢导磁轭铁104的制作材料硅钢为高磁导率材料，能有效疏导聚拢磁感线。

一种轮式永磁吸附装置，所述的环形钕铁硼永磁体103为轴向充磁结构，其用于提供产生吸附力的强磁环境。

由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下优越性：

（1）本实用新型轮式永磁吸附装置采取夹心结构，用高磁导率的导磁轭铁包裹永磁体，使永磁体磁感线聚拢在一起，永磁体磁感线穿过导磁性壁面后形成闭合回路，磁能利用率更高。

(2) 本轮式永磁吸附装置体积较小、重量较轻、便于拆卸和装配、易于更换不同磁力的永磁体、同时具备高摩擦系数，磁轮在转动过程中不会出现打滑现象。

（3）本轮式永磁吸附装置内外侧导磁轭铁和永磁体通过定位套与螺钉双重定位，保证了同轴度，即使磁轮高速转动也不会发生错位现象。易于实现装配。

附图说明

图1是本实用新型轮式永磁吸附装置外观轴测图

图2是本实用新型外侧硅钢导磁轭铁侧视图

图3是本实用新型内侧硅钢导磁轭铁侧视图

图4是本实用新型轮式永磁吸附装置剖面图

图中：101外侧硅钢导磁轭铁、102磁轮外侧橡胶、103环形钕铁硼永磁体、104内侧硅钢导磁轭铁、105定位套、106磁轮驱动轴、107内侧硅钢导磁轭铁安装固定螺纹孔、108内侧硅钢导磁轭铁拆卸螺纹孔、109外侧硅钢导磁轭铁轴端固定螺钉、110外侧硅钢导磁轭铁安装固定螺纹孔。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种轮式永磁吸附装置，采用夹心结构将环形永磁体内嵌在两块高磁导率轭铁，如硅钢、铁镍合金等之间的凹槽内，两导磁轭铁分别充分接触包裹轴向充磁的永磁体两极，使两极磁感线充分聚拢，不仅提高了磁能利用率还避免了环形永磁体跟导磁性壁面的直接接触，弥补了环形永磁体易碎、强度低的缺陷。

该装置采用定位套和螺钉实现对导磁轭铁与环形永磁体的双重定位与固定。定位套一端套在外侧导磁轭铁中心轴上，另一端套在内侧导磁轭铁中心轴上，实现两导磁轭铁的径向定位，保证了两导磁轭铁的同轴度。两导磁轭铁侧面均分布有环形阵列螺纹孔，螺钉穿过内侧导磁轭铁侧面的螺纹孔后与外侧导磁轭铁侧面的螺纹孔配合拧紧，实现两导磁轭铁轴向和径向的定位与固定。定位套和螺钉双重连接，这种装配方式比较简便迅速，连接部位不易松动，易保证两导磁轭铁同轴度，即使磁轮在快速转动过程中也不会出现错位现象。内侧导磁轭铁侧面分布有环形阵列螺纹孔，用于实现该装置可拆卸、可回收、可维护以及重复利用的绿色化设计。拆卸时将螺钉拧进该螺纹孔，将环形永磁体与导磁轭铁分离，该分离方式，易于实现永磁体的拆卸更换与维修维护，且对拆卸工具要求低，间接的延长了该吸附装置的使用寿命。该吸附装置，各零件参数均经过合理优化，使得整体重量较轻、体积较小、零件数较少。

磁轮外侧橡胶包覆在两导磁轭铁上并未跟永磁体直接接触，这种包胶方式不仅使导磁性壁面与磁轮外侧高摩擦系数的橡胶直接接触，以免磁轮在转动过程中出现打滑现象，同时还避免了磁轮橡胶直接包裹在永磁体上出现包胶过程中永磁体高温退磁现象。

一种轮式永磁吸附装置，其主要由环形永磁体、外侧导磁轭铁、内侧导磁轭铁、定位套、磁轮外侧橡胶组成。所述环形永磁体由强磁性材料（如钕铁硼）制备而成，并采用轴向充磁方式，该环形永磁体用于提供强磁环境。外侧导磁轭铁为柱状“山”字形结构，其中心轴为外圆内方的中空结构，用于实现磁轮的驱动与装配。外侧导磁轭铁内侧面有四个环形阵列螺纹孔，用于配合内侧导磁轭铁侧面的四个螺纹孔实现磁轮装配过程中轭铁与永磁体的准确定位与固定。内侧导磁轭铁为柱状“王”字形结构，在其中心位置同样有一外圆内方中空轴，用于磁轮装配与驱动。内侧导磁轭铁内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的一组环形阵列孔用于实现环形永磁体的拆卸维护与更换，半径较小的一组环形阵列孔，用于通过螺钉实现外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁的定位与固定，外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁均由高磁导率材料（如硅钢、铁镍合金）制备而成，起到疏导聚拢磁感线的作用。所述定位套为一由非导磁性材料制成的定位元件，其一部分套在外侧导磁轭铁外圆内方轴的外圆上，另一部分套在内侧导磁轭铁外圆内方轴的外圆上，用于保证外侧导磁轭铁与内侧导磁轭铁的同轴度。

环形永磁体内嵌在外侧导磁轭铁与内侧导磁轭铁之间的凹槽内，内侧与外侧导磁轭铁包裹环形永磁体的侧面与圆柱面并在圆柱面上留有一定气隙。外侧导磁轭铁经轴端螺钉跟磁轮驱动轴固定在一起，外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁通过各自侧面的螺纹孔经螺钉固定拧紧。磁轮外侧橡胶包覆在外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁外表面上，避免产生包覆在永磁体上使得永磁体高温退磁的情况，磁轮外侧橡胶用来增大磁轮摩擦力，防止磁轮在转动过程中出现打滑现象，实现爬壁机器人在导磁壁面上灵活移动。

所述轮式永磁吸附单元采用夹心结构。环形永磁体内嵌在外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁之间的凹槽内。磁感线从环形永磁体N极流出，经过外侧导磁轭铁的聚拢后，穿过导磁性壁面，流经内侧导磁轭铁，最后流回环形永磁体S极，形成了闭合磁感线回路，提高了磁感线利用率，增大了爬壁机器人在导磁性壁面上的吸附力，使爬壁机器人更牢固地吸附在导磁性壁面上。

该一种轮式永磁吸附装置，其主要由环形钕铁硼永磁体103、外侧硅钢导磁轭铁101、内侧硅钢导磁轭铁104、定位套105、磁轮外侧橡胶102组成。所述环形钕铁硼永磁体103采取轴向充磁方式，其用于提供产生吸附力的强磁环境。外侧硅钢导磁轭铁101为柱状“山”字形结构，其中心轴为用于磁轮驱动与装配的外圆内方中空结构。外侧硅钢导磁轭铁101内侧面有四个环形阵列螺纹孔110，用于配合内侧硅钢导磁轭铁104侧面四个螺纹孔107实现磁轮内外侧导磁轭铁和环形永磁体的固定与定位。内侧硅钢导磁轭铁104为柱状“王”字形结构，在其中心位置同样固定有一外圆内方中空轴，用于磁轮装配与驱动。内侧硅钢导磁轭铁104内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的那一组环形阵列螺纹孔108用于实现环形钕铁硼永磁体103拆卸维护与更换，半径较小的那一组环形阵列螺纹孔107用于将外侧硅钢导磁轭铁101和内侧硅钢导磁轭铁104固定安装在一起，外侧硅钢导磁轭铁104和内侧硅钢导磁轭铁104的制作材料硅钢为高磁导率材料，能有效疏导聚拢磁感线。定位套105由非导磁性材料制成的定位元件，其一端套在外侧硅钢导磁轭铁101中心的外圆上，另一端套在内侧硅钢导磁轭铁104中心部位位置的外圆上，实现外侧硅钢导磁轭铁101与内侧硅钢导磁轭铁104的径向定位，保证了安装时两者的同轴度。

环形钕铁硼永磁体103内嵌在外侧硅钢导磁轭铁101与内侧硅钢导磁轭铁104之间的凹槽内。外侧硅钢导磁轭铁101经驱动轴末端的螺钉109跟磁轮驱动轴106固定在一起，外侧硅钢导磁轭铁101和内侧硅钢导磁轭铁104分别通过各自侧面的螺纹孔107与110固定拧紧。磁轮外侧橡胶102包覆在外侧硅钢导磁轭铁101和内侧硅钢导磁轭铁104外圆柱面上，磁轮外侧橡胶102增大了磁轮摩擦力，避免了磁轮在转动过程中出现打滑现象，实现爬壁机器人在导磁性壁面上的灵活爬行。

该夹心结构的轮式永磁吸附单元工作时，环形钕铁硼永磁体103的磁感线从其N极流出，经外侧硅钢导磁轭铁101聚拢后，穿过导磁性壁面，流经内侧硅钢导磁轭铁104，最后流回环形钕铁硼永磁体103的S极，形成闭合的磁感线回路，大大提高了磁感线利用率，增大了爬壁机器人在导磁壁面上的吸附力。