一种基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置

1.本发明涉及爬壁机器人技术领域，特别是涉及一种基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置。


背景技术：

2.爬壁机器人是一种能在大型壁面上垂直攀爬，并完成检测与维护作业的自动化机器人，在飞机蒙皮铆接、风电叶片维修、船舰除锈与探伤等方面具有重要应用潜力，可有效解决传统人工作业方式(如搭载吊篮或腰系绳索)的劳动强度大、工作效率低、危险性高等缺陷。其中，磁吸附轮式机器人具有吸附力强、运动灵活等特点，因此受到研究者的广泛关注，也取得了不少成果。但目前磁吸附轮式爬壁机器人尚存在吸附及脱附力可控性较弱的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是：提供一种基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置，能够实现吸附力的主动控制。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置，包括球轮、固定轴、轴套、固定框架、转动框架、第一线圈绕组、第一永磁阵列、第二线圈绕组和第二永磁阵列，所述球轮通过轴承与所述固定轴转动连接，所述轴套可转动地套接在所述固定轴上，所述轴套的径向两端分别固设有连接轴，所述连接轴的轴线与所述固定轴的轴线垂直相交的交点与所述球轮的球心重合，所述转动框架可转动地连接在所述连接轴上且位于所述球轮内，所述固定框架固定连接在所述固定轴上且位于所述转动框架内，所述第一线圈绕组固定在所述固定框架的下端内侧，所述第二线圈绕组固定在所述固定框架的上端外侧，所述第一永磁阵列固定在所述转动框架的下端内侧且与所述第一线圈绕组相对，所述第二永磁阵列固定在所述固定框架的上端内侧且与所述第二线圈绕组相对，所述第一永磁阵列呈圆弧状且所述第一永磁阵列的中心圆弧线所在的平面与所述连接轴的轴线重合，所述第二永磁阵列呈圆弧状且所述第二永磁阵列的中心圆弧线所在的平面与所述固定轴的轴线重合；当所述第一线圈绕组通电时，所述第一永磁阵列能绕所述连接轴左右摆动，当所述第二线圈绕组通电时，所述第二永磁阵列能绕所述固定轴前后摆动。
5.作为本发明的优选方案，所述第一永磁阵列由外至内依次设有外层阵列、中层阵列和内层阵列，所述外层阵列和所述内层阵列均为用于加强所述球轮的球面一侧磁场强度的哈尔巴赫阵列，所述中层阵列为周向交替阵列，且在相邻的两个永磁体之间布置有导磁体。
6.作为本发明的优选方案，所述第二永磁阵列由外至内依次设有外层阵列、中层阵列和内层阵列，所述外层阵列和所述内层阵列均为用于加强所述球轮的球面一侧磁场强度的哈尔巴赫阵列；所述中层阵列为周向交替阵列，且在相邻的两个永磁体之间布置有导磁体。
7.作为本发明的优选方案，所述转动框架的外侧面与所述球轮的内侧面之间设有气隙。
8.作为本发明的优选方案，所述第一线圈绕组与所述第一永磁阵列之间设有气隙。
9.作为本发明的优选方案，所述第二线圈绕组与所述第二永磁阵列之间设有气隙。
10.作为本发明的优选方案，所述第一永磁阵列绕所述固定轴前后摆动的角度范围为0度～45度。
11.作为本发明的优选方案，所述第二永磁阵列绕所述固定轴前后摆动的角度范围为0度～45度。
12.作为本发明的优选方案，所述球轮为刚性球轮。
13.作为本发明的优选方案，所述球轮的材质为导磁材料。
14.本发明实施例一种基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置，与现有技术相比，其有益效果在于：
15.(1)第一永磁阵列的磁场，穿过球轮与被吸附的金属壁面形成磁回路，从而产生对壁面的磁吸附力，该磁吸附力能将球轮压紧在壁面上，增大与壁面之间的摩擦力，使爬壁机器人使用过程中具有较好的附着能力；
16.(2)当第一线圈绕组通电时，第一永磁阵列能在磁场相互作用下绕连接轴左右摆动，当第二线圈绕组通电时，第二永磁阵列能在磁场相互作用下绕固定轴前后摆动，由此产生两个正交方向的偏摆力矩，使得转动框架上的永磁阵列产生两自由度的球面偏摆运动；并且，第一永磁阵列的偏摆意味着吸附力的方向也在改变，因此，能够通过对第一永磁阵列偏摆方向的主动控制，使得吸附力总是垂直于接触壁面，从而保持最佳吸附性能；
17.(3)由于本发明能够实现第一永磁阵列偏摆方向的主动控制，使得第一永磁阵列的中心圆弧线(即吸附力方向)偏离垂直位置，实现对吸附力的精准控制，从而适应不同的应用需求；比如，当对系统灵活性要求较高时，可适当降低吸附单元的吸附力；当第一永磁阵列偏离垂直位置较多时，还能够实现快速主动脱附。
附图说明
18.图1是本发明实施例的基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置的结构示意图；
19.图2是本发明实施例的基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置隐藏球轮后的结构示意图；
20.图3是第一永磁阵列(或第二永磁阵列)磁极构型的结构示意图。
21.附图标记：
22.球轮1；固定轴2；轴套3；固定框架4；转动框架5；第一线圈绕组6；第一永磁阵列7；第二线圈绕组8；第二永磁阵列9；轴承10；连接轴11；外层阵列a，第一外层永磁体a1，第二外层永磁体a2，第三外层永磁体a3，第四外层永磁体a4，第五外层永磁体a5；中层阵列b，第一中层永磁体b1，第二中层永磁体b2；内层阵列c，第一内层永磁体c1，第二内层永磁体c2，第三内层永磁体c3，第四内层永磁体c4，第五内层永磁体c5；导磁体d，第一导磁体d1，第二导磁体d2，第三导磁体d3。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
25.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
26.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
27.如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置，其包括球轮1、固定轴2、轴套3、固定框架4、转动框架5、第一线圈绕组6、第一永磁阵列7、第二线圈绕组8和第二永磁阵列9，所述球轮1通过轴承10与所述固定轴2转动连接，所述轴套3可转动地套接在所述固定轴2上，所述轴套3的径向两端分别固设有连接轴11，所述连接轴11的轴线与所述固定轴2的轴线垂直相交的交点与所述球轮1的球心重合，所述转动框架5可转动地连接在所述连接轴11上且位于所述球轮1内，所述固定框架4固定连接在所述固定轴2上且位于所述转动框架5内，所述第一线圈绕组6固定在所述固定框架4的下端内侧，所述第二线圈绕组8固定在所述固定框架4的上端外侧，所述第一永磁阵列7固定在所述转动框架5的下端内侧且与所述第一线圈绕组6相对，所述第二永磁阵列9固定在所述固定框架4的上端内侧且与所述第二线圈绕组8相对，所述第一永磁阵列7呈圆弧状且所述第一永磁阵列7的中心圆弧线所在的平面与所述连接轴11的轴线重合，所述第二永磁阵列9呈圆弧状且所述第二永磁阵列9的中心圆弧线所在的平面与所述固定轴2的轴线重合；当所述第一线圈绕组6通电时，所述第一永磁阵列7能绕所述连接轴11左右摆动，当所述第二线圈绕组8通电时，所述第二永磁阵列9能绕所述固定轴2前后摆动。
28.根据本发明实施例提供的基于球面驱动的轮式爬壁机器人吸附装置，其工作原理大致如下：第一永磁阵列7的磁场，穿过球轮1与被吸附的金属壁面形成磁回路，从而产生对壁面的磁吸附力，该磁吸附力能将球轮1压紧在壁面上，增大与壁面之间的摩擦力，使爬壁机器人使用过程中具有较好的附着能力；当第一线圈绕组6通电时，第一永磁阵列7能在磁场相互作用下绕连接轴11左右摆动，当第二线圈绕组8通电时，第二永磁阵列9能在磁场相互作用下绕固定轴2前后摆动，由此产生两个正交方向的偏摆力矩，使得转动框架5上的永磁阵列产生两自由度的球面偏摆运动；并且，第一永磁阵列7的偏摆意味着吸附力的方向也在改变，因此，能够通过对第一永磁阵列7偏摆方向的主动控制，使得吸附力总是垂直于接触壁面，从而保持最佳吸附性能。
29.还需要说明的是，由于本发明实施例的轮式爬壁机器人吸附装置能够实现第一永磁阵列偏摆方向的主动控制，使得第一永磁阵列的中心圆弧线(即吸附力方向)偏离垂直位
置，实现对吸附力的精准控制，从而适应不同的应用需求；比如，当对系统灵活性要求较高时，可适当降低吸附单元的吸附力；当第一永磁阵列偏离垂直位置较多时，还能够实现快速主动脱附。
30.示例性的，如图3所示，所述第一永磁阵列7和所述第二永磁阵列9的磁极构型相同，由外至内依次设有外层阵列a、中层阵列b和内层阵列c，所述外层阵列a和所述内层阵列c均为用于加强所述球轮的球面一侧磁场强度的哈尔巴赫阵列；所述中层阵列b为周向交替阵列，且在相邻的两个永磁体之间布置有导磁体d。由此，中层阵列b的设置能够同时增强外层阵列a和内层阵列c的永磁磁场强度，从而提升吸附力和偏摆力矩。本实施例中，所述内层阵列c设有5个内层永磁体，分别为设于内层阵列c中间且充磁方向为指向球心的第一内层永磁体c1、设于内层阵列c一端且充磁方向为背向球心的第二内层永磁体c2、设于内层阵列c另一端且充磁方向为背向球心的第三内层永磁体c3、设于第一内层永磁体c1和第二内层永磁体c2之间且充磁方向为逆时针切线方向的第四内层永磁体c4以及设于第一内层永磁体c1和第三内层永磁体c3之间且充磁方向为顺时针切线方向的第五内层永磁体c5。所述外层阵列a设有5个外层永磁体，分别为设于外层阵列a中间且充磁方向为背向球心的第一外层永磁体a1、设于外层阵列a一端且充磁方向为指向球心的第二外层永磁体a2、设于外层阵列a另一端且充磁方向为指向球心的第三外层永磁体a3、设于第一外层永磁体a1和第二外层永磁体a2之间且充磁方向为逆时针切线方向的第四外层永磁体a4以及设于第一外层永磁体a1和第三外层永磁体a3之间且充磁方向为顺时针切线方向的第五外层永磁体a5。所述中层阵列b包括2个中层永磁体和3个导磁体，其中3个导磁体分别为设于中层阵列b中间的第一导磁体d1、设于中层阵列b一端的第二导磁体d2以及设于中层阵列b另一端的第三导磁体d3；2个外层永磁体分别为设于第一导磁体d1和第二导磁体d2之间且充磁方向为逆时针切线方向的第一中层永磁体b1和设于第一导磁体d1和第三导磁体d3之间且充磁方向为顺时针切线方向的第二中层永磁体b2。第一导磁体d1的弧长小于第一内层永磁体c1，第二导磁体d2的弧长小于第二内层永磁体c2，第三导磁体d3的弧长小于第三内层永磁体c3。
31.示例性的，所述转动框架5的外侧面与所述球轮1的内侧面之间、所述第一线圈绕组6与所述第一永磁阵列7之间以及所述第二线圈绕组8与所述第二永磁阵列9之间均设有气隙，以避免各个部件之间存在运动干涉。
32.示例性的，所述第一永磁阵列7绕所述固定轴2前后摆动的角度范围为0度～45度；所述第二永磁阵列9绕所述固定轴2前后摆动的角度范围为0度～45度。
33.示例性的，所述球轮1为刚性球轮，其材质优选为导磁材料，以减小系统磁阻，提升偏摆转矩。
34.需要说明的是，球轮1由外转子电机驱动，与壁面接触并产生相对滚动，实现行走；其中，球轮1的轴端与外转子电机的外转子固定连接，固定轴2与外转子电机的内定子固定连接。
35.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
36.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不退出本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。