永磁吸附式輪式爬壁機器人的製作方法
2023-05-06 09:18:46
專利名稱：永磁吸附式輪式爬壁機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微型機器人技術領域的裝置，具體是一種永磁吸附式輪 式爬壁機器人。
背景技術：
目前，國內外在爬壁機器人上的研究已取得很多成果，甚至許多已經進入了 實用化階段，但對於基於MEMS (微電子微機械系統)的微型爬壁機器人的研究 才剛剛起步。隨著MEMS技術的發展和微型移動機器人應用領域的不斷拓展，用 微型爬壁機器人代替人工進行各種極限作業己成為了可能，如進入空間狹窄的核 工業管道群進行外管壁的檢測和維修等，逐步引起了世界各國的重視，受到越來 越多的科研人員的關注。
一般爬壁機器人實現方法主要兩種真空吸附與磁吸附。真空吸附式具有不 受壁面材料限制的優點，但當壁面凹凸不平時，容易使吸盤漏氣，從而使吸附力 下降，承載能力降低，並且真空吸附裝置主要由吸盤、氣缸和真空泵等組成，這 些裝置很難按比例進行微型化，所以很難在微型爬壁機器人上得到較好的應用。 磁吸附法具有兩種方式永磁體和電磁鐵。它的結構簡單，吸附力較大，對壁面 凹凸適應性強，不存在真空吸附漏氣的問題。與電磁鐵方式相比，永磁體方式具 有吸附不耗能、結構簡單、安全性高、不受斷電影響等優點。該方式雖然在機器 人重量大時存在易脫離壁面的缺點，但對微機器人來說並不存在這個缺點。目前， 永磁體式爬壁機器人的移動方式有三種，輪式、履帶式和腳式，相對於後兩種運 動方式，輪式爬壁機器人具有結構簡單、容易實現、行走速度快、轉彎容易等優 點，比較適合機器人在微小尺寸限制的條件下實現爬壁功能。
經對現有技術的文獻檢索發現，M. Takeda等在《Proceedings of the Thirteenth IEEE International Conference on MEMS》(第13屆IEEE會刊 微電子微機械系統)2000年一月發表的"Development of chain-type micromachine for inspection of outer tube surfaces"，("開發~"禾中用於 管道外部表面檢測的鏈式微機械")，該文設計了一種微型爬壁機器人，是結合
3微細加工技術和傳統的精密加工技術製作的，其尺寸5mmX9mmX6.5咖，質量 0. 42g。由直徑1. 6mm的電磁微馬達通過一個減速比為1/201的微型行星減速器， 驅動自身安裝的六個帶有磁性的輪子，可以在可導磁的管道上進行水平和垂直運 動。另外，該機器人本體兩側配有連接器，可與其它同型號機器人進行連結，形 成一個多機器人群體，可沿管道進行攀爬，並通過配備的電渦流傳感器對管道裂 痕進行檢測。該微型爬壁機器優點是體積小，在微小尺寸下實現了爬壁功能。但 是也存在一些不足之處，結構複雜，製作成本非常高，而且自身並不能集成控制 電路，很難應用到實際的環境中。另外，由於它採用的輪子是永磁體，吸附在可 導磁的管道表面上時，磁力線在空氣中衰減比較嚴重，在爬壁過程中很容易脫落。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種永磁吸附式輪式爬壁機器 人，具有結構簡單、易於裝配、體積小、行走速度快、移動精度高、轉向容易等 優點，使機器人能在微小尺寸限制的條件下實現爬壁功能，可攜帶微型傳感器在 可導磁表面上進行一些極限作業。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括三組相同結構的永磁吸附 爬壁單元和一個轉向單元，其中永磁吸附爬壁單元分別垂直設置於轉向單元上， 三組永磁吸附爬壁單元之間相互平行。
所述的永磁吸附爬壁單元包括移動微驅動器、永磁體、兩個導磁輪、兩個 第一微型滾動軸承和輪架，其中移動微驅動器固定設置於輪架的外側面，移動 微驅動器的輸出軸依次穿過分別設置於輪架兩側的一對第一微型滾動軸承，兩個 導磁輪分別固定設置於永磁體的兩側，導磁輪固定設置於移動微驅動器的輸出軸 上。
所述的轉向單元包括 一個主動齒輪、三個從動齒輪、轉向微驅動器、蓋板 和兩個第二微型滾動軸承，其中轉向微驅動器固定設置於蓋板的上面板，轉向 微驅動器的輸出軸依次穿過分別內嵌在蓋板的圓心處的一對第二微型滾動軸承， 主動齒輪位於蓋板下方且主動齒輪固定設置於轉向微驅動器的輸出軸的末端，三 個從動齒輪均勻分布在主動齒輪的周圍並與主動齒輪相嚙合，從動齒輪的連接軸 穿過蓋板，該連接軸的一端與第二微型滾動軸承的內圈緊密配合，另一端與永磁 吸附爬壁單元固定連接。
所述的主動齒輪與從動齒輪之間的減速比小於1，在確保每個輪子的朝向時刻保持相同的基礎上，既增加旋轉驅動力矩，又提高了機器人的轉向精度，此結 構實現了微型爬壁機器人無迴轉半徑的全向運動，具有很高機動性。 所述的蓋板的半徑大於等於主動齒輪與從動齒輪的半徑之和。 本發明通過爬壁輪子的設計，使得輪子在可導磁的表面上可形成閉合磁力 線，既增加吸附力又具有靈活性，另外移動微驅動器直接驅動導磁輪的結構，簡 單實用，即易於裝配，又避免了中間傳動環節，減少摩擦、磨損問題。在狹窄的 管道中移動具有很大優勢，可水平，豎直，繞管道旋轉，而且還可以在不同結構 的管道之間可以切換。在機器人轉向單元中，通過設計一套減速齒輪，實現了微 型爬壁機器人無迴轉半徑的全向運動，使其具有很高機動性。
圖l為發明結構示意圖2為永磁吸附爬壁單元示意圖3為轉向單元主視圖4為轉向單元後視圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限 於下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括三組相同結構的永磁吸附爬壁單元1和一個轉 向單元2，其中三組永磁吸附爬壁單元1分別垂直設置於轉向單元2上，三組 永磁吸附爬壁單元1之間相互平行。
如圖2所示，所述的永磁吸附爬壁單元1包括移動微驅動器3、永磁體4、 兩個導磁輪5、兩個第一微型滾動軸承6和輪架7，其中移動微驅動器3固定 在輪架7的一個外側面，移動微驅動器的輸出軸8穿過位於輪架7兩個側面的一 對第一微型滾動軸承6，與其內圈緊密配合。兩個導磁輪5固定在永磁體4的兩 側，並固定安裝在移動微驅動器的輸出軸8上。這樣，移動微驅動器3就可以驅 動導磁輪5旋轉。
如圖3和圖4所示，所述的轉向單元2包括 一個主動齒輪9、三個從動齒 輪10、轉向微驅動器11、蓋板12和第二微型滾動軸承13，其中轉向微驅動 器11安裝在蓋板12上面板，其輸出軸11穿過內嵌在蓋板12圓心處的一對第二
5微型滾動軸承13，主動齒輪9就安裝在輸出軸11的末端，位於蓋板12下方， 三個從動齒輪10以主動齒輪9為中心，均勻分布在其周圍並與主動齒輪9相齧 合，三個從動齒輪的連接軸15的一端穿過蓋板12並和位於蓋板12的上面板的 一對第二微型滾動軸承13的內圈緊密配合，從動齒輪的連接軸15的另一端分別 與位於其下方的永磁吸附爬壁單元的輪架7固定連接，其中，主動齒輪9和從動 齒輪10的減速比是1: 4。
所述的移動微驅動器3和轉向微驅動器11都是採用雙定子單轉子結構的直 徑為6.8mra的電磁微馬達；
所述的第一微型滾動軸承6和第二微型滾動軸承13的內徑為lmm外徑為
3腿5
所述的永磁體4採用釹鐵硼製作，導磁輪5採用鐵鎳合金製作。 本實施例的整體尺寸高為20mm,直徑28mm，所述的蓋板12的半徑大於等 於主動齒輪9與從動齒輪10的半徑之和。
在爬壁過程中，通過同歩控制本發明本體上三個永磁吸附爬壁單元中的移動 微驅動器3，共同驅動導磁輪5，機器人就可以在可導磁的表面進行直線運動。 當需要轉向時，可以通過控制轉向單元中的轉向微驅動器ll，驅動主動齒輪8， 帶動與其嚙合的三個從動齒輪9，即可實現無迴轉半徑的轉向。
權利要求
1、一種永磁吸附式輪式爬壁機器人，包括三組相同結構的永磁吸附爬壁單元和一個轉向單元，其特徵在於，永磁吸附爬壁單元分別垂直設置於轉向單元上，三組永磁吸附爬壁單元之間相互平行；所述的永磁吸附爬壁單元包括移動微驅動器、永磁體、兩個導磁輪、兩個第一微型滾動軸承和輪架，其中移動微驅動器固定設置於輪架的外側面，移動微驅動器的輸出軸依次穿過分別設置於輪架兩側的一對第一微型滾動軸承，兩個導磁輪分別固定設置於永磁體的兩側，導磁輪固定設置於移動微驅動器的輸出軸上。
2、 根據權利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的 轉向單元包括 一個主動齒輪、三個從動齒輪、轉向微驅動器、蓋板和兩個第二 微型滾動軸承，其中轉向微驅動器固定設置於蓋板的上面板，轉向微驅動器的 輸出軸依次穿過分別內嵌在蓋板的圓心處的一對第二微型滾動軸承，主動齒輪位 於蓋板下方且主動齒輪固定設置於轉向微驅動器的輸出軸的末端，三個從動齒輪 均勻分布在主動齒輪的周圍並與主動齒輪相嚙合，從動齒輪的連接軸穿過蓋板， 該連接軸的一端與第二微型滾動軸承的內圈緊密配合，另一端與永磁吸附爬壁單 元固定連接。
3、 根據權利要求2所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的 主動齒輪與從動齒輪之間的減速比小於1。
4、 根據權利要求2所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的 蓋板的半徑大於等於主動齒輪與從動齒輪的半徑之和。
5、 根據權利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的移動微驅動器採用雙定子單轉子結構的直徑為6. 8mm的電磁微馬達。
6、 根據權利要求2所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的 轉向微驅動器採用雙定子單轉子結構的直徑為6. 8mm的電磁微馬達。
7、 根據權利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的 永磁體採用釹鐵硼製作。
8、 根據權利要求1所述的永磁吸附式輪式爬壁機器人，其特徵是，所述的 導磁輪採用鐵鎳合金製作。
全文摘要
一種微型機器人技術領域的永磁吸附式輪式爬壁機器人，包括三組相同結構的永磁吸附爬壁單元和一個轉向單元，其中永磁吸附爬壁單元分別垂直設置於轉向單元上，三組永磁吸附爬壁單元之間相互平行。本發明在狹窄的管道中移動具有很大優勢，可水平，豎直，繞管道旋轉，而且還可以在不同結構的管道之間可以切換。在機器人轉向單元中，通過設計一套減速齒輪，實現了微型爬壁機器人無迴轉半徑的全向運動，使其具有很高機動性。
文檔編號B62D57/00GK101565063SQ20091005163
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月21日 優先權日2009年5月21日
發明者張大偉, 李振波, 陳佳品 申請人:上海交通大學