一种用于爬壁机器人的磁吸附轮

摘要

一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块。磁吸附轮通过内部的永磁单元Halbach阵列原理进行排列，而通过本发明这种排列，可以最大化地增强磁吸附力。

权利要求

1.一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，其特征在于在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块；阵列磁环包括四组磁阵列单元；相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.4-0.8；外夹板与转轴螺纹连接，内夹板通过螺栓与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内；转轴为空心键轴。

说明书

一种用于爬壁机器人的磁吸附轮

技术领域

[0001] 本发明涉及一种爬壁机器人的磁吸附轮。

背景技术

[0002] 爬壁机器人作为特种机器人的一种，用来代替人工无法在恶劣，危险，极端条件下的作业。在磁基壁面上进行特种作业，如检测、打磨、抛光、焊接等，具有高效，安全等特点，已得到了越来越多的关注。而如何使爬壁机器人牢固地吸附在导磁基面上，一直是人们需要解决的一个问题。

[0003] Halbach磁陈列的目的是用最少量的永磁体产生最强的磁场。而Halbach磁环是将磁铁径向式与平行式排列结合在一起，使得磁环一边磁场强度得到增强，而另一边磁场强度则减弱，最终形成单边磁场。

[0004] Halbach磁环目前应用最多的领域是作为电机转子的固定磁场使用。

[0005] 公开号为CN102673673A，发明名称为“一种用于磁吸附爬壁机器人的新型万向滚动磁轮装置”的中国专利，以及公开号为CN102897242A，发明名称为“悬浮式磁吸附轮”的中国专利，也采用了磁吸附方式作为爬壁机器人的轮子，但以上专利均采用整块的环形磁块，只是进行了单一的轴向或径向充磁，未对磁轮内部的吸附单元进行优化，以达到增大磁吸附力的目的。

发明内容

[0006] 为解决现有技术中爬壁机器人使用的磁轮结构简单、磁吸附力不强的缺点，提供一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，这种磁吸附轮简单合理，磁吸附力强。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，在转轴外固定有阵列磁环，阵列磁环包括若干组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块、N极到S极的顺时针环向磁块、N极外向心到S极的径向磁块，N板到S极的逆时针环向磁块。

[0009] 上述的一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，外夹板与转轴螺纹连接，内夹板通过螺栓与外夹板连接，阵列磁环内周面安装有环形导磁轭铁，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内。

[0010] 上述的一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，转轴为空心键轴。

[0011] 上述的一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，阵列磁环包括四组磁阵列单元。

[0012] 上述的一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.4-0.8。

[0013] 爬壁机器人驱动电机的输出轴与磁吸附轮通过键和键槽的形式传递扭矩，转轴带动夹板转动，进而带动磁吸附轮转动。磁吸附轮通过内部的永磁单元Halbach阵列原理进行排列，而通过本发明这种排列，可以最大地增强磁吸附力。

[0014] 环形Halbach的排列方式变化多样，人们常把一个径向的N极永磁单元和一个环向的S极永磁单元形成的磁极称为一个极对。多极的Halbach环形阵列极对数有偶数和奇数两类，奇数极对数Halbach圆形阵列为对内加强型，偶数极对数Halbach阵列为对外加强型。根据爬壁机器人需要用到外加强型把爬壁机器人吸附在导磁体，通常吸附在铁罐体上用于检测铁罐体的性能使用，故以4，6，8，12，16偶数极对数，进行仿真分析。

[0015] 附图5中X为磁轮旋转角度，单位为°；Y为吸附力，单位为N。由附图5可知有限元的模拟计算中可以得出极对数越多，吸附力越趋于平稳，极对数较少的磁轮吸附力大小峰值波动越大。采用8极对数磁轮吸附力波动控制在5%以内，而且磁吸附力也较高。

[0016] 针对8个极对数组成的磁环，相邻纵向永磁单元和横向永磁单元的体积配比对吸附力也有不同的影响。为直观的反应两者的大小引入系数环向角度比k，

[0017] k=n/(n+m)

[0018] 上式中：n为径向永磁单元角度；m为环向永磁单元角度。

[0019] 附图6中X1为k值；Y为吸附力，单位为N。由附图6可知对有限元的仿真中，可见吸附力在k=0.6左右，磁轮吸附力将达到峰值。而k在0.4-0.8的区间内，吸附力也是令人满意的。

[0020] 本发明优化了永磁吸附轮中永磁吸附单元结构，排列了永磁吸附单元充磁角度，使得磁环的外圈吸附力增强，内圈吸附力几乎为零。同时提高了永磁单元的单位磁效能，达到了同体积磁环近2倍的吸附力。

附图说明

[0021] 图1是爬壁机器人磁吸附轮整体结构示意图。

[0022] 图2是爬壁机器人磁吸附轮轴向剖视图

[0023] 图3是爬壁机器人磁吸附轮径向剖视图。

[0024] 图4是Habalch阵列中永磁单元的磁化方向。

[0025] 图5是磁吸附力与极数的有限元模拟图。

[0026] 图6是不同环向角度比与磁吸附力的有限元模拟图。

[0027] 图中标记为：1内夹板，2橡胶垫圈，3连接外夹板与转轴的螺钉，4环形轭铁，5转轴，51转轴上的键槽，6连接内夹板与外夹板的螺钉，7外夹板，8环形阵列磁环，81为N极向心到S极的径向磁块、82为N极到S极的顺时针环向磁块、83为N极外向心到S极的径向磁块，84为N板到S极的逆时针环向磁块。

具体实施方式

[0028] 实施例一

[0029] 上述的一种用于爬壁机器人的磁吸附轮，转轴5为空心轴，设有键槽51；外夹板7与转轴5通过螺钉3连接，内夹板1通过螺钉6与外夹板连接，阵列磁环8内周面安装有环形导磁轭铁4，阵列磁环的外周面安装有橡胶垫圈2，环形轭铁固定于外夹板与内夹板的凹槽内。

[0030] 阵列磁环包括四组磁阵列单元，每组磁阵列单元依次包括N极向心到S极的径向磁块81、N极到S极的顺时针环向磁块82、N极外向心到S极的径向磁块83，N板到S极的逆时针环向磁块84；其中相邻的径向磁块和环向磁块，环向角度比为0.6。