一种基于弹簧形变的磁吸附力自适应调节装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于非接触式永磁爬壁小车的基于弹簧形变的磁吸附力自适应调节装置及方法。它克服现有吸附力调节装置无法自适应的实时调节，达到直接测试并控制调节磁吸附力。其技术方案：该自适应调节装置的吸附机构与升降机构安装在小车底盘下部，吸附机构由弹簧连接，弹簧内部用滑动导杆规定运动路径，升降机构的丝杠与固定在黄铜板上的螺母连接，板上接有位移传感器；移动机构安装在小车底盘两侧和底部；控制反馈系统安装在小车底盘的上部，检测的信息经系统处理传递给控制器，将得到的信号数据对比。通过改变弹簧的形变量来实现磁吸附力自适应调节。本装置具有运动灵活负载大的优点，直接调节磁吸附力来控制吸附力大小能运用于复杂工况下。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹簧形变的磁吸附力自适应调节装置及方法
本专利技术涉及一种基于弹簧形变量来调节磁吸附力的自适应调节装置及方法，它广泛应用于非接触式永磁爬壁小车。
技术介绍
爬壁机器人是一种能在垂直壁面上进行作业并具有移动和吸附功能的自动化设备，将其应用于储罐缺陷检测，具有很好的适用性。但是对于大型储罐来说，其罐壁厚度从底圈到顶圈会依次减薄，同时，罐壁可能出现凹坑或者凸起等壁面不平整的情况，这要求爬壁机器人必须具有(1)自主适应壁厚变化的能力；(2)与运动相匹配的吸附能力；(3)越障能力。对于铁磁性材料的壁面，通常采用永磁铁作为吸附元件。永磁吸附装置与被检壁面隔有一定间隙，两者之间产生磁吸附力，磁吸力越大，机器人运动时的运动阻力越大，其运动灵活性越差；磁吸力越小，机器人运动更灵活，但其在爬行过程中可能出现倾覆，无法工作。吸附系统需要在稳定吸附与灵活运动中权衡吸附力的大小，这对爬壁机器人吸附系统来讲存在技术难题，因此设计一种吸附力可调永磁吸附系统具有重要的工程应用前景。针对吸附力可调的永磁吸附系统，在国内外研究中普遍将永磁铁置于履带、车轮或底盘上，采用改变永磁铁排布方式或者通过调节气隙的大小来实现对吸附力的控制。文献：可变磁力永磁轮式爬壁机器人的研究(张强强.太原理工大学，2013)中，提出了一种新型的可变磁力永磁车轮结构，通过永磁车轮外圈轭铁与永磁铁相互旋转一定角度，改变永磁车轮产生的磁力大小,实现磁力调节；U.S.Pat.NO.6,125,955同样也设计了磁轮式吸附装置，车轮包括若干相邻环形永磁磁极组，永磁铁磁盘排列在磁极组的圆周上，每个轮毂上至少固定一个永磁磁极组，其他磁极组与弹簧装置相连，用于壁面不平时吸附力的改变。磁轮式的设计缺陷在于车轮与壁面的接触面积过小，磁能利用率低，同时磁吸附力小，若要满足负载要求，则需增大磁轮，这样会造成爬壁机器人的自重增加，失去运动的灵活性。U.S.Pat.NO.9428231提出在机器人底盘上安装一个具有弹性滑脚链的悬挂机构，将永磁铁置于吸附装置中，当遇到不平坦的壁面时能在弹簧伸缩的作用下实现；U.S.Pat.NO.3810515、U.S.Pat.NO.6793026、中国专利申请号CN201010289541.2等专利以及文章：磁隙式爬壁机器人的研制(薛胜雄.机械工程学报：2011，47(21)：037-42)均提出，通过磁隙调节装置调节吸附单元与试验钢板之间的磁隙，但是此类装置只实现了吸附力大小可调节，不具有吸附力大小自适应调节的功能。中国专利申请号201410677649.7“一种永磁体平台及采用该用磁体平台的永磁间隙吸附装置”提出通过手动旋钮和距离传感器相配合，控制升降机构的升降来调节永磁体平台和导磁壁面的距离，从而调节磁吸附力以及爬壁机器人的负载能力；论文：罐体壁爬行机器人关键技术研究(孙英飞.大庆石油学院，2010)以及植物油罐爬壁机器人永磁吸附与灵活移动特性的研究(韩海敏.河南工业大学，2014)设计的永磁吸盘装置，均通过升降变位结构实现间隙变化，而后者在车体板和支撑架之间通过安装弹簧来提供内部平衡力。还有将改变永磁铁排布方与调节气隙相结合同时控制磁吸附力大小的设计，如论文：轮式爬壁机器人磁吸附性能及磁力控制研究(塔月月.东北石油大学，2012)设计轮式爬壁机器人的吸附机构包括两部分，可提供恒定磁吸附力的四个磁性车轮和提供可变磁吸附力的四个磁性吸盘，磁性吸盘嵌在隔磁材料制成的外壳中，它由丝杠控制其升降，两根与其相连的非线性弹簧对其吸附的控制起一定的辅助作用，通过传感器的反馈控制磁性吸盘的角度或气隙大小。以上几种磁隙调节装置均通过距离传感器测量磁隙间距值来改变吸附力的大小，这是一种间接调节磁吸附力大小的方法，但是储罐壁厚的变化会使罐壁的磁化状态发生改变，从而影响吸附力的大小，造成同一间隙对应不同壁厚情况下，其吸附力不一致。因此，上述方法无法精确测定变壁厚情况下机器人的吸附力大小，从而不能准确控制吸附力保持在最优的数值范围内。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为了克服现有的吸附力调节装置无法自适应的实时调节，针对在变壁厚状态下的爬壁小车磁吸附力实现准确调节的要求，以直接测试并控制调节磁吸附力引起的弹簧形变量的原理，开发了一种基于弹簧形变量来调节磁吸附力的自适应调节装置及方法，它广泛运用于复杂的工况下。本专利技术的技术方案是：该调节装置是由移动机构、吸附机构、升降机构和控制反馈系统组成，所述吸附机构与升降机构连接安装在小车底盘下部；吸附机构由弹簧连接，弹簧内部用滑动导杆规定运动路径；升降机构的丝杠与固定在黄铜板上的螺母螺旋连接，黄铜板上连接有位移传感器；所述移动机构安装在小车底盘的两侧和底部，移动机构驱动整个爬壁小车进行工作；所述控制反馈系统安装在小车底盘的上部。所述的移动机构包括：轮驱电机3(a，b，c，d)、驱动轮1(a，b，c，d)、底盘2，其中：轮驱电机3(a，b，c，d)分别安装在小车底盘2的下部，其电机输出轴分别连接在驱动轮1(a，b，c，d)且也分别固定在小车底盘2两侧，移动小车的作用是驱动整个爬壁小车进行工作。所述的吸附机构包括：磁钢13(a，b，c，d)，轭铁12(a，b)，将矩形状磁钢13(a，b，c，d)按顺序依次排列，磁钢13的两端用螺栓左右固定在轭铁12(a，b)上，磁钢13上部固定在升降机构的黄铜板B5的下部。所述的升降机构包括：升降电机8、联轴器9、丝杠11、螺母10、黄铜板A4、黄铜板B5、弹簧14(a，b，c，d)、滑动导杆A7和滑动导杆B16组成，其中：升降电机8的输出轴用联轴器9与丝杠11相连接，丝杠11与固定在黄铜板A4上的螺母10螺旋连接；弹簧14上端焊接在黄铜板A4下部，弹簧14下端焊接在黄铜板B5上部；其内接的滑动导杆B16上端焊接在黄铜板A4上；滑动导杆B16下端与黄铜板B5滑动连接。所述的控制反馈系统包括位移传感器15(a，b，c，d)、数据采集器17、控制器18、电源电路19、驱动电路20、升降电机8。其中，位移传感器15检测拉伸弹簧的变形量，并驱动输出端口输出高电位负脉冲数字信号；该高电位负脉冲数字信号经数据采集器17进行电平转换，拉低成适合控制器的5v信号，传送给控制器；控制器将得到的信号数据与预先存储的弹簧最佳变形量(范围)对比，判断此时弹簧是否处于最佳变形阶段，若处于此阶段则不需要控制，若不处于此阶段则需要经过驱动电路20驱动升降电机8转动，从而控制调节板的升降，电源电路19为全过程提供工作电压。本专利技术原理如下：在弹簧的线性形变化范围内，由胡克定律：其中F，KF，ΔX，Fm分别为弹簧的拉伸力，弹簧的刚度系数，弹簧变形量，磁吸附力。根据上述的公式，则可以得出，控制弹簧14(a，b，c，d)的变形量ΔX可实现吸附力大小的改变；而为了实现对整个装置的自适应调节，本装置引入了控制反馈系统。本专利技术的调节方法，用于调节上述自适应调节装置中弹簧形变量ΔX，包括步骤如下：1)测量所述弹簧形变量ΔX是否在规定的最佳范围内；2)根据测量的结果调节所述弹簧形变量ΔX，使得弹簧形变量在规定的最佳范围内。进一步，所述步骤1)具体为：将黄铜板4A上的位移传感器15(a，b，c，d)测得的弹簧14变形量的信息经由控制反馈系统处理，控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于弹簧形变的磁吸附力自适应调节装置，用于非接触式永磁爬壁小车，所述自适应调节装置是由移动机构、升降机构、吸附机构、控制反馈系统组成，其特征在于：所述吸附机构与升降机构连接且安装在小车底盘下部，吸附机构由弹簧连接，弹簧内部用滑动导杆规定运动路径，升降机构的丝杠与固定在黄铜板上的螺母螺旋连接，黄铜板上连接有位移传感器；所述移动机构安装在小车底盘的两侧和底部，移动机构的作用是驱动整个爬壁小车进行工作；所述控制反馈系统安装在小车底盘的上部，位移传感器检测的信息经由控制反馈系统处理，传递给控制器，控制器将得到的信号数据与预先存储的弹簧最佳变形量对比，在弹簧的线性形变范围内，通过改变弹簧的形变量来实现磁吸附力大小的自适应调节。

【技术特征摘要】
1.一种基于弹簧形变的磁吸附力自适应调节装置，用于非接触式永磁爬壁小车，所述自适应调节装置是由移动机构、升降机构、吸附机构、控制反馈系统组成，其特征在于：所述吸附机构与升降机构连接且安装在小车底盘下部，吸附机构由弹簧连接，弹簧内部用滑动导杆规定运动路径，升降机构的丝杠与固定在黄铜板上的螺母螺旋连接，黄铜板上连接有位移传感器；所述移动机构安装在小车底盘的两侧和底部，移动机构的作用是驱动整个爬壁小车进行工作；所述控制反馈系统安装在小车底盘的上部，位移传感器检测的信息经由控制反馈系统处理，传递给控制器，控制器将得到的信号数据与预先存储的弹簧最佳变形量对比，在弹簧的线性形变范围内，通过改变弹簧的形变量来实现磁吸附力大小的自适应调节。2.如权利要求1所述的基于弹簧形变的磁吸附力自适应调节装置，其特征在于：所述升降机构是由升降电机8、联轴器9、螺母10、丝杠11、黄铜板A4、黄铜板B5、弹簧14、滑动导杆A7和滑动导杆B16组成，其升降电机8的输出轴用联轴器9与丝杠11相连接；丝杠11与固定在黄铜板A4上的螺母10螺旋连接；弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐东林，李茂扬，胡琳，魏子兵，袁波，刘继刚，张琪，侯军，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51