一种磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法及磁块

摘要

本发明公开了一种履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，以机器人在壁面上不滑动、不倾覆为条件，根据力平衡和力矩平衡的关系，推导出机器人在倾斜壁面上下爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi1，以及机器人在倾斜壁面平行爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi2；通过电磁学的理论计算分析并结合磁回复曲线，得到机器人履带上的磁块所包含的单个磁吸附单元的吸力为Fa；在设计磁块时，通过磁块结构的调整使得Fa大于或等于Fi1和Fi2。使用本发明设计的磁块能够提供足够的吸力使得机器人不从倾斜壁面跌落。而且，本发明磁块为多磁路结构，可提高单个磁块对非平面壁面吸附的适应性。

主权项

一种履带式磁吸附爬壁机器人的磁块设计方法，应用于具有两排履带且每个履带安装有采用永磁铁实现的磁块，以磁块提供吸力的爬壁机器人，每个磁块包含多个磁吸附单元；其特征在于，设定爬壁机器人的重量为G，壁面与垂直面的夹角为θ，壁面与爬壁机器人磁块的最大静摩擦系数为μ′max，m为单排履带中同一时刻与壁面接触的磁块数量；该方法包括如下步骤：步骤一、以机器人在壁面上不滑动、不倾覆为条件，根据力平衡和力矩平衡的关系，推导出机器人在倾斜壁面上下爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi1，以及机器人在倾斜壁面平行爬行时磁块所需要提供的最小吸力Fi2；步骤二、履带上的每个磁块包含多个磁吸附单元，通过电磁学的理论计算分析并结合磁回复曲线，得到机器人履带上的磁块所包含的单个磁吸附单元的吸力为： F a = S g μ 0 [ B r S g S m + ( μ rec μ 0 + B ′ H ′ ) f μ 0 ] 2 - - - ( III ) 其中，Sg为单个磁吸附单元的气隙面积，μrec为回复磁导率，f为磁势损失系数，Sm是单个磁吸附单元的磁极面积，μ0为真空磁导率常数，Br为单个磁吸附单元的剩余磁感应强度，B′、H′为单个磁吸附单元初始工作点的磁感应强度和磁场强度；步骤三、在设计磁块时，根据当前磁块的结构确定（III）式中的各参数值，然后代入公式（III）得到单个磁吸附单元能够提供的吸力，再乘以磁块中同一时刻接触壁面的磁吸附单元的数量得到磁块预计提供的吸力；然后判断磁块预计提供的吸力是否大于或等于Fi1和Fi2，如果是，则完成磁块设计；否则，通过调整磁吸附单元的结构和/或数量，以提高磁块的吸力，再利用公式（III）、Fi1和Fi2进行验证。