Мобильный робот для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям

Полезная модель относится к самоходным устройствам, приспособленным для перемещения по наклонным и вертикальным поверхностям, в частности к самоходным транспортным средствам для перемещения различного технологического оборудования по ферромагнитным поверхностям любой пространственной ориентации и его применения по месту назначения для выполнения различных работ.
Известна конструкция самоходной тележки для перемещения по плоским поверхностям любой пространственной ориентации, содержащая механизм колесного перемещения и механизм относительной ориентации шарнирно-сочлененных частей несущей платформы, позволяющей осуществить переход движущейся самоходной тележки со стены на потолок. Транспортное средство удерживается на поверхности с помощью двух вакуумных присосок (патент Япония N1-17911, нац. классиф. 80ОА, опубл. 1989 г.)
Недостатком аналога является невысокая надежность перемещения транспортного средства по криволинейным поверхностям, необходимость применения мер по предотвращению падения самоходной тележки при аварийном отключении питания.
Известен мобильный робот магнитного взаимодействия (патент РФ №2481997, МПК B62D 57/024, опубл. 20.05.2013), который содержит раму, оснащенную колесами для перемещения по опорной поверхности с высокой магнитной проницаемостью и одним постоянным магнитом, способным магнитно взаимодействовать с указанной поверхностью для сцепления устройства с поверхностью. Магнит установлен таким образом, чтобы скользить вдоль опорной поверхности. Магнит размещен в опоре, способной свободно качаться таким образом, что полюс магнита всегда находится в положении минимального расстояния от опорной поверхности, где каждая опора посажена таким образом, чтобы качаться на вращающемся валу колес. Достигается возможность свободного движения со скольжением по поверхности, подлежащей контролю.
Недостатком аналога является невозможность перемещения по поверхностям, обладающим сложной геометрией, таким как выпуклые и вогнутые изгибы продольного профиля поверхности, радиус кривизны которых сравним с размерами устройства, внутренние и внешние поверхности труб малого диаметра, сравнимого с размерами устройства, ступенчатые участки, высота которых сравнима с размерами устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является мобильный робот с магнитными движителями для движения по вертикальным и горизонтальным поверхностям, содержащий корпус с установленным на нем по меньшей мере одним колесом и приводной узел, установленный на корпусе для приведения в движение колес, представляющий собой электродвигатель с механическими передачами и приводными валами. Колесо содержит внешний барабан, имеющий кольцевую периферийную стенку, и внутренний элемент колеса, включающий в себя фрагмент из магнитно-проницаемого материала и магнит, находящийся в контакте с магнитно-проницаемым материалом. Внутренний элемент колеса имеет внешний диаметр меньший, чем внутренний диаметр внешнего барабана. Внутренний элемент колеса имеет форму диска с вырезами. Постоянный магнит и фрагмент магнитно-проницаемого материала выполнены в форме полуколец с вырезами, закрепленных на приводном валу так, что при нахождении магнита на максимальном удалении от точки контакта колеса с рабочей поверхностью, большая часть линий магнитного поля проходит не через рабочую поверхность, а через магнитно-проницаемый материал внутреннего элемента колеса (патент RU №2585396 C1, B62D57/024, опубл. 23.12.2014).
Недостатком прототипа является сложность и невысокая эффективность конструкции, связанная с необходимостью для управления силой прижатия колес значительного перемещения всей массы внутреннего элемента колеса.
Задачей полезной модели является повышение эффективности конструкции за счет уменьшения массы и угла поворота перемещаемого внутреннего элемента колеса.
Технический результат – снижение энергетических затрат на управление силой прижатия колес к ферромагнитным поверхностям в мобильном роботе для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в мобильном роботе для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям, содержащий корпус с установленными на нем колесами и приводной узел, установленный на корпусе с возможностью приведения в движение колес, и представляющий собой электродвигатель с механическими передачами и приводными валами, с которыми соединены внешние барабаны, внутри которых соосно с внешними барабанами расположены внутренние элементы колес, имеющие внешние диаметры меньше, чем внутренние диаметры внешних барабанов, согласно полезной моделинеподвижный внутренний элемент каждого колеса неподвижно соединен со ступицей и содержит два радиально расположенных постоянных магнита, а между внешним барабаном и неподвижным внутренним элементом каждого колеса соосно с внешним барабаном на ступице расположен перемещаемый внутренний элемент в виде регулировочного кольца с возможностью поворота, выполненного из магнитного материала с прорезью, заполненной немагнитной вставкой, и на ступице каждого колеса расположено поворотное устройство с возможностью осуществления и фиксации требуемого угла поворота регулировочного кольца.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2а и 2б – положения регулировочного кольца, соответствующие максимальному и минимальному магнитного взаимодействия соответственно.
Мобильный робот для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям содержит корпус 1, на котором установлен электродвигатель 2 с механической передачей 3 и приводными валами 4, на которых жестко закреплены внешние барабаны 5, которые выполнены из немагнитного материала и находятся в контакте с ферромагнитной поверхностью 6, по которой осуществляется движение робота. Внутри внешнего барабана 5 каждого колеса имеется неподвижный внутренний элемент, неподвижно соединённый со ступицей 7 и содержащий два радиально расположенных постоянных магнита 8. Между внешними барабанами 5 и неподвижными внутренними элементами каждого колеса соосно с внешними барабанами 5 на ступице 7 установлен перемещаемый внутренний элемент, который представляет собой регулировочное кольцо 9 с возможностью поворота, выполненное из ферромагнитного материала 10 и с одной прорезью, заполненной немагнитной вставкой 11, причем длина дуги немагнитной вставки 11 равна или незначительно меньше расстояния по дуге между постоянными магнитами 8. Регулировочное кольцо 9 может поворачиваться независимо от внешнего барабана 5 на необходимые углы и фиксироваться в крайних положениях с помощью поворотного устройства 12.
Мобильный робот для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям работает следующим образом.
Для перемещения мобильного робота для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям на приводной электродвигатель 2 подается постоянное напряжение. Посредством механической передачи 3 крутящий момент двигателя передается на приводные валы 4 внешних барабанов 5 всех колес, что приводит к вращению колес и движению мобильного робота по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям. Чтобы прекратить движение необходимо отключить приводной электродвигатель 2 от источника напряжения.
При движении по ферромагнитным горизонтальным поверхностям или поверхностям с небольшим уклоном, регулировочное кольцо 9 при помощи поворотного устройства 12 устанавливается в такое положение, чтобы обеспечить максимальную магнитную проводимость между двумя постоянными магнитами 8, как показано на фиг. 2б. В этом положении регулировочное кольцо 9 фиксируется поворотным устройством 12. Магнитное взаимодействие постоянных магнитов 8 и ферромагнитной поверхности 6, по которой движется мобильный робот для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям, в таком положении будет минимально, так как магнитный поток будет замыкаться внутри регулировочного кольца 9, что даст минимальную магнитную силу прижатия колес к ферромагнитной поверхности 6.
Для движения по ферромагнитным вертикальным поверхностям или поверхностям с большим уклоном, поворотное устройство 12 каждого колеса поворачивает и фиксирует регулировочное кольцо 9 каждого колеса на такой угол, что магнитная проводимость будет иметь минимальное значение за счет расположения между постоянными магнитами 8 немагнитной вставки 11, как показано на фиг. 2а. Вследствие этого линии магнитного потока вынуждены проходить через внешний барабан 5 и ферромагнитную поверхность 6, что приводит к возникновению максимальной магнитной силы прижатия колес к ферромагнитной поверхности 6.
При переходе устройства на ферромагнитные горизонтальные поверхности магнитную силу прижатия к этим поверхностям можно уменьшать, для чего поворотное устройство 12 каждого колеса переводит регулировочное кольцо 9 каждого колеса из положения, соответствующее максимальной магнитной силе прижатия колес к ферромагнитной поверхности 6, в положение, соответствующее минимальной магнитной силе прижатия колес к ферромагнитной поверхности 6. В этом положении регулировочное кольцо 9 каждого колеса фиксируется поворотным устройством 12 каждого колеса.
Изменение направления движения мобильного робота для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям реализуется поворотом регулировочных колец 9 всех колес на одной из сторон мобильного робота с помощью поворотного устройства 12 соответствующих колес в положение, при котором магнитная проводимость между двумя постоянными магнитами 8 будет иметь минимальное значение, а магнитная сила прижатия колес к ферромагнитной поверхности 6 будет максимальна. Таким образом, крутящие моменты на внешних барабанах 5 колес на разных сторонах мобильного робота будут разными, что позволит повернуть мобильный робот для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям на необходимый угол.
Итак, заявленная полезная модель позволяет снизить энергетические затраты на управление силой прижатия колес к ферромагнитным поверхностям в мобильном роботе для движения по ферромагнитным вертикальным и наклонным поверхностям путем уменьшения массы и угла поворота перемещаемого внутреннего элемента колеса.