一种曲面自适应爬壁机器人

1.本发明属于爬壁机器人技术领域，具体涉及一种曲面自适应爬壁机器人。


背景技术：

2.爬壁机器人属于特种机器人范畴，作为移动机器人领域的重要分支，将地面移动机器人技术与吸附技术结合起来，能够实现在高尺度空间壁面环境中作业。被广泛应用于船舰的除锈与探伤、大型建筑物外表面的清洗、石化行业的大型油罐的喷漆、检测探伤以及大型风电扇叶的维护等。
3.目前，爬壁机器人的工作壁面环境多为单一平整壁面或者曲率变化平缓的曲面，在很多存在曲率变化的复杂曲面环境中，爬壁机器人还不能够很好地进行作业，其根本原因在于爬壁机器人在三维空间的复杂壁面适应问题没有得到很好的解决，这在很大程度上制约了爬壁机器人进一步的发展和应用。因此，这就需要对爬壁机器人复杂曲面适应能力进行研究。
4.现有的爬壁机器人常见问题包括如下：
5.缺乏壁面的自主顺应性：目前大多数磁吸附类爬壁机器人都不能很好地自适应曲面作业壁面，主要是相对固化的底盘吸附结构设计即履带式或轮式，机器人无法有效地贴合弯翘曲面，导致壁面接触面积小、接触不稳，存在易打滑、稳定性差等缺点，同时会造成吸附效率不足，无法获得较好地带负载能力，进而无法突破吸附力与自重的恶性循环。这从根源上制约着爬壁机器人的推广应用。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种可跨越障碍、运动灵活、吸附力强且适用于复杂曲面的曲面自适应爬壁机器人。
7.为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
8.一种曲面自适应爬壁机器人，其包括机身，所述机身上安装有4条机械腿，所述机身内安装有4个分别驱动4条所述机械腿行走的驱动装置，所述机械腿设有大腿部、小腿部和足部，所述大腿部的上端与所述机身固定连接，所述大腿部的下端与所述小腿部的上端通过转动关节连接，所述小腿部的下端与所述足部固定连接，所述小腿部靠近所述足部的一侧内部设有混合励磁装置，所述混合励磁装置包括永磁体和电磁铁，所述足部的外部为软质外层，所述足部的内部填充有铁屑；当所述电磁铁通过正向电流产生的磁场与所述永磁体产生的磁场相叠加时，所述铁屑被叠加磁场磁化；当所述电磁铁通过反向电流产生的磁场与所述永磁体产生的磁场相抵消时，所述铁屑退磁。
9.作为本发明优选的方案，所述足部呈板状结构。
10.作为本发明优选的方案，所述大腿部和所述小腿部均为中空管件结构。
11.作为本发明优选的方案，所述驱动装置包括电机、主动滚轮、从动滚轮和传动带绳，所述电机的动力输出端与所述主动滚轮固定连接，所述从动滚轮与所述转动关节的关
节转轴固定连接，所述传动带绳传动连接于所述主动滚轮和所述从动滚轮。
12.作为本发明优选的方案，所述主动滚轮和所述从动滚轮均为链轮，所述传动带绳为颗粒柔索。
13.作为本发明优选的方案，所述传动带绳穿设于所述大腿部的空腔内。
14.作为本发明优选的方案，所述永磁体和所述电磁铁沿所述小腿部的轴线方向依次固定在在所述小腿部的空腔内，所述电磁铁设置于所述永磁体的上部，所述永磁体的充磁方向与所述电磁铁的充磁方向均为所述小腿部的轴线方向。
15.作为本发明优选的方案，所述电磁铁包括导磁铁芯和缠绕在所述导磁铁芯外周的励磁线圈。
16.实施本发明提供的一种曲面自适应爬壁机器人，与现有技术相比，其有益效果在于：
17.本发明的曲面自适应爬壁机器人通过由永磁体和电磁铁构成的混合励磁装置以及包裹铁屑的软质足部的设计，当电磁铁通过正向电流产生的磁场与永磁体产生的磁场相叠加时，足部内铁屑被叠加磁场磁化，吸附在磁性工作壁面上；当电磁铁通过反向电流产生的磁场与永磁体产生的磁场相抵消时，足部内铁屑退磁，足部与磁性工作壁面相分离；由此，通过控制四足的吸附与脱开，实现前行。同时由于足部的柔性设计，在磁场的作用下，铁屑磁性能将足部完整地贴合在不同曲率半径的磁性壁面上，增加了接触面积，提高了吸附的稳定性，尤其适用于曲率变化复杂的曲面环境；并且永磁体与电磁铁组成的混合励磁方式能够提高吸附力，进一步提高吸附的稳定性。此外，本发明的曲面自适应爬壁机器人采用四足形式，可跨越障碍，运动灵活。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
19.图1是本发明实施例提供的一种曲面自适应爬壁机器人的结构示意图；
20.图2是混合励磁装置的结构示意图。
21.图中标记：
22.1、机身；2、机械腿，21、大腿部，22、小腿部，23、足部，24、转动关节；3、驱动装置，31、电机，32、主动滚轮，33、从动滚轮，34、传动带绳；4、混合励磁装置，41、永磁体，42、电磁铁，421、导磁铁芯，422、励磁线圈。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“上端”、“下端”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的
信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“上端”信息也可以被称为“下端”信息，类似的，“下端”信息也可以被称为“上端”信息。
25.如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种曲面自适应爬壁机器人，其包括机身1，所述机身1上安装有4条机械腿2，所述机身1内安装有4个分别驱动4条所述机械腿2行走的驱动装置3，所述机械腿2设有大腿部21、小腿部22和足部23，所述大腿部21的上端与所述机身1固定连接，所述大腿部21的下端与所述小腿部22的上端通过转动关节24连接，所述小腿部22的下端与所述足部23固定连接，所述小腿部22靠近所述足部23的一侧内部设有混合励磁装置4，所述混合励磁装置4包括永磁体41和电磁铁42，所述足部23的外部为软质外层，所述足部23的内部填充有铁屑；当所述电磁铁42通过正向电流产生的磁场与所述永磁体41产生的磁场相叠加时，所述铁屑被叠加磁场磁化；当所述电磁铁42通过反向电流产生的磁场与所述永磁体41产生的磁场相抵消时，所述铁屑退磁。
26.由此，根据本发明实施例提供的曲面自适应爬壁机器人，其通过由永磁体41和电磁铁42构成的混合励磁装置4以及包裹铁屑的软质足部23的设计，当电磁铁42通过正向电流产生的磁场与永磁体41产生的磁场相叠加时，足部23内铁屑被叠加磁场磁化，吸附在磁性工作壁面上；当电磁铁42通过反向电流产生的磁场与永磁体41产生的磁场相抵消时，足部23内铁屑退磁，足部23与磁性工作壁面相分离；由此，通过控制四足的吸附与脱开，实现前行。同时由于足部23的柔性设计，在磁场的作用下，铁屑磁性能将足部23完整地贴合在不同曲率半径的磁性壁面上，增加了接触面积，提高了吸附的稳定性，尤其适用于曲率变化复杂的曲面环境；并且永磁体41与电磁铁42组成的混合励磁方式能够提高吸附力，进一步提高吸附的稳定性。此外，本发明的曲面自适应爬壁机器人采用四足形式，可跨越障碍，运动灵活。
27.示例性的，所述足部23呈板状结构，图1所示的足部23形态表现为两种不同曲率下的曲面形态，保证足部23与磁性壁面接触面积的同时，减小足部23铁屑层的厚度，使铁屑更好地被磁化，降低磁力传递过程的损耗，有利于提高吸附力。
28.示例性的，所述大腿部21和所述小腿部22均为中空管件结构。这样能够减重，实现轻量化设计。
29.示例性的，为更好地控制四足前行，所述驱动装置3包括电机31、主动滚轮32、从动滚轮33和传动带绳34，所述电机31的动力输出端与所述主动滚轮32固定连接，所述从动滚轮33与所述转动关节24的关节转轴固定连接，所述传动带绳34传动连接于所述主动滚轮32和所述从动滚轮33。其中，所述主动滚轮32和所述从动滚轮33均为链轮，所述传动带绳34为颗粒柔索；所述传动带绳34穿设于所述大腿部21的空腔内。由此，当电机31驱动时，通过主动滚轮32、从动滚轮33和传动带绳34等传动组件带动转动关节24的关节转轴转动，即带动小腿部22相对大腿部21转动，并由于4条机械腿2分别由各自的驱动装置3独立驱动控制，进而实现四足前行动作。
30.示例性的，所述永磁体41和所述电磁铁42沿所述小腿部22的轴线方向依次固定在在所述小腿部22的空腔内，所述电磁铁42设置于所述永磁体41的上部，所述永磁体41的充磁方向与所述电磁铁42的充磁方向均为所述小腿部22的轴线方向。其中，所述电磁铁42包括导磁铁芯421和缠绕在所述导磁铁芯421外周的励磁线圈422。当励磁线圈通正向电流时，电磁铁42产生的磁场与永磁体41产生的磁场相叠加，增强吸附力，使足部23内铁屑快速磁
化，并吸附在磁性工作壁面上；当励磁线圈通反向电流时，电磁铁42产生的磁场与永磁体41产生的磁场相抵消，此时不存在吸附力，实现足部23的脱附功能。此外，电磁铁42的磁性大小可以通过电流大小控制。
31.还需要说明的是，永磁体41可以是一整块永磁铁，也可以是由沿小腿部轴向交替充磁方向的永磁磁极组成，也可以是哈尔巴赫永磁磁极阵列组成。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。