CN107255927A - 爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法，属于石油化工无损检测应用领域。自适应控制装置包括爬壁机器人和吸附装置，吸附装置设置在爬壁机器人与磁性爬行壁面相接触的侧面，其特征在于：还包括永磁驱动装置、永磁吸附力检测装置、爬壁机器人姿态监测装置和永磁吸附力控制系统，永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置分别与吸附装置连接，爬壁机器人姿态监测装置设置在爬壁机器人侧面，通过永磁吸附力控制系统进行控制。能够达到磁能利用率较高并能够实时监测精确控制永磁吸附力的目的。

Description

爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法

技术领域

爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法，属于石油化工无损检测应用领域。

背景技术

为了实现油气储罐等大型罐体表面的无损检测，减轻检测过程中的人工安全风险与成本，提高检测效率，无损检测爬壁机器人得到了广泛应用。无损检测爬壁机器人通常携带无损检测设备在罐体表面按照检测路径进行扫描式检测或者点位检测，需要具备快速的移动效率与可靠的吸附，能够快速的扫描被检测区域或者快速到达待检位置。对于不同的检测应用、不同的罐体形状、罐体的不同位置，爬壁机器人的可靠吸附所需要的吸附力是不同的，吸附力的大小直接影响到爬壁机器人的移动灵活性。

现有技术中以石化油气储罐壁面的爬壁机器人为例，吸附方式主要是利用永磁吸附力，永磁吸附力包括永磁吸附、电磁吸附以及二者的结合等种类，其中永磁吸附以其吸附力大、简单可靠得到了广泛的应用。Halbach永磁阵列是一种新型的永磁体排列方式，其完全由稀土永磁材料构成，通过将不同充磁方向的永磁体按照一定的规律排列，能够在磁体的一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而获得比较理想的单边磁场，其具备永磁利用率高、漏磁少的特点。

永磁吸附的吸附力不可调整，导致爬壁机器人每时每刻都必须承受着满足其最大负载状态的永磁吸附力，不能根据爬壁机器人状态实时进行变化。利用Halbach永磁阵列，永磁吸附力过大会影响到爬壁机器人的移动灵活性；过小又会导致爬壁机器人的摔落等事故，造成爬壁机器人本体及附属人员、设备的损失。现有的调整永磁吸附力的方式主要是通过对相应的结构施加外力，手动改变永磁吸附力以调整爬壁机器人的姿态。针对现有技术的不足，目前急需一种解决永磁吸附爬壁机器人吸附力与运动灵活性之间的矛盾，磁能利用率较高、自动实时监测并精确控制永磁吸附力的技术方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种解决永磁吸附爬壁机器人吸附力与运动灵活性之间的矛盾，磁能利用率较高并能够实时监测精确控制永磁吸附力的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，包括爬壁机器人和吸附装置，吸附装置设置在爬壁机器人与磁性爬行壁面相接触的侧面，其特征在于：还包括永磁驱动装置、永磁吸附力检测装置、爬壁机器人姿态监测装置和永磁吸附力控制系统，永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置分别与吸附装置连接，爬壁机器人姿态监测装置设置在爬壁机器人侧面，通过永磁吸附力控制系统进行控制。

优选的，所述的吸附装置包括Halbach永磁阵列和永磁阵列安装板，Halbach永磁阵列安装在永磁阵列安装板上。

优选的，所述的永磁驱动装置包括线性移动丝杆和丝杆电机，线性移动丝杆两端分别与吸附装置和丝杆电机连接。

优选的，所述的爬壁机器人姿态监测装置包括二维倾角传感器，二维倾角传感器与爬行机器人上侧面平行设置。

优选的，所述的永磁吸附力检测装置包括压力检测传感器与模数转换器，压力检测传感器设置在所述的吸附装置的底端，压力检测传感器输出端与模数转换器输入端相连。

优选的，所述的爬壁机器人包括驱动轮、驱动皮带和爬壁机器人壳体，驱动皮带覆盖在驱动轮的表面，驱动皮带与磁性爬行壁面相接触。

爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置的方法，其特征在于：

自适应控制方法如下：

步骤1001：爬壁机器人姿态监测装置实时读取爬壁机器人的姿态；

步骤1002：永磁吸附力控制系统计算出当前状态下所需的吸附力；

步骤1003：永磁驱动装置调整吸附装置吸附间隙，以调整永磁吸附力；

步骤1004：永磁吸附力检测装置测量调整后的永磁吸附力，并将调整后的永磁吸附力传送给永磁吸附力控制系统；

步骤1005：永磁吸附力控制系统判断调整后的永磁吸附力是否等于步骤1002中计算的吸附力，若不是，则返回步骤1003，若是，进入步骤1006；

步骤1006：永磁吸附力控制系统控制爬壁机器人运动。

优选的，步骤1001中所述的读取爬壁机器人姿态的方法如下：

爬壁机器人姿态监测装置获得爬壁机器人的倾斜角度，检测的倾斜角度分别为爬壁机器人与被检测竖直磁性爬行壁面的夹角和爬壁机器人与垂直于磁性爬行壁面的竖直平面的夹角，通过串行通讯方式将爬壁机器人的倾斜角度传输给永磁吸附力控制系统。

优选的，步骤1003中所述的调整永磁吸附力的方法如下：

通过永磁驱动装置调整吸附装置中不同充磁方向的永磁体排列，以改变永磁模块吸附侧的强磁场分布，来实现永磁吸附力的调整。

优选的，步骤1004中所述的测量调整后的永磁吸附力的方法如下：

设置压力检测传感器和模数转换器，永磁吸附力作用于压力检测传感器，压力检测传感器产生电信号，通过模数转换器形成可供控制板采集的模拟信号并传输给永磁吸附力控制系统，实现永磁吸附力的测量。

本发明的工作原理为：

爬壁机器人姿态监测装置读取爬壁机器人的姿态，计算出当前所需的永磁吸附力，永磁驱动装置调整吸附装置与磁性爬行壁面的间隙，永磁吸附力检测装置检测调整后的永磁吸附力，判断是否继续调整吸附装置与磁性爬行壁面的间隙。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法，具有解决永磁吸附爬壁机器人吸附力与运动灵活性之间的矛盾、磁能利用率较高、能够实时监测精确控制永磁吸附力并保证控制过程稳定的有益效果。

2、设置永磁驱动装置，永磁驱动装置调整吸附装置与磁性爬行壁面的间隙，调节控制永磁吸附力。

3、设置爬壁机器人姿态监测模块和爬壁机器人姿态监测装置，实时监测爬壁机器人的姿态，根据姿态及时调整永磁吸附力，提高磁能利用率。

4、设置永磁吸附力检测装置，测量调整后的永磁吸附力并反馈给永磁吸附力控制系统，实现精确控制永磁吸附力。

5、设置永磁阵列压紧弹簧，在底部没有磁性爬行壁面时，没有永磁吸附力作用，可以依靠永磁阵列压紧弹簧产生的弹性来保证永磁阵列的位置，防止上下窜动。

6、设置永磁吸附力控制系统，根据爬壁机器人姿态的实时监测和永磁吸附力检测装置，及时调整永磁吸附力与爬壁机器人正常运动相配合，解决了永磁吸附爬壁机器人吸附力与运动灵活性之间的矛盾。

附图说明

图1为爬壁机器人的整体结构与永磁模块的布置。

图2为Halbach永磁阵列的吸附模块的结构图。

图3为爬壁机器人姿态监测系统正视图。

图4为爬壁机器人姿态监测系统侧视图。

图5为实施例1的吸附装置、永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置结构原理图。

图6为爬壁机器人永磁吸附力自适应控制原理图。

图7为控制系统方框原理图。

图8为系统控制流程图。

图9为实施例2的吸附装置、永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置结构原理图。

其中：1、Halbach永磁阵列 2、驱动轮 3、驱动皮带 4、地面 401、压力检测传感器 402、永磁阵列安装板 403、永磁阵列压紧弹簧 404、永磁阵列调整基座 405、永磁模块支撑弹簧 406、支撑弹簧内部导柱 407、线性移动丝杆 408、丝杆电机 409、爬壁机器人壳体 5、钢铁爬行壁面 6、爬壁机器人 7、二维倾角传感器。

具体实施方式

图1~8是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~9对本发明做进一步说明。

本发明为爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法，自适应控制装置包括爬壁机器人6、吸附装置、永磁驱动装置、永磁吸附力检测装置和爬壁机器人姿态监测装置，吸附装置设置在爬壁机器人6与磁性爬行壁面相接触的侧面，永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置分别与吸附装置连接，爬壁机器人姿态监测装置设置在爬壁机器人6侧面，该磁性爬行壁面采用钢铁爬行壁面5。

如图1所示，该爬壁机器人6的吸附装置包括安装在爬壁机器人6底部的三块永磁吸附阵列，永磁吸附阵列采用Halbach永磁阵列1，与钢铁爬行壁面5吸附提供爬壁机器人6所需的吸附力。

爬壁机器人6包括爬壁机器人壳体409、驱动轮2以及覆盖在驱动轮2上的驱动皮带3，爬壁机器人6通过驱动轮2的旋转，带动驱动皮带3旋转，使爬壁机器人6前进。

永磁吸附力用以保证爬壁机器人6在钢铁爬行壁面5前进时不会滑落，但多余的永磁吸附力对其运动的灵活性带来不利的影响，需要更大的驱动力才能让其运动，因此需要通过检测爬壁机器人6的状态，然后适时调节所用永磁吸附力的大小，优化爬壁机器人6的运动状态。

永磁吸附力针对不同的钢铁爬行壁面5有不同的计算方式，下面以竖直的钢铁爬行壁面5和罐体顶部为例，说明两种状态下永磁吸附力的计算方式：

爬壁机器人6在竖直的钢铁爬行壁面5时，永磁吸附力垂直施加在钢铁爬行壁面5上，作为爬壁机器人6与钢铁爬行壁面5之间的正压力，根据相应钢铁爬行壁面5的摩擦系数，计算驱动皮带3与钢铁爬行壁面5之间的摩擦力，凭借该摩擦力克服爬壁机器人6及其负载的重力，保证爬壁机器人6不会从钢铁爬行壁面5摔落并保证爬壁机器人6的正常运动；在罐体顶部时，永磁吸附力与爬壁机器人6及其负载的重力方向相反，凭借该永磁吸附力抵消重力，保证爬壁机器人6不会从顶部摔落并保证爬壁机器人6的正常运动。如图2所示，不同磁化方向的钕铁硼永磁体，能够调整永磁吸附力对钢铁爬行壁面5的作用方向。

如图3~4所示，永磁吸附力检测装置包括二维倾角传感器7，二维倾角传感器7设置在爬壁机器人壳体409外部，与爬壁机器人6的上侧面平行设置。其中爬壁机器人姿态监测装置包括安装在爬壁机器人6本体上的二维倾角传感器7及其通信系统，二维倾角传感器7的安装平面与爬壁机器人6平面平行、与地面4垂直，其检测的倾斜角度为爬壁机器人6本体与被检测钢铁爬行壁面5的夹角（±X）以及其与垂直于钢铁爬行壁面5的竖直平面的夹角（±Y）。

如图5所示，永磁驱动装置包括线性移动丝杆407和控制线性移动丝杆407的丝杆电机408，线性移动丝杆407两端分别与吸附装置和丝杆电机408连接，丝杆电机408设置在爬壁机器人6内部。通过丝杆电机408驱动线性移动丝杆407来带动Halbach永磁阵列1 实现上下移动，调整Halbach永磁阵列1与被吸附钢铁爬行壁面5之间的距离，进而调整Halbach永磁阵列1 所受到的永磁吸附力。

永磁吸附力检测装置包括压力检测传感器401、模数转换器、永磁阵列调整基座404和永磁阵列压紧弹簧403，压力检测传感器401用于检测永磁吸附力的大小，压力检测传感器401在永磁吸附力的作用下产生电信号，经过模数转换器转换形成可供永磁吸附力控制系统采集的模拟信号。永磁吸附力检测后反馈给永磁吸附力控制系统，判定是否符合吸附条件并调整吸附间隙，实现永磁吸附力的自适应控制。

永磁阵列压紧弹簧403设置在永磁阵列调整基座404与压力检测传感器401之间。永磁阵列压紧弹簧403起到永磁阵列定位的作用，在底部没有钢铁爬行壁面5时，没有永磁吸附力作用在Halbach永磁阵列1上，这时依靠永磁阵列压紧弹簧403产生的弹性来保证Halbach永磁阵列1的位置，而不会上下窜动。

吸附装置还包括永磁阵列安装板402，Halbach永磁阵列1安装在永磁阵列安装板402上。还设置永磁模块支撑弹簧405与支撑弹簧内部导柱406，永磁模块支撑弹簧405与支撑弹簧内部导柱406起到横向稳定的作用，减小作用在丝杆电机408上的附加转矩。

如图6所示，通过爬壁机器人姿态监测装置实时监测爬壁机器人6与垂直钢铁爬行壁面5的倾斜夹角，然后根据夹角计算出当前爬壁机器人6的姿态，由永磁吸附力控制系统计算出当前姿态下可靠吸附所需的最小永磁吸附力，然后控制永磁模块驱动装置实现Halbach永磁阵列1间隙的调整，通过永磁吸附力检测传感器的检测，反馈实现永磁吸附力的闭环控制。

如图7所示，永磁吸附力控制系统是本发明的核心部分，永磁吸附力控制系统能够实现姿态数据的处理、所需最小永磁吸附力的计算、实际永磁吸附力的检测以及永磁驱动装置的控制。

永磁吸附力控制系统包括嵌入式处理器、二维倾角传感器模块、压力检测传感器模块、远程通讯模块和电机驱动模块。二维倾角传感器模块与压力检测传感器模块分别通过异步串行通信方式（UART）实现相应传感器数据的采集，永磁吸附力控制系统设置RS485串行通讯接口，实现与远端控制主机的信息交互。电机驱动模块将嵌入式处理器发出的脉冲与方向转化为丝杆电机408的转动，实现转动角度的精密控制。

如图8所示，自适应控制方法如下：

步骤1001：二维倾角传感器模块通过爬壁机器人姿态监测装置实时读取爬壁机器人6的姿态；

步骤1002：永磁吸附力控制系统计算出当前状态下所需的吸附力；

步骤1003：电机驱动模块控制永磁驱动装置实现吸附装置吸附间隙调整；

步骤1004：压力检测传感器模块通过永磁吸附力检测装置测量调整后的永磁吸附力，并将调整后的永磁吸附力传送给永磁吸附力控制系统；

步骤1005：永磁吸附力控制系统判断调整后的永磁吸附力是否等于步骤1002中计算的吸附力，若不是，则返回步骤1003，若是，进入步骤1006；

步骤1006：永磁吸附力控制系统控制爬壁机器人6运动。

本实施例的工作过程为：

嵌入式处理器周期性控制二维倾角传感器模块读取二维倾角传感器7的角度数据，根据所测得的角度数据计算出当前爬壁机器人6所需的永磁吸附力。

永磁吸附力控制系统根据计算所得的永磁吸附力，控制丝杆电机408驱动线性移动丝杆407上下移动，实现Halbach永磁阵列1 吸附间隙的调整。调整过程中，压力检测传感器模块控制压力检测传感器401检测调整后的永磁吸附力，产生电信号，并通过模数转换器转换成模拟信号，传递给永磁吸附力控制系统，将检测结果与当前永磁吸附力比较，判断是否满足吸附要求。

若满足吸附条件，控制驱动轮2转动使爬壁机器人6运动，驱动皮带3与钢铁爬行壁面5产生摩擦，防止爬壁机器人6滑落；若不满足，则及时控制丝杆电机408调整Halbach永磁阵列1与钢铁爬行壁面5的吸附间隙，实现永磁吸附力的自适应控制。

实施例2

本发明为爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置及其方法，其中爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置包括爬壁机器人6、吸附装置、永磁驱动装置、永磁吸附力检测装置和爬壁机器人姿态监测装置，吸附装置设置在爬壁机器人6与钢铁爬行壁面5相接触的侧面，永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置分别与吸附装置连接，爬壁机器人姿态监测装置设置在爬壁机器人6侧面并与其侧面平行。

如图9所示，永磁驱动装置包括线性移动丝杆407和控制线性移动丝杆407的丝杆电机408，线性移动丝杆407两端分别与吸附装置和丝杆电机408连接，丝杆电机408设置在爬壁机器人6内部。通过丝杆电机408驱动线性移动丝杆407来带动Halbach永磁阵列1 实现上下移动，调整Halbach永磁阵列1 与被吸附钢铁爬行壁面5之间的距离，进而调整Halbach永磁阵列1 所受到的永磁吸附力。

永磁吸附力检测装置包括压力检测传感器401和模数转换器，压力检测传感器401用于检测永磁吸附力的大小，压力检测传感器401在永磁吸附力的作用下产生电信号，经过模数转换器转换形成可供永磁吸附力控制系统采集的模拟信号。永磁吸附力检测后反馈给永磁吸附力控制系统，判定是否符合吸附条件并调整吸附间隙，实现永磁吸附力的自适应控制。其他部件同实施例1。

本实施例的工作过程为：

嵌入式处理器周期性控制二维倾角传感器模块读取二维倾角传感器7的角度数据，根据所测得的角度数据计算出当前爬壁机器人6所需的永磁吸附力。

永磁吸附力控制系统根据计算所得的永磁吸附力，控制丝杆电机408驱动线性移动丝杆407上下移动，实现Halbach永磁阵列1 吸附间隙的调整。调整过程中，压力检测传感器模块控制压力检测传感器401检测调整后的永磁吸附力，产生电信号，并通过模数转换器转换成模拟信号，传递给永磁吸附力控制系统，将检测结果与当前永磁吸附力比较，判断是否满足吸附要求。

若满足吸附条件，控制驱动轮2转动使爬壁机器人6运动，驱动皮带3与钢铁爬行壁面5产生摩擦，防止爬壁机器人6滑落；若不满足，则及时控制丝杆电机408调整Halbach永磁阵列1与钢铁爬行壁面5的吸附间隙，实现永磁吸附力的自适应控制。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，包括爬壁机器人（6）和吸附装置，吸附装置设置在爬壁机器人（6）与磁性爬行壁面相接触的侧面，其特征在于：还包括永磁驱动装置、永磁吸附力检测装置、爬壁机器人姿态监测装置和永磁吸附力控制系统，永磁吸附力检测装置和永磁驱动装置分别与吸附装置连接，爬壁机器人姿态监测装置设置在爬壁机器人（6）侧面，通过永磁吸附力控制系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，其特征在于：所述的吸附装置包括Halbach永磁阵列（1）和永磁阵列安装板（402），Halbach永磁阵列（1）安装在永磁阵列安装板（402）上。

3.根据权利要求1所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，其特征在于：所述的永磁驱动装置包括线性移动丝杆（407）和丝杆电机（408），线性移动丝杆（407）两端分别与吸附装置和丝杆电机（408）连接。

4.根据权利要求1所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，其特征在于：所述的爬壁机器人姿态监测装置包括二维倾角传感器（7），二维倾角传感器（7）与爬行机器人（6）上侧面平行设置。

5.根据权利要求1所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，其特征在于：所述的永磁吸附力检测装置包括压力检测传感器（401）与模数转换器，压力检测传感器（401）设置在所述的吸附装置的底端，压力检测传感器（401）输出端与模数转换器输入端相连。

6.根据权利要求1所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置，其特征在于：所述的爬壁机器人（6）包括驱动轮（2）、驱动皮带（3）和爬壁机器人壳体（409），驱动皮带（3）覆盖在驱动轮（2）的表面，驱动皮带（3）与磁性爬行壁面相接触。

7.权利要求1~6任一项所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置的方法，其特征在于：自适应控制方法如下：

步骤1001：爬壁机器人姿态监测装置实时读取爬壁机器人（6）的姿态；

步骤1002：永磁吸附力控制系统计算出当前状态下所需的吸附力；

步骤1003：永磁驱动装置调整吸附装置吸附间隙，以调整永磁吸附力；

步骤1004：永磁吸附力检测装置测量调整后的永磁吸附力，并将调整后的永磁吸附力传送给永磁吸附力控制系统；

步骤1005：永磁吸附力控制系统判断调整后的永磁吸附力是否等于步骤1002中计算的吸附力，若不是，则返回步骤1003，若是，进入步骤1006；

步骤1006：永磁吸附力控制系统控制爬壁机器人（6）运动。

8.根据权利要求7所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置的方法，其特征在于：步骤1001中所述的读取爬壁机器人（6）姿态的方法如下：

爬壁机器人姿态监测装置获得爬壁机器人（6）的倾斜角度，检测的倾斜角度分别为爬壁机器人（6）与被检测竖直磁性爬行壁面的夹角和爬壁机器人（6）与垂直于磁性爬行壁面的竖直平面的夹角，通过串行通讯方式将爬壁机器人（6）的倾斜角度传输给永磁吸附力控制系统。

9.根据权利要求7所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置的方法，其特征在于：步骤1003中所述的调整永磁吸附力的方法如下：

通过永磁驱动装置调整吸附装置中不同充磁方向的永磁体排列，以改变永磁模块吸附侧的强磁场分布，来实现永磁吸附力的调整。

10.根据权利要求7所述的爬壁机器人的永磁吸附力自适应控制装置的方法，其特征在于：步骤1004中所述的测量调整后的永磁吸附力的方法如下：

设置压力检测传感器（401）和模数转换器，永磁吸附力作用于压力检测传感器（401），压力检测传感器（401）产生电信号，通过模数转换器形成可供控制板采集的模拟信号并传输给永磁吸附力控制系统，实现永磁吸附力的测量。