CN109050701A - 一种足式磁吸附爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于爬壁机器人领域，具体涉及一种足式磁吸附爬壁机器人，由运载平台、行走腿和吸附足三部分组成。所述运载平台上可搭载各种执行装置进行铁基壁面的各种作业。所述行走腿共有四条，每条行走腿包括二自由度串联机构、伺服电动缸、球铰连接，其末端连接吸附足。所述吸附足采用丝杠螺母机构调整永磁铁与壁面的高度使吸附力可调。机器人可以看作4‑RRR平面机构加升降机构的组合，控制两个机构的运动能实现运载平台在空间内的全方位运动。机器人能在不同曲率的壁面上灵活地实现直行、转弯、姿态调整等动作。本发明解决了常规磁吸附爬壁机器人吸附不可靠、转向不灵活的缺点，具有结构简单、负载能力强、越障能力好、运动灵活、吸附可靠的优点。

Description

一种足式磁吸附爬壁机器人

技术领域

本发明属于爬壁机器人领域，具体涉及一种足式磁吸附爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，它能代替人类在石化企业、核工业、造船业等领域完成极其危险的操作，具有广泛的用途和很高的使用价值。

石化行业、核工业等应用了大量的储罐，这些储罐大多体积庞大，通过焊接拼装而成。储罐内储存的物体大多为易燃易爆有毒的危险品，且多为强腐蚀性液体，容易对罐体内壁造成腐蚀，特别是在焊缝处极易造成腐蚀泄漏。所以必须定期对储罐进行检测、维护，防止储罐损坏导致液体泄漏造成的经济损失和人员伤亡。另外还需对这些储罐进行喷砂除锈、喷漆防腐、清洗等作业。目前这些作业均由人工完成，作业过程中还需要搭建脚手架，属于高空作业，工作周期长、效率低且具有很大的危险性。因此应用爬壁机器人携带工具代替人工作业是一种必然的趋势。

爬壁机器人按照吸附方式不同可分为磁吸附、负压吸附和仿生吸附，因永磁吸附不需要其他能源产生吸附力、吸附力大，在铁基壁面的爬壁机器人大多使用永磁吸附方式。按照运动方式不同可分为轮式、履带式和足式，目前磁吸附轮式和履带式爬壁机器人出现较多，并各有优缺点。磁吸附轮式爬壁机器人有着速度快、运动灵活的优点，但由于轮子与壁面接触面积小，磁能利用率低，存在吸附力不足，很难可靠吸附于壁面的缺点。磁吸附履带式爬壁人吸附力大，吸附可靠但存在转向阻力大的缺点。而采用磁吸附方式和足式运动方式相结合的方式，具有吸附能力强、负载能力强、机动性好、易于越障等优点。

申请号为201610653897.7，公布号为CN106184452A，公布日期为2016年12月7日，名称为一种四足电磁吸附爬壁机器人，该机器人采用四足结构，电磁吸附，每条腿上有三个主动关节，并通过球铰链接连接电磁吸附装置，球铰为被动关节，该机器人具有空间六个自由度，能灵活地实现转弯、横向移动等动作。但是采用电磁吸附若发生断电情况，机器人就会发生坠落。并且该机器人的运动控制复杂，在运动过程中需要同时控制12个主动关节协调运动，具有6个冗余驱动，多个冗余驱动容易产生关节不协调现象，使机构中产生多余内力而降低机器人的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种足式磁吸附爬壁机器人，它能够可靠地攀爬平面、球形、圆柱壁面并能灵活地进行直行和转弯等动作，通过搭载相应的执行装置，能够安全、迅速、灵活地完成对储罐壁面的焊接、检测、清洗等作业。它具有结构简单、负载能力强、吸附力大、机动性好、越障能力强的优点。本发明很好地解决了轮式爬壁机器人吸附不可靠，履带式爬壁机器人转向阻力大的问题，并且只有较少的冗余驱动，降低了运动控制的复杂性。本发明构思巧妙、结构简单、可靠性高，具有很高的可行性和可推广性。

为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种足式磁吸附爬壁机器人，包括运载平台，运载平台上连接有四条行走腿，所述行走腿是包括二自由度串联机构、伺服电动缸、球铰连接，其末端连接吸附足。

所述运载平台分为两层，一层安装有机器人的控制系统，控制系统用于控制机器人各个伺服电机的运动来实现机器人的指定运动；二层可以搭载各种执行装置来完成对储罐壁面的焊接、检测、清洗等作业。

所述二自由度串联机构包括第一旋转关节、第一伺服电机、第一足臂、第二旋转关节、、第二伺服电机、第二足臂。第一旋转关节由固定安装在运载平台上的第一伺服电机驱动，通过第一旋转关节连接第一足臂，第一足臂另一端连接有第二旋转关节，通过第二旋转关节连接第二足臂，第二足臂另一端固连有伺服电动缸。

所述伺服电动缸通过球铰连接吸附足，它采用丝杠螺母机构，丝杠的类型采用梯形丝杠，电动缸上的电机的正反转带动丝杠转动使推杆伸出或缩回完成吸附足的升降。采用梯形丝杠能够自锁，在电动缸失电后推杆的伸缩长度能够保持不变。伺服电动缸用于控制运载平台的高度。采用球铰连接吸附足使吸附足能适应于不同曲率的壁面。

所述二自由度串联机构和所述球铰的一个旋转自由度构成一条RRR支链，每条行走腿上的RRR支链和所述运载平台构成平面4-RRR并联机构。4-RRR并联机构具有平面内x、y方向的平移自由度和绕z轴的转动自由度以及z方向平移自由度，共四个自由度。加上伺服电动缸的升降自由度再配合上球铰，该机器人具有空间6自由度，能够灵活地在空间内完成各种运动。机器人可以看作4-RRR平面机构加升降机构的组合，分别控制两个机构的运动可以容易地实现运载平台在x、y平面内的运动和z方向的升降运动；而同时控制两个机构的运动能实现运载平台在空间内6个自由度的全方位运动。

机器人在爬壁过程中，分为单腿迈步和运载平台运动两个运动。单条行走腿的第一、二旋转关节和伺服电动缸的运动实现迈腿动作。运载平台运动时，四个吸附足都吸附于壁面，四条行走腿上的第二伺服电机均失电，第二关节处于自由状态，通过控制四个第一伺服电机转动和四个伺服电动缸升缩来实现运载平台的空间6自由度运动。此时的驱动数为8个，只有两个冗余驱动，减少了运动不协调的可能，降低了运动控制难度，提高了机器人的可靠性。

当机器人的四条行走腿都处于伸直状态，由于机器人的平面4-RRR机构的奇异性和伺服电动缸断电自锁，此时断开电源，运载平台能够保持不动，实现无功耗悬停。机器人到达指定位置作业时，如果工作时间较长可以使用无功耗悬停功能。

所述吸附足采用永磁吸附，磁吸附装置内安装有步进电机，步进电机驱动丝杠螺母机构调节永磁体与壁面的高度使吸附力可调。所述吸附足吸附于壁面时，调整永磁体与壁面接触，吸附力很大，吸附可靠；当吸附足抬离壁面时，需要调整永磁体与壁面脱离一定高度，使吸附力变小，便于伺服电动缸完成抬腿动作。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明的足式磁吸附爬壁机器人，由运载平台、行走腿和吸附足三部分组成，采用四足并联结构，具有空间6自由度，机器人结构简单、运动灵活。机器人能够根据作业需要搭载相应的执行装置，能够安全、迅速、灵活地完成对储罐壁面的焊接、检测、清洗等作业。

2.本发明的足式磁吸附爬壁机器人，采用运载平台和四条行走腿并联的结构方式，机器人的负载能力强，能跨越一定宽度和高度的障碍物，具有很好的越障能力。

3.本发明的足式磁吸附爬壁机器人，采用平面4-RRR并联机构加的升降机构相结合，具有空间6自由度，同时也保留了平面4-RRR机构的性质，便于运载平台在平面内运动，避免了重心的起伏。

4.本发明的足式磁吸附爬壁机器人，采用永磁吸附方式，永磁体与壁面高度可调，吸附力可调。吸附时，永磁体与壁面接触，吸附力巨大，吸附可靠。

5.本发明的足式磁吸附爬壁机器人，运载平台运动时，四个吸附足都吸附于壁面，四条行走腿上的第二伺服电机均处于失电，第二关节处于自由状态，通过控制四个第一伺服电机转动和四个伺服电动缸升缩来实现运载平台的空间6自由度运动。此时的驱动数为8个，只有两个冗余驱动，减少了运动不协调的可能，降低了运动控制难度，提高了机器人的可靠性。

6.本发明的足式磁吸附爬壁机器人，具有无功耗悬停功能，机器人到达指定位置作业时，如果工作时间较长可以使用无功耗悬停功能，节约了电能，提高了电池使用寿命。

附图说明

图1为本发明的整体结构的示意图。

图2为本发明中的机器人的行走腿结构示意图。

图3为本发明中吸附足的示意图。

图4为本发明中无功耗悬停功能示意图。

其中，1为运载平台，2为行走腿，3为吸附足，4为第一伺服电机，5为第一旋转关节，6为第一足臂，7为第二旋转关节，8为第二伺服电机，9为第二足臂，10为伺服电动缸，11为球铰连接，12为步进电机，13为丝杠螺母机构，14为永磁体，15为丝杠外壳，16为电机外壳。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

参见图1、2，一种足式磁吸附爬壁机器人，包括运载平台1、行走腿2和吸附足3；运载平台通过第一旋转关节5连接行走腿2，行走腿2通过球铰连接11连接吸附足；第一旋转关节5、第二关节7、与球铰连接11的一个旋转自由度组成RRR链。

参见图1、2，第一伺服电机4安装在运载平台上，驱动第一旋转关节5带动第一足臂6转动；第二伺服电机8安装在第一足臂6的另一端驱动第二主动关节7带动第二主动臂9转动，第二主动臂9的另一端固连伺服电动缸10，伺服电动缸10通过球铰关节连接吸附足3，球铰关节为被动关节，此关节为辅助机器人的运动而设计，不需要主动驱动；吸附足3处于悬空相时，伺服电动缸10上的伺服电机的正反转带动丝杠转动使推杆伸出或缩回完成吸附足的升降；吸附足3处于支撑相时，伺服电动缸10的伸缩使运载平台1运动。

参见图3，吸附足3包括步进电机12、丝杠螺母机构13、永磁体14、丝杠外壳15、电机外壳16；通过步进电机12驱动丝杠螺母机构可以使永磁体在丝杠外壳16内上下移动，从而调整吸附装置的吸附力。电机外壳12通过螺钉连接丝杠外壳15，步进电机12在电机外壳12内部。

所述二自由度串联机构和所述球铰的一个旋转自由度构成一条RRR支链，每条行走腿上的RRR支链和所述运载平台构成平面4-RRR并联机构，平面4-RRR机构具有平面内3个自由度加上伺服电动缸的升降自由度再配合上球铰，该机器人具有空间6自由度，机器人能在不同曲率的壁面上可以灵活地实现直行、转弯动作、姿态调整等动作。

机器人的运动包括单腿迈步与运载平台1的运动。

单腿的迈步：单腿的迈步时，其他三条腿都处于吸附状态，迈步的腿为摆动腿。转动摆动腿上的步进电机12使吸附足3内的永磁体14脱离壁面一定距离，使吸附力大大减小；控制伺服电动缸10回缩一定距离提起吸附足3；转动第一伺服电机4、第二伺服电机8使行走腿向前迈进一步；伸长伺服电动缸10使吸附足3贴合壁面；再反向转动步进电机12使永磁体14贴合壁面，使吸附力大大增加，即完成单腿向前迈进一步的动作。

机器人可以看着4-RRR平面机构加升降机构的组合，分别控制两个机构的运动可以容易地实现运载平台在x、y平面内的运动和z方向的升降运动；而同时控制两个机构的运动能实现运载平台1在空间内6个自由度的全方位运动。由于机器人具有平面4-RRR机构，运载平台1运动时，四个吸附足3都吸附于壁面，第一旋转关节5和伺服电动缸10为主动关节，第二旋转关节7和球铰均为被动关节，第二伺服电机处于失电状态。

运载平台1在x、y平面内的运动：包括x轴方向、y轴方向的平移和绕z轴方向的转动。伺服电动缸10伸缩长度保持不变，控制四个第一伺服电机4以不同的速度组合转动实现运载平台1在x、y轴方向的平移和绕z轴的转动。

运载平台1升降运动：控制四个伺服电动缸10同时伸缩相同的距离，运载平台1便可做升降运动。

运载平台1在空间内6自由度的全方位运动：此时四个伺服电动缸10的伸缩距离不等，并控制四个第一伺服电机4以特定的速度转动，即可完成运载平台的指定运动。

机器人到达指定位置作业时，如果工作时间较长可以使用无功耗悬停功能。参见图4，使机器人的四条行走腿2都处于伸直状态，并吸附于壁面上，断开电源，由于此时机器人的平面4-RRR机构的奇异性和伺服电动缸10断电自锁，运载平台1能够保持不动，实现无功耗悬停。

为实现无功耗悬停，每条腿需要依次完成如下动作，首先将转动步进电机12使吸附足3内的永磁体14脱离壁面一定距离，使吸附力大大减小；然后控制伺服电动缸10回缩一定距离提起足端吸附装置3；接着第一伺服电机5保持不转动，转动第二伺服电机8使第二足臂9伸展开并与第一足臂5处于一条直线上；然后伸长伺服电动缸10使吸附足3贴合壁面，最后反向转动步进电机12使永磁体14贴合壁面，使吸附力大大增加。每条腿都完成以上动作后断开电源，运载平台1能保持原来状态不动。

Claims (8)

1.在一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于：包括运载平台（1），运载平台上（1）连接有四条行走腿（2），所述行走腿（2）是包括二自由度串联机构、伺服电动缸（10）、球铰连接（11），其末端连接吸附足（3）。

2.在根据权利要求1所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，运载平台（1）分为两层，一层安装有机器人的控制系统，控制系统用于控制机器人各个伺服电机的运动来实现机器人的指定运动；二层可以搭载各种执行装置来完成对储罐壁面的焊接、检测、清洗等作业。

3.根据权利要求1所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述二自由度串联机构包括第一伺服电机驱动（4）、第一旋转关节（5）、第一足臂（6）、第二旋转关节（7）、第二伺服电机（8）、第二足臂（9）；第一旋转关节（5）由固定安装在运载平台（1）上的第一伺服电机（4）驱动，通过第一旋转关节（5）连接第一足臂（6），第一足臂（6）另一端连接有第二旋转关节（7），通过第二旋转关节（7）连接第二足臂（9），第二足臂（9）另一端固连有伺服电动缸（10）。

4.根据权利要求1所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，伺服电动缸（10）通过球铰连接吸附足（3），它采用丝杠螺母机构，丝杠的类型采用梯形丝杠，电动缸上的电机的正反转带动丝杠转动使推杆伸出或缩回完成吸附足（3）的升降；采用梯形丝杠能够自锁，在电动缸失电后推杆的伸缩长度能够保持不变；采用球铰连接吸附足使吸附足能适应于不同曲率的壁面。

5.根据权利要求1所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述二自由度串联机构和所述球铰的一个旋转自由度构成一条RRR支链，每条行走腿上的RRR支链和所述运载平台（1）构成平面4-RRR并联机构；机器人可以看作4-RRR平面机构加升降机构的组合，分别控制两个机构的运动可以容易地实现运载平台在x、y平面内的运动和z方向的升降运动；而同时控制两个机构的运动能实现运载平台在空间内6个自由度的全方位运动。

6.根据权利要求1、6所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，机器人在爬壁过程中，分为单腿迈步和运载平台（1）运动两个运动；单条行走腿的第一、二旋转关节（5）（7）和伺服电动缸（10）的运动实现迈腿动作；运载平台（1）运动时，四个吸附足（3）都吸附于壁面，四条行走腿（2）上的第二伺服电机（8）均失电，第二关节（7）处于自由状态，通过控制四个第一伺服电机（4）转动和四个伺服电动缸（10）伸缩来实现运载平台（1）的空间6自由度运动。

7.根据权利要求1、6所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，当机器人的四条行走腿（2）都处于伸直状态，由于机器人的平面4-RRR机构的奇异性和伺服电动缸（10）断电自锁，此时断开电源，运载平台（1）能够保持不动，实现无功耗悬停。

8.根据权利要求1所述的一种足式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述吸附足（3）采用永磁吸附，磁吸附装置内安装有步进电机（12），步进电机（12）驱动丝杠螺母机构（13）调节永磁体（14）与壁面的高度使吸附力可调。