CN109484506A - 电磁驱动爬壁机器人模块、爬壁机器人及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动爬壁机器人模块、爬壁机器人及其运动方法，爬壁机器人模块包括模块主体、吸附电磁铁、驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体和被动连接永磁体。爬壁机器人由多个机器人模块组合而成，可以根据不同的任务需求和工作环境进行分解和重构，结构简单、容易控制、质量轻、体积小，能够实现壁面爬行、平移、偏转、原地转动等运动，大大提高了机器人的工作效率和环境适应能力。

Description

电磁驱动爬壁机器人模块、爬壁机器人及其运动方法

技术领域

本发明涉及一种电磁驱动爬壁机器人模块、爬壁机器人及其运动方法，属爬壁机器人领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，机器人在各个领域都得到了广泛的应用，爬壁机器人由于其可以克服重力限制在壁面爬行以完成任务，具有很强的应用前景。但随着执行任务种类越来越多，机器人工作环境越来越复杂，固定结构的爬壁机器人已经逐渐不能满足多样化的任务需求，因此可重构的模块化爬壁机器人越来越受到人们的重视。

公开号为CN105667621B的中国专利提出了一种模块化可重构爬壁机器人及其爬壁方法，机器人模块可以分开独立操作，也可以对接后组合工作，提高了机器人的工作效率和运动性能。但是这种机器人采用电机驱动，体积和质量较大，一定程度上增加了机器人结构的复杂度。

此外，公开号为CN100567068C的中国专利提出了一种串联式模块化爬壁机器人，通过模块化的支架结构实现多关节的重构。但其串联的连接方式限制了机器人只能在一个方向进行重构，限制了其应用范围。

目前的模块化爬壁机器人，其驱动方式依然多采用电机，模块为刚性结构，虽然能够完成重构变形，但机器人质量、体积仍较大，对于工作环境的适应能力有限，尚有很大的研究空间。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种电磁驱动爬壁机器人模块、爬壁机器人及其运动方法，根据仿生学原理，借鉴蚯蚓蠕动原理，利用电磁铁驱动机器人模块运动；各模块之间采用永磁体连接，可以实现各个模块之间的拆卸、组合，从而使机器人能够组成不同的结构，并完成平移、转向等一系列运动。

本发明采用的方案如下：

一种电磁驱动爬壁机器人模块，至少包括模块主体、吸附电磁铁、驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体和被动连接永磁体；

所述吸附电磁铁安装于所述模块主体底部，提供所述机器人模块与铁磁性介质表面的吸附力；

所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体成套设置在模块主体的至少一个侧面上，每一套中：所述驱动电磁铁安装于所述模块主体上，且所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体沿远离模块主体的方向依次设置在同一轴线上，所述吸附铁片位于所述驱动电磁铁通电后的磁力范围内，其一侧固接在所述弹性连接体的远离模块主体的一端，随弹性连接体的伸缩而发生轴向位移，所述主动连接永磁体设置在所述吸附铁片的远离模块主体的一侧；

所述被动连接永磁体设置在所述模块主体上，且设置在没有安装所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的所述模块主体的侧面上；

所述被动连接永磁体和所述主动连接永磁体位于模块外侧的磁极极性相反。

优选地，所述模块主体和所述弹性连接体由柔性材料制成。

优选地，所述模块主体为长方体，且在模块主体的一个侧面仅安装一套所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体。

优选地，所述驱动电磁铁为柱状体，所述弹性连接体包括套设在所述驱动电磁铁的外周的连接板，以及多个设置于连接板板面上的柔性材料。

优选地，驱动电磁铁对其磁力范围内的吸附铁片产生的吸引力大于弹性连接体的弹力。

本发明还提供一种电磁驱动爬壁机器人，至少包括两个以上所述的机器人模块，各机器人模块之间通过主动连接永磁体和被动连接永磁体互相吸附而组合在一起，所述爬壁机器人通过对各个机器人模块的驱动电磁铁和吸附电磁铁依次通断电而控制机器人运动。

优选地，仅包含一套所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的爬壁机器人模块作为第一模块，使得第一模块的主动连接永磁体与邻近的第一模块的被动连接永磁体粘贴，采用N个第一模块依次串联连接形成第一模块组。

优选地，在模块主体的至少三个侧面上分别安装有一套所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的爬壁机器人模块作为第二模块，

使得第二模块的主动连接永磁体与邻近的第二模块的被动连接永磁体粘贴，采用N个第二模块依次串联连接形成中间模块组，

并在中间模块组的两侧分别设置第一模块组，使得第一模块的被动连接永磁体与第二模块的主动连接永磁体粘贴，从而形成爬壁机器人。

本发明还提供一种电磁驱动爬壁机器人的运动方法，使用以上所述的第一模块组，完成以下动作：

第N个第一模块的吸附电磁铁断电、驱动电磁铁通电，使所述第N个第一模块的模块主体向前移动一个步长△S；

第N-1个第一模块的吸附电磁铁断电、驱动电磁铁通电，同时第N个第一模块的吸附电磁铁通电、驱动电磁铁断电，使得第N-1个第一模块的模块主体向前移动一个步长△S；

在第2个第一模块的模块主体向前移动一个步长△S后，第1个第一模块的吸附电磁铁断电，第2个第一模块的吸附电磁铁通电、驱动电磁铁断电，使得第1个第一模块的主体向前移动一个步长△S，至此使得第一模块组整体向前移动一个步长△S。

优选地，使用以上由第一模块组和第二模块组成的爬壁机器人，完成以下动作：

通过控制驱动电磁铁、吸附电磁铁的通断电，中间模块组和其两侧的第一模块组以相同的速度前进或后退，使得爬壁机器人整体前进或后退运动；

控制中间模块组与两侧的第一模块组连接的驱动电磁铁的通断电，使得爬壁机器人整体左移或右移；

通过使得中间模块组两侧的第一模块组的电磁铁循环通断电的周期不同，使爬壁机器人在前进过程中向左或向右偏移；

通过使中间模块组一侧的第一模块组前进，另一侧的第一模块组后退，中间模块组停止驱动，使得爬壁机器人绕其中心原地转动。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和突出性效果：

1.机器人由多个模块组合而成，利用永磁体进行连接，可以根据不同的任务需求和工作环境进行分解和重构，提高了工作效率。

2.利用电磁铁进行驱动，无需复杂的驱动器，大大减小了机器人的质量和体积，结构简单。

3.机器人模块主体和弹性连接体采用柔性材料制成，具有一定的柔性，对环境的适应能力较强。

附图说明

图1为本发明实施例A的爬壁机器人模块的爆炸视图；

图2为本发明实施例A的爬壁机器人模块的主视图；

图3为本发明实施例B的爬壁机器人模块的的爆炸视图；

图4为本发明实施例中单个爬壁机器人模块驱动的原理示意图；

图5为本发明实施例中具有三个爬壁机器人模块的爬壁机器人结构示意图；

图6为本发明实施例中具有三个爬壁机器人模块的爬壁机器人运动原理示意图；

图7为本发明实施例中具有九个爬壁机器人模块的爬壁机器人结构示意图。

图中：

1-模块主体，2-吸附电磁铁，31-第一驱动电磁铁，32-第二驱动电磁铁，33-第三驱动电磁铁，41-第一弹性连接体，42-第二弹性连接体，43-第三弹性连接体，51-第一吸附铁片，52-第二吸附铁片，53-第三吸附铁片，61-第一主动连接永磁体，62-第二主动连接永磁体，63-第三主动连接永磁体，71-第一被动连接永磁体，72-第二被动连接永磁体，73-第三被动连接永磁体，8-吸附介质，101-第一子模块，102-第二子模块，103-第三子模块，201-左侧模块组，202-右侧模块组，203-中间模块组。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细介绍本发明的电磁驱动爬壁机器人模块、爬壁机器人及其运动方法的内容。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明设计的电磁驱动爬壁机器人模块的一个实施例A

其结构爆炸视图如图1所示，主视图如图2所示，包括模块主体1、吸附电磁铁2、第一驱动电磁铁31、第一弹性连接体41、第一吸附铁片51、第一主动连接永磁体61和三个被动连接永磁体。其中，模块主体1为长方体。第一被动连接永磁体71安装于模块主体1的后侧，第二被动连接永磁体72安装于模块主体1的左侧，第三被动连接永磁体73安装于模块主体1的右侧。吸附电磁铁2安装于所述模块主体1的底部，提供模块与铁磁性介质表面的吸附力。

第一驱动电磁铁31安装于模块主体1的前部；一套第一驱动电磁铁31、第一弹性连接体41、第一吸附铁片51、第一主动连接永磁体61位于同一轴线上。其中，一套第一驱动电磁铁31、第一弹性连接体41、第一吸附铁片51、第一主动连接永磁体61是指一个第一驱动电磁铁31、一个第一弹性连接体41、一个第一吸附铁片51、一个第一主动连接永磁体61。第一弹性连接体41的一端与模块主体1连接，其可以在轴线方向弹性伸缩。当然，也可以不与模块主体1连接，例如，套设在第一驱动电磁铁31的外周上，并限制第一弹性连接体41的轴向移动距离，使其不会脱离爬壁机器人模块。所述弹性连接体可以有多种形式，例如包括套设在所述驱动电磁铁的外周的连接板，以及多个设置于连接板板面上的柔性材料。第一吸附铁片51位于第一驱动电磁铁31通电后的磁力范围内，其一侧固接在第一弹性连接体41的另一端，随第一弹性连接体41的伸缩而发生轴向位移；第一主动连接永磁体61粘附在第一吸附铁片51的另一侧。第一被动连接永磁体71、第二被动连接永磁体72以及第三被动连接永磁体73位于模块外侧的磁极极性相同，与第一主动连接永磁体61位于模块外侧的磁极极性相反。

以爬壁机器人模块的实施例A为例，其驱动的简单原理示意如图4所示，图4中具有阴影的第一驱动电磁铁31表示电磁铁通电，显示空白的第一驱动电磁铁31表示电磁铁断电。如图4中的上图所示，当第一驱动电磁铁31处于断电状态时，其末端与第一吸附铁片51之间有一定的间隙△S。当第一驱动电磁铁31通电时，对其磁力范围内的第一吸附铁片51产生吸引力，二者的吸引力大于第一弹性连接体41的弹力，第一吸附铁片51相对于第一驱动电磁铁31发生△S的相对位移吸附在一起，第一弹性连接体41被压缩，如图4中的下图所示。当第一驱动电磁铁31断电时，在第一弹性连接体41的弹力作用下，第一吸附铁片51恢复到原位置，第一弹性连接体41恢复原状。

本发明设计的电磁驱动爬壁机器人模块的另一实施例B

其结构爆炸视图如图3所示，包括模块主体1、吸附电磁铁2、三套驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体和第一被动连接永磁体71。其中，三套驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体是表示三个驱动电磁铁、三个弹性连接体、三个吸附铁片、三个主动连接永磁体。第一驱动电磁铁31、第一弹性连接体41、第一吸附铁片51、第一主动连接永磁体61位于同一轴线上，安装于模块主体1的前部；第二驱动电磁铁32、第二弹性连接体42、第二吸附铁片52、第二主动连接永磁体62位于同一轴线上，安装于模块主体1的左侧；第三驱动电磁铁33、第三弹性连接体43、第三吸附铁片53、第三主动连接永磁体63位于同一轴线上，安装于模块主体1的右侧；位于同一侧的驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的连接方式与实施例A中第一驱动电磁铁31、第一弹性连接体41、第一吸附铁片51、第一主动连接永磁体61的连接方式相同，在此省略其具体描述。吸附电磁铁2安装于所述模块主体1的底部，提供模块与铁磁性介质表面的吸附力。第一被动连接永磁体71安装于模块主体1的后侧。第一主动连接永磁体61、第二主动连接永磁体62以及第三主动连接永磁体63位于模块外侧的磁极极性相同，且均与实施例A中第一主动连接永磁体61的磁极分布相同，与第一被动连接永磁体71位于模块外侧的磁极极性相反。

对于实施例B，单个的爬壁机器人模块的驱动原理与实施例A相同，在此不再赘述。

以上是对于本发明的电磁驱动爬壁机器人模块的说明，本发明还提供一种由以上所述的电磁驱动爬壁机器人模块组成的爬壁机器人，下面具体说明。

采用3个实施例A中所述的爬壁机器人模块(第一模块)组合成的一种爬壁机器人(第一模块组)。如图5所示，为表述方便，把第一模块区分为第一子模块101、第二子模块102和第三子模块103，第二子模块102的第一主动连接永磁体与第一子模块101的第一被动连接永磁体吸附在一起，第三子模块103的第一主动连接永磁体与第二子模块102的第一被动连接永磁体吸附在一起，三个子模块依次串联连接组合成第一模块组。第一模块组运动原理示意图如图6所示，图6中8为吸附介质。阴影表示电磁铁通电，无阴影表示电磁铁断电。

初始时，三个子模块的吸附电磁铁均通电，使机器人吸附在铁磁性介质表面。机器人开始运动时，

第一步，第三子模块103的吸附电磁铁2断电、第一驱动电磁铁31通电，使其模块主体向前移动一个步长△S；

第二步，第二子模块102的吸附电磁铁2断电、第一驱动电磁铁31通电，同时第三子模块103的吸附电磁铁2通电、第一驱动电磁铁31断电，第二子模块102的模块主体向前移动一个步长△S；

第三步，第一子模块101的吸附电磁铁2断电，第二子模块102的吸附电磁铁2通电、第一驱动电磁铁31断电，在第一弹性连接体41的弹力作用下，使得第一子模块101的模块主体向前移动一个步长△S。

通过以上第一至第三步，第一模块组完成一个运动循环，第一模块组整体向前移动一个步长△S，之后循环此步骤即可实现第一模块组的前进运动。通过控制电磁铁通断电的间隔时间可以调节第一模块组运动的速度。第一模块组后退运动原理类似。当模块数量变化时，各模块串联连接组成第一模块组的运动原理与此类似，在此不再赘述。

采用6个实施例A中所述的爬壁机器人模块和3个实施例B中所述的爬壁机器人模块组合成的一种爬壁机器人如图7所示，左侧三个如实施例A所述的爬壁机器人模块(第一模块)串联连接组成左侧模块组201(第一模块组)，右侧三个如实施例A所述的爬壁机器人模块(第一模块)串联连接组成右侧模块组202(第一模块组)，中间三个如实施例B所述的爬壁机器人模块组成中间模块组203。

中间模块组203中模块的第二主动连接永磁体62与左侧模块组201中对应模块的第三被动连接永磁体73相互吸附在一起，中间模块组203中模块的第三主动连接永磁体63与右侧模块组202中对应模块的第二被动连接永磁体72相互吸附在一起。左侧模块组201、右侧模块组202和中间模块组203以相同的速度前进或后退，即可使机器人整体前进或后退运动。通过控制中间模块组203的第二驱动电磁铁32和第三驱动电磁铁33，可以使机器人整体左移或右移。

进一步地，改变左侧模块组201和右侧模块组202电磁铁循环通断电的周期，具体说，使左侧模块组201比右侧模块组202电磁铁循环通断电的周期短(即频次快)，使左侧模块组201的前进速度大于右侧模块组202的前进速度，则机器人可以在前进过程中向右偏移。使左侧模块组201的前进速度小于右侧模块组202的前进速度，具体说，使左侧模块组201比右侧模块组202电磁铁循环通断电的周期长(即频次慢)，则机器人可以在前进过程中向左偏移。使左侧模块组201前进，右侧模块组202以相同的速度后退，中间模块组203停止驱动，则机器人可以绕其中心原地向右转动；使左侧模块组201后退，右侧模块组202以相同的速度前进，中间模块组203停止驱动，则机器人可以绕其中心原地向左转动。

通过改变模块中驱动电磁铁和弹性连接体的数量，还可以构造其他样式的机器人模块；对不同的模块进行不同方式的重组，也可以组成不同结构的机器人。但其原理与上述运动原理类似。

本发明所提出的一种电磁驱动的模块化爬壁机器人模块及机器人，创新性地使用电磁铁作为机器人的驱动器，并将机器人模块化，在面对不同的工作内容时，可以通过对不同模块进行组合而重构出不同形状的爬壁机器人，大大提高了机器人的工作效率及环境适应能力，机器人结构简单、容易控制、质量轻、体积小，可以实现前进、后退、平移、偏转、原地转动等运动。在此基础上，机器人可以搭载传感器、执行机构等设备，并在铁磁性介质表面运动，从而完成在复杂环境下的工作任务，为爬壁机器人在复杂环境下的应用提供了很好的参考和实践模型。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁驱动爬壁机器人模块，其特征在于，至少包括模块主体、吸附电磁铁、驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体和被动连接永磁体；

所述吸附电磁铁安装于所述模块主体底部，提供所述机器人模块与铁磁性介质表面的吸附力；

所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体成套设置在模块主体的至少一个侧面上，每一套中：所述驱动电磁铁安装于所述模块主体上，且所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体沿远离模块主体的方向依次设置在同一轴线上，所述吸附铁片位于所述驱动电磁铁通电后的磁力范围内，其一侧固接在所述弹性连接体的远离模块主体的一端，随弹性连接体的伸缩而发生轴向位移，所述主动连接永磁体设置在所述吸附铁片的远离模块主体的一侧；

所述被动连接永磁体设置在所述模块主体上，且设置在没有安装所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的所述模块主体的侧面上；

所述被动连接永磁体和所述主动连接永磁体位于模块外侧的磁极极性相反。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动爬壁机器人模块，其特征在于，所述模块主体和所述弹性连接体由柔性材料制成。

3.根据权利要求2所述的电磁驱动爬壁机器人模块，其特征在于，所述模块主体为长方体，且在模块主体的一个侧面仅安装一套所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体。

4.根据权利要求1所述的电磁驱动爬壁机器人模块，其特征在于，所述驱动电磁铁为柱状体，所述弹性连接体包括套设在所述驱动电磁铁的外周的连接板，以及多个设置于连接板板面上的柔性材料。

5.根据权利要求1所述的电磁驱动爬壁机器人模块，其特征在于，驱动电磁铁对其磁力范围内的吸附铁片产生的吸引力大于弹性连接体的弹力。

6.一种电磁驱动爬壁机器人，其特征在于，至少包括两个权利要求3所述的机器人模块，各机器人模块之间通过主动连接永磁体和被动连接永磁体互相吸附而组合在一起，所述爬壁机器人通过对各个机器人模块的驱动电磁铁和吸附电磁铁依次通断电而控制机器人运动。

7.根据权利要求6所述的电磁驱动爬壁机器人，其特征在于，仅包含一套所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的爬壁机器人模块作为第一模块，使得第一模块的主动连接永磁体与邻近的第一模块的被动连接永磁体粘贴，采用N个第一模块依次串联连接形成第一模块组。

8.根据权利要求7所述的电磁驱动爬壁机器人，其特征在于，在模块主体的至少三个侧面上分别安装有一套所述驱动电磁铁、弹性连接体、吸附铁片、主动连接永磁体的爬壁机器人模块作为第二模块，

使得第二模块的主动连接永磁体与邻近的第二模块的被动连接永磁体粘贴，采用N个第二模块依次串联连接形成中间模块组，

并在中间模块组的两侧分别设置第一模块组，使得第一模块的被动连接永磁体与第二模块的主动连接永磁体粘贴，从而形成爬壁机器人。

9.一种电磁驱动爬壁机器人的运动方法，其特征在于，使用权利要求7中的第一模块组，完成以下动作：

第N个第一模块的吸附电磁铁断电、驱动电磁铁通电，使所述第N个第一模块的模块主体向前移动一个步长△S；

第N-1个第一模块的吸附电磁铁断电、驱动电磁铁通电，同时第N个第一模块的吸附电磁铁通电、驱动电磁铁断电，使得第N-1个第一模块的模块主体向前移动一个步长△S；

在第2个第一模块的模块主体向前移动一个步长△S后，第1个第一模块的吸附电磁铁断电，第2个第一模块的吸附电磁铁通电、驱动电磁铁断电，使得第1个第一模块的主体向前移动一个步长△S，至此使得第一模块组整体向前移动一个步长△S。

10.根据权利要求9所述的电磁驱动爬壁机器人的运动方法，其特征在于，使用权利要求8中的爬壁机器人，完成以下动作：

通过控制驱动电磁铁、吸附电磁铁的通断电，中间模块组和其两侧的第一模块组以相同的速度前进或后退，使得爬壁机器人整体前进或后退运动；

控制中间模块组与两侧的第一模块组连接的驱动电磁铁的通断电，使得爬壁机器人整体左移或右移；

通过使得中间模块组两侧的第一模块组的电磁铁循环通断电的周期不同，使爬壁机器人在前进过程中向左或向右偏移；

通过使中间模块组一侧的第一模块组前进，另一侧的第一模块组后退，中间模块组停止驱动，使得爬壁机器人绕其中心原地转动。