CN111806589B - 一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，包括：吸附层，吸附层上分布若干铁磁性微粒组，每个铁磁性微粒组包括多个铁磁性微粒；通电导线，铺设于吸附层上，通电导线设置有至少一个环状结构，且通电导线的两端分别设有电流输入极和电流输出极；其中，电流输入极与电流输出极接通电源时，环状结构产生环形电流。本发明提出的爬壁机器人足垫，采用多个微型环形电路阵列和铁磁性微粒产生电磁吸附力，利用电路通断和电流大小控制吸附力，容易实现足垫的吸附与剥离，电路采用印刷电路工艺制成，配线密度高、重量轻、厚度薄，每个微型环形电路的尺寸小于毫米级，整个足垫体积小、质量轻；各层厚度可以做到微米级，足垫轻薄，实用性强。

Description

一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫

技术领域

本发明属于磁吸附爬壁机器人吸附系统技术领域，特别涉及一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫。

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，尤其是爬壁机器人，由于其可以克服重力限制在壁面爬行，在高空、狭小空间等特殊环境下具有不可替代的优势。而随着工作任务和空间越来越复杂，爬壁机器人也朝着小型化、轻质化的方向发展，因此对于爬壁机器人吸附装置的要求也越来越高。一方面，吸附装置需要提供足够的吸附力；另一方面，其质量、体积也需要有一定的限制，以免使得机器人结构过于复杂；同时，有的爬壁机器人还需要其吸附力可以变化。现有爬壁机器人多通过磁铁、真空吸盘等提供与壁面的吸附力，但这些吸附装置往往机构复杂、体积大、质量重，限制了爬壁机器人小型化发展。

公开号为CN105730541A的中国专利提出了一种气动多囊式柔性爬壁机器人，其吸附部件采用永磁体，将永磁体用气囊包裹，通过对气囊的充放气来改变永磁体与支撑物之间的间隙距离，进而改变吸附力的大小。但其需要布置多根导气管，且利用气泵控制气流，吸附装置结构复杂，限制了机器人的灵活性。

此外，公开号为CN101786273A的中国专利提出了一种仿生湿吸爬壁机器人足垫，参考湿吸类昆虫的足部纤维，实现了足垫的吸附与剥离。但其对于微结构的角度、花纹有较高的要求，加工较为复杂，且需要在足垫与壁面之间添加耦合液，在粗糙壁面的应用会受到一定限制。

可见，设计一种质量小、原理简单、容易控制的吸附装置对于爬壁机器人的小型化、实用化具有重要的意义。加拿大麦吉尔大学的Qiyang Wu等人于2017年提出了一种静电原理的吸附足垫，该足垫厚度不足0.5mm，通过对装置施加高压交流电来产生静电吸附力，大大增加了机器人足部与爬行表面的摩擦力。但是这种足垫所需要的电压过高，在实际应用时有一定的限制；且该足垫只是增加了机器人与爬行表面的摩擦力，机器人只能在小于30°倾斜的表面上爬行，对于爬壁机器人而言吸附力较小。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，包括：吸附层，吸附层上分布若干铁磁性微粒组，每个铁磁性微粒组包括多个铁磁性微粒；通电导线，铺设于吸附层上，通电导线设置有至少一个环状结构，且通电导线的两端分别设有电流输入极和电流输出极；其中，电流输入极与电流输出极接通电源时，环状结构产生环形电流。

进一步地，爬壁机器人足垫，还包括：封装层，覆盖于通电导线上，将通电导线包裹在吸附层与封装层之间。

进一步地，封装层、吸附层的材质属于绝缘材料的聚酰亚胺材料，通电导线的材质为电解铜，通电导线通过柔性印刷电路技术设置到吸附层和封装层之间。

进一步地，通电导线位于电流输入极和电流输出极之间的部分呈脉冲形的折线状，且在每个折线上形成多个环状结构。

进一步地，环状结构呈圆环状，且圆环上设有开口；或环状结构呈同心环状；或环状结构呈螺旋线状。

进一步地，每个环状结构形成的环形电流的电流流动的旋转方向相反。

进一步地，吸附层、通电导线、封装层的整体厚度小于0.5mm；环状结构的最大直径小于2mm。

进一步地，铁磁性微粒组均匀分布在吸附层上；或铁磁性微粒组随机分布在吸附层上。

进一步地，铁磁性微粒为铁粉微粒。

进一步地，爬壁机器人足垫还包括：绝缘皮，包覆于通电导线外。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的技术方案采用多个微型环形电路阵列和铁磁性微粒产生电磁吸附力，利用电路通断和电流大小控制吸附力，便于控制，容易实现足垫的吸附与剥离；没有导气管、气泵等冗余结构，结构简单；电路采用印刷电路工艺制成，配线密度高、重量轻、厚度薄，每个微型环形电路的尺寸小于毫米级，整个足垫体积小、质量轻；各层厚度可以做到微米级，足垫轻薄，实用性强。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施例的爬壁机器人足垫的结构示意图；

图2示出了本发明的一个实施例的通电导线的结构示意图；

图3示出了本发明的另一个实施例的通电导线的结构示意图；

图4示出了本发明的另一个实施例的通电导线的横截面的结构示意图。

图中符号说明如下：

1封装层、2通电导线、20折线、21环状结构、211开口、22电流输入极、23电流输出极、3吸附层、4铁磁性微粒组、5绝缘皮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式及其有益效果作进一步地详细描述。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例提供了一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，用于爬壁机器人，爬壁机器人足垫设置于爬壁机器人的足底，作为爬壁机器人吸附装置。

爬壁机器人足垫包括：吸附层3和通电导线2，其中，吸附层3上分布若干铁磁性微粒组4，每个铁磁性微粒组4包括多个铁磁性微粒，通电导线2铺设于吸附层3上，在通电导线2上设有至少一个环状结构21，且通电导线2的两端分别设有电流输入极22和电流输出极23，当电流输入极22与电流输出极23接通电源时，使通电导线2中的每个环状结构21产生环形电流，环形电流使得环状结构21产生电磁场，电磁场将设置在吸附层3上的铁磁性微粒磁化，每个铁磁性微粒组4中的多个铁磁性微粒被磁化后的磁性相叠加，使每个铁磁性微粒组4与环状结构21形成一个小型的电磁铁，而分布在吸附层3的若干个铁磁性微粒组4的磁性再次叠加，使吸附层3产生较强的磁吸附力，使得爬壁机器人足垫可以吸附在铁磁性介质表面，可理解地，若将爬壁机器人足垫设置在爬壁机器人的足底，则可以为爬壁机器人在介质表面行走提供吸附力。如图1所示，进一步地，爬壁机器人足垫还包括：封装层1，封装层1覆盖于通电导线2上，将通电导线2包裹在吸附层3与封装层1之间，封装层1由绝缘基材制成，从而将通电导线2与外界绝缘，避免通电导线2与外部导电介质接触使通电导线2短路，同时起到保护通电导线2的作用，避免外部物体损坏通电导线2。

进一步地，吸附层3和封装层1的材质为柔性材料，通电导线2的材质为具有高延展性的导电材料，使得爬壁机器人足垫可以产生形变，以利于爬壁机器人足垫与粗糙面介质表面或者凹凸不平的介质表面接触时，通过爬壁机器人足垫产生形变，使爬壁机器人足垫与介质表面更好的贴合，增大接触表面积，提高吸附效果。

进一步地，封装层1、吸附层3的材质为聚酰亚胺材料，通电导线2的材质为电解铜，通电导线2通过柔性印刷电路技术设置到吸附层3和封装层1之间，以利于将爬壁机器人足垫小型化，具体地，吸附层3、通电导线2、封装层1的整体厚度小于0.5mm，比如可以为0.17mm、0.19mm、0.20mm、0.21mm、0.23mm、0.24m；环状结构21的最大直径小于2mm，比如可以为1.1mm、1.2mm、1.4mm、1.5mm、1.7mm、1.9mm，通过利用柔性印刷电路产生磁场来进行吸附，使得吸附足垫重量足够轻、厚度足够薄、结构简单、易于控制，且能提供足够的吸附力。

具体地，如图1所示，通电导线2位于电流输入极22和电流输出极23之间的部分呈脉冲形的折线状，且在每个折线20上形成多个环状结构21，使得通电导线2上的多个环状结构21可以分散且均匀的分布在吸附层3的表面上，可选地，每条折线20上的环状结构21位于折线20的同一侧，或者每条折线20上的环状结构位于折线20的两侧。

其中，在断开通电导线2与电源的连接时，环状结构21产生的电磁场消失，由于铁磁性微粒组4是由多个铁磁性微粒构成，因此铁磁性微粒组4具有软磁性性质，在断电的同时铁磁性微粒组4立刻失去磁性，从而使爬壁机器人足垫的吸附力消失，此时可以移动相应的吸附装置(如爬壁机器人的爬壁足等结构)。

可想象地，爬壁机器人足垫不仅局限于用于爬壁机器人，还可以用于任何其他机器设备或物品上，例如，爬壁机器人足垫可以用于工人的鞋底，工人在桥梁、塔吊、风能发电机等具有钢铁等材料的建筑或设备上行走作业时，爬壁机器人足垫可以在工人的足底产生吸附力，增加工人作业的安全系数；爬壁机器人足垫还可以用于金属件抓取设备上，在通电状态下，爬壁机器人足垫产生磁吸附力时将金属件抓取，在断电状态下，爬壁机器人足垫产生的磁吸附力消失，从而金属件放下。

进一步地，如图2所示，环状结构21呈开口极小的圆环状，从而在通电导线2接通电源时，圆环状的环状结构21可以产生环形电流，且圆环上设有开口211，开口211保证圆环上产生环形电流，不同折线20上的环状结构21产生的环形电流的旋转方向不同，使得不同折线20上的环状结构21产生的电磁场的磁极相反，相反的磁极会在接触到吸附介质后形成磁回路，从而增强爬壁机器人足垫的吸附力，每个环状结构21形成的环形电流的电流流动方向为图2中的箭头所指的方向。

可选地，如图3所示，在另一个实施例中，环状结构21呈同心环状，或环状结构21呈螺旋线状，每个环状结构21形成的环形电流的电流流动方向相同，使每个环状结构21产生的电磁场的N极相同，进而使每个铁磁性微粒组4形成的小型电磁铁的N极相同，每个环状结构21形成的环形电流的电流流动方向为图3中的箭头所指的方向。

如图4所示，进一步地，爬壁机器人足垫还包括：绝缘皮5，绝缘皮5包覆于通电导线2外，从而将通电导线2与外界隔离，通电导线2外包裹一层绝缘皮时，封装层1也可以采用非绝缘材料。

其中，通电导线2中环状结构21的具体数量根据爬壁机器人足垫的大小以及环状结构21的具体尺寸确定，若爬壁机器人足垫用于大型爬壁机器人时，为增加爬壁机器人足垫的磁吸附力，则增大爬壁机器人足垫，增加环状结构21的数量。

可选地，铁磁性微粒为铁粉微粒，比如纯铁粉。

如图1所示，进一步地，铁磁性微粒组4均匀分布在吸附层3上，使得爬壁机器人足垫产生的磁性吸附力分布更加均匀。

或者，铁磁性微粒组4随机分布在吸附层3上。

进一步地，铁磁性微粒采用其他不同磁性的金属时，根据其不同的铁磁性质，磁吸附力可能会延时消失。

电流输入极22与电流输出极23可以接入直流电也可以接入交流电。

本发明的有益效果如下：本发明的技术方案采用多个微型环形电路阵列和铁磁性微粒产生电磁吸附力，利用电路通断和电流大小控制吸附力，便于控制，容易实现足垫的吸附与剥离；没有导气管、气泵等冗余结构，结构简单；电路采用印刷电路工艺制成，配线密度高、重量轻、厚度薄，每个微型环形电路的尺寸小于毫米级，整个足垫体积小、质量轻；各层厚度可以做到微米级，足垫轻薄，实用性强。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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单元必须具有特定的方向、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。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，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 (6)

1.一种基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，其特征在于，包括：

吸附层，所述吸附层上分布若干铁磁性微粒组，每个所述铁磁性微粒组包括多个铁磁性微粒；

通电导线，铺设于所述吸附层上，所述通电导线设置有至少一个环状结构，且所述通电导线的两端分别设有电流输入极和电流输出极；

其中，所述电流输入极与电流输出极接通电源时，所述环状结构产生环形电流；

封装层，覆盖于所述通电导线上，将所述通电导线包裹在所述吸附层与所述封装层之间；

所述通电导线通过柔性印刷电路技术设置到所述吸附层和所述封装层之间；

所述通电导线位于所述电流输入极和所述电流输出极之间的部分呈脉冲形的折线状，且在每个折线上形成多个所述环状结构；

相邻折线上的所述环状结构形成的环形电流的电流流动的旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，其特征在于，

所述封装层、所述吸附层的材质属于绝缘材料的聚酰亚胺材料，所述通电导线的材质为电解铜。

3.根据权利要求1所述的基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，其特征在于，

所述环状结构呈圆环状，且圆环上设有开口；

或所述环状结构呈同心环状；

或所述环状结构呈螺旋线状。

4.根据权利要求1所述的基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，其特征在于，

所述吸附层、所述通电导线、所述封装层的整体厚度小于0.5mm；

所述环状结构的最大直径小于2mm。

5.根据权利要求1所述的基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，其特征在于，

每个所述折线上的多个所述环状结构位于所述折线的同一侧。

6.根据权利要求1所述的基于电磁吸附的爬壁机器人足垫，其特征在于，

所述铁磁性微粒为铁粉微粒，所述铁粉微粒在所述吸附层上均匀分布或者随机分布。