CN113276975B - 一种磁力可控的永磁履带轮及具有其的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁性构件的技术领域，更具体地，涉及一种磁力可控的永磁履带轮及具有其的机器人，包括第二磁铁单元，第一履带嵌设有第一磁铁单元，第二磁铁单元临近第一磁铁单元设置；当第一磁铁单元、第二磁铁单元磁极相反时，第一磁铁单元与第二磁铁单元之间形成磁回路；当第一磁铁单元、第二磁铁单元磁极不相反时，第一磁铁单元、第二磁铁单元及被吸附壁面之间形成磁回路。本发明利用第一磁铁单元、第二磁铁单元的相互限制和对磁路的引导，使得永磁履带轮的磁力可控可调，控制方便、安全高效；另外，本发明履带式爬行机器人可根据运动情况来协调吸附磁力大小，使得运动更灵活；本发明的履腿复合双足攀爬机器人，兼具优异的爬行效率和越障能力。

Description

一种磁力可控的永磁履带轮及具有其的机器人

技术领域

本发明涉及磁性构件的技术领域，更具体地，涉及一种磁力可控的永磁履带轮及具有其的机器人。

背景技术

高空或密闭环境等特种作业，如铁塔/储罐检修、船舱检查和船体焊接等，目前主要依赖人工完成，因而一直是业界面临的一大挑战。这些场景工作条件恶劣，对工人而言存在危险性高、效率低和劳动强度大等问题。攀爬机器人是替代或辅助人工实施上述作业的理想载体。因此，永磁履带攀爬机器人在大型钢结构件相关作业场景中具有良好的应用前景。

中国专利CN110254541A公开了一种永磁履带及攀爬机器人，永磁履带包括轮组和缠绕在所述轮组上的履带链条，所述轮组包括依次设置的第一转轮、中间转轮和第二转轮；所述履带链条包括履带板和设置在所述履带板内的永磁体，所述永磁体被配置为能够吸附在作业面上；其中，所述永磁体能够在所述第一转轮处在所述履带板内沿靠近所述作业面的方向移动至所述履带板的底部；所述永磁体能够在所述中间转轮处保持在所述履带板的底部；所述永磁体能够在所述第二转轮处在所述履带板内沿远离所述作业面的方向移动。上述方案虽能实现永磁体与作业面之间的吸附，但磁吸附力不可主动控制或调整。因此，当永磁履带或其攀爬机器人与作业面脱吸附时，只能控制机器人沿非导磁介质逐步爬离；由于不能实现快速低功率的原位脱吸附，上述永磁履带不能充当腿足式攀爬机器人的足部；此外，上述永磁履带或其攀爬机器人也不能实现运动与吸附磁力之间矛盾的协调。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种磁力可控的永磁履带轮及具有其的机器人，利用磁路的相互限制和对磁路的引导，使永磁履带轮的磁力可控可调，从而为协调永磁履带轮运动与吸附之间的矛盾提供途径；鉴于永磁履带轮与被吸附壁面的吸附力可调整至消除，即脱吸附状态，因此永磁履带轮可作为腿足式攀爬机器人的足部。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种磁力可控的永磁履带轮，包括基座、第一带轮、第二带轮及第一履带，所述第一履带套设于第一带轮和第二带轮，所述第一带轮或第二带轮连接有驱动组件，所述驱动组件、第一带轮及第二带轮均安装于基座；还包括第二磁铁单元，所述第一履带嵌设有第一磁铁单元，所述第二磁铁单元临近第一磁铁单元设置且第二磁铁单元与第一磁铁单元相对转动时可改变第一磁铁单元、第二磁铁单元及被吸附壁面之间的磁回路；当所述第一磁铁单元、第二磁铁单元磁极相反时，第一磁铁单元与第二磁铁单元之间形成磁回路；当第一磁铁单元、第二磁铁单元磁极不相反时，第一磁铁单元、第二磁铁单元及被吸附壁面之间形成磁回路。

本发明的磁力可控的永磁履带轮，驱动组件驱动第一带轮或第二带轮转动，在第一带轮、第二带轮的作用下，第一履带绕第一带轮和第二带轮转动；磁力调节组件可调节第二磁铁单元的磁极方向，当第一磁铁单元、第二磁铁单元磁极相反时，第一磁铁单元与第二磁铁单元之间形成磁回路；当第一磁铁单元、第二磁铁单元磁极不相反时，第一磁铁单元、第二磁铁单元及被吸附壁面之间形成磁回路；且永磁履带轮与被吸附壁面之间的作用力的大小随着磁力调节组件的工作而有所改变。本发明利用第一磁铁单元、第二磁铁单元的相互限制和对磁路的引导，使得永磁履带轮的磁力可控可调，控制方便、安全高效；另外，永磁履带轮与被吸附壁面的吸附力可调整至消除，即脱吸附状态。

进一步地，所述第一履带包括若干履带板，所述履带板的首尾端均设有销孔，若干履带板通过销孔和穿接于销孔内的履带销首尾相接连成第一履带，所述第一磁铁单元嵌设于履带板。

进一步地，所述第一带轮、第二带轮均包括连接轴以及连接于连接轴两端的第一转轮和第二转轮，所述第一履带的两侧均设有若干与第一转轮、第二转轮啮合的凹位。

进一步地，所述基座包括中心板件、带轮支架以及固定架，所述带轮支架及固定架均固定于中心板件；所述连接轴穿接于带轮支架且第一转轮、第二转轮分别位于连接轴的两侧，所述驱动组件安装于固定架。

进一步地，所述第一磁铁单元包括第一磁铁和第一导磁钢块，所述第一导磁钢块为两组，两组第一导磁钢块设于第一磁铁的两端，所述第一磁铁的充磁方向垂直于第一导磁钢块与第一磁铁的接触面。

进一步地，所述履带板设有方形槽及位于方形槽一侧的通孔，所述第一磁铁单元嵌设于方形槽且所述第一导磁钢块的一端穿过所述通孔至第一导磁钢块的表面与履带板的外表面平齐。

进一步地，所述第二磁铁单元固装于所述基座，且所述第二磁铁单元位于第一履带内侧、靠近第一履带近被吸附壁面的内侧面。

进一步地，所述第二磁铁单元包括第二磁铁及第二导磁钢块，所述第二磁铁为径向充磁的圆柱状磁铁，所述第二导磁钢块为两组且两组第二导磁钢块之间形成有与第二磁铁配合的圆形通孔且所述第二导磁钢块安装于基座。

进一步地，所述第二磁铁单元连接有可调节第二磁铁单元磁极方向的磁力调节组件，所述磁力调节组件包括安装于基座的固定座和磁力驱动电机，所述第二磁铁的两端部与固定座转动连接且所述第二磁铁的中部连接有第一齿轮，所述固定座设有容第一齿轮部分穿出的开口，所述磁力驱动电机的输出端连接有与第一齿轮啮合的第二齿轮。

进一步地，还包括两组磁力消除组件，两组所述磁力消除组件分别安装于基座的两端，且两组所述磁力消除组件位于第二磁铁单元的两侧。

进一步地，所述磁力消除组件为第三磁铁单元，所述第三磁铁单元包括第三磁铁以及设于第三磁铁两侧的第三导磁钢块，所述第三磁铁的充磁方向垂直于第三磁铁与第三导磁钢块的接触面，且与第一磁铁的充磁方向相反。

进一步地，还包括与第一履带结构相似、尺寸不同的第二履带，所述第二履带位于第一履带的内侧；第二磁铁单元包括第四磁铁单元及第五磁铁单元，所述第二履带也包括若干首尾相接的履带板，部分履带板嵌设有第四磁铁单元，其余部分履带板嵌设有第五磁铁单元，第四磁铁单元与第五磁铁单元充磁方向相反，第四磁铁单元、第五磁铁单元充磁方向与第一磁铁单元充磁方向相同或相反。

进一步地，还包括安装于基座的张紧组件，所述张紧组件包括底板、转动安装于底板的滚针导轨、活动连接于底板与基座之间的调节件，所述滚针导轨部分突出于底板的表面，所述第一履带内侧面可与滚针导轨接触设置。

进一步地，还包括用于限制第一磁铁单元与第二磁铁单元之间距离的限位组件。

本发明还提供了一种履带式爬行机器人，包括两组如前所述的磁力可控的永磁履带轮，两组永磁履带轮呈中心对称分布。

本发明的履带式爬行机器人，两组永磁履带轮分别采用一个驱动组件进行驱动，当两组永磁履带轮间速度不同时，即可使得履带式爬行机器人实现差速转向。由于永磁履带轮的磁力可控可调，本发明的履带式爬行机器人可根据运动情况来协调吸附磁力大小，使得运动更灵活。

本发明还提供了一种履腿复合双足攀爬机器人，包括如前所述的履带式爬行机器人以及躯干，所述躯干包括转动连接的第一连杆和第二连杆且第一连杆的一端、第二连杆的一端的连接处设有第一躯干电机，所述第一连杆的另一端、第二连杆的另一端分别与两组履带式爬行机器人连接，且第一连杆的另一端与一组履带式爬行机器人的连接处设有第二躯干电机，所述第二连杆的另一端与另一组履带式爬行机器人的连接处设有第三躯干电机。

进一步地，所述第二躯干电机与一组履带式爬行机器人之间连接有第一回转电机，所述第三躯干电机与另一组履带式爬行机器人之间连接有第二回转电机，第二躯干电机与第一回转电机的旋转轴线、第三躯干电机与第二回转电机的旋转轴线垂直。

本发明的履腿复合双足攀爬机器人，通过控制永磁履带轮对外磁力的有无，结合躯干的运动完成攀爬，多自由度躯干赋予机器人较好的运动自由度，使机器人具有更加灵活的运动形式与更高的越障、壁面过渡能力；且本发明的履腿复合双足攀爬机器人的工作模式可在履带模式和双足模式之间自由切换，具有广泛的应用范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的磁力可控的永磁履带轮，利用第一磁铁单元、第二磁铁单元的相互限制和对磁路的引导，使得永磁履带轮的磁力可控可调，控制方便、安全高效；另外，还可消除对被吸附壁面的吸附力，实现履带轮便捷脱吸附，可作为足部应用于腿足式攀爬机器人中；

本发明的磁力可控的永磁履带轮，利用第一磁铁单元、第三磁铁单元对磁路的引导可实现局部消磁，从而减小永磁履带轮的驱动阻力；使得本发明的永磁履带轮用于履带式爬行机器人或双足机器人时均可节省能耗；

本发明的履带式爬行机器人，两组永磁履带轮分别采用一个驱动组件进行驱动，当两组永磁履带轮间速度不同时，即可使得履带式爬行机器人实现差速转向；由于永磁履带轮的磁力可控可调，本发明的履带式爬行机器人可根据运动情况来协调吸附磁力大小，使得运动更灵活；

本发明的履腿复合双足攀爬机器人，采用多自由度躯干和永磁履带轮足部；通过控制永磁履带轮对外磁力切换履腿复合双足攀爬机器人的工作模式为履带模式或双足模式，可实现以履带模式在被攀爬钢结构表面高效行驶，或结合多自由度躯干以双足模式完成攀爬时的越障、壁面过渡等动作，解决了攀爬机器人领域难以兼顾爬行效率和越障能力的难题。

附图说明

图1为实施例一中磁力可控的永磁履带轮的结构示意图；

图2为实施例一中第一履带的结构示意图；

图3为实施例一中第一带轮、第二带轮的结构示意图；

图4为实施例一中基座的结构示意图；

图5为实施例一中第一磁铁单元的结构示意图；

图6为实施例一中第二磁铁单元和磁力调节组件的结构示意图；

图7为实施例一中松脱状态时永磁履带轮的工作原理图；

图8为实施例一中吸附状态时永磁履带轮的工作原理图；

图9为实施例一中磁力调节的原理示意图；

图10为实施例一中第三磁铁单元的结构示意图；

图11为实施例一中第三磁铁单元近靠第一磁铁单元时永磁履带轮的工作原理图；

图12为实施例一中张紧组件的结构示意图；

图13为实施例一中永磁履带轮行驶的原理示意图；

图14为实施例二中永磁履带轮的第一履带和第二履带的示意图；

图15为实施例二中吸附状态时永磁履带轮的工作原理图；

图16为实施例二中松脱状态时永磁履带轮的工作原理图；

图17为实施例三中履带式爬行机器人的结构示意图；

图18为实施例四中履腿复合双足攀爬机器人的结构示意图；

图19为实施例五中履腿复合双足攀爬机器人的结构示意图；

附图中：100、基座；101、中心板件；102、带轮支架；103、固定架；104、连接孔；200、第一带轮；210、连接轴；220、第一转轮；230、第二转轮；300、第二带轮；400、第一履带；410、履带板；411、方形槽；412、通孔；413、开口；420、销孔；430、履带销；440、凹位；450、第一磁铁单元；451、第一磁铁；452、第一导磁钢块；500、驱动组件；600、第二磁铁单元；610、第二磁铁；620、第二导磁钢块；630、第一齿轮；700、磁力调节组件；710、固定座；720、磁力驱动电机；730、第二齿轮；800、张紧组件；810、底板；820、滚针导轨；830、调节件；900、限位组件；910、皮带；920、带轮；110、磁力消除组件；111、第三磁铁；112、第三导磁钢块；120、第二履带；121、第四磁铁单元；122、第五磁铁单元；130、躯干；131、第一连杆；132、第二连杆；133、第一躯干电机；134、第二躯干电机；135、第三躯干电机；136、末端连接架；137、第一回转电机；138、第二回转电机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

实施例一

如图1所示为本发明的磁力可控的永磁履带轮的实施例，包括基座100、第一带轮200、第二带轮300及第一履带400，所述第一履带400套设于第一带轮200和第二带轮300，所述第一带轮200或第二带轮300连接有驱动组件500，所述驱动组件500、第一带轮200及第二带轮300均安装于基座100；还包括第二磁铁单元600以及可调节第二磁铁单元600磁极方向的磁力调节组件700，所述第一履带400嵌设有第一磁铁单元450，所述第二磁铁单元600临近第一磁铁单元450设置；当所述第一磁铁单元450、第二磁铁单元600磁极相反时，第一磁铁单元450与第二磁铁单元600之间形成磁回路；当第一磁铁单元450、第二磁铁单元600磁极不相反时，第一磁铁单元450、第二磁铁单元600及被吸附壁面之间形成磁回路。

本实施例在实施时，驱动组件500驱动第一带轮200或第二带轮300转动，在第一带轮200、第二带轮300的作用下，第一履带绕第一带轮200和第二带轮300转动；磁力调节组件700可调节第二磁铁单元600的磁极方向，当述第一磁铁单元450、第二磁铁单元600磁极相反时，第一磁铁单元450与第二磁铁单元600之间形成磁回路；当第一磁铁单元450、第二磁铁单元600磁极不相反时，第一磁铁单元450、第二磁铁单元600及被吸附壁面之间形成磁回路；且永磁履带轮与被吸附壁面之间的作用力的大小随着磁力调节组件700的工作而有所改变。本发明利用第一磁铁单元450、第二磁铁单元600的相互限制和对磁路的引导，使得永磁履带轮的磁力可控可调，具有广泛的应用范围。

如图2所示，所述第一履带400包括若干履带板410，所述履带板410的首尾端均设有销孔420，若干履带板410通过销孔420和穿接于销孔420内的履带销430首尾相接连成第一履带400，所述第一磁铁单元450嵌设于履带板410，第一磁铁单元450的上下两端面与第一履带400的两侧面平齐以保证运动的顺畅性。其中，所述第一带轮200、第二带轮300均采用分体式设计，如图3所示，均包括连接轴210以及固定连接于连接轴210两端的第一转轮220和第二转轮230，所述第一履带400的两侧均设有若干与第一转轮220、第二转轮230啮合的凹位440，当第一带轮200作为主动轮、驱动组件500为驱动电机时，第一带轮200的第一转轮220或第二转轮230连接于驱动电机的转子端，驱动电机的定子端与基座100固定连接。

本发明的基座100包括中心板件101、带轮支架102以及固定架103，所述带轮支架102及固定架103均固定于中心板件101；所述连接轴210穿接于带轮支架102且第一转轮220、第二转轮230分别位于连接轴210的两侧，所述驱动组件500安装于固定架103，如图4所示。具体地，带轮支架102固定于中心板件101的外侧，固定架103固定于中心板件101上且固定架103位于中心板件101与带轮支架102的转角空间内。具体地，带轮支架102的两端设置有连接孔104，该连接孔104容连接轴210穿过、且连接轴210可在该连接孔104内转动。

为了使得张紧履带使得履带不松垮变形，本实施例还包括安装于基座100的张紧组件800，所述张紧组件800包括底板810、转动安装于底板810的滚针导轨820、活动连接于底板810与基座100之间的调节件830，所述滚针导轨820部分突出于底板810的表面，所述第一履带400内侧面可与滚针导轨820接触设置，如图12所示。本实施例中，调节件830为张紧螺钉，调节张紧螺钉旋进底板810的长度，从而调整底板810相对基座100的高度，从而控制滚针导轨820上移，涨紧履带，使得履带绷紧、不松垮变形。为了使得本发明的结构紧凑，本发明在中心板件101上设置有方槽，底板810至少部分位于方槽内，涨紧螺钉分布在履带两侧避免对履带的行进产生影响。

如图5所示，所述第一磁铁单元450包括第一磁铁451和第一导磁钢块452，所述第一导磁钢块452为两组，两组第一导磁钢块452设于第一磁铁451的两端，所述第一磁铁451的充磁方向垂直于第一导磁钢块452与第一磁铁451的接触面。其中，所述履带板410设有方形槽411及位于方形槽411一侧的通孔412，所述第一磁铁单元450嵌设于方形槽411且所述第一导磁钢块452的一端穿过所述通孔412至第一导磁钢块452的表面与履带板410的外表面平齐。具体地，两组第一导磁钢块452的一端与第一磁铁451的表面平齐，两组第一导磁钢块452的另一端突出于第一磁铁451的表面，第一导磁钢块452的突出部分嵌入通孔412至与履带板410的外侧面平齐，第一导磁钢块452的两侧面及第一磁铁451的表面与履带板410的内侧面平齐。为便于第一磁铁单元450的取放，本实施例在方形槽411两侧连通设有开口413。

如图1所示，本实施例的所述第二磁铁单元600固装于所述基座100，具体地，是通过固定座710安装于基座100，且所述第二磁铁单元600位于第一履带400内侧、靠近第一履带400近被吸附壁面的内侧面。本实施例中，所述第二磁铁单元600包括第二磁铁610及第二导磁钢块620，所述第二磁铁610为径向充磁的圆柱状磁铁，所述第二导磁钢块620为两组且两组第二导磁钢块620之间形成有与第二磁铁610配合的圆形通孔412且所述第二导磁钢块620安装于基座100，如图6所示。其中，第二导磁钢块620对称固定于固定座710内部的两侧面，第二导磁钢块620内侧为内凹圆形，内凹圆形相对构成圆形通孔412；第二磁铁610为中通圆柱状设计，充磁方向为径向，通过支撑轴架设于固定座710且与固定座710转动连接。

所述第二磁铁单元600连接有可调节第二磁铁单元600磁极方向的磁力调节组件700，所述磁力调节组件700包括安装于基座100的固定座710和磁力驱动电机720，所述第二磁铁610的两端部与固定座710转动连接且所述第二磁铁610的中部连接有第一齿轮630，所述固定座710设有容第一齿轮630部分穿出的开口，所述磁力驱动电机720的输出端连接有与第一齿轮630啮合的第二齿轮730，如图6所示。实施时，磁力驱动电机720驱动第二齿轮730转动，第二齿轮730与第一齿轮630啮合带动第一齿轮630转动，从而第二磁铁610随之转动，第二磁铁单元600的磁极和磁力大小发生改变。

第二磁铁单元600的工作原理如图7至图9所示，在初始情况下，第二磁铁单元600与第一磁铁单元450间的关系如图7所示，此时，第二磁铁610的磁极方向与第一磁铁451的第一磁铁451相反，第一磁铁451、第二磁铁610间通过第一导磁钢块452、第二导磁钢块620形成完整的磁回路，磁回路不通过被吸附壁面，故对被吸附壁面不产生磁吸力，履带轮920处于松脱状态；通过控制磁力驱动电机720旋转，通过第一齿轮630、第二齿轮730之间的啮合传动，驱动第二磁铁610绕轴转动180°，如图8所示，此时，第一磁铁451与第二磁铁610的磁极方向相同，第一磁铁451和第二磁铁610间无法形成完整的磁回路，而是通过第一导磁钢块452和第二导磁钢块620，与被吸附壁面形成完整的磁回路，被吸附壁面受到较大的吸力。在第二磁铁610转动的过程中，磁力逐渐非线性增加，如图9所示，利用这个原理，可以调节对被吸附壁面的磁吸力大小。当本实施例的永磁履带轮用于双足机器人时，利用第一磁铁单元和第二磁铁单元之间的磁路引导使得其中一足与被吸附壁面之间消磁，进而双足机器人即可抬起相应足。为了限制第一磁铁单元450和第二磁铁单元600之间的距离，本实施例的永磁履带轮还包括用于限制第一磁铁单元450和第二磁铁单元600之间距离的限位组件900。其中，限位组件900固装于固定座710，第二磁铁单元600位于固定座710内侧、第一磁铁单元450位于固定座710下方，如此便于通过限位组件900作用于第一履带400以调整第一磁铁单元450和第二磁铁单元600之间的距离。具体地，限位组件900包括皮带910以及若干并排设置的带轮920，带轮920均安装于固定座710，皮带910绕设于带轮920外周，皮带910外缘与第一履带400的内侧面接触设置，避免第一履带400及第一履带400内侧的部件发生摩擦，如图1所示。需要说明的是，本实施例中的带轮920可用带槽轴承替换。

另外，本实施例还包括两组磁力消除组件110，两组所述磁力消除组件110分别安装于基座100的两端，且两组所述磁力消除组件110位于第二磁铁单元600的两侧；两组所述磁力消除组件110具体是安装在带轮支架102的两端。所述磁力消除组件110为第三磁铁单元，所述第三磁铁单元包括第三磁铁111以及设于第三磁铁111两侧的第三导磁钢块112，所述第三磁铁111的充磁方向垂直于第三磁铁111与第三导磁钢块112的接触面，且与第一磁铁451的充磁方向相反，如图10所示。磁力消除组件110的工作原理与松脱状态的磁力调节组件700类似，第三磁铁单元与其近靠的第一磁铁单元450间的关系如图11所示，此时，第三磁铁111磁极方向与第一磁铁451磁极方向相反，第一磁铁451、第三磁铁111通过第一导磁钢块452、第三导磁钢块112形成完整的磁回路，磁回路不通过被吸附壁面，故对被吸附壁面不产生磁吸力，故与第三磁铁单元近靠的第一磁铁单元450间不对被吸附钢板产生吸力。

本实施例中，第一磁铁单元450、第二磁铁单元600及第三磁铁单元的分布如图13所示(以永磁履带轮的端面进行说明)，第一履带400的端面呈中部为方形、两端为半圆的腰形孔状，履带以逆时针方向转动，履带与被吸附壁面吸附面截面的两端点记为B点和C点，A点、D点分别为第一磁铁单元450与第三磁铁单元近靠消磁的点，A点、D点分别位于B点和C点的旁侧。则永磁履带轮的整体工作原理如下：通过控制磁力调节组件700控制吸附组件处于常吸状态，始终对被吸附壁面产生一定吸力，通过驱动组件500带动第一履带400转动，完成在壁面上的行驶，如图13所示，第一履带400带动第一磁铁单元450逆时针转动，此时，第一磁铁单元450与第二磁铁单元600、第三磁铁单元存在相对运动，当第一磁铁单元450运动至A点时，其与左侧第三磁铁单元近靠，且磁极方向相反，对外不产生吸力；当第一磁铁单元450运动到B点时，开始脱离第三磁铁单元，与第二磁铁单元600近靠，第一磁铁单元450与第二磁铁单元600方向相同，对外表现出强大吸力；当第一磁铁单元450运动到C点时，开始脱离第二磁铁单元600，与右侧第三磁铁单元近靠，第一磁铁单元450与第三磁铁单元方向相反，对外不产生吸力，易于磁铁从壁面上抬起。此时，第一履带400对外表现为整体向左高效运动；同理，本实施例的永磁履带轮也可整体向另一方向高效运动。本实施例在履带转动的过程中，由于第三磁铁单元和第一磁铁单元对磁路的引导，使得第一磁铁单元450与被吸附壁面接触的两端点消磁而易于剥离，从而减小永磁履带轮的驱动阻力，节省能耗。

实施例二

本发明的磁力可控的永磁履带轮的第二实施例，包括基座100、第一带轮200、第二带轮300及第一履带400，所述第一履带400套设于第一带轮200和第二带轮300，所述第一带轮200或第二带轮300连接有驱动组件500，所述驱动组件500、第一带轮200及第二带轮300均安装于基座100；还包括第二磁铁单元600，所述第一履带400嵌设有第一磁铁单元450，所述第二磁铁单元600临近第一磁铁单元450设置且第二磁铁单元600与第一磁铁单元450相对转动时可改变第一磁铁单元450、第二磁铁单元600及被吸附壁面之间的磁回路；当所述第一磁铁单元450、第二磁铁单元600磁极相反时，第一磁铁单元450与第二磁铁单元600之间形成磁回路；当第一磁铁单元450、第二磁铁单元600磁极不相反时，第一磁铁单元450、第二磁铁单元600及被吸附壁面之间形成磁回路。

本实施例中的磁力可控的永磁履带轮还包括与第一履带400结构相似、尺寸不同的第二履带120，所述第二履带120位于第一履带400的内侧；所述第二履带120也包括若干首尾相接的履带板410，部分履带板410嵌设有第四磁铁单元121，其余部分履带板410嵌设有第五磁铁单元122，第四磁铁单元121与第五磁铁单元122充磁方向相反，第四磁铁单元121、第五磁铁单元122充磁方向与第一磁铁单元450充磁方向相同或相反，如图14所示。其中，第四磁铁单元121、第五磁铁单元122共同组成第二磁铁单元600，第二履带120的驱动组件500则构成磁力调节组件700，通过第一履带400和第二履带120之间的相对运动来调整磁场和对外磁力大小。其中，第二履带120的作用相当于实施例一中的磁力调节组件700。

如图14所示，所有的第一磁铁单元450正向充磁，部分第二磁铁单元600(即第四磁铁单元121)为正向充磁，其余部分第二磁铁单元600(即第五磁铁单元122)为逆向充磁，第四磁铁单元121在履带行进方向上的长度与第一磁铁单元450与被吸附壁面接触面在履带行进方向上的长度近似相等。

本实施例的工作原理如图15、16所示，具体地：如图15所示，在初始状态下，第二履带120和第一履带400相对旋转至第四磁铁单元121转动至近被吸附壁面一侧，第一磁铁单元450和第四磁铁单元121的磁极方向一致，对被吸附壁面产生巨大吸力，因其余部分第五磁铁单元122与第一磁铁单元450的磁极方向相反，具有消除磁力的作用；通过旋转第二履带120至第五磁铁单元122转动至近被吸附壁面一侧，第一磁铁单元450和第五磁铁单元122的磁极方向相反，对外不产生吸力，如图16所示。当第一磁铁单元450与第五磁铁单元122部分重合时，对被吸附壁面产生的吸附力大小也会发生变化。

需要说明的是，本实施例中第一履带400的每个履带板410上设置的第一磁铁单元450和第二履带120的每个履带板410上设置的第二磁铁单元600的数目可大于一组，以提高永磁履带轮对被吸附壁面的最大吸力，从而提高本发明的负载能力。

实施例三

如图17所示为本发明的履带式爬行机器人的实施例，包括如实施例一或实施例二中的磁力可控的永磁履带轮，两组永磁履带轮呈中心对称分布。本实施例两组永磁履带轮的中心板件101可为两个板件进行紧固连接得到，也可将两组中心板件101设置为一体成型结构。本实施例在实施时，两组永磁履带轮分别采用一个驱动组件500进行驱动，当两组永磁履带轮间速度不同时，即可使得履带式爬行机器人实现差速转向；由于永磁履带轮的磁力可控可调，本发明的履带式爬行机器人可根据运动情况来协调吸附磁力大小，使得履带式爬行机器人在壁面上运动更灵活；两组永磁履带轮呈中心对称分布使得履带式爬行机器人结构紧凑。

实施例四

如图18所示为本发明的履腿复合双足攀爬机器人的实施例，包括两组如权利要求14所述的履带式爬行机器人以及躯干130，所述躯干130包括转动连接的第一连杆131和第二连杆132且第一连杆131的一端、第二连杆132的一端的连接处设有第一躯干电机133，所述第一连杆131的另一端、第二连杆132的另一端分别与两组履带式爬行机器人连接，且第一连杆131的另一端与一组履带式爬行机器人的连接处设有第二躯干电机134，所述第二连杆132的另一端与另一组履带式爬行机器人的连接处设有第三躯干电机135。其中，第二躯干电机134、第三躯干电机135分别与两组履带式爬行机器人通过末端连接架136连接；双足攀爬机器人的双足记为第一足和第二足。

本实施例在实施时，履带模式与双足模式的爬行及切换方法如下：

在双足模式下，控制永磁履带轮对外磁力的有无，结合躯干130的运动完成攀爬，如控制双足中第一足的吸附组件为吸附状态，第二足的吸附组件为松脱状态，以第一足作为机器人运动的支点，随着躯干130运动完成越障、壁面过渡等动作，继而控制第二足的吸附组件处于吸附状态，松开第一足的吸附组件，以第二足作为机器人运动的支点，完成下一步的运动，以此类推；双足模式下，在第二磁铁单元600与第一磁铁单元450的磁极方向相反时，第一磁铁单元450与被吸附壁面之间吸附力减小到零，所以双足机器人可直接抬起第一足或第二足。在履带模式下，控制永磁履带轮对被吸附壁面处于常吸状态，始终对被吸附壁面产生一定吸力，驱动第一履带400转动，完成在被吸附壁面上的行驶；履带模式下，第三磁铁单元600的设置使得第一磁铁单元450与被吸附壁面接触的两端点消磁而易于剥离，从而减小永磁履带轮的驱动阻力，节省能耗；行驶过程中永磁履带轮的工作原理如实施例一至实施例三中描述。

本实施例的履腿复合双足攀爬机器人采用三自由度躯干，并采用永磁履带轮作为机器人足部；通过控制永磁履带轮对外磁力切换履腿复合双足攀爬机器人的工作模式为履带模式或双足模式，可实现以履带模式在被攀爬钢结构表面高效行驶，或结合多自由度躯干以双足模式完成攀爬时的越障、壁面过渡等动作，解决了攀爬机器人领域难以兼顾爬行效率和越障能力的难题。

实施例五

如图19所示为本发明的履腿复合双足攀爬机器人的另一实施例，本实施例与实施例四相似，所不同之处在于，所述第二躯干电机134与一组履带式爬行机器人之间连接有第一回转电机137，所述第三躯干电机135与另一组履带式爬行机器人之间连接有第二回转电机138，第二躯干电机134与第一回转电机137的旋转轴线、第三躯干电机135与第二回转电机138的旋转轴线垂直。如此将实施例四中三自由度躯干130改进为本实施例的五自由度躯干130，从而提升机器人运动的自由度，在兼顾爬行效率的基础上，使其具有更加灵活的运动形式与更高的越障、壁面过渡等能力。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁力可控的永磁履带轮，包括基座(100)、第一带轮(200)、第二带轮(300)及第一履带(400)，所述第一履带(400)套设于第一带轮(200)和第二带轮(300)，所述第一带轮(200)或第二带轮(300)连接有驱动组件(500)，所述驱动组件(500)、第一带轮(200)及第二带轮(300)均安装于基座(100)；其特征在于，还包括第二磁铁单元(600)，所述第一履带(400)嵌设有第一磁铁单元(450)，所述第二磁铁单元(600)临近第一磁铁单元(450)设置且第二磁铁单元(600)与第一磁铁单元(450)相对转动时可改变第一磁铁单元(450)、第二磁铁单元(600)及被吸附壁面之间的磁回路；当所述第一磁铁单元(450)、第二磁铁单元(600)磁极相反时，第一磁铁单元(450)与第二磁铁单元(600)之间形成磁回路；当第一磁铁单元(450)、第二磁铁单元(600)磁极不相反时，第一磁铁单元(450)、第二磁铁单元(600)及被吸附壁面之间形成磁回路：

还包括两组磁力消除组件(110)、安装于基座(100)的张紧组件(800)以及用于限制第一磁铁单元(450)与第二磁铁单元(600)之间距离的限位组件(900)，两组所述磁力消除组件(110)分别安装于基座(100)的两端，且两组所述磁力消除组件(110)位于第二磁铁单元(600)的两侧；所述磁力消除组件(110)为第三磁铁单元，所述第三磁铁单元包括第三磁铁(111)以及设于第三磁铁(111)两侧的第三导磁钢块(112)，所述第三磁铁(111)的充磁方向垂直于第三磁铁(111)与第三导磁钢块(112)的接触面，且与第一磁铁(451)的充磁方向相反；所述张紧组件(800)包括底板(810)、转动安装于底板(810)的滚针导轨(820)、活动连接于底板(810)与基座(100)之间的调节件(830)，所述滚针导轨(820)部分突出于底板(810)的表面，所述第一履带(400)内侧面可与滚针导轨(820)接触设置；其中，所述第二磁铁单元(600)固装于所述基座(100)，且所述第二磁铁单元(600)位于第一履带(400)内侧、靠近第一履带(400)近被吸附壁面的内侧面；所述第二磁铁单元(600)包括第二磁铁(610)及第二导磁钢块(620)，所述第二磁铁(610)为径向充磁的圆柱状磁铁，所述第二导磁钢块(620)为两组且两组第二导磁钢块(620)之间形成有与第二磁铁(610)配合的圆形通孔(412)且所述第二导磁钢块(620)安装于基座(100)；所述第二磁铁单元(600)连接有可调节第二磁铁单元(600)磁极方向的磁力调节组件(700)，所述磁力调节组件(700)包括安装于基座(100)的固定座(710)和磁力驱动电机(720)，所述第二磁铁(610)的两端部与固定座(710)转动连接且所述第二磁铁(610)的中部连接有第一齿轮(630)，所述固定座(710)设有容第一齿轮(630)部分穿出的开口，所述磁力驱动电机(720)的输出端连接有与第一齿轮(630)啮合的第二齿轮(730)；

或：还包括与第一履带(400)结构相似、尺寸不同的第二履带(120)，所述第二履带(120)位于第一履带(400)的内侧；第二磁铁单元(600)包括第四磁铁单元(121)及第五磁铁单元(122)，所述第二履带(120)也包括若干首尾相接的履带板(410)，部分履带板(410)嵌设有第四磁铁单元(121)，其余部分履带板(410)嵌设有第五磁铁单元(122)，第四磁铁单元(121)与第五磁铁单元(122)充磁方向相反，第四磁铁单元(121)、第五磁铁单元(122)充磁方向与第一磁铁单元(450)充磁方向相同或相反；其中，第四磁铁单元(121)、第五磁铁单元(122)共同组成第二磁铁单元(600)，第二履带(120)的驱动组件(500)则构成磁力调节组件(700)，通过第一履带(400)和第二履带(120)之间的相对运动来调整磁场和对外磁力大小。

2.根据权利要求1所述的磁力可控的永磁履带轮，其特征在于，所述第一履带(400)包括若干履带板(410)，所述履带板(410)的首尾端均设有销孔(420)，若干履带板(410)通过销孔(420)和穿接于销孔(420)内的履带销(430)首尾相接连成第一履带(400)，所述第一磁铁单元(450)嵌设于履带板(410)。

3.根据权利要求2所述的磁力可控的永磁履带轮，其特征在于，所述第一带轮(200)、第二带轮(300)均包括连接轴(210)以及连接于连接轴(210)两端的第一转轮(220)和第二转轮(230)，所述第一转轮(220)、第二转轮(230)外缘均匀环绕设有若干齿位，所述第一履带(400)的两侧均设有若干与所述齿位啮合的凹位(440)。

4.根据权利要求3所述的磁力可控的永磁履带轮，其特征在于，所述基座(100)包括中心板件(101)、带轮支架(102)以及固定架(103)，所述带轮支架(102)及固定架(103)均固定于中心板件(101)；所述连接轴(210)穿接于带轮支架(102)且第一转轮(220)、第二转轮(230)分别位于连接轴(210)的两侧，所述驱动组件(500)安装于固定架(103)。

5.根据权利要求2所述的磁力可控的永磁履带轮，其特征在于，所述第一磁铁单元(450)包括第一磁铁(451)和第一导磁钢块(452)，所述第一导磁钢块(452)为两组，两组第一导磁钢块(452)设于第一磁铁(451)的两端，所述第一磁铁(451)的充磁方向垂直于第一导磁钢块(452)与第一磁铁(451)的接触面。

6.根据权利要求5所述的磁力可控的永磁履带轮，其特征在于，所述履带板(410)设有方形槽(411)及位于方形槽(411)一侧的通孔(412)，所述第一磁铁单元(450)嵌设于方形槽(411)且所述第一导磁钢块(452)的一端穿过所述通孔(412)至第一导磁钢块(452)的表面与履带板(410)的外表面平齐。

7.一种履带式爬行机器人，其特征在于，包括两组如权利要求1至6任一项所述的磁力可控的永磁履带轮，两组永磁履带轮呈中心对称分布。

8.一种履腿复合双足攀爬机器人，其特征在于，包括两组如权利要求7所述的履带式爬行机器人以及躯干(130)，所述躯干(130)包括转动连接的第一连杆(131)和第二连杆(132)且第一连杆(131)的一端、第二连杆(132)的一端的连接处设有第一躯干电机(133)，所述第一连杆(131)的另一端、第二连杆(132)的另一端分别与两组履带式爬行机器人连接，且第一连杆(131)的另一端与一组履带式爬行机器人的连接处设有第二躯干电机(134)，所述第二连杆(132)的另一端与另一组履带式爬行机器人的连接处设有第三躯干电机(135)。

9.根据权利要求8所述的履腿复合双足攀爬机器人，其特征在于，所述第二躯干电机(134)与一组履带式爬行机器人之间连接有第一回转电机(137)，所述第三躯干电机(135)与另一组履带式爬行机器人之间连接有第二回转电机(138)，第二躯干电机(134)与第一回转电机(137)的旋转轴线、第三躯干电机(135)与第二回转电机(138)的旋转轴线垂直。

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