CN114313046B - 一种六足爬壁机器人及其步态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种六足爬壁机器人及其攀爬步态控制方法。包括身体部分和腿部部分，腿部部分由数字舵机，舵机支架，数字舵机、股节支架，数字舵机、胫节支架，万向节可调阻尼球头球铰，双头螺栓，电控永磁吸盘依次连接组成。所述身体支架前端安装有超声波传感器，用于测量机器人和前方物体的距离，所述身体支架为双层结构，双层中间设置有锂电池包、升压模块和降压模块，用于给整体供电；所述树莓派控制器是机器人的控制中心，通过路继电器模块控制电控永磁吸盘的开关，还控制所有的舵机和摄像头。本发明可以在港口岸桥起重机的外表面进行自由爬行，稳定吸附在金属壁表面。

Description

一种六足爬壁机器人及其步态控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种六足爬壁机器人及其步态控制方法。

背景技术

岸桥起重机等大型钢构设备的月度检查和年度检查中，检查项目有钢材的变形、龟裂，钢材的腐蚀，固定螺栓的松动及脱落等。传统的检测方法需要人工背上设备登高检查，存在一定的危险性。由于起重机体积较大、结构复杂，检测人员工作量大，安全性低，而且起重机有些部分人工难以抵达。

本发明涉及的爬壁机器人可以携带检测设备仪器，不需要工人携带仪器到起重机上进行检测，简化起重机安全评价和寿命评估，间接提高了起重机的操作安全性，大大提高了工人的生产效率，具有较大的应用前景。

因此本发明拟设计一种攀爬机器人，能在起重机结构表面移动攀爬，并能承载相机等图传设备进行图像信息回传，降低工人的劳动强度，提高生产效率。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201810274719.2，该技术公开了一种磁力多足爬壁机器人。其结构包括六个带电磁铁三自由度腿部部分，三个伺服电机驱动的万向轮，控制板，电池以及其他必要结构。该机器人可以利用六足机械腿越障，轮式运动，提高环境适应能力。但该机构结构复杂，运用电机较多，控制困难，可靠性有待提高。中国发明专利申请号CN 2019 11055540.9，该技术公开了一种电磁吸附六足攀爬机器人。其腿部结构的末端由球头杆端关节轴承固定一个电控永磁吸盘。但该机构所应用的球头杆端关节轴承几乎没有阻尼，由于地球重力作用，如果球副没有阻尼会导致机器人在攀爬壁面时足底不能很好地接触壁面，所以会导致机器人攀爬过程中吸附力不足，进而使机器人发生倾覆等事故。

针对现有技术的不足，本发明开发一种可以携带相关设备在港口起重机上全方位工作的攀爬机器人。本发明利用电磁铁吸附原理，将万向节可调阻尼球头球铰巧妙地与六足机器人联系起来，使攀爬机器人可以在金属壁面上攀爬，达到全方位移动的目的。与普通六足机器人相比，本发明可以在金属壁面上攀爬，并且具有低成本与高可靠性的优点。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下。

一种六足爬壁机器人，包括身体部分和腿部部分，所述身体部分包括身体支架，身体支架两侧的前中后三个位置分别与腿部部分连接，腿部部分由数字舵机，舵机支架，数字舵机、股节支架，数字舵机、胫节支架、万向节可调阻尼球头球铰、双头螺栓、电控永磁吸盘依次连接组成；

所述身体支架为双层结构，双层中间设置有锂电池包、升压模块和降压模块，用于给整体供电；所述身体支架前端安装有超声波传感器，用于测量机器人和前方物体的距离，所述身体支架前端还固定有二轴云台，所述二轴云台上安装有摄像头，所述身体支架上安装有树莓派控制器和6路继电器模块；

所述降压模块是把锂电池包的电压下降到5V给树莓派控制器和摄像头供电，升压模块是把锂电池包的电压升到24V给电控永磁吸盘供电，所述树莓派控制器是机器人的控制中心，通过6路继电器模块控制电控永磁吸盘的开关，还控制所有的数字舵机和摄像头。

所述摄像头为微型无线传输摄像头，方便查看机器人前方地形。微型无线传输摄像头通过内置WiFi模块实现数据传输。

进一步地，所述树莓派控制器还可以和上位机通信，传回摄像头记录的图像和超声波传感器的数据。

二轴云台是一个电控二轴云台底座，可以装摄像头，在二个维度移动调整。

本发明利用一种万向节可调阻尼球头球铰应用在机器人腿部的脚踝处，这样脚踝处的球铰阻尼可以根据吸盘的质量大小调节，确保了机器人在攀爬过程中吸盘不会因为重力作用下坠，使足底始终能贴合吸附面，并且脚踝处的球副可以使攀爬机器人调整姿态适应壁面和非结构化地面。

根据六足爬壁机器人使用环境和载荷不同，可以更换大小不一的电控永磁吸盘，万向节可以调整出不同的扭矩。

如图4所示，以电控永磁吸盘自重150g，电控永磁吸盘高25mm为例，跗节的总长为34mm，电磁吸盘的重心位于它的几何中心，那么它的重心到球副的中心的距离为34-25/2=21.5mm，那么球副所承受的扭矩最小为: F=mgL=0.15×9.8×2.15=3.16N·cm=0.0316N·m。

万向节扭矩大小0-60kg•cm可调，实际使用过程中使用力矩扳手调节扭矩大小至0.04N•m（要比0.316大，最小单位是小数点后两位，所以只能取0.04），这样就可以保证爬壁机器人在攀爬过程中电控永磁吸盘不会下坠，又兼具了一定的被动灵活性。这种脚踝设计也可以运用到其他类型的足式爬壁机器人，兼具爬壁和地面行走两种状态。由于制造和安装误差，六足机器人每条腿的长度可能不一致，这样会导致机器人在行走过程中偏航，为了避免这种情况的发生，本文通过双头螺栓连接电磁吸盘和万向节，可以微调跗节的长度，确保6条腿的长度一致。

基于六足生物观测实验，六足生物单足通常由基节、股节、胫节和跗节组成，每相邻两节之间存在一个转动关节，允许相邻两节绕某一轴线产生相对运动，两个相邻的轴线之间的距离就是关节的长度。本机器人腿部的关节长度严格按照生物学比例和运动学分析，如图3所示股节、胫节和跗节的长度比为73:72:34，可以确保腿部运动空间最大化。

针对六足爬壁机器人的攀爬步态，本发明提出了一种新的攀爬步态-四脚步态，每次攀爬时有四只脚吸附，两只脚运动。将机器人左侧的3个足位，从后向前依次标记为1、2、3号位，将机器人右侧的3个足位，从后向前依次标记为4、5、6号位，具体实施过程如图4所示，初始状态→2号腿向前摆动45°，4号腿向前摆动90°→暂停2s→5号腿向前摆动45°，1号腿向前摆动90°→暂停2s→躯体姿态下降45°，所有腿向后转45°→躯体姿态上升45°，所有腿向后转45°→暂停1s→3、6号腿向前摆动90°→暂停2s→→2、5号腿向前摆动45°→暂停2s→循环前述动作。暂停2s和1s是为了让电控永磁吸盘磁化壁面，然后吸盘才能吸附到壁面上。

本发明具有如下优点：

本发明提供的机器人，其带电控永磁吸盘的六足可以让它在港口岸桥起重机的外表面进行自由爬行，在任意的空间位置下机器人都可以稳定吸附在金属壁表面。搭载的微型无线传输摄像头能通过WiFi模块实时回传数据进行分析。本机器人同样适用于船体侧面等平面或大曲面金属壁的裂纹检测，具备极强的自适应性，适合在各类金属壁面上应用推广。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是机器人的身体部分示意图；

图3是机器人腿部部分示意图；

图4是机器人脚踝结构示意图

图5为机器人四脚攀爬步态示意图；

图中，Ⅰ-腿部部分，Ⅱ-身体部分，1-身体支架，2-超声波传感器，3-锂电池包，4-降压模块，5-升压模块，6-6路继电器模块，7-树莓派控制器，8-二轴云台，9-摄像头，10-数字舵机，11-舵机支架，12-股节支架，13-胫节支架，14-万向节可调阻尼球头球铰，15-双头螺栓，16-电控永磁吸盘。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种电磁吸附六足攀爬机器人包括：腿部部分Ⅰ，身体部分Ⅱ。

如图2所示，本发明的身体部分Ⅱ包括：1-身体支架，2-超声波传感器，3-锂电池包，4-降压模块，5-升压模块，6-6路继电器模块，7-树莓派控制器，8-二轴云台，9-摄像头。身体支架1是机器人身体的支撑骨架，超声波传感器2安装在前面主要是用于测量机器人本体和前方物体的距离，锂电池包3安装在身体支架1中间可以降低机器人重心，降压模块4是把锂电池的电压下降到5V给树莓派控制器供电，升压模块5是把锂电池的电压升到24V给电控永磁吸盘供电，6路继电器模块6是树莓派控制电控永磁吸盘的模块，树莓派控制器7是机器人的控制中心，控制所有的舵机10和摄像头9，并且可以和上位机通信传回图像和超声波传感器数据，二轴云台8是一个电控二轴云台底座，可以装摄像头9，摄像头9安装在身体支架1的前端方便查看机器人前方地形，也可以传回钢结构焊缝图片供检测人员分析。

如图3所示机器人的腿部部分依次由数字舵机10，舵机支架11，数字舵机10、股节支架12，数字舵机、胫节支架13，万向节可调阻尼球头球铰14，双头螺栓15，电控永磁吸盘16连接组成。所述双头螺栓15两端固定连接万向节可调阻尼球头球铰14和电控永磁吸盘16。

数字舵机10是大扭矩数字舵机，是机器人的动力源。胫节支架13是整体式框架结构，对比专利CN201911055540.9的结构刚度更高，不易变形，减少了零件数量，降低了成本。万向节可调阻尼球头球铰14应用在机器人腿部的脚踝处，这样脚踝处的球铰阻尼可以根据吸盘的质量大小调节，确保了机器人在攀爬过程中吸盘不会因为重力作用下坠，使足底始终能贴合吸附面，并且脚踝处的球副可以使攀爬机器人调整姿态适应壁面和非结构化地面。双头螺栓15连接电控永磁吸盘16和万向节可调阻尼球头球铰14，可以微调跗节的长度，确保6条腿的长度一致。电控永磁吸盘16是一种断电保持型电磁吸盘，通电吸盘无吸附力，断电保持永磁吸附，这样可以确保机器人意外断电后仍然可以牢固吸附在壁面上。

如图4所示是机器人四脚攀爬步态示意图，具体的四脚攀爬步态过程如下；初始状态→2号腿向前摆动45°，4号腿向前摆动90°→暂停2s→5号腿向前摆动45°，1号腿向前摆动90°→暂停2s→躯体姿态下降45°，所有腿向后转45°→躯体姿态上升45°，所有腿向后转45°→暂停1s→3、6号腿向前摆动90°→暂停2s→→2、5号腿向前摆动45°→暂停2s→循环前述动作。。整个过程耗时15s，向上攀爬166.88mm，机器人又回到了初始状态，为下一步攀爬做好了准备。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种六足爬壁机器人的攀爬步态控制方法，所述六足爬壁机器人，包括身体部分和腿部部分，所述身体部分包括身体支架，身体支架两侧的前中后三个位置分别与腿部部分连接，腿部部分由数字舵机（10），舵机支架（11），数字舵机（10）、股节支架（12），数字舵机（10）、胫节支架（13），万向节可调阻尼球头球铰（14），双头螺栓（15），电控永磁吸盘（16）依次连接组成；所述身体支架为双层结构，双层中间设置有锂电池包（3）、升压模块（5）和降压模块（4），用于给整体供电；所述身体支架前端安装有超声波传感器（2），用于测量机器人和前方物体的距离，所述身体支架前端还固定有二轴云台，所述二轴云台上安装有摄像头（9），所述身体支架上安装有树莓派控制器（7）和6路继电器模块（6）；所述降压模块（4）是把锂电池包（3）的电压下降到5V给树莓派控制器（7）和摄像头（9）供电，升压模块（5）是把锂电池包（3）的电压升到24V给电控永磁吸盘（16）供电，所述树莓派控制器（7）是机器人的控制中心，通过6路继电器模块（6）控制电控永磁吸盘（16）的开关，还控制所有的数字舵机（10）和摄像头（9）；

其特征在于：将机器人左侧的3个足位，从后向前依次标记为1、2、3号位，将机器人右侧的3个足位，从后向前依次标记为4、5、6号位，具体攀爬过程步态为，初始状态→2号腿向前摆动45°，4号腿向前摆动90°→暂停2s→5号腿向前摆动45°，1号腿向前摆动90°→暂停2s→躯体姿态下降45°，所有腿向后转45°→躯体姿态上升45°，所有腿向后转45°→暂停1s→3、6号腿向前摆动90°→暂停2s→2、5号腿向前摆动45°→暂停2s→循环前述动作。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述摄像头（9）为微型无线传输摄像头，通过内置WiFi模块实现数据传输。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述树莓派控制器（7）能够和上位机通信，传回摄像头记录的图像和超声波传感器的数据。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，二轴云台（8）是一个电控二轴云台底座，在二个维度移动调整。

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