CN115535108A - 一种用于曲面检测的磁吸附机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于曲面检测的磁吸附机器人及其控制方法，包括机器人机身、机器人运动控制器、机器人磁吸附控制器、电机驱动器、电机、磁吸附车轮以及至少一个信息采集传感器；机器人运动控制器设在机器人机身上，与电机驱动器连接，电机驱动器与电机连接，通过电机驱动磁吸附车轮，控制机器人运动；磁吸附车轮上设有磁吸附装置，机器人磁吸附控制器与磁吸附装置连接；还设有上位机和压力传感器，通过与机器人配合实现两种控制模式。本发明解决了在面对变曲面、过渡面等工作环境时，因为工作间隙增大、磁吸附力减小导致机器人掉落的问题。
Description
技术领域
本发明涉及自动巡检曲面机器人技术领域，特别涉及一种用于曲面检测的磁吸附机器人及其控制方法。
背景技术
随着工业技术的发展，检测机器人在各个领域发挥着重要的作用。检测机器人能减少传统人工检测方法繁琐的操作步骤，避免人工检测所带来的危险性。常见的检测机器人分为吸附机器人和普通机器人两类，吸附机器人能够在曲面、斜面、垂直面等高难度工作环境中完成检测任务。吸附机器人的吸附结构包括：磁吸附式、压力吸附式、钩爪式等。其中磁吸附机器人具有负载能力强、灵活性高、运动噪声小等特点。与磁吸附式相比，负压吸附式具有吸附稳定，越障能力较强等特点，但速度较慢、运动噪声大、对运动表面光滑度要求较高。钩爪式机器人重量较轻、能适应粗糙的表面环境，但结构复杂，对运动环境的表面会造成一定的影响。目前市场上的磁吸附机器人磁吸附方式的主要为永磁式和电磁铁式，其安装位置大部分位于机器人的底盘处。永磁式吸附方式的吸附能力强，但其重量大，吸附能力不可调。电磁铁式吸附力可调，但电磁铁发热严重、易于损坏，存在掉电脱落的危险。
磁吸附机器人主要工作于曲面、斜面等高难度的工作环境下，机器人可能出现由于吸附表面曲度变化，造成的磁吸附材料与吸附表面的工作间隙增大，而吸附力减小导致机器人掉落的情况(磁铁的磁场强度与工作间隙的立方成反比关系的，因此间隙的大小对吸附力的大小有很重要的影响)；如果通过增加磁吸附材料来增强吸附力，则在拿取或则拆卸会造成一定的困难，同时也会增加机器人自身的重量，减小机器人的灵活性、运动速度等。有效解决机器人磁吸附力与自身重量之间的矛盾，同时便于机器人的拿取、拆卸，是当前需要解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于曲面检测的磁吸附机器人，具体技术方案如下：
包括机器人机身、机器人运动控制器、机器人磁吸附控制器、电机驱动器、电机、磁吸附车轮以及至少一个信息采集传感器；
所述机器人运动控制器设在所述机器人机身上，与所述电机驱动器连接，所述电机驱动器与所述电机连接，通过电机驱动所述磁吸附车轮，控制机器人运动；
所述磁吸附车轮上设有磁吸附装置，所述机器人磁吸附控制器与所述磁吸附装置连接。
进一步的，所述磁吸附装置包括所述磁吸附材料和线圈，所述线圈绕在所述磁吸附材料上，所述磁吸附力控制器与所述磁吸附车轮上设置的线圈连接，通过控制线圈中电流的大小和流向，实现磁力大小的控制。
进一步的，所述磁吸附材料采用永磁材料制成。
进一步的，所述磁吸附车轮设有四个，分别设在所述机器人机身四周，所述磁吸附车轮相对所述机器人机身对称设置，基于所述机器人机身相对设置的所述磁吸附车轮通过中部贯通的车轴利用齿轮啮合连接。
进一步的，所述磁吸附车轮为全四驱动力控制。
进一步的，所述磁吸附车轮由两个铝板和轮毂构成，铝板分别为第一铝板和第二铝板，所述第一铝板和第二铝板，其中一个为单板结构，另一个板体中间设有连接轴，所述第一铝板和所述第二铝板通过连接轴将所述轮毂夹合在中间，构成所述磁吸附车轮。
进一步的，所述轮毂由若干个硅钢片堆叠组成，各所述硅钢片和所述第一铝板和所述第二铝板上设有螺栓孔，通过螺钉和螺母将所述第一铝板、所述第二铝板与所述轮毂夹合固定。
进一步的，所述硅钢片为圆环结构，所述硅钢片的内圆到所述第一铝板和所述第二铝板的连接位置处，填充有塑料填充物。
进一步的，所述硅钢片中设有若干正方形的孔，用于放置磁吸附装置，正方形孔的两侧设有小孔，用于在磁吸附材料上缠绕线圈。
进一步的，所述硅钢片与铝板外圆边齐平，且包裹有一层橡胶外圈。
进一步的，所述磁吸附机器人还设有压力传感器和上位机，所述压力传感器设在所述磁吸附车轮处，用于检测磁吸附压力数值，所述上位机与所述机器人磁吸附控制器远程连接。
进一步的，所述机器人机身上还设有开关底座。
本发明公开了一种基于上述所述的用于曲面检测的磁吸附机器人的控制方法，包括自动控制模式和手动控制模式；
所述自动控制模式的具体控制过程如下：
A1：设定所需要的磁吸附力范围；
A2：通过轴承后轮轴承上的压力传感器检测机器人的真实磁吸附力大小；
A3：根据真实磁吸附力与磁吸附力设定值产生控制信号，控制线圈中电流的大小和流向，使得真实磁吸附力大小在设定的磁吸附力范围内，实现实时自动控制。
所述手动控制模式的具体控制过程如下：
B1：用户在上位机上手动设定磁吸附力数值，上位机根据输入的磁吸附力数值自动生成命令并发送至机器人磁吸附力控制器；
B2：所述机器人磁吸附力控制器接收上位机发送的命令，根据命令产生控制信号，控制线圈中的电流大小，实现设定磁吸附力数值的控制输出。
本发明的有益效果如下：
磁吸附车轮由磁吸附材料、硅钢片、铝板、橡胶外圈、线圈、高强度塑料填充物组成，其中，轮毂有若干硅钢片强磁材料堆叠构成，磁吸附材料设置在车轮内部，具体硅钢片上设有中空的正方形孔，在孔内填充磁吸附材料，有效减少了磁吸附力的衰减，通过在磁吸附材料上缠绕线圈，利用设置的机器人磁吸附控制器控制线圈中电流的流向和大小实现吸附力可调，同时还设置了压力传感器和上位机配合机器人实现两种控制模式，在机器人拿取时，可减小磁吸附力更便于拿取。
硅钢片为圆环结构，并通过高强度塑料填充物填充空余的位置，铝板也采用中空结构，大大减轻机器人的重量。
实现了在面对变曲面、过渡面等工作环境时，不会因为工作间隙增大、磁吸附力减小而导致的机器人掉落情况出现。
附图说明
图1是机器人正视结构示意图；
图2是机器人俯视结构示意图；
图3是机器人侧视结构示意图；
图4是机器人后视结构示意图；
图5是磁吸附车轮正视结构示意图；
图6是磁吸附车轮俯视截面结构示意图；
图7是磁吸附车轮的轮毂组成结构示意图；
图8是磁吸附车轮内部结构示意图；
图9是硅钢片正视结构示意图；
图10是硅钢片整体结构示意图；
图11是塑料填充物结构示意图；
图12是带连接轴的铝板侧视结构示意图；
图13是带连接轴的铝板整体结构示意图；
图14是自动控制模式方法流程示意图；
图15是手动控制模式方法流程示意图；
图16是机器人在管道下壁面工作示意图；
图17是机器人在管道上壁面工作示意图。
附图标记说明：1、信息采集传感器，2、机器人运动控制器，3、磁吸附车轮，4、电机驱动器，5、机器人磁吸附力控制器，6、电机，7、开关底座，8、橡胶外圈，9、硅钢片，10、第一铝板，11、螺栓孔，12、线圈，13、塑料填充物，14、车轴，15、磁吸附材料，16、压力传感器，17、第二铝板。
具体实施方式
在下面的描述中对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
本发明的实施例1公开了一种用于曲面检测的磁吸附机器人，如图1所示，包括机器人机身、机器人运动控制器2、磁吸附车轮3以及至少一个信息采集传感器1，所述磁吸附车轮3设有四个，分别设在所述机器人机身四周；所述机器人运动控制器2设在所述机器人机身上，用于控制机器人运动；
所述磁吸附车轮3上设有磁吸附装置，所述磁吸附装置包括所述磁吸附材料15和线圈12，所述线圈12绕在所述磁吸附材料15上，本实施例中，所述磁吸附材料15采用永磁材料，例如铷铁硼材料。
如图3所示，具体的，所述机器人机身上设有电机驱动器4以及电机6，所述机器人运动控制器2与所述电机驱动器4连接；
如图4所示，所述电机6与所述磁吸附车轮3对应设置，所述电机6的驱动轴与车轮中部贯通的车轴14连接，具体的，可通过齿轮使所述电机6与车轴14啮合，相对磁吸附车轮3对应的电机6同轴连接，通过所述电机驱动器4的驱动，进而带动所述磁吸附车轮3转动；
本实施例中，所述磁吸附车轮3为全四驱动力控制。
结合图4所示，所述机器人机身上还设有开关底座7。
在实际中，所述车轴14采用较轻的金属材料制成，例如铝。
所述磁吸附车轮3的数量以及尺寸大小根据实际情况进行设计，在此不做具体限定；
本实施例中，所述磁吸附车轮3的直径为100mm，
结合图2所示，所述信息采集传感器1用于机器人在工作过程中采集数据信息，可采用现有的传感器模块或信息采集设备，具体类型在此不做具体限定；
本实施例中，所述信息采集传感器1设有一个，为深度相机，设在所述机器人机身的顶部。
结合图3所示，所述机器人机身上还设有机器人磁吸附力控制器5，本实施例中，机器人运动控制器2与机器人磁吸附力控制器5相互独立，均由嵌入式控制器组成；
所述磁吸附力控制器与所述磁吸附车轮3上设置的线圈12连接，通过控制线圈12中电流的大小和流向，实现磁力大小的控制。
如图5所示，所述磁吸附车轮3由两个铝板和轮毂构成，铝板分别为第一铝板10和第二铝板17，所述第一铝板10和第二铝板17，其中一个为单板结构，另一个板体中间设有连接轴，如图12和图13所示；
结合图5所述，所述第一铝板10和所述第二铝板17通过连接轴将所述轮毂夹合在中间，构成所述磁吸附车轮3的整体；
具体的，所述铝板的厚度根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，本实施例中，所述铝板的厚度为2mm。
如图6、图7和图8所示，所述轮毂由若干个硅钢片9组成，所述硅钢片9上设有螺栓孔11，各所述硅钢片9通过可拆卸的螺钉和螺母固定；
本实施例中，所述第一铝板10和所述第二铝板17上还设有螺栓孔11，与所述轮毂上的螺栓孔11相适配且位置对应设置，通过螺钉和螺母将所述第一铝板10、所述第二铝板17与所述轮毂夹合固定；
具体的，堆叠的硅钢片9层和两侧的铝板之间由横向贯穿磁吸附车轮3的三颗螺钉固定。
本实施例中，所述硅钢片9与铝板外圆边齐平，且包裹有一层厚度为2mm的橡胶外圈8，构成机器人的车轮。
本实施例中，所述第一铝板10和所述第二铝板17采用中空结构，减少机器人整体质量；
本实施例中，所述硅钢片9为圆环结构，所述圆环内通过塑料填充物13填充，同样减少机器人整体的重量；
本实施例中，硅钢片9的内圆到两铝板的连接位置处，由塑料填充物13填充，如图11所示，所述塑料填充物13采用高强度塑料材料制成，所述塑料填充物13为直径20mm的圆环结构，足够车轴14穿过。
具体的，所述硅钢片9的内圆尺寸根据车轮尺寸进行设置调整，在此不做具体限定，外圆直径则为车轮直径，本实施例中，所述硅钢片9的内圆直径为60mm，外圆直径为100mm。
结合图9和图10所示，所述硅钢片9中设有若干正方形的孔，用于放置磁吸附装置，正方形孔的两侧设有小孔用于在磁吸附材料15上缠绕线圈12；
具体的，所述正方形孔的尺寸根据实际情况进行设定，在此不做具体限定，本实施例中，所述正方形孔的边长为10mm。
本实施例中，还设有压力传感器16和上位机，所述压力传感器16设在所述磁吸附车轮3处，用于检测磁吸附压力数值；所述上位机与所述机器人磁吸附控制器远程连接。
基于上述所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，可通过搭载各种传感器，例如超声波传感器、红外传感器、温湿度传感器等，在曲面、斜面、负斜面等工作环境中完成各种信息采集；
如图16和图17所示，本实施例中，以搭载摄像装置，在大型天然气输送管道中进行巡检为例进行功能说明；
当需要机器人在下壁面工作时，可控制线圈12产生与铷磁铁相反的磁场，减小整体的磁吸附力，让机器人具备适当的吸附力，能防止机器人在斜坡时不会因为重力而后退，同时也不会产生较大的阻力阻碍机器人正常运动。
当需要机器人在上壁面工作时，可控制线圈12产生与铷磁铁相同的磁场，使机器人具备足够的吸附力，能防止机器人从上壁面掉落。当需要拆卸从管壁面拿下机器人时，可通过减小机器人的磁吸附力而，便于拿取。
实施例2
本发明的实施例2基于上述实施例1公开了一种用于曲面检测的磁吸附机器人的控制方法，包括自动控制模式和手动控制模式；
如图14所示，所述自动控制模式的具体控制过程如下：
A1：设定所需要的磁吸附力范围；
A2：通过轴承后轮轴承上的压力传感器16检测机器人的真实磁吸附力大小；
A3：根据真实磁吸附力与磁吸附力设定值产生控制信号，控制线圈12中电流的大小和流向，使得真实磁吸附力大小在设定的磁吸附力范围内，实现实时自动控制。
如图15所示，所述手动控制模式的具体控制过程如下：
B1：用户在上位机上手动设定磁吸附力数值，上位机根据输入的磁吸附力数值自动生成命令并发送至机器人磁吸附力控制器5；
B2：所述机器人磁吸附力控制器5接收上位机发送的命令，根据命令产生控制信号，控制线圈12中的电流大小，实现设定磁吸附力数值的控制输出。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，包括机器人机身、机器人运动控制器、机器人磁吸附控制器、电机驱动器、电机、磁吸附车轮以及至少一个信息采集传感器；
所述机器人运动控制器设在机器人机身上，与所述电机驱动器连接，所述电机驱动器与所述电机连接，通过电机驱动所述磁吸附车轮，控制机器人运动；
所述磁吸附车轮上设有磁吸附装置，所述机器人磁吸附控制器与所述磁吸附装置连接。
2.根据权利要求1所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述磁吸附装置包括磁吸附材料和线圈，所述线圈绕在所述磁吸附材料上，所述磁吸附力控制器与所述磁吸附车轮上设置的线圈连接，通过控制线圈中电流的大小和流向，控制磁力大小。
3.根据权利要求1所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述磁吸附车轮由两个铝板和轮毂构成，铝板分别为第一铝板和第二铝板，所述第一铝板和第二铝板，其中一个为单板结构，另一个板体中间设有连接轴，所述第一铝板和所述第二铝板通过连接轴将所述轮毂夹合在中间，构成所述磁吸附车轮。
4.根据权利要求3所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述轮毂由若干个硅钢片堆叠组成，各所述硅钢片和所述第一铝板和所述第二铝板上设有螺栓孔，通过螺钉和螺母将所述第一铝板、所述第二铝板与所述轮毂夹合固定。
5.根据权利要求4所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述硅钢片为圆环结构，所述硅钢片的内圆到所述第一铝板和所述第二铝板的连接位置处，填充有塑料填充物。
6.根据权利要求5所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述硅钢片中设有若干正方形的孔，用于放置磁吸附装置，正方形孔的两侧设有小孔，用于在磁吸附材料上缠绕线圈。
7.根据权利要求3所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述轮毂与铝板外圆边齐平，且的堆叠后的硅钢片层外包裹有一层橡胶外圈。
8.根据权利要求1-7任一所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，所述磁吸附机器人还设有压力传感器和上位机，所述压力传感器设在所述磁吸附车轮处，用于检测磁吸附压力数值，所述上位机与所述机器人磁吸附控制器远程连接。
9.一种磁吸附机器人的的控制方法，应用与上述权利要求8所述的用于曲面检测的磁吸附机器人，其特征在于，包括自动控制模式和手动控制模式；
所述自动控制模式的具体控制过程如下：
A1：设定磁吸附力范围；
A2：通过压力传感器检测获取机器人的真实磁吸附力大小；
A3：根据真实磁吸附力与磁吸附力设定值产生控制信号，控制线圈中电流的大小和流向，使得真实磁吸附力大小在设定的磁吸附力范围内；
所述手动控制模式的具体控制过程如下：
B1：用户在上位机上手动设定磁吸附力数值，上位机根据输入的磁吸附力数值自动生成命令并发送至机器人磁吸附力控制器；
B2：所述机器人磁吸附力控制器接收上位机发送的命令，根据命令产生控制信号，控制线圈中的电流大小。
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2022
- 2022-10-25 CN CN202211307778.8A patent/CN115535108A/zh active Pending
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