CN211417442U - 立面作业爬壁机器人及其防坠滑装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及一种立面作业爬壁机器人及其防坠滑装置。防坠滑装置包括防坠保护机构和防坠控制模块，防坠保护机构包括电磁吸附件，电磁吸附件内设置有激磁线圈，防坠控制模块包括重力加速度传感器和激磁电路，重力加速度传感器用于采集机器人主体的加速度值并判断机器人主体处于正常作业状态或跌落状态，激磁电路电性连接重力加速度传感器和激磁线圈，重力加速度传感器控制激磁电路与激磁线圈电性导通，从而控制电磁吸附件吸附于作业面，如此即可能够实现机器人主体防坠滑的快速响应，并且，防坠滑装置集成于机器人主体上，能够随机器人主体的转移而转移，使用更加灵活、方便。

Description

立面作业爬壁机器人及其防坠滑装置

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及一种立面作业爬壁机器人及其防坠滑装置。

背景技术

基于磁吸附的爬壁机器人是机器人领域的一个重要分支，它将移动机构与吸附机构相结合，从而制作出能够金属垂直壁面上移动的特种机器人。随着“中国制造2025”的快速推进及制造业的升级，越来越多的爬壁机器人被投放到各种作业现场中，并用于执行高空检测、表面清理、喷漆等工作。然而，由于爬壁机器人主要用于立面上进行高空作业，其作业面的情况往往比较复杂恶劣，比如，用于船舶、油罐、风塔、水冷壁作业时，作业面通常会有水渍、油污、结渣、灰尘等，机器人在这类结构表面通过时常会出现打滑下溜的现象；又比如，还有些作业面存在凸起的焊缝，轮式爬壁机器人的滚轮经过焊缝时，机器人吸盘与作业面的距离增大，从而导致机器人的吸附力骤减并使机器人下溜，严重时甚至发生坠落，引发生产事故。

目前，常用的解决上述的爬壁机器人打滑及下溜的办法是事先在作业区域的上部安装防坠器，防坠器实时检测机器人的运动状态，从而达到防止机器人发生坠落事故的目的。但是，安装防坠器的方法仍然存在一定的安全隐患，比如，需要额外的时间用于安装和卸载防坠器，并且，随着作业面的转移更换，需要在不同作业面上反复多次的卸载和安装防坠器，拆装操作费事费力，大大地影响了作业效率；又比如，在有些作业场地，因条件限制可能无法安装防坠器，或者一些特种作业机器人如喷漆爬壁机器人等，因机器人的结构及作业任务相对特殊，其作业时不便在作业面上安装防坠器。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种立面作业爬壁机器人及其防坠滑装置，旨在解决现有技术中的立面作业爬壁机器人采用在作业面上安装防坠器进行防坠监测存在防坠器安装不便及防坠器拆装繁琐的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种防坠滑装置，包括设置于机器人主体上的防坠保护机构和防坠控制模块，所述防坠保护机构包括活动安装于机器人主体上的电磁吸附件，所述电磁吸附件内设置有激磁线圈，所述防坠控制模块包括重力加速度传感器和激磁电路，所述重力加速度传感器用于采集机器人主体沿重力方向的加速度值并判断所述机器人主体处于正常作业状态或跌落状态，所述激磁电路电性连接所述重力加速度传感器和所述激磁线圈；

所述重力加速度传感器检测所述机器人主体处于跌落状态时，所述激磁电路与所述激磁线圈电性导通，所述激磁线圈得电产生电磁力并使所述电磁吸附件磁性吸附至作业面上；

所述重力加速度传感器检测所述机器人主体处于正常作业状态时，所述激磁电路与所述激磁线圈电性断路，所述激磁线圈失电并使所述电磁吸附件回复至脱离所述作业面。

进一步地，所述防坠保护机构还包括用于将所述电磁吸附件活动连接于所述机器人主体上的连接组件，所述连接组件包括弹性连接件，所述弹性连接件相对的两端部分别与所述电磁吸附件和所述机器人主体相连。

进一步地，所述连接组件还包括支撑架、滑杆和限位螺母，所述支撑架具有相对设置的第一侧部和第二侧部，所述第一侧部与所述机器人主体相连，所述第二侧部悬空设置并开设有用于供所述滑杆穿设的穿插长孔，所述滑杆具有相对的第一端和第二端，所述滑杆的第一端和第二端分别从所述穿插长孔的两孔口伸出，所述限位螺母连接于所述滑杆的第一端，所述弹性连接件套设于所述滑杆的第一端并弹性抵持于所述限位螺母与所述支撑架的所述第二侧部之间，所述电磁吸附件连接于所述滑杆的第二端，所述滑杆能于所述穿插长孔内相对所述支撑架作往复直线运动。

进一步地，所述连接组件还包括嵌固于所述穿插长孔内的直线轴承，所述滑杆穿设所述直线轴承，所述滑杆通过所述直线轴承与所述支撑架的所述第二侧部滑动连接。

进一步地，所述连接组件还包括缓冲垫，所述防坠滑装置还包括防滑垫，所述缓冲垫套设于所述滑杆的第二端并夹设于所述电磁吸附件与所述支撑架之间，所述防滑垫设置于所述电磁吸附件靠近作业面的一端。

进一步地，所述重力加速度传感器设置有用于判断所述机器人主体是否处于跌落状态的加速度门槛值，当所述重力加速度传感器检测到所述机器人主体沿重力方向的加速度值小于所述加速度门槛值时，所述重力加速度传感器判断所述机器人主体处于跌落状态，当所述重力加速度传感器检测到所述机器人主体沿重力方向的加速度值大于或等于所述加速度门槛值时，所述重力加速度传感器判断所述机器人主体处于正常作业状态。

进一步地，所述防坠滑装置还包括用于对所述电磁吸附件的磁吸力进行无级调节的解吸控制模块，所述解吸控制模块与所述激磁电路电性连接，并控制所述激磁电路逐级减弱其供给所述激磁线圈的电流至使所述激磁电路与所述激磁线圈电性断路，从而使所述激磁线圈失电并使所述电磁吸附件回复至脱离作业面。

进一步地，所述解吸控制模块为脉冲宽度调制模块。

进一步地，所述防坠控制模块还包括用于使所述激磁电路的电流连续平稳地输入给所述激磁线圈的驱动保护电路，所述解吸控制模块通过所述驱动保护电路与所述激磁线圈连接；所述驱动保护电路包括一微分电路和一泄放回路，所述微分电路包括一电容和一第一电阻，所述泄放回路包括一二极管和一第二电阻，所述二极管的正极与所述第二电阻的第一端连接，所述二极管的负极与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述电容的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述电容的第二端连接，所述电容的第二端与所述激磁线圈的第一端连接，所述第一电阻的第一端与所述激磁线圈的第二端连接。。

本实用新型提供的防坠滑装置中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：采用重力加速度传感器对机器人主体的运动状态进行检测，将内置有激磁线圈的电磁吸附件活动安装于机器人主体上，重力加速度传感器通过激磁电路与激磁线圈电性连接，重力加速度传感器检测机器人主体的作业状态并控制激磁电路与激磁线圈的电性导通，从而控制电磁吸附件磁性吸附于作业面上。如此，设置具有自由落体检测功能的重力加速度传感器检测机器人主体的作业状态，重力加速度传感器灵敏度高、响应速度快，从而能够实现防坠滑的快速响应，机器人主体出现下溜时及时控制机器人主体磁吸固定于作业面上，从而避免其发生坠滑；并且，在机器人主体上安装防坠滑装置即可有效防止爬壁机器人立面作业时发生坠滑，防坠滑装置集成设置于机器人主体上，无需在作业面上安装额外的防坠器，防坠滑装置能够随机器人主体的转移而转移，使用更加方便灵活。

本实用新型的另一技术方案是：一种立面作业爬壁机器人，包括机器人主体，还包括上述的防坠滑装置，所述防坠滑装置设置于所述机器人主体与所述机器人主体的作业面之间。

本实用新型的立面作业爬壁机器人，由于使用了上述的防坠滑装置，其能够有效的防止爬壁机器人在立面作业时发生坠滑、降低坠落风险；并且，作业时无需在作业面上安装额外的防坠器，防坠滑检测装置取代人为于作业面上安装防坠器，防坠滑装置随机器人主体转移而同步灵活转移，能够大大节省爬壁机器人的辅助作业时间，从而提高爬壁机器人的作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的防坠滑装置的结构示意图；

图2为图1所示的防坠滑装置的剖视图；

图3为图1所示的防坠滑装置安装于机器人主体上的应用视图一；

图4为图1所示的防坠滑装置安装于机器人主体上的应用视图二；

图5为图1所示的防坠滑装置的控制电路的结构示意图；

图6为图1所示的防坠滑装置的控制电路的电路原理图。

其中，图中各附图标记：

10—防坠保护机构 11—电磁吸附件 12—连接组件

13—防滑垫 20—防坠控制模块 21—重力加速度传感器

23—驱动保护电路 24—微控制器模块 30—解吸控制模块

100—机器人主体 121—弹性连接件 122—支撑架

123—滑杆 124—限位螺母 125—直线轴承

126—缓冲垫 200—作业面 231—微分电路

232—泄放回路 1221—第一侧部 1222—第二侧部

1223—穿插长孔。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～6描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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实用新型中的具体含义。

如图1～6所示，本实用新型的一实施例提供了一种防坠滑装置，该防坠滑装置适用于对立面作业的爬壁机器人进行防坠滑保护。具体地，如图1～4所示，该防坠滑装置包括设置于机器人主体100上的防坠保护机构10和防坠控制模块20，防坠保护机构10包括活动安装于机器人主体100上的电磁吸附件11，电磁吸附件11内设置有激磁线圈(图未示)，防坠控制模块20包括重力加速度传感器21和激磁电路(图未示)，重力加速度传感器21用于采集机器人主体100沿重力方向的加速度值并判断机器人主体100处于正常作业状态或跌落状态，激磁电路电性连接重力加速度传感器21和激磁线圈；重力加速度传感器21检测机器人主体100处于跌落状态时，激磁电路与激磁线圈电性导通，激磁线圈得电产生电磁力并使电磁吸附件11磁性吸附至机器人主体100的作业面200上，如图3所示；重力加速度传感器21检测机器人主体100处于正常作业状态时，激磁电路与激磁线圈电性断路，激磁线圈失电并使电磁吸附件11回复至脱离作业面200，如图4所示。

本实用新型实施例提供的防坠滑装置，其采用重力加速度传感器21对机器人主体100的运动状态进行检测，将内置有激磁线圈的电磁吸附件11活动安装于机器人主体100上，重力加速度传感器21通过激磁电路与激磁线圈电性连接，重力加速度传感器21检测机器人主体100的作业状态并控制激磁电路与激磁线圈的电性导通，从而控制电磁吸附件11磁性吸附于作业面200上。具体地，当重力加速度传感器21检测到机器人主体100发生下溜打滑或坠落，即机器人主体100处于跌落状态时，重力加速度传感器21直接驱动激磁电路与激磁线圈电性导通，此时电磁吸附件11内的激磁线圈得电产生磁力线，磁力线经电磁吸附件11传导至作业面200上并通过作业面200闭合，电磁吸附件11产生电磁吸引力，并使电磁吸附件11吸附于作业面200上，从而将机器人主体100牢固地附着于作业面200而不再继续下跌；当重力加速度传感器21检测机器人主体100处于正常作业状态时，机器人主体100的控制器(如STM32微控制器)等能够控制激磁电路与激磁线圈电性断路，此时激磁线圈失电，电磁吸附件11的电磁吸附力消失并脱离作业面200，机器人主体100便可继续进行自由作业。

如此，设置具有自由落体检测功能的重力加速度传感器21检测机器人主体100的作业状态，重力加速度传感器21灵敏度高、响应速度快，从而能够实现防坠滑的快速响应，并且，重力加速度传感器21直接控制激磁电路与激磁线圈的电性导通，从而直接控制电磁吸附件11吸附至作业面200，无需设置其他的驱动机构驱动电磁吸附件11运动至与作业面200相吸，结构简单且磁吸过程响应速度快，能够快速高效的控制机器人主体100磁吸固定于作业面200上，从而避免其发生坠滑；此外，在机器人主体100上安装防坠滑装置即可有效防止爬壁机器人立面作业时发生坠滑，防坠滑装置集成设置于机器人主体100上，无需在作业面200上安装额外的防坠器，防坠滑装置能够随机器人主体100的转移而转移，使用更加方便灵活。

具体地，由于重力加速度传感器21是基于iMEMS半导体技术的传感器，iMEMS半导体技术把微型机械结构与电子电路集成在同一颗芯片上，使得重力加速度传感器21能够实现对单轴、双轴甚至三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出，从而实现对单轴、双轴甚至三轴加速度的准确检测。在本实施例中，重力加速度传感器21可以选用多家半导体公司推出基于iMEMS半导体技术的工业级、高性能的重力加速度传感器21，如ADI公司的ADXL345/ADXL350、ST公司的IIS2DH、飞思卡尔的MMZ7260等，这些重力加速度传感器21能够提供特殊的运动侦测功能，可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度，十分适合应用于移动的爬壁机器人。比如，ADXL350重力加速度传感器21能够提供如下多种特殊检测功能：单振/双振检测，活动/非活动监控，自由落体检测等，并且，上述这些检测均在内部完成，无需主机处理器执行任何计算，其中自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落，这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个，检测及输出快速高效。此外，重力加速度传感器21小而薄，分辨率高(13位)，测量范围达±16g，采用数字输出数据，无需进行模数转换，可通过SPI或I2C数字接口访问，非常方便电路板组装，具有高分辨率(4mg/LSB)，可检测低g加速度，内置多种运动状态检测功能和灵活的中断方式，具有快的响应性，比如，如果使能自由落体中断，将重力加速度传感器21的检测速率设置为最高的200Hz，从坠落检测到中断输出的时间仅为100ms。

在本实用新型的另一实施例中，如图1和图2所示，防坠保护机构10还包括用于将电磁吸附件11活动连接于机器人主体100上的连接组件12，连接组件12包括弹性连接件121，弹性连接件121相对的两端部分别与电磁吸附件11和机器人主体100相连。当重力加速度传感器21检测到机器人主体100处于跌落状态时，电磁吸附件11磁性吸附于作业面200上，机器人主体100通过弹性连接件121连接固定于作业面200上从而阻止机器人主体100继续下跌；而当重力加速度传感器21检测到机器人主体100恢复至正常作业状态时，电磁吸附件11电磁吸引力消失，电磁吸附件11与作业面200解吸，并被弹性连接件121弹性拉动至脱离作业面200，机器人主体100继续正常作业。在本实施例中，弹性连接件121优选为具有一定刚性的弹簧等。

在实用新型的另一实施例中，如图1和图2所示，连接组件12还包括支撑架122、滑杆123和限位螺母124，支撑架122具有相对设置的第一侧部1221和第二侧部1222，支撑架122的第一侧部1221与机器人主体100相连，如与机器人主体100用于安装车轮的车轮架相连等，支撑架122的第二侧部1222悬空设置，即支撑架122的第二端为自由端，其不与机器人主体100连接，支撑架122的第二侧部1222还开设有用于供滑杆123穿设的穿插长孔1223，滑杆123具有相对的第一端和第二端，滑杆123的第一端和第二端分别从穿插长孔1223的两孔口伸出，限位螺母124连接于滑杆123的第一端，具体地，限位螺母124连接于滑杆123第一端的端部位置处，弹性连接件121套设于滑杆123的第一端并弹性抵持于限位螺母124与支撑架122的第二侧部1222之间，电磁吸附件11连接于滑杆123的第二端，滑杆123能够于穿插长孔1223内相对支撑架122作往复直线运动。具体地，当重力加速度传感器21检测到机器人主体100处于跌落状态时，电磁吸附件11与作业面200磁性相吸，此时，电磁吸附件11带动滑杆123于穿插长孔1223内朝向作业面200运动至吸附于作业面200，同时，弹性连接件121被限位螺母124和支撑架122压缩，电磁吸附件11受到弹性连接件121的弹性推力，从而能够增加电磁吸附件11于作业面200之间的连接力，使电磁吸附件11能够更加牢固的吸附固定于作业面200上，确保机器人主体100稳定的固定与作业面200上不再发生滑动，如图3所示；而当重力加速度传感器21检测到机器人主体100恢复至正常作业状态时，机器人主体100的控制器(如STM32微控制器)等能够控制激磁电路与激磁线圈电性断路，电磁吸附件11电磁吸引力消失，电磁吸附件11与作业面200解吸，弹性连接件121朝背离作业面200的方向弹性拉动电磁吸附件11朝机器人主体100运动至脱离作业面200，如图4所示。

如此，如图1和图2所示，电磁吸附件11安装于滑杆123的端部，滑杆123套设于支撑架122内，滑杆123支撑电磁吸附件11，支撑架122到支撑滑杆123，滑杆123套设于穿插长孔1223内则能对滑杆123及电磁吸附件11的运动起限位作用。优选地，在本实施例中，支撑架122垂直作业面200设置，穿插长孔1223的轴线垂直作业面200，即滑杆123垂直作业面200设置，电磁吸附件11跟随滑杆123沿垂直作业面200的方向往复移动，确保当重力加速度传感器21检测到机器人主体100处于跌落状态时，电磁吸附件11能够以最短的距离运动至吸附于作业面200，提高响应速度。

优选地，在本实施例中，如图4所示，当机器人主体100处于正常作业状态时，即激磁线圈不通电时，电磁吸附件11与作业面200之间的间隔距离L约为5mm～15mm，将电磁吸附件11与作业面200之间的距离控制在上述范围，以确保机器人主体100在正常作业状态下，电磁吸附件11不与作业面200接触，从而不影响机器人主体100的自由作业，而当重力加速度传感器21检测到机器人主体100处于跌落状态时，电磁吸附件11能正常且及时的运动至吸附于作业面200上。具体地，电磁吸附件11与作业面200之间的间隔距离L可以为5mm、8mm、10mm、12mm、14mm和15mm等。当然，在一些另外的实施例中，电磁吸附件11与作业面200之间的间隔距离L也可以为其他的数值，只需要确保电磁吸附件11在正常作业状态下不影响机器人主体100正常作业，在跌落状态下能够牢固吸附至作业面200即可，此处对电磁吸附件11与作业面200之间的具体间隔L距离不做唯一限定。

在本实用新型的另一实施例中，如图1和图2所示，连接组件12还包括嵌固于穿插长孔1223内的直线轴承125，滑杆123穿设直线轴承125，滑杆123通过直线轴承125与支撑架122的第二侧部1222滑动连接；即直线轴承125夹设于滑杆123与穿插长孔1223的孔壁之间，直线轴承125的内圈紧贴滑杆123的外壁面，直线轴承125的外圈紧贴穿插长孔1223的孔壁。直线轴承125具有摩擦小且摩擦不随滑杆123移动速度发生变化、稳定性好等优点，如此，通过设置直线轴承125将滑杆123滑动安装于穿插长孔1223内，滑杆123能够保持高灵敏度、高精度的平稳直线运动，从而确保电磁吸附件11能够快速移动至牢固吸附于作业面200上，为本实施例的防坠滑装置防坠滑的高效响应提供保障。

在本实用新型的另一实施例中，如图1和图2所示，连接组件12还包括缓冲垫126，缓冲垫126套设于滑杆123的第二端并夹设于电磁吸附件11与支撑架122之间，设置缓冲垫126用于缓冲电磁吸附件11与支撑架122之间的撞击力，降低电磁吸附件11与支撑架122的撞击受损率。优选地，在本实施例中，缓冲垫126为橡胶缓冲垫126片等。

在本实用新型的另一实施例中，如图1和图2所示，防坠滑装置还包括防滑垫13，防滑垫13设置于电磁吸附件11靠近作业面200的一端。设置防滑垫13，一方面能够提高电磁吸附件11吸附于作业面200时的摩擦力，更近一步地的确保电磁吸附件11不会在吸附状态下发生滑动，从而更好的保证吸附的稳定性，提高本实施例的防坠滑状放防坠滑的可靠性；另一方面，防滑垫13还能起到减震缓冲的作用，以缓冲电磁吸附件11吸附至作业面200时的冲击力，减震同时降低电磁吸附件11的撞击受损度。优选地，在本实施例中，防滑垫13为高阻尼减震橡胶垫。

在本实用新型的另一实施例中，如图1和图2所示，电磁吸附件11优选为圆形状或者方形状的电磁吸盘，防滑垫13为中间凹陷的喇叭状吸盘结构，以确保其能够更好的吸附于作业面200上。

此外，在本实施例中，电磁吸盘的电磁吸引力优选为10～16公斤每平方厘米，比如，使用一个长宽均为10cm的方形状电磁吸盘，其电磁吸力最大可达1600公斤，如此，即可确保机器人主体100被牢固的吸附于作业面200上，无法继续滑行跌落。防坠机构采用具有强磁吸力的电磁吸盘，本实施例的防坠滑装置整体体积小、重量轻、结构简单，将其安装于机器人主体100上，不会过多的增加机器人主体100的重量而导致机器人负载能力降低。

在本实用新型的另一实施例中，如图5和图6所示，重力加速度传感器21设置有用于判断机器人主体100是否处于跌落状态的加速度门槛值，当重力加速度传感器21检测到机器人主体100沿重力方向的加速度值小于加速度门槛值时，重力加速度传感器21判断机器人主体100处于跌落状态，当重力加速度传感器21检测到机器人主体100沿重力方向的的加速度值大于或等于加速度门槛值时，重力加速度传感器21判断机器人主体100处于正常作业状态。具体地，重力加速度传感器21内设置有加速度门槛寄存器，该加速度门槛寄存器用于设置上述的加速度门槛值，重力加速度传感器21能够通过中断设置寄存器来对加速度门槛寄存器进行加速度门槛值设置，比如，在本实施例中，使用STM32微控制器通过I2C总线来对重力加速度传感器21的加速度门槛寄存器进行加速度门槛值设置。如此，使用重力加速度传感器21时，先设置重力加速度的加速度门槛值，使用时，重力加速度传感器21实时采集机器人主体100沿重力方向的加速度值，并将检测到的加速度值与预先设定的加速度门槛值进行比对，通过比对检测值与设定值的大小来判断机器人主体100所处的运动状态。具体地，以下以落体检测为例说明重力加速度传感器21的检测原理和中断配置方法(中断配置指重力加速度传感器21控制激磁电路与激磁线圈电性导通)。

可以理解的是，机器人主体100如果处于静止或匀速状态，就只受重力加速度的影响，此时，机器人主体100在X轴、Y轴和Z轴三个轴上的重力加速度矢量和为1g。反之，如果机器人主体100如果处于自由落体状态，理论上在物体的X轴、Y轴和Z轴三个轴上的加速度均为零，而在实际情况中，由于机器人主体100是打滑下溜，因此，三个轴上的加速度矢量和应为某一较小的数值。需要说明的是，在本实施例中“1g”是指一个单位的重力加速度，“Xg”是指X个单位的重力加速度，“Xmg”是指X/1000个单位的重力加速度。

如此，静止时，设定机器人主体100在X轴、Y轴和Z轴具有一个理论上的上限参考值，比如设定三个轴上的加速度不可能同时小于577mg。同时，考虑到加速度传感器在0g时的误差和温度变化对测量精度的影响，为防止误触发，可以将这个加速度门槛值设定为Xmg，且该加速度门槛值稍小于机器人主体100加速起动和减速停止时的加速度值Ymg。加速度门槛值Xmg设定后，如果三个轴上的加速度同时小于X mg，我们就可以认为机器人主体100处于下滑坠落状态，此时即可触发中断。需要注意的是，这个加速度门槛值是一个绝对值，并且加速度门槛值对X轴、Y轴和Z轴三个轴都是有效的，因此，我们可以设置加速度在某一轴上超过加速度门槛值就产生中断(“或”的关系)或者加速度在三个轴上都超过加速度门槛值才产生中断(“与”的关系)。这样，在使用本实施例的防坠滑装置时，应该根据机器人主体100的移动方式选择中断触发方式，对于履带式爬壁机器人，因该机器人的防倾覆结构，机器人移动方式只能上行和退后，因此，可以选择设置加速度在某一轴上超过加速度门槛值就产生中断，以“或”的关系作为中断的判定条件；而对于轮式爬壁机器人而言，其可以在壁面全方位移动，则需要选择设置加速度在三个轴上同时超过加速度门槛值才产生中断，以“与”的关系作为中断的判定条件。

进一步地，由于机器人主体100的运动过程通常包括静止、加速起动、匀速移动、减速、停止这几个过程，因此，只需将加速和减速过程适当延长，使该过程的加速度值较小，然后设置加速度门槛值稍小于该值，即可提高机器人主体100下溜坠落检测的灵敏度和可靠性。

在本实用新型的另一实施例中，如图5和图6所示，防坠滑装置还包括用于对电磁吸附件11的磁吸力进行无级调节的解吸控制模块30，解吸控制模块30与激磁电路电性连接，并控制激磁电路逐级减弱其供给激磁线圈的电流至使激磁电路与激磁线圈电性断路，从而使激磁线圈失电并使电磁吸附件11回复至脱离作业面200。机器人主体100通过电磁吸附件11将机器人主体100牢固地吸附于作业面200后，由于电磁吸附件11的吸附力和摩擦力较大，吸附时，机器人主体100无法正常移动，此时如直接将电磁吸附件11内激磁线圈断电，机器人主体100仍有继续下溜坠落的可能；如此，在解除电磁吸附件11与作业面200的吸附力时，设置解吸控制模块30进行无级调节，控制激磁电路逐渐减弱其供给激磁线圈的电流，从而控制激磁线圈产生的电磁线逐渐减少，电磁吸附件11的激磁线圈不是直接断电，这样，电磁吸附件11的电磁吸力逐渐减小，从而使电磁吸附件11缓缓的从作业面200上解吸，避免出现骤然解吸机器人受自身重力影响而继续下滑，从而实现吸附的安全解除，确保机器人主体100在解吸后能够马上进入稳定的作业状态。

具体地，在本实施例中，如图5和图6所示，解吸控制模块30为脉冲宽度调制模块(PWM)。具体地，当机器人主体100稳定的吸附于作业面200后，控制PWM输出方波，逐级提高PWM方波的占空比，从而逐渐减弱激磁电路供给激磁线圈的电流，当电流减弱至电磁吸附件11的电磁吸力小于弹性连接件121的弹性拉力时，电磁吸附件11在弹性连接件121的弹力作用下脱离作业面200并回复至初始状态。

更具体地，在本实施例中，可以通过设置微控制器(如STM32微控制器等)控制调节PWM方波的占空比，电磁吸附件11的电流供给则可以采用功率MOSFET开关管实现逐级调节。

优选地，在本实施例中，电磁吸附件11内激磁线圈的电流可在1mA和额定电流范围类调节。

在本实用新型的另一实施例中，如图5和图6所示，防坠控制模块20还包括驱动保护电路23，解吸控制模块30通过驱动保护电路23与激磁线圈连接，以用于使激磁电路的电流连续平稳地输入给激磁线圈，从而使电磁吸附件11能够平稳的吸附于作业面200上。具体地，在本实施例中，驱动保护电路23包括一个微分电路231和一个泄放回路232，微分电路231包括一个电容和一个第一电阻，泄放回路232包括一个二极管和一个第二电阻，二极管的正极与第二电阻的第一端连接，二极管的负极与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端与电容的第一端连接，第二电阻的第二端与电容的第二端连接，电容的第二端与激磁线圈的第一端连接，第一电阻的第一端与激磁线圈的第二端连接。其中，微分电路231的作用是电磁吸附件11通电时可以使通过电磁吸附件11的电流连续平稳，使吸力均匀稳定；由于电磁吸附件11内的激磁线圈是感性负载，在通电时激磁线圈存储了大量磁场能量，在断开电源的一瞬间，激磁线圈的两端产生较高的自感电动势，泄放回路232则可将此自感电动势通过二极管和第二电阻进行泄放，这时微分电路231的电容和第一电阻也是一个放电回路，它是利用电容两端的电压不能突变的特点，使激磁线圈两端电压变化趋于缓慢，从而利用第一电阻消耗电磁能量，确保产生均匀稳定的电磁吸力。

具体地，如图5和图6所示，所示，其示出了本实施例的防坠滑装置的控制电路图，如下以该电路图作为列对本实用新型实施例的防坠滑装置的防坠滑控制过程进行具体说明，需要说明的是，下述说明仅为示例性的说明，而非唯一限定。

如图5和图6所述，本实施例的防坠滑装置设置有微控制器模块24、防坠控制模块20、解吸控制模块30、驱动保护电路23和电磁吸附件11组成，其中微控制器模块24包括STM32微控制器，防坠控制模块20包括ADXL350重力加速度传感器21，解吸控制模块30包括一个STM32微控制器、ADXL350重力加速度传感器21、D触发器74HC74、或门74HC32、与门74HC08、高速光耦FOD3180S、功率MOSFET管IRF540等，驱动保护电路23包括由第一电阻R4和电容C1组成的微分电路231和由二极管D1和第二电阻R3组成的泄放回路232。各器件的连接关系如图2，微控制器STM32通过I2C总线接口SCL、SDA连接ADXL350相应端口，STM32的外部中断输入引脚EINT连接ADXL350的中断唤醒端口INT2，电磁吸附件11YH接线端一端接功率电源VPP，另一端接IRF540的源极S，IRF540的漏极D接功率电源地；R4、C1串接并联在电磁吸附件11的两引线端构成一个微分电路231，二极管D1和电阻R3先串接再并联在电磁吸附件11的两引线端构成一个泄放回路232。

ADXL350能够提供两个中断配置寄存器以及互相独立的加速度门槛寄存器，一个中断信号用于跌落检测，另一个中断信号可以用来唤醒通知STM32微控制器，即当检测到的加速度值大于设定的加速度门槛值时，就会产生唤醒中断。

本实施例中，当机器人主体100工作时，微控制器STM32先按如下顺序进行设置工作：先将RST_P引脚设置为低电平输出，通过I2C总线对ADXL350重力加速度传感器21进行设置，将ADXL350的工作模式设置为落体检测，设置以最高200Hz的速率检测，设置ADXL350两个中断配置寄存器以及互相独立的加速度门槛寄存器，INT1中断信号用于跌落检测，INT2中断信号用于唤醒通知微控制器STM32，配置2个中断输出设置为上升沿触发；配置与PWM相关的定时器为PWM工作模式并设置未启动时输出为低电平；微控制器STM32同时将外部中断输入端口EINT设置为上升沿触发；最后再将RST_P引脚切换为高电平输出。

D触发器74HC74上电时，PRE和CLR引脚接电源VDD，初始状态Q为0，Q非为1，Q非与D相连D为1。此时开关管IN540的栅极为低电平，开关管IN540不导通，电磁吸附件11不通电，电磁吸附件11与作业面200之间存在一定的间隙，机器主体人可以正常移动。在微控制器STM32上电进行设置工作过程中，由于先将RST_P引脚设置为低电平输出，有U3A、U3B和U4A组成的门电路输出为低，最后再将RST_P引脚切换为高电平输出时，此时由于U3A、U3B各有一个输入引脚为低电平，门电路输出扔保持为低，在此过程中74HC74的CLK引脚一直为低电平并保持不变，Q非输出也一直维持不变。

当机器人出现打滑下溜坠落现象时，此时ADXL350重力加速度传感器21坠落检测到输出中断的时间为100ms，INT1引脚变为高，U3B的两个输入引脚都为高电平，通过门电路使得74HC74的CLK引脚有上升沿脉冲，74HC74的Q输出信号翻转为1，Q非输出信号翻转为0，此时或门74HC32D的U4B的两个输入端口均为低电平，U4B的输出端口也翻转变为低电平，通过高速光耦FOD3180S驱动功率MOSFET开关管IRF540导通，电磁吸附件11YH内部的激磁线圈通直流电后产生磁力线，该磁力线传导到电磁吸附件11上并通过作业面200而闭合，产生电磁吸引力，使电磁吸附件11快速吸附至作业面200上，通过滑杆123为机器人主体100提供吸附力和向上的摩擦拉力。同时通过弹性连接件121(弹簧等)增加机器人主体100与作业面200的吸附力，抑制机器人主体100坠落下溜，将机器人主体100牢固地吸附于作业面200。同时ADXL350的另一个中断INT2输出也变高唤醒通知微控制器STM32，并且，这里直接由ADXL350重力加速度传感器21驱动控制电磁吸附件11的通电而不经过微处理器STM32，可以有效的缩短响应时间，从发生坠落到电磁吸附件11快速吸附在作业面200的时间大约350ms。D触发器74HC74在这个开关控制电路中，可把ADXL350重力加速度传感器21的触发脉冲信号一直锁存，实现电位的翻转和保持。

机器人主体100通过电磁吸附件11将机器人主体100牢固地吸附于作业面200后，由于电磁吸附件11的吸附力和摩擦力较大，机器人主体100无法正常移动。此时如直接将电磁吸附件11断电，机器人主体100仍有继续下溜坠落的可能。此时，通过遥控器启动微控制器STM32的PWM输出方波，输出频率为500Hz占空比为1％的方波，延时一段时间后微控制器STM32复位重力加速度传感器21ADXL540并重新启动下一次的坠落检测，此时重力加速度传感器21的INT1端口变为低电平，然后微控制器STM32的RST_P引脚输出一低电平脉冲，在RST_P引脚变为低电平，由U3A、U3B和U4A组成的门电路输出也有高电平变为低电平，在RST_P引脚变为低电平，由于此时U3A的两个输入引脚都为高电平，通过门电路使得74HC74的CLK引脚有第二次上升沿脉冲，D触发器74HC74的Q和Q非原状态恢复。在此过程中74HC32 U4B输出端输出频率为500Hz占空比为1％的方波，在此过程中电磁吸附件11仍然通电。通过遥控器控制微控制器STM32逐渐提高PWM方波的占空比，电磁吸附件11的供电采用功率MOSFET开关管实现无极调节磁力，可以达到控制吸力的目的，通过改变PWM占空比，改变通过电磁吸附件11的电流，电磁吸附件11电流可在1mA和额定电流范围类调节，实现磁力无级调节。通过观察机器人，逐级提高PWM的占空比，直至电磁吸附件11的吸力小于弹性连接件121的拉力，电磁吸附件11在弹性连接件121拉力作用下，脱离作业面200恢复原状态。如电磁吸附件11在弹性连接件121拉力作用下，脱离作业面200，机器人主体100又有出现下溜坠落的现象，此时ADXL350重力加速度传感器21坠落检测输出INT1引脚重新变为高电平，电磁吸附件11又可重新上电并吸附至作业面200。

本实用新型的另一实施例还提供了一种立面作业爬壁机器人，包括机器人主体100，还包括上述的防坠滑装置，防坠滑装置设置于机器人主体100与机器人主体100的作业面200之间。

本实用新型的立面作业爬壁机器人，由于使用了上述的防坠滑装置，其能够有效的防止爬壁机器人在立面作业时发生坠滑、降低坠落风险；并且，作业时无需在作业面200上安装额外的防坠器，防坠滑检测装置取代人为于作业面200上安装防坠器，防坠滑装置随机器人主体100转移而同步灵活转移，能够大大节省爬壁机器人的辅助作业时间，从而提高爬壁机器人的作业效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防坠滑装置，其特征在于，包括设置于机器人主体上的防坠保护机构和防坠控制模块，所述防坠保护机构包括活动安装于机器人主体上的电磁吸附件，所述电磁吸附件内设置有激磁线圈，所述防坠控制模块包括重力加速度传感器和激磁电路，所述重力加速度传感器用于采集机器人主体沿重力方向的加速度值并判断所述机器人主体处于正常作业状态或跌落状态，所述激磁电路电性连接所述重力加速度传感器和所述激磁线圈；

所述重力加速度传感器检测所述机器人主体处于跌落状态时，所述激磁电路与所述激磁线圈电性导通，所述激磁线圈得电产生电磁力并使所述电磁吸附件磁性吸附至作业面上；

所述重力加速度传感器检测所述机器人主体处于正常作业状态时，所述激磁电路与所述激磁线圈电性断路，所述激磁线圈失电并使所述电磁吸附件回复至脱离作业面。

2.根据权利要求1所述的防坠滑装置，其特征在于：所述防坠保护机构还包括用于将所述电磁吸附件活动连接于所述机器人主体上的连接组件，所述连接组件包括弹性连接件，所述弹性连接件相对的两端部分别与所述电磁吸附件和所述机器人主体相连。

3.根据权利要求2所述的防坠滑装置，其特征在于：所述连接组件还包括支撑架、滑杆和限位螺母，所述支撑架具有相对设置的第一侧部和第二侧部，所述第一侧部与所述机器人主体相连，所述第二侧部悬空设置并开设有用于供所述滑杆穿设的穿插长孔，所述滑杆具有相对的第一端和第二端，所述滑杆的第一端和第二端分别从所述穿插长孔的两孔口伸出，所述限位螺母连接于所述滑杆的第一端，所述弹性连接件套设于所述滑杆的第一端并弹性抵持于所述限位螺母与所述支撑架的所述第二侧部之间，所述电磁吸附件连接于所述滑杆的第二端，所述滑杆能于所述穿插长孔内相对所述支撑架作往复直线运动。

4.根据权利要求3所述的防坠滑装置，其特征在于：所述连接组件还包括嵌固于所述穿插长孔内的直线轴承，所述滑杆穿设所述直线轴承，所述滑杆通过所述直线轴承与所述支撑架的所述第二侧部滑动连接。

5.根据权利要求3所述的防坠滑装置，其特征在于：所述连接组件还包括缓冲垫，所述防坠滑装置还包括防滑垫，所述缓冲垫套设于所述滑杆的第二端并夹设于所述电磁吸附件与所述支撑架之间，所述防滑垫设置于所述电磁吸附件靠近作业面的一端。

6.根据权利要求1～5任一项所述的防坠滑装置，其特征在于：所述重力加速度传感器设置有用于判断所述机器人主体是否处于跌落状态的加速度门槛值，所述重力加速度传感器检测所述机器人主体沿重力方向的加速度值。

7.根据权利要求1～5任一项所述的防坠滑装置，其特征在于：所述防坠滑装置还包括用于对所述电磁吸附件的磁吸力进行无级调节的解吸控制模块，所述解吸控制模块与所述激磁电路电性连接，并控制所述激磁电路逐级减弱其供给所述激磁线圈的电流至使所述激磁电路与所述激磁线圈电性断路，从而使所述激磁线圈失电并使所述电磁吸附件回复至脱离作业面。

8.根据权利要求7所述的防坠滑装置，其特征在于：所述解吸控制模块为脉冲宽度调制模块。

9.根据权利要求7所述的防坠滑装置，其特征在于：所述防坠控制模块还包括用于使所述激磁电路的电流连续平稳地输入给所述激磁线圈的驱动保护电路，所述解吸控制模块通过所述驱动保护电路与所述激磁线圈连接；所述驱动保护电路包括一微分电路和一泄放回路，所述微分电路包括一电容和一第一电阻，所述泄放回路包括一二极管和一第二电阻，所述二极管的正极与所述第二电阻的第一端连接，所述二极管的负极与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与所述电容的第一端连接，所述第二电阻的第二端与所述电容的第二端连接，所述电容的第二端与所述激磁线圈的第一端连接，所述第一电阻的第一端与所述激磁线圈的第二端连接。

10.一种立面作业爬壁机器人，包括机器人主体，其特征在于，还包括权利要求1～9任一项所述的防坠滑装置，所述防坠滑装置设置于所述机器人主体与所述机器人主体的作业面之间。

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