一种爬壁机器人及其主动粘附控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109720431A(43)申请公布日2019.05.07(21)申请号201910155999.X(22)申请日2019.03.01(71)申请人天津理工大学地址300384天津市西青区宾水西道391号(72)发明人孙磊王凯刘朝华祁宇明邓三鹏周旺发(74)专利代理机构天津市尚文知识产权代理有限公司12222代理人程昊(51)Int.Cl.B62D57/024(2006.01)B60B19/00(2006.01)权利要求书3页说明书10页附图5页(54)发明名称一种爬壁机器人及其主动粘附控制方法(57)摘要一种爬壁机器人，安装有4个磁轮，分别由环形铷磁铁、钢盘和轮毂构成；所述环形铷磁铁和钢盘形成嵌套式结构，应用于大型球形储罐的探伤爬壁机器人的主动粘附控制领域中，利用磁粘附力主动控制策略，借助反向传播神经网络，通过主动粘附控制方法实现自动实时监测及磁粘附力的控制；其结构简单，操作方便，精度高，抗干扰能力强。CN109720431ACN109720431A权利要求书1/3页1.一种爬壁机器人，其特征在于所述爬壁机器人上安装有4个车轮；所述4个车轮均为磁轮，每个磁轮均由环形铷磁铁、钢盘和轮毂构成；所述环形铷磁铁和钢盘形成嵌套式结构，其中，所述环形铷磁铁是由环形铷磁铁I和环形铷磁铁II构成，所述钢盘是由钢盘I和钢盘II构成；所述钢盘I和钢盘II位于环形铷磁铁I和环形铷磁铁II之间；所述轮毂与环形铷磁铁以及钢盘之间通过低通磁导率的螺钉连接；所述轮毂置于环形铷磁铁外侧。2.根据权利要求1所述一种爬壁机器人，其特征在于所述环形铷磁铁、钢盘和轮毂共同构成嵌套式组件结构的车轮，其外部覆盖有高硬度聚氨酯橡胶材料，组成粘附磁轮结构。3.根据权利要求2所述一种爬壁机器人，其特征在于所述4个车轮均为无源永磁体式磁轮；由于爬壁机器人在球罐内执行检测任务时，表面粘附直接取决于重力沿接触表面的法相分量FN的影响；然而，爬壁机器人通常具有平行于接触面的自由度，法向力一定程度上可限制机器人的粘附，为避免这种影响，可采用主动重力补偿器通过爬壁机器人的磁轮与球罐内表面接触的方式，以消除法向力的影响；但通过永磁体的粘附方式无法实现对表面粘附力的主动控制，当发生干扰时，机器人仍有坠落的风险；因此，为了防止此现象发生，采用粘附力主动控制策略，使用无源永磁体作为支撑，通过电磁铁主动控制磁粘附力干扰。4.根据权利要求3所述一种爬壁机器人，其特征在于所述爬壁机器人的4个磁轮中，同侧两个磁轮通过履带连接，由一个电机驱动一侧依履带连接的两个磁轮，从而通过两个电机驱动4个磁轮；所述磁轮可提供45kgf磁粘附力，使机器人能承受自身重量及检测设备。5.一种爬壁机器人主动粘附控制方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)将机器人设置在平地上，进行准备工作，由爬壁机器人本体上部的压力传感器对机器人的载重信息进行检测，将检测数据传输至控制器，并由控制器依据此压力数据计算出机器人装载物品后的总重力，将结果进行存储，保证不超过机器人的最大载重；(2)将爬壁机器人置于待检测球罐表面，启动系统控制器，根据待测球罐表面情况输入爬壁机器人所需跟踪轨迹，使其按照规定的轨迹运行在球罐表面执行检测任务；(3)爬壁机器人运行过程中，由车轮执行器负责产生系统的运动力矩，此运动力矩用于保证能够对抗爬壁机器人在摩擦力和重力的表面分量作用下移动机器人；(4)爬壁机器人在球罐内执行检测任务时，表面粘附直接取决于重力沿接触表面的法相分量FN的影响；然而，爬壁机器人通常具有平行于接触面的自由度，法向力反而会影响爬壁机器人的粘附效果；为避免这种影响，所述步骤(3)中主动重力补偿器通过磁轮这种永磁体方式与球罐内表面接触，以消除法向力的影响；但通过永磁体的粘附方式不允许采用主动控制的方式对表面粘附力进行控制，因此，当发生干扰时，爬壁机器人仍有坠落的风险；防止此现象的方法是采用粘附力主动控制策略，使用无源永磁体作为支撑，通过电磁铁的特性对磁粘附力干扰进行主动控制；根据牛顿运动定律建立爬壁机器人在球罐内部的表面粘附力方程，如公式(4-1)所示：FAdh(t+1)＝FN(φ)-FP(t)-FA(t)+Fdist(t)(4-1)其中，FN是测量的球罐内表面垂直于机身方向的法向力，FP是永磁体的无源力，FA电磁铁的作用力，Fdist是干扰力；(5)随着爬壁机器人位置的变化，其表面磁粘附力的极限是机器人与球罐表面平面垂直的力的平衡，即：∑Fz＝0；如果达到了这个平衡的极限情况，任何干扰力的产生都会使机器人掉落，因此，需设置最小磁粘附力极限∑Fz＝Fdesired，并将此最小磁粘附力极限作为粘2CN109720431A权利要求书2/3页附力主动控制的参考值；建立主动粘附控制