[发明专利]微小步行爬壁机器人及其驱动方法

说明书

本发明属于机器人研制领域。它应归类于用精密机电技术研制的几十毫米量级的微小机器人系统。

随着科学技术的不断发展，机器人的种类日益增多，性能不断改进，工作领域不断扩大，在各种人类难以工作的场合，机器人也能很好地发挥作用，其中微小机器人越来越广泛的应用前景，促使世界上美、日、法等先进国家都投入了大量的人力和资金去研制，而我国在微小机器人的研制方面起步较晚，处于相对落后的水平，这使我国在世界高新技术领域激烈的竞争中处于十分不利的地位。据我们所知，机器人的行走方式可分为车轮式、履带式和步行式，机器人的吸附方式分为真空吸附和电磁吸附，不论采用什么行走方式，都需要电机作驱动源，而机器人的直线行走，又需要通过一些机械装置将电机的圆周运动转换成机构的直线运动，当需要机器人爬壁时，如国内外主要采用的真空负压吸附方式机器人，通常还需要附加泵等机件，这使目前已知机器人的结构复杂，控制难度大，能量利用率低。

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足，而提供一种结构简单、工作可靠、控制灵活、能量转换效率高，且尺寸在几十毫米量级、重量为几十克、能进入微小、狭窄空间在导磁性壁面上和管道内行走的微小步行爬壁机器人及其驱动方法。

本发明的目的可以通过以下方案来达到：

微小步行爬壁机器人，它由本体和两脚组成，本体由机架、永磁体和导轨组成；永磁体固定在机架上，导轨固定在机架前后两侧，导轨两端安装限位器；脚由滑块、驱动线圈、吸附线圈和铁芯组成，滑块与导轨滑动配合，驱动线圈安装在滑块上，滑块下端固接铁芯，吸附线圈缠绕在铁芯上；永磁体成对安装，形成磁场作用于驱动线圈，驱动线圈通电后形成的磁场，作用于永磁体。机架由不导磁的轻型材料制作，导轨是刚度好、表面粗糙度低的非导磁件，永磁体由高磁密度材料制作，滑块为刚度好的轻型材料，铁芯为坡莫合金。

本发明的目的还可以通过以下方案来达到：

微小步行爬壁机器人的驱动方法，利用电磁力直接驱动该机器人完成以下动作：

1)左脚吸附线圈通电，产生磁力，将其吸附在导磁面上，作为本体及右脚移动的支点；左、右脚驱动线圈同时通以正向电流产生磁场，分别与同侧永磁体作用，使本体相对于左脚、右脚相对于本体同时向前移动，完成右脚单步移动；然后左脚吸附线圈断电，右脚吸附线圈通电，产生磁力，将其吸附在导磁面上，作为本体及左脚移动的支点，左、右脚驱动线圈的通电电流反向产生磁场，分别与同侧永磁体作用，使本体相对于右脚、左脚相对于本体同时向前移动，完成左脚单步移动；这样，微小步行爬壁机器人左右脚就分别向前行走一步；

2)动作1)中左右脚驱动线圈的电流反向，微小步行爬壁机器人反向行走；

3)动作1)中两脚吸附与驱动线圈通电电流频率增高，微小步行爬壁机器人加速行走，电流频率降低，微小步行爬壁机器人减速行走；

4)动作1)中调整导轨两端限位器的位置，使其中一脚步幅减小，另一脚步幅保持不变，微小步行爬壁机器人向步幅减小的一侧转弯行走；

5)动作1)中两脚吸附线圈与驱动线圈电压幅值由3.5伏增加到7.5伏，驱动微小步行爬壁机器人在0度到90度的导磁壁面上爬行。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1)结构简单、体积小、重量轻

该微小步行爬壁机器人，由本体和两脚组成，本体由机架、永磁体和导轨及限位器组成；脚由滑块、驱动线圈、吸附线圈和铁芯组成；因此具有结构简单、体积小、重量轻等优点，该微小机器人体积约为40mm×25mm×18mm，重量约为30克。

2)控制灵活方便

该微小步行爬壁机器人，通过控制线圈电流交替通断、改变电流的方向、电流的频率、限位器的位置、电流强度(幅值)，控制机器人吸附和行走、前进和后退、加减速转弯、以及在0-90度导磁壁面上爬行，控制灵活方便。

3)工作可靠故障率低

该微小步行爬壁机器人结构简单、体积小、重量轻并且控制灵活方便，整个机器人系统工作可靠，故障率低，即使出现故障，也易于排除并恢复工作。

4)能量转换效率高

由于利用电磁力直接驱动微小步行爬壁机器人，不存在中间运动转换机构能量损失，因而具有能量转换效率高的优点。

通过实验验证，本专利研制的微小步行爬壁机器人，已实现了直线正反向行走、加减速行走、转弯及爬壁等动作。步幅控制在1-2mm，速度为6-12mm/s。

附图的图面说明如下：

图1：微小步行爬壁机器人立体结构图

图2：微小步行爬壁机器人侧视图

图3：微小步行爬壁机器人主视图