爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置及其方法，屬于石油化工無損檢測應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

為了實現(xiàn)油氣儲罐等大型罐體表面的無損檢測，減輕檢測過程中的人工安全風險與成本，提高檢測效率，無損檢測爬壁機器人得到了廣泛應(yīng)用。無損檢測爬壁機器人通常攜帶無損檢測設(shè)備在罐體表面按照檢測路徑進行掃描式檢測或者點位檢測，需要具備快速的移動效率與可靠的吸附，能夠快速的掃描被檢測區(qū)域或者快速到達待檢位置。對于不同的檢測應(yīng)用、不同的罐體形狀、罐體的不同位置，爬壁機器人的可靠吸附所需要的吸附力是不同的，吸附力的大小直接影響到爬壁機器人的移動靈活性。

現(xiàn)有技術(shù)中以石化油氣儲罐壁面的爬壁機器人為例，吸附方式主要是利用永磁吸附力，永磁吸附力包括永磁吸附、電磁吸附以及二者的結(jié)合等種類，其中永磁吸附以其吸附力大、簡單可靠得到了廣泛的應(yīng)用。halbach永磁陣列是一種新型的永磁體排列方式，其完全由稀土永磁材料構(gòu)成，通過將不同充磁方向的永磁體按照一定的規(guī)律排列，能夠在磁體的一側(cè)匯聚磁力線，而在另一側(cè)削弱磁力線，從而獲得比較理想的單邊磁場，其具備永磁利用率高、漏磁少的特點。

永磁吸附的吸附力不可調(diào)整，導(dǎo)致爬壁機器人每時每刻都必須承受著滿足其最大負載狀態(tài)的永磁吸附力，不能根據(jù)爬壁機器人狀態(tài)實時進行變化。利用halbach永磁陣列，永磁吸附力過大會影響到爬壁機器人的移動靈活性；過小又會導(dǎo)致爬壁機器人的摔落等事故，造成爬壁機器人本體及附屬人員、設(shè)備的損失?，F(xiàn)有的調(diào)整永磁吸附力的方式主要是通過對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)施加外力，手動改變永磁吸附力以調(diào)整爬壁機器人的姿態(tài)。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，目前急需一種解決永磁吸附爬壁機器人吸附力與運動靈活性之間的矛盾，磁能利用率較高、自動實時監(jiān)測并精確控制永磁吸附力的技術(shù)方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種解決永磁吸附爬壁機器人吸附力與運動靈活性之間的矛盾，磁能利用率較高并能夠?qū)崟r監(jiān)測精確控制永磁吸附力的爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置及其方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置，包括爬壁機器人和吸附裝置，吸附裝置設(shè)置在爬壁機器人與磁性爬行壁面相接觸的側(cè)面，其特征在于：還包括永磁驅(qū)動裝置、永磁吸附力檢測裝置、爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置和永磁吸附力控制系統(tǒng)，永磁吸附力檢測裝置和永磁驅(qū)動裝置分別與吸附裝置連接，爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)置在爬壁機器人側(cè)面，通過永磁吸附力控制系統(tǒng)進行控制。

優(yōu)選的，所述的吸附裝置包括halbach永磁陣列和永磁陣列安裝板，halbach永磁陣列安裝在永磁陣列安裝板上。

優(yōu)選的，所述的永磁驅(qū)動裝置包括線性移動絲桿和絲桿電機，線性移動絲桿兩端分別與吸附裝置和絲桿電機連接。

優(yōu)選的，所述的爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置包括二維傾角傳感器，二維傾角傳感器與爬行機器人上側(cè)面平行設(shè)置。

優(yōu)選的，所述的永磁吸附力檢測裝置包括壓力檢測傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，壓力檢測傳感器設(shè)置在所述的吸附裝置的底端，壓力檢測傳感器輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端相連。

優(yōu)選的，所述的爬壁機器人包括驅(qū)動輪、驅(qū)動皮帶和爬壁機器人殼體，驅(qū)動皮帶覆蓋在驅(qū)動輪的表面，驅(qū)動皮帶與磁性爬行壁面相接觸。

爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置的方法，其特征在于：

自適應(yīng)控制方法如下：

步驟1001：爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置實時讀取爬壁機器人的姿態(tài)；

步驟1002：永磁吸附力控制系統(tǒng)計算出當前狀態(tài)下所需的吸附力；

步驟1003：永磁驅(qū)動裝置調(diào)整吸附裝置吸附間隙，以調(diào)整永磁吸附力；

步驟1004：永磁吸附力檢測裝置測量調(diào)整后的永磁吸附力，并將調(diào)整后的永磁吸附力傳送給永磁吸附力控制系統(tǒng)；

步驟1005：永磁吸附力控制系統(tǒng)判斷調(diào)整后的永磁吸附力是否等于步驟1002中計算的吸附力，若不是，則返回步驟1003，若是，進入步驟1006；

步驟1006：永磁吸附力控制系統(tǒng)控制爬壁機器人運動。

優(yōu)選的，步驟1001中所述的讀取爬壁機器人姿態(tài)的方法如下：

爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置獲得爬壁機器人的傾斜角度，檢測的傾斜角度分別為爬壁機器人與被檢測豎直磁性爬行壁面的夾角和爬壁機器人與垂直于磁性爬行壁面的豎直平面的夾角，通過串行通訊方式將爬壁機器人的傾斜角度傳輸給永磁吸附力控制系統(tǒng)。

優(yōu)選的，步驟1003中所述的調(diào)整永磁吸附力的方法如下：

通過永磁驅(qū)動裝置調(diào)整吸附裝置中不同充磁方向的永磁體排列，以改變永磁模塊吸附側(cè)的強磁場分布，來實現(xiàn)永磁吸附力的調(diào)整。

優(yōu)選的，步驟1004中所述的測量調(diào)整后的永磁吸附力的方法如下：

設(shè)置壓力檢測傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，永磁吸附力作用于壓力檢測傳感器，壓力檢測傳感器產(chǎn)生電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成可供控制板采集的模擬信號并傳輸給永磁吸附力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)永磁吸附力的測量。

本發(fā)明的工作原理為：

爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置讀取爬壁機器人的姿態(tài)，計算出當前所需的永磁吸附力，永磁驅(qū)動裝置調(diào)整吸附裝置與磁性爬行壁面的間隙，永磁吸附力檢測裝置檢測調(diào)整后的永磁吸附力，判斷是否繼續(xù)調(diào)整吸附裝置與磁性爬行壁面的間隙。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

1、爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置及其方法，具有解決永磁吸附爬壁機器人吸附力與運動靈活性之間的矛盾、磁能利用率較高、能夠?qū)崟r監(jiān)測精確控制永磁吸附力并保證控制過程穩(wěn)定的有益效果。

2、設(shè)置永磁驅(qū)動裝置，永磁驅(qū)動裝置調(diào)整吸附裝置與磁性爬行壁面的間隙，調(diào)節(jié)控制永磁吸附力。

3、設(shè)置爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測模塊和爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測爬壁機器人的姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)及時調(diào)整永磁吸附力，提高磁能利用率。

4、設(shè)置永磁吸附力檢測裝置，測量調(diào)整后的永磁吸附力并反饋給永磁吸附力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精確控制永磁吸附力。

5、設(shè)置永磁陣列壓緊彈簧，在底部沒有磁性爬行壁面時，沒有永磁吸附力作用，可以依靠永磁陣列壓緊彈簧產(chǎn)生的彈性來保證永磁陣列的位置，防止上下竄動。

6、設(shè)置永磁吸附力控制系統(tǒng)，根據(jù)爬壁機器人姿態(tài)的實時監(jiān)測和永磁吸附力檢測裝置，及時調(diào)整永磁吸附力與爬壁機器人正常運動相配合，解決了永磁吸附爬壁機器人吸附力與運動靈活性之間的矛盾。

附圖說明

圖1為爬壁機器人的整體結(jié)構(gòu)與永磁模塊的布置。

圖2為halbach永磁陣列的吸附模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)正視圖。

圖4為爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)側(cè)視圖。

圖5為實施例1的吸附裝置、永磁吸附力檢測裝置和永磁驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)原理圖。

圖6為爬壁機器人永磁吸附力自適應(yīng)控制原理圖。

圖7為控制系統(tǒng)方框原理圖。

圖8為系統(tǒng)控制流程圖。

圖9為實施例2的吸附裝置、永磁吸附力檢測裝置和永磁驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)原理圖。

其中：1、halbach永磁陣列2、驅(qū)動輪3、驅(qū)動皮帶4、地面401、壓力檢測傳感器402、永磁陣列安裝板403、永磁陣列壓緊彈簧404、永磁陣列調(diào)整基座405、永磁模塊支撐彈簧406、支撐彈簧內(nèi)部導(dǎo)柱407、線性移動絲桿408、絲桿電機409、爬壁機器人殼體5、鋼鐵爬行壁面6、爬壁機器人7、二維傾角傳感器。

具體實施方式

圖1~8是本發(fā)明的最佳實施例，下面結(jié)合附圖1~9對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明為爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置及其方法，自適應(yīng)控制裝置包括爬壁機器人6、吸附裝置、永磁驅(qū)動裝置、永磁吸附力檢測裝置和爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置，吸附裝置設(shè)置在爬壁機器人6與磁性爬行壁面相接觸的側(cè)面，永磁吸附力檢測裝置和永磁驅(qū)動裝置分別與吸附裝置連接，爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)置在爬壁機器人6側(cè)面，該磁性爬行壁面采用鋼鐵爬行壁面5。

如圖1所示，該爬壁機器人6的吸附裝置包括安裝在爬壁機器人6底部的三塊永磁吸附陣列，永磁吸附陣列采用halbach永磁陣列1，與鋼鐵爬行壁面5吸附提供爬壁機器人6所需的吸附力。

爬壁機器人6包括爬壁機器人殼體409、驅(qū)動輪2以及覆蓋在驅(qū)動輪2上的驅(qū)動皮帶3，爬壁機器人6通過驅(qū)動輪2的旋轉(zhuǎn)，帶動驅(qū)動皮帶3旋轉(zhuǎn)，使爬壁機器人6前進。

永磁吸附力用以保證爬壁機器人6在鋼鐵爬行壁面5前進時不會滑落，但多余的永磁吸附力對其運動的靈活性帶來不利的影響，需要更大的驅(qū)動力才能讓其運動，因此需要通過檢測爬壁機器人6的狀態(tài)，然后適時調(diào)節(jié)所用永磁吸附力的大小，優(yōu)化爬壁機器人6的運動狀態(tài)。

永磁吸附力針對不同的鋼鐵爬行壁面5有不同的計算方式，下面以豎直的鋼鐵爬行壁面5和罐體頂部為例，說明兩種狀態(tài)下永磁吸附力的計算方式：

爬壁機器人6在豎直的鋼鐵爬行壁面5時，永磁吸附力垂直施加在鋼鐵爬行壁面5上，作為爬壁機器人6與鋼鐵爬行壁面5之間的正壓力，根據(jù)相應(yīng)鋼鐵爬行壁面5的摩擦系數(shù)，計算驅(qū)動皮帶3與鋼鐵爬行壁面5之間的摩擦力，憑借該摩擦力克服爬壁機器人6及其負載的重力，保證爬壁機器人6不會從鋼鐵爬行壁面5摔落并保證爬壁機器人6的正常運動；在罐體頂部時，永磁吸附力與爬壁機器人6及其負載的重力方向相反，憑借該永磁吸附力抵消重力，保證爬壁機器人6不會從頂部摔落并保證爬壁機器人6的正常運動。如圖2所示，不同磁化方向的釹鐵硼永磁體，能夠調(diào)整永磁吸附力對鋼鐵爬行壁面5的作用方向。

如圖3~4所示，永磁吸附力檢測裝置包括二維傾角傳感器7，二維傾角傳感器7設(shè)置在爬壁機器人殼體409外部，與爬壁機器人6的上側(cè)面平行設(shè)置。其中爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置包括安裝在爬壁機器人6本體上的二維傾角傳感器7及其通信系統(tǒng)，二維傾角傳感器7的安裝平面與爬壁機器人6平面平行、與地面4垂直，其檢測的傾斜角度為爬壁機器人6本體與被檢測鋼鐵爬行壁面5的夾角（±x）以及其與垂直于鋼鐵爬行壁面5的豎直平面的夾角（±y）。

如圖5所示，永磁驅(qū)動裝置包括線性移動絲桿407和控制線性移動絲桿407的絲桿電機408，線性移動絲桿407兩端分別與吸附裝置和絲桿電機408連接，絲桿電機408設(shè)置在爬壁機器人6內(nèi)部。通過絲桿電機408驅(qū)動線性移動絲桿407來帶動halbach永磁陣列1實現(xiàn)上下移動，調(diào)整halbach永磁陣列1與被吸附鋼鐵爬行壁面5之間的距離，進而調(diào)整halbach永磁陣列1所受到的永磁吸附力。

永磁吸附力檢測裝置包括壓力檢測傳感器401、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、永磁陣列調(diào)整基座404和永磁陣列壓緊彈簧403，壓力檢測傳感器401用于檢測永磁吸附力的大小，壓力檢測傳感器401在永磁吸附力的作用下產(chǎn)生電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換形成可供永磁吸附力控制系統(tǒng)采集的模擬信號。永磁吸附力檢測后反饋給永磁吸附力控制系統(tǒng)，判定是否符合吸附條件并調(diào)整吸附間隙，實現(xiàn)永磁吸附力的自適應(yīng)控制。

永磁陣列壓緊彈簧403設(shè)置在永磁陣列調(diào)整基座404與壓力檢測傳感器401之間。永磁陣列壓緊彈簧403起到永磁陣列定位的作用，在底部沒有鋼鐵爬行壁面5時，沒有永磁吸附力作用在halbach永磁陣列1上，這時依靠永磁陣列壓緊彈簧403產(chǎn)生的彈性來保證halbach永磁陣列1的位置，而不會上下竄動。

吸附裝置還包括永磁陣列安裝板402，halbach永磁陣列1安裝在永磁陣列安裝板402上。還設(shè)置永磁模塊支撐彈簧405與支撐彈簧內(nèi)部導(dǎo)柱406，永磁模塊支撐彈簧405與支撐彈簧內(nèi)部導(dǎo)柱406起到橫向穩(wěn)定的作用，減小作用在絲桿電機408上的附加轉(zhuǎn)矩。

如圖6所示，通過爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置實時監(jiān)測爬壁機器人6與垂直鋼鐵爬行壁面5的傾斜夾角，然后根據(jù)夾角計算出當前爬壁機器人6的姿態(tài)，由永磁吸附力控制系統(tǒng)計算出當前姿態(tài)下可靠吸附所需的最小永磁吸附力，然后控制永磁模塊驅(qū)動裝置實現(xiàn)halbach永磁陣列1間隙的調(diào)整，通過永磁吸附力檢測傳感器的檢測，反饋實現(xiàn)永磁吸附力的閉環(huán)控制。

如圖7所示，永磁吸附力控制系統(tǒng)是本發(fā)明的核心部分，永磁吸附力控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理、所需最小永磁吸附力的計算、實際永磁吸附力的檢測以及永磁驅(qū)動裝置的控制。

永磁吸附力控制系統(tǒng)包括嵌入式處理器、二維傾角傳感器模塊、壓力檢測傳感器模塊、遠程通訊模塊和電機驅(qū)動模塊。二維傾角傳感器模塊與壓力檢測傳感器模塊分別通過異步串行通信方式（uart）實現(xiàn)相應(yīng)傳感器數(shù)據(jù)的采集，永磁吸附力控制系統(tǒng)設(shè)置rs485串行通訊接口，實現(xiàn)與遠端控制主機的信息交互。電機驅(qū)動模塊將嵌入式處理器發(fā)出的脈沖與方向轉(zhuǎn)化為絲桿電機408的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動角度的精密控制。

如圖8所示，自適應(yīng)控制方法如下：

步驟1001：二維傾角傳感器模塊通過爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置實時讀取爬壁機器人6的姿態(tài)；

步驟1002：永磁吸附力控制系統(tǒng)計算出當前狀態(tài)下所需的吸附力；

步驟1003：電機驅(qū)動模塊控制永磁驅(qū)動裝置實現(xiàn)吸附裝置吸附間隙調(diào)整；

步驟1004：壓力檢測傳感器模塊通過永磁吸附力檢測裝置測量調(diào)整后的永磁吸附力，并將調(diào)整后的永磁吸附力傳送給永磁吸附力控制系統(tǒng)；

步驟1005：永磁吸附力控制系統(tǒng)判斷調(diào)整后的永磁吸附力是否等于步驟1002中計算的吸附力，若不是，則返回步驟1003，若是，進入步驟1006；

步驟1006：永磁吸附力控制系統(tǒng)控制爬壁機器人6運動。

本實施例的工作過程為：

嵌入式處理器周期性控制二維傾角傳感器模塊讀取二維傾角傳感器7的角度數(shù)據(jù)，根據(jù)所測得的角度數(shù)據(jù)計算出當前爬壁機器人6所需的永磁吸附力。

永磁吸附力控制系統(tǒng)根據(jù)計算所得的永磁吸附力，控制絲桿電機408驅(qū)動線性移動絲桿407上下移動，實現(xiàn)halbach永磁陣列1吸附間隙的調(diào)整。調(diào)整過程中，壓力檢測傳感器模塊控制壓力檢測傳感器401檢測調(diào)整后的永磁吸附力，產(chǎn)生電信號，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，傳遞給永磁吸附力控制系統(tǒng)，將檢測結(jié)果與當前永磁吸附力比較，判斷是否滿足吸附要求。

若滿足吸附條件，控制驅(qū)動輪2轉(zhuǎn)動使爬壁機器人6運動，驅(qū)動皮帶3與鋼鐵爬行壁面5產(chǎn)生摩擦，防止爬壁機器人6滑落；若不滿足，則及時控制絲桿電機408調(diào)整halbach永磁陣列1與鋼鐵爬行壁面5的吸附間隙，實現(xiàn)永磁吸附力的自適應(yīng)控制。

實施例2

本發(fā)明為爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置及其方法，其中爬壁機器人的永磁吸附力自適應(yīng)控制裝置包括爬壁機器人6、吸附裝置、永磁驅(qū)動裝置、永磁吸附力檢測裝置和爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置，吸附裝置設(shè)置在爬壁機器人6與鋼鐵爬行壁面5相接觸的側(cè)面，永磁吸附力檢測裝置和永磁驅(qū)動裝置分別與吸附裝置連接，爬壁機器人姿態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)置在爬壁機器人6側(cè)面并與其側(cè)面平行。

如圖9所示，永磁驅(qū)動裝置包括線性移動絲桿407和控制線性移動絲桿407的絲桿電機408，線性移動絲桿407兩端分別與吸附裝置和絲桿電機408連接，絲桿電機408設(shè)置在爬壁機器人6內(nèi)部。通過絲桿電機408驅(qū)動線性移動絲桿407來帶動halbach永磁陣列1實現(xiàn)上下移動，調(diào)整halbach永磁陣列1與被吸附鋼鐵爬行壁面5之間的距離，進而調(diào)整halbach永磁陣列1所受到的永磁吸附力。

永磁吸附力檢測裝置包括壓力檢測傳感器401和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，壓力檢測傳感器401用于檢測永磁吸附力的大小，壓力檢測傳感器401在永磁吸附力的作用下產(chǎn)生電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換形成可供永磁吸附力控制系統(tǒng)采集的模擬信號。永磁吸附力檢測后反饋給永磁吸附力控制系統(tǒng)，判定是否符合吸附條件并調(diào)整吸附間隙，實現(xiàn)永磁吸附力的自適應(yīng)控制。其他部件同實施例1。

本實施例的工作過程為：

嵌入式處理器周期性控制二維傾角傳感器模塊讀取二維傾角傳感器7的角度數(shù)據(jù)，根據(jù)所測得的角度數(shù)據(jù)計算出當前爬壁機器人6所需的永磁吸附力。

永磁吸附力控制系統(tǒng)根據(jù)計算所得的永磁吸附力，控制絲桿電機408驅(qū)動線性移動絲桿407上下移動，實現(xiàn)halbach永磁陣列1吸附間隙的調(diào)整。調(diào)整過程中，壓力檢測傳感器模塊控制壓力檢測傳感器401檢測調(diào)整后的永磁吸附力，產(chǎn)生電信號，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，傳遞給永磁吸附力控制系統(tǒng)，將檢測結(jié)果與當前永磁吸附力比較，判斷是否滿足吸附要求。

若滿足吸附條件，控制驅(qū)動輪2轉(zhuǎn)動使爬壁機器人6運動，驅(qū)動皮帶3與鋼鐵爬行壁面5產(chǎn)生摩擦，防止爬壁機器人6滑落；若不滿足，則及時控制絲桿電機408調(diào)整halbach永磁陣列1與鋼鐵爬行壁面5的吸附間隙，實現(xiàn)永磁吸附力的自適應(yīng)控制。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。