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用于四足爬壁机器人的具有可控吸附能力的高负载密度电永磁足
High-Load-Density Electro-Permanent Magnetic Foot with Controllable Adhesion for Quadruped Wall-Climbing Robots

作者: An Li, Bo Tao, I-Ming Chen 等4人
arXiv: 2605.30849v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
为了使四足机器人在铁磁表面实现可靠的爬行运动,本文提出了一种具有可控附着力的高负载密度电永磁足,其包含力反馈圆形海尔贝克网络电永磁(CHN-EPM)吸附单元和磁化控制系统。凭借其三维磁路结构和磁通汇聚效应,CHN-EPM实现了分布式并联磁通路径,提高了磁通利用率,从而降低了对气隙变化的敏感度,即便在部分接触条件下也能维持有效吸附。所提出的CHN-EPM最大吸附力超过1000 N,负载重量比超过200:1。本文开发了一种磁化驱动器及两级脉冲电流控制策略,用于调节励磁电流幅值和持续时间,实现精确可靠的磁化。通过集成柔性压力传感器进行接触力反馈,系统能够有效监测附着与脱离状态,确保在不确定接触条件下实现稳健的吸附切换。该系统被集成到商用四足机器人(宇树GO2)上,在顶面和垂直壁面展示了高负载附着能力,并在喷漆、穿孔和曲面铁磁表面上实现了稳定运动。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决四足机器人在**铁磁表面(ferromagnetic surface)** 上实现可靠爬行运动的问题 - 现有**电永磁(electro-permanent magnet)** 附着方案存在**负载密度低**、对**气隙变化(air-gap variation)** 敏感等问题 - 研究背景:需要高负载-重量比且能在**部分接触(partial contact)** 条件下保持附着的足端设计
🔧 核心方法
- 提出**CHN-EPM(圆形Halbach网络电永磁)** 附着单元,利用**三维磁路结构(3D magnetic circuit)** 和**磁通集中效应(flux-concentration effect)** 实现**分布式并联磁通路径(distributed parallel magnetic flux path)** - 开发**磁化驱动器(magnetization driver)** 与**两级脉冲电流控制策略(two-stage pulse current control)**,精确调节励磁电流幅度和持续时间 - 集成**柔性压力传感器(flexible pressure sensor)** 进行**接触力反馈(contact force feedback)**,实时监测附着/脱离状态
💡 核心创新
- **高负载-重量比(load-to-weight ratio)**:最大附着力超过1000 N,负载-重量比超过**200:1** - **低气隙敏感性**:分布式并联磁路设计使得有效附着对**气隙变化(air-gap variation)** 不敏感,即使在部分接触条件下仍能维持 - **可靠附着切换**:通过**两级脉冲电流控制** 和**力反馈** 实现不确定接触条件下的**磁化/消磁控制(magnetization/demagnetization control)** - **首次集成** 到商用四足机器人(Unitree GO2)并在多种复杂铁磁表面(天花、垂直壁、涂漆、穿孔、弯曲)验证稳定运动
🏆 总体贡献
- 为四足壁面爬行机器人提供了一种**高负载密度、可控附着** 的电永磁足方案 - 提出的**CHN-EPM结构** 和**两级脉冲控制策略** 显著提升了电永磁足在非理想接触条件下的附着鲁棒性 - 实际机器人集成实验证明了系统在**天花板(ceiling)**、**垂直壁面(vertical wall)** 及**复杂曲面(complex curved surface)** 上的攀爬能力,拓展了四足机器人的应用场景