High-Load-Density Electro-Permanent Magnetic Foot with Controllable Adhesion for Quadruped Wall-Climbing Robots

📄 arXiv: 2605.30849v1 📥 PDF

作者: An Li, Bo Tao, I-Ming Chen, Han Ding

分类: cs.RO

发布日期: 2026-05-29

备注: 10 pages, 6 figures, 2 tables; project page and videos available in the repository

💡 一句话要点

提出高负载密度电永磁吸盘，实现四足机器人可靠的墙壁攀爬

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 四足机器人 电永磁吸盘 Halbach阵列 磁吸附 壁面攀爬

📋 核心要点

  1. 四足机器人难以在垂直或倒置的铁磁性表面稳定攀爬，现有吸附方法对气隙变化敏感，鲁棒性不足。
  2. 设计圆形 Halbach 阵列电永磁体 (CHN-EPM)，利用其三维磁路和磁通集中效应，提高磁通利用率，降低气隙敏感性。
  3. 实验表明，该吸盘最大吸附力超过 1000N，负载重量比超过 200:1，并在多种复杂表面上验证了四足机器人的稳定运动能力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种高负载密度、可控吸附力的电永磁吸盘，用于实现四足机器人在铁磁性表面上的可靠攀爬运动。该吸盘采用力反馈圆形 Halbach 阵列电永磁体 (CHN-EPM) 吸附单元和磁化控制系统。CHN-EPM 具有三维磁路结构和磁通集中效应，能够实现分布式并行磁通路径，增强磁通利用率，从而降低对气隙变化的敏感性，即使在部分接触条件下也能保持有效的吸附力。所提出的 CHN-EPM 产生的最大吸附力超过 1000 N，负载重量比超过 200:1。开发了一种磁化驱动器和两阶段脉冲电流控制策略，用于调节励磁电流的幅度和持续时间，从而实现精确可靠的磁化。通过结合柔性压力传感器进行接触力反馈，该系统可以有效地监测附着和分离状态，确保在不确定的接触条件下实现鲁棒的吸附切换。该系统已集成到商用四足机器人 (Unitree GO2) 中，展示了在天花板和垂直墙面上的高负载吸附能力，以及在涂漆、穿孔和弯曲铁磁性表面上的稳定运动。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决四足机器人在铁磁性表面进行稳定攀爬的问题。现有方法，如传统的电磁铁或永磁铁，在面对不平整表面、气隙变化或部分接触等情况时，吸附力会显著下降，导致机器人跌落。因此，需要一种对气隙变化不敏感、负载能力强、且能精确控制吸附状态的吸附装置。

核心思路：论文的核心思路是设计一种基于圆形 Halbach 阵列的电永磁体 (CHN-EPM) 吸盘。Halbach 阵列能够集中磁通，提高磁场强度，同时降低外部磁场干扰。通过电控方式切换永磁体的磁化方向，可以实现吸附和释放的精确控制。结合力反馈传感器，可以实时监测吸附状态，提高系统的鲁棒性。

技术框架：该系统主要包含以下几个模块：1) CHN-EPM 吸附单元：负责产生吸附力。2) 磁化驱动器：用于控制励磁电流，切换永磁体的磁化方向。3) 两阶段脉冲电流控制策略：精确控制磁化过程，实现可靠的吸附切换。4) 柔性压力传感器：用于监测接触力，提供吸附状态反馈。5) 控制系统：根据传感器数据和用户指令，控制磁化驱动器，实现吸附力的调节和切换。

关键创新：该论文的关键创新在于 CHN-EPM 的设计和两阶段脉冲电流控制策略。CHN-EPM 采用三维磁路结构和磁通集中效应，显著提高了磁通利用率，降低了对气隙变化的敏感性。两阶段脉冲电流控制策略能够精确控制磁化过程，实现快速、可靠的吸附切换。与传统的电磁铁或永磁铁相比，该方法具有更高的负载能力、更强的鲁棒性和更精确的控制能力。

关键设计：CHN-EPM 的关键设计包括 Halbach 阵列的磁体排布方式、磁体的材料选择和磁路的优化设计。两阶段脉冲电流控制策略的关键设计包括脉冲电流的幅值、持续时间和时序控制。柔性压力传感器的关键设计包括传感器的灵敏度、响应速度和安装位置。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的 CHN-EPM 吸盘能够产生超过 1000N 的最大吸附力，负载重量比超过 200:1。在 Unitree GO2 四足机器人上的实验验证了该系统在天花板和垂直墙面上的高负载吸附能力，以及在涂漆、穿孔和弯曲铁磁性表面上的稳定运动能力。这些结果表明，该系统具有很高的实用价值和应用前景。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种场景，例如：工业检测机器人，用于在大型铁磁性结构（如桥梁、船舶）上进行无损检测；建筑维护机器人，用于在高层建筑外墙进行清洁、喷涂等作业；救援机器人，用于在灾害现场进行搜索和救援。此外，该技术还可应用于自动化生产线，实现对铁磁性工件的精确抓取和搬运。

📄 摘要（原文）

To enable reliable climbing locomotion of quadruped robots on ferromagnetic surfaces, this paper presents a high-load-density electro-permanent magnetic foot with controllable adhesion, featuring force-feedback circular Halbach-net electro-permanent magnet (CHN-EPM) adhesion units and a magnetization control system. Due to its three-dimensional magnetic circuit structure and flux-concentration effect, the CHN-EPM enables a distributed parallel magnetic flux path with enhanced flux utilization, resulting in reduced sensitivity to air-gap variations and allowing effective adhesion to be maintained even under partial contact conditions. The proposed CHN-EPM generates a maximum adhesion force exceeding 1000 N with a load-to-weight ratio over 200:1. A magnetization driver and a two-stage pulse current control strategy are developed to regulate the excitation current amplitude and duration, enabling accurate and reliable magnetization. By incorporating a flexible pressure sensor for contact force feedback, the system can effectively monitor attachment and detachment states, ensuring robust adhesion switching under uncertain contact conditions. The proposed system is integrated into a commercial quadruped robot (Unitree GO2), demonstrating high-load adhesion on ceiling and vertical-wall surfaces and stable locomotion on painted, perforated, and curved ferromagnetic surfaces.