CN111661188B - 一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人及工作方法，其属于爬壁机器人技术领域。该机器人设有可绕垂直轴转动的车轮，方便地转换车轮前进方向，实现万向平移功能；搭载空化射流除污设备，可对船体表面进行清洗作业。工作时其本体无需掉头即可轻易地转换方向，并能很好地适应钢质表面为曲面结构的船体外壳等工作环境，尤其是车轮及磁铁集成一体的设计使其在船体外壳等大曲率钢质表面仍能正常工作；安装的高磁U形永磁块能够使其稳定地吸附在在船体等钢制物体表面，而无需在运动过程中调整磁铁的高度；车轮式运动机构使机器人运动灵活；搭载的空化射流除污装置，增大船体除污的工作面积，提高清洗效率，减轻相关工作人员的负担。

Description

一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人及工作方法

技术领域

本发明涉及一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人及工作方法，属于爬壁机器人技术领域。

背景技术

机器人是一种能够自动执行任务的机器装置。它不仅可以接受人类的遥控指挥，还可以自动运行预先编排的程序，或者可以根据以人工智能技术制定的规则采取行动。它的任务是协助或取代人类的工作，在生产制造业、建筑业，或是高危职业中有着普遍的应用。由于爬壁机器人的研究和开发在工业上有着广阔的前景、良好的社会效益，因此自20世纪60年代日本率先开展这方面的研究以来，爬壁机器人的发展非常迅速，当今世界很多国家都在开展爬壁机器人的研究，在船体表面除污领域，目前已经有人研制出可使用的清洗机器人。但是由于船体表面是曲面结构，而且很多部分都是大曲率表面，导致爬壁机器人运动时会发生转向不灵活、运动不灵敏、机器人本体与曲面摩擦等问题，极易影响机器人工作效率；同时，机器人在船体表面除污，要求机器人在特定的已作业区域表面运动，这样可以有效增加磁吸附力，并且机器人的回转半径的大小，会影响作业精度和作业质量；传统的高压水冲洗方式，效率偏低；所以此时需要一种可以适应船体表面工作环境以及高除污效率的爬壁机器人。

空化射流技术是一种将水射流与空化现象相结合的新型高效射流技术。它利用于空泡破裂时产生的能量来增强射流的效果，从而解决实际工程中的问题。在实际工程中，空化射流技术已经应用于船体表面的清洗除污工作。但市面上很多空化射流除污设备的灵活性较差且射流角度固定，爬壁机器人需要经常调整车头方向，增加了爬壁机器人操作的难度；固定的空化射流管的除污面积有限，导致爬壁机器人在相同路径上要反复除污，影响爬壁机器人的除污效率。

发明内容

针对以上不足，本发明设计一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，目的在于使爬壁机器人在船体表面进行除污作业时，可以灵活转向平移，增大除污面积，提高机器人的工作效率，减轻工作人员负担。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，包括机身框架、运动转向系统、磁吸系统、除污系统。

所述机身框架采用四根外管通过四根方管上梁和四根方管下梁连接成四边形架体，方管上梁连接在外管的上侧，方管下梁连接在外管的下侧；

所述运动转向系统采用车轮转角电机固定在方管上梁上，车轮转角电机驱动的小齿轮与固定在空心轴上端的大齿轮相啮合；空心轴通过上端轴承和下端轴承设置在外管内，空心轴的下端固定连接车轮座，车轮座与两个设有通透槽的车轮卡板的上端固定连接，两个车轮卡板的下端通过轴承支撑由车轮电机驱动的车轮轴，车轮电机与其中之一的车轮卡板固定连接，车轮与车轮轴固定连接。

所述磁吸系统采用顶盘固定在空心轴的顶部，脱磁手柄设置在顶盘的上方，脱磁手柄的手柄凸轮连接磁铁提升杆的一端，磁铁提升杆的另一端穿过空心轴和车轮座与穿过两个车轮卡板上通透槽的软铁块固定连接，软铁块左右两侧各固定连接一块U型永磁铁，U型永磁铁置于车轮卡板的外侧。

所述除污系统设置在方管下梁上，两根对向的方管下梁之间依次设置舵机导轨、齿轮导轨和电机导轨，舵机导轨上设置滑块连接的伺服舵机，伺服舵机通过舵机轴连接传动齿轮，电机导轨上设置滑块连接的电机，电机通过电机轴驱动齿轮，齿轮与齿轮导轨啮合，齿轮通过齿轮杆连接外套筒的一侧，外套筒的另一侧通过套筒杆与伺服舵机连接；外套筒一端内设置旋转套筒，旋转套筒上固定连接空化射流管，空化射流管上设置空化射流管喷嘴；旋转套筒外周的齿盘与传动齿轮相啮合，外套筒的另一端连接橡胶水管。

脱磁手柄的手柄凸轮基圆与顶盘上表面始终接触。

上端轴承和下端轴承采用能承受轴向力的滚动轴承。

空化射流管上设置4-6个空化射流管喷嘴。

一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人的工作方法：

（a）运动转向：当车轮转角电机运转时，带动小齿轮转动；小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮驱动空心轴旋转，空心轴带动车轮座转动，从而带动车轮转向，实现爬壁机器人的方向转换；车轮电机驱动车轮进行平移运动；

（b）磁吸和脱磁：脱磁手柄通过磁铁提升杆控制U型永磁铁上下移动，U型永磁铁下移时使机器人吸于钢板工作表面并能在钢板表面作转向、平移；U型永磁铁上移时吸力减小，机器人移离钢板工作表面；

（c）除污作业：电机驱动齿轮在齿轮导轨上运动，带动整体除污结构移动，从而空化射流管进行往复除污；伺服舵机带动旋转套筒以及空化射流管共同旋转，改变空化射流喷嘴（30）的水流与被除污表面的夹角；

（d）在大曲率曲面钢板的工作环境中，车轮转角电机和车轮电机互相配合调控车轮，机器人在钢板工作表面通过车轮电机驱动车轮做平移运动，在路径终端机器人通过车轮转角电机驱动在原地做转向运动，改变空化射流喷嘴的水流与被除污表面的夹角再做平移运动，如此往复移动，完成在预定钢板工作表面的移动和除污作业。

脱磁手柄通过磁铁提升杆可以控制U型永磁铁上下移动，下移时使吸力增大，小车吸于钢板表面，上移时吸力减小，小车可以脱离钢质工作表面。两个U型磁铁通过软磁块相连，与钢制工作表面构成磁回路，可以为机器人提供足够的吸附力。

车轮电机通过齿轮箱与车轮相连，为车轮提供前进动力；车轮卡板与车轮座相连，负责固定车轮；车轮转角电机安装于方管上梁，齿轮对负责连接车轮转角电机和空心轴，空心轴下端与车轮座相连；当电机运转时，齿轮对驱动空心轴旋转，空心轴驱动车轮座转动，使车轮可以绕垂直轴转动。

本发明的有益效果为：与现有的机器人轮式运动机构相比，转向更加灵活，车轮可绕垂直轴任意转动，车体不动即可实现小车的任意方向的转弯和平移，实现了原地转向，提高了机器人的运动性能；U形永磁铁与车轮总成，两个U形磁铁通过软磁块相连，与钢制工作表面构成磁回路，可以为机器人提供足够的吸附力，而且无需在运动过程中调整磁铁的高度；采用四车轮运动系统，车轮式运动载体使机器人运动灵活，适合于曲面处作业，尤其是大曲率表面；与现有的空化射流除污设备相比，空化射流管水流的射流角度灵活可变，爬壁机器人无需转向即可实现射流角度的改变，提高了除污的灵活性；空化射流管与外套筒等构成一个整体结构，沿齿轮导轨进行往复运动，使空化射流管可以往复除污，作用范围由点变成线，增大了除污面积，提高了除污效率。

附图说明

图1为一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人的总体结构示意图。

图2为本发明的车轮正视图。

图3为除污系统的结构图。

图4为脱磁手柄磁吸状态图。

图5为脱磁手柄脱磁状态图。

图6为机器人工作时运动轨迹示意图。

图7为空化射流管旋转45°示意图。

图8为空化射流管旋转135°示意图。

图9为除污结构初始状态示意图。

图10为除污结构往复运动状态示意图。

图11为除污结构回收状态示意图。

图中： 1、脱磁手柄，1a、手柄凸轮；2、小齿轮；3、大齿轮；4、车轮转角电机；5、外管；6、车轮座；7、第一车轮卡板，7a、第二车轮卡板；8、软铁块；9、U形永磁块；10、车轮；11、车轮电机，12、方管下梁，13、方管上梁，14、上端轴承，15、空心轴，16、磁铁提升杆，17、下端轴承，18、车轮轴，19、顶盘，20、舵机导轨，21、齿轮导轨，22、电机导轨，23、外套筒，23a、套筒杆，24、齿轮，24a、齿轮杆，25、电机，25a、电机轴，26、伺服舵机，26a、舵机轴，27、传动齿轮，28、旋转套筒，29、空化射流管，30、空化射流管喷嘴，3001、空化射流车，3002、橡胶水管，3003、船体表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施方法，对本发明实施中的技术方案进行清楚完整的描述，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于曲面工作环境的不规则性，爬壁机器人的运动问题需要特别考虑，尤其是机器人的转向运动，本发明机器人的轮系结构可以轻松容易地实现机器人的转向和平移运动，此时可以保持机器人本体不动。当把机器人放置在船体表面时，机器人吸附在船体表面，开始工作。

请参阅图1、图2和图3，该船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，包括机身框架、吸附系统、运动转向系统和除污系统。机身框架包括：方管下梁12、方管上梁13、外管5、顶盘19和车轮座6。外管5位于顶盘19和车轮座6之间，车轮座6位于外管5下端；四根方管上梁13连接在外管5上侧，四根下梁12连接在外管5下侧，四根下梁构成的平台用来搭载除污系统，四根上梁可以用来搭载车轮转角电机，八根梁系结构共同组成机器人的总体构架，上下梁均采用防锈铝合金材料加工而成。

运动转向系统中，车轮电机11通过车轮轴18驱动车轮10；车轮轴18位于车轮一侧；第一车轮卡板7和第二车轮卡板7a上端焊接在车轮座6上，下端位于车轮10侧面，用于固定车轮10；车轮10是机器人的运动机构载体；车轮转角电机4安装于方管上梁13，小齿轮2和大齿轮3组成的齿轮对连接车轮转角电机4和空心轴15；上端轴承14和下端轴承17位于外管5与空心轴15之间，采用能承受轴向力的滚动轴承，能够限制外管和空心轴的轴向位移，不能上下活动，仅能转动；空心轴15上端与顶盘19相连，下端与车轮座6相连，当车轮转角电机4运转时，齿轮可驱动空心轴15作360°旋转，空心轴15驱动车轮座6转动，从而带动车轮10转向，爬壁机器人可以极其灵活地转换前进的方向，实现“万向平移”的功能。

磁吸系统中，软铁块8左右两端各连接两块U型永磁铁9，磁铁提升杆16下端与穿过两个车轮卡板上通透槽的软铁块8相连；上端与脱磁手柄1相连，脱磁手柄1的手柄凸轮1a始终接触顶盘19的上表面。固定在空心轴5上的顶盘19下端与外管相连；吸附系统的脱磁功能设计：脱磁手柄1通过磁铁提升杆16可以控制U型永磁铁9上下移动，下移时使小车吸于钢板表面；上移时吸力减小，小车可以脱离钢板工作表面。吸附系统的吸附模块，采用U型永磁铁9，可以提供足够的吸附力。

除污系统中，舵机导轨20放置伺服舵机26；齿轮导轨21与齿轮24咬合；电机导轨22放置电机25；外套筒23位于旋转套筒28外侧，不可被旋转；旋转套筒28和筒内空化射流管29固定连接；伺服舵机26通过传动齿轮27驱动旋转套筒28旋转，从而带动空化射流管29一起同心旋转；外套筒23的一侧通过套筒杆23a连接伺服舵机26，其另一侧通过齿轮杆24a连接齿轮24，电机25通过电机轴25a驱动齿轮24，旋转套筒28与空化射流管29固定连接形成一个整体的除污结构，整体在电机25驱动下，沿空化射流管29的轴线方向移动，可以进行往复运动；空化射流管29上布置有四个空化射流管喷嘴30。

请参阅图4和图5，前述的一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人中，脱磁手柄1有两种工作状态，图4是磁吸状态，磁铁提升杆与脱磁手柄连接处与顶盘距离为h，此时高磁U形永磁块与工作面距离很近，机器人吸附在上面；图5是脱磁状态，磁铁提升杆与脱磁手柄连接处与顶盘距离为H（H>h），此时脱磁手柄被扳平，磁铁提升杆被提升，高磁U形永磁块远离工作表面，机器人可以从工作表面脱离。

请参阅图6，显示机器人除污时的运动轨迹的简单示意图，机器人Ⅰ 、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的位置安装车轮，机器人从A处运动到B处，在B处本体不需要掉头，车轮先做 转向，然后做平移运动，机器人就可从B处移动到C处，在C处车轮再做 转向，机器人可从C处运动到D处，如此往复移动，机器人即可完成船体表面运动；通过对四套运动系统转向电机的综合控制，使车轮转向角度不同，即可实现任意方向的运动。此外，机器人在B处移动到C处时，空化射流管进行旋转，改变喷嘴的射流角度，以适应机器人新的除污走向。

图7和图8显示的是空化射流管旋转示意图。伺服电机通过传动齿轮传动，带动旋转套筒和空化射流管进行旋转，从而改变空化射流管喷嘴的射流角度。图7喷嘴与船体表面夹角为45°，旋转后，图8喷嘴与船体表面夹角为135°。

请参阅图9、图10和图11：进行除污工作时，齿轮24与齿轮导轨21咬合，除污整体在电机25驱动下，沿空化射流管的轴线方向移动，可以进行往复运动，增大除污面积。由图9位置运动至图10位置，再由图10位置运动至图9位置，如此重复运动，即形成除污结构的往复运动；当机器人到达E位置完成除污的任务后，电机带动除污结构运动至图11位置，将除污系统的部分结构收进爬壁机器人的框架内，空化射流管29部分可以被收回机身框架内，结束除污工作，同时节省机器人的占地空间。

工作原理：当把机器人放置在工作表面时，脱磁手柄处于磁吸状态，高磁U形永磁块靠近曲面，机器人吸附在工作表面，此时可以开始工作。启动车轮电机，电机驱动车轮前进；启动车轮转角电机，通过齿轮对将旋转驱动力传递给空心轴，空心轴与车轮座相接，车轮通过车轮挡板与车轮座相接，当空心轴转动时，车轮也随其转动，两种电机互相配合调控车轮，机器人可以轻松地在工作表面的运动与转弯，而机器人本体不动，实现原地任意转向和行走，完成一系列的动作，搭载除污设备后，可以进行船舶表面除污作业。

当机器人完成所规划的除污任务时，按下脱磁手柄，处于脱磁状态，磁铁提升杆被提升，使高磁U形永磁块远离工作表面，此时机器人脱离船体表面，可以进行回收，工作完毕。

该机器人采用四车轮运动系统，且车轮及磁铁集成一体，可以更好地满足大曲率曲面的工作环境；两种电机互相配合调控车轮，机器人可以轻松地在工作表面做平移运动而不需要掉头，机器人本体不动，即可实现原地任意转向和平移，完成一系列的动作；在实际工作中，机器人先做平移运动，在路径终端机器人做转向运动，再做平移运动，如此往复移动，机器人即可完成在预定工作表面的移动，而且机器人行走的路径是已经工作过的表面，不受周围环境的影响，保证机器人运动的稳定性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，它包括：机身框架、运动转向系统、磁吸系统和除污系统，其特征在于，所述机身框架采用四根外管（5）通过四根方管上梁（13）和四根方管下梁（12）连接成四边形架体，方管上梁（13）连接在外管（5）的上侧，方管下梁（12）连接在外管（5）的下侧；所述外管（5）位于顶盘（19）和车轮座（6）之间；所述运动转向系统采用车轮转角电机（4）固定在方管上梁（13）上，车轮转角电机（4）驱动的小齿轮（2）与固定在空心轴（15）上端的大齿轮（3）相啮合；空心轴（15）通过上端轴承（14）和下端轴承（17）设置在外管（5）内，空心轴（15）的下端固定连接车轮座（6），车轮座（6）与两个设有通透槽的车轮卡板的上端固定连接，两个车轮卡板的下端通过轴承支撑由车轮电机（11）驱动的车轮轴（18），车轮电机（11）与其中之一的车轮卡板固定连接，车轮（10）与车轮轴（18）固定连接；车轮卡板上端焊接在车轮座（6）上，下端位于车轮（10）侧面，用于固定车轮（10）；所述磁吸系统采用顶盘（19）固定在空心轴（15）的顶部，脱磁手柄（1）设置在顶盘（19）的上方，脱磁手柄（1）的手柄凸轮（1a）连接磁铁提升杆（16）的一端，磁铁提升杆（16）的另一端穿过空心轴（15）和车轮座（6）与穿过两个车轮卡板上通透槽的软铁块（8）固定连接，软铁块（8）左右两侧各固定连接一块U型永磁铁（9），U型永磁铁（9）置于车轮卡板的外侧；所述除污系统设置在方管下梁（12）上，两根对向的方管下梁（12）之间设置舵机导轨（20）、齿轮导轨（21）和电机导轨（22），舵机导轨（20）上设置滑块连接的伺服舵机（26），伺服舵机（26）通过舵机轴（26a）连接传动齿轮（27），电机导轨（22）上设置滑块连接的电机（25），电机（25）通过电机轴（25a）驱动齿轮（24），齿轮（24）与齿轮导轨（21）啮合，齿轮（24）通过齿轮杆（24a）连接外套筒（23）的一侧，外套筒（23）的另一侧通过套筒杆（23a）与伺服舵机（26）连接；外套筒（23）一端内设置旋转套筒（28），旋转套筒（28）上固定连接空化射流管（29），空化射流管（29）上设置空化射流管喷嘴（30）；旋转套筒（28）外侧齿盘与传动齿轮（27）相啮合，外套筒（23）的另一端连接橡胶水管（3002）。

2.根据权利要求1所述的一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，其特征在于：所述脱磁手柄（1）的手柄凸轮基圆与顶盘（19）上表面始终接触。

3.根据权利要求1所述的一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，其特征在于：所述上端轴承（14）和下端轴承（17）采用能承受轴向力的滚动轴承。

4.根据权利要求1所述的一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人，其特征在于：所述空化射流管（29）上设置4-6个空化射流管喷嘴（30）。

5.根据权利要求1所述的一种船体外板除污用万向平移磁吸爬壁机器人的工作方法，其特征在于：

（a）运动转向：当车轮转角电机（4）运转时，带动小齿轮（2）转动；小齿轮（2）与大齿轮（3）啮合，大齿轮（3）驱动空心轴（15）旋转，空心轴（15）带动车轮座（6）转动，从而带动车轮（10）转向，实现爬壁机器人的方向转换；车轮电机（11）驱动车轮（10）进行平移运动；

（b）磁吸和脱磁：脱磁手柄（1）通过磁铁提升杆（16）控制U型永磁铁（9）上下移动，U型永磁铁（9）下移时使机器人吸于钢板工作表面并能在钢板表面作转向、平移；U型永磁铁（9）上移时吸力减小，机器人移离钢板工作表面；

（c）除污作业：电机（25）驱动齿轮（24）在齿轮导轨（21）上运动，带动整体除污结构移动，从而空化射流管（29）进行往复除污；伺服舵机（26）带动旋转套筒（28）以及空化射流管（29）共同旋转，改变空化射流喷嘴（30）的水流与被除污表面的夹角；

（d）在大曲率曲面钢板的工作环境中，车轮转角电机（4）和车轮电机（11）互相配合调控车轮（10），机器人在钢板工作表面通过车轮电机（11）驱动车轮做平移运动，在路径终端机器人通过车轮转角电机（4）驱动在原地做转向运动，改变空化射流喷嘴（30）的水流与被除污表面的夹角再做平移运动，如此往复移动，完成在预定钢板工作表面的移动和除污作业。

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