CN111731448A - 一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，涉及一种爬壁机器人，针对在清洗船体甲板及内部舱体时，施工作业人员需要佩戴安全措施，高空作业的问题，发明了用于清洗船体的爬壁机器人。该机器人运用仿生学原理，通过永磁铁吸附在船体墙壁上，可以实现对船体墙壁凸起及凹陷处不平表面的越障行走。机器人身体装备旋转喷头，可以完成对船体各个部位的清洗任务。该机器人动作原理主要通过气动系统实现，具有机身重量轻，功率小，持续工作时间长，越障能力强等优点。

Description

一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种爬壁机器人，特别是涉及一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人。

背景技术

远洋大型船舶受到自然气候条件，人为等因素影响，经过一定使用时间，船体需要维护清理。然而，由于船体十分庞大，在清洗船体甲板及内部舱体时，施工作业人员需要佩戴安全措施，高空作业，工作条件十分危险，亟需相关机械自动化设备替代人工作业，目前，行业内尚缺少此类设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，本发明针对大型船舶清洗时遇到的恶劣工作条件问题，设计了该机器人，运用仿生学原理，通过永磁铁吸附在船体墙壁上，实现对船体墙壁凸起及凹陷处不平表面的越障行走。机器人身体装备旋转喷头，可以完成对船体各个部位的除锈及清洗任务。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，所述爬壁机器人包括前机体、后机体以及四支腿和脚掌；身体部位由前后机体及中间轴连接；机器人设有四个足；每个足由两个旋转气缸、一个伸缩气缸、两个连杆机构及一块永磁铁构成；机器人身体内部设有气动系统，机器人气动工作动力源由地面气泵供给，通过气动管路连接；机器人控制方式为操作人员远程遥控；机器人的行走包括旋转气缸转动带动连杆实现抬大腿动作；以及连杆旋转气缸带动下连杆形成大腿与小腿之间的角度变化，进而实现小腿的抬腿动作；动作一与动作二同时工作完成机器人单足的行走；机器人爬壁由脚部设置磁铁吸附和气缸配置完成，越障由其设置的旋转气缸与气动系统内置压力传感器及位移传感器完成，行走校正由设置的四个气缸位移完成，机器人设有越障能力参数设定，转弯及校正由设定的差动参数完成；弹跳及参数设定通过伸缩气缸完成；机器人设有清洗装置，身体上部安装清洗喷头，水源由地面供给，通过水管连接，通过地面遥控控制，实现对船体各部位清洗。

所述的一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，所述机器人的气动系统包括空气过滤器、气泵、单向阀、压力表、溢流阀、二位二通换向阀、三位四通换向阀、双单向节流阀、伸缩气缸、旋转气缸和连杆旋转气缸。

所述的一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，所述气动系统内置压力传感器及位移传感器；控制模式分为手动控制与自动控制两种模式，其模块包括行走模块、转弯模块、吸附模块、弹跳模块和清洗模块，其中，手动模式可以对各功能模块进行实时参数调节，自动模式可提前对对各功能模块进行参数设定，之后系统将按设定参数工作。

所述的一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，所述机器人身体上部安装清洗喷头，水源由地面供给，通过水管连接，通过地面遥控控制，实现对船体各部位清洗。

本发明的优点与效果是：

1.本发明针对大型船舶清洗时遇到的恶劣工作条件问题，设计了用于清洗船体的爬壁机器人。该机器人运用仿生学原理，通过永磁铁吸附在船体墙壁上，可以实现对船体墙壁凸起及凹陷处不平表面的越障行走。机器人身体装备旋转喷头，可以完成对船体各个部位的除锈及清洗任务。

2.本发明机器人动作原理主要通过气动系统实现，相比于采用伺服电机驱动的机器人，旋转气缸的重量更轻，伸缩气缸的推力更大，行程更长，适于在复杂工况下工作。

3.本发明机器人越障功能主要通过气缸的伸缩及旋转气缸的摆动来实现。由于气缸行程可调，因此越障能力相比于履带式机器人及伺服电机驱动机器人更大。

4.本发明机器人的动力供给由地面气源提供，因此提供了主要做功的能耗，机器本身只需提供弱电控制系统及永磁铁的开关。由于机器人本身重量较小，所需电磁力也相应减小，因此，该机器人的连续工作时间很长。

附图说明

图1为本发明机器人结构组成示意图；

图2为本发明机器人结构组成示意图的俯视图；

图3为本发明机器人上下坡示意图；

图4为本发明机器人转弯示意图；

图5为本发明气动系统原理图；

图6为本发明控制系统组成图。

图中部件：前机体1、 后机体2、旋转轴3、旋转气缸4、连杆旋转气缸5、伸缩气缸6、连杆7、下连杆8、永磁铁9、喷头10、空气过滤器11、气泵12、单向阀13、安全阀14、压力表15、三位四通换向阀1 6、气缸17、双单相调速阀18、旋转气缸组19、旋转气缸另一组20、两位两通换向阀21、压力传感器22。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明的机器人的结构由前机体、后机体以及四支腿和脚掌组成。如图1、图2所示。其身体部位由前后机体及中间轴连接而成，方便转弯。机器人有四个足部。每个足部由两个旋转气缸、一个伸缩气缸、两个连杆机构及一块永磁铁组成。机器人身体内部含有气动系统工作站，以及供给该工作站工作的动力电源。机器人本身不携带气泵，其气动工作动力源由地面气泵供给，通过气动管路连接。

本发明的控制方式：该机器人控制方式通过操作人员远程遥控来实现。

本发明机器人的行走过程，包括动作之一：旋转气缸4转动带动连杆7实现抬大腿动作；动作之二：连杆旋转气缸5带动下连杆8形成大腿与小腿之间的角度变化，进而实现小腿的抬腿动作。动作一与动作二同时工作，实现机器人单足的行走动作。

本发明机器人的爬壁：因为船舱内部材料主要为钢铁，机器人通过脚部的磁铁实现对船舱墙壁及顶棚的吸附。机器人抬脚时，永磁铁不工作，气缸内产生的作用力实现抬脚，机器人每抬一次腿，另外三只腿吸附在船舶墙壁上，以保证足够的吸附力及稳定性。

本发明机器人的越障：如图3所示。机器人每次抬腿，伸缩气缸同时收缩至最小位移，当旋转气缸4与连杆旋转气缸5到达设定位置后，落腿，气缸伸出。气动系统内置压力传感器，及位移传感器。如遇较高障碍，气缸伸出长度较短时就被定位，此时，气缸内气体压力增大，而活塞位移尚未到达指定位置（即小腿气缸中间位置），当压力增大至一定阈值后，气动换向阀换向至中位，气缸停止伸出。反之，如遇较低障碍，气缸伸出长度超过设定位移，而压力尚未达到阈值，气缸继续伸出，至遇到障碍，此时压力将上升至指定阈值，气动换向阀换向至中位，气缸停止伸出。

本发明机器人的行走校正：每条腿落地后，所有小腿气缸的伸出位移进行一次校核，如四个气缸位移均小于或大于指定位移范围（含死区），行走暂停，四个小腿气缸重新调整，全部复位至指定位置。然后再执行下一次抬腿动作。

越障能力参数设定：该机器人越障模式根据路面情况可分为几个等级，目前暂定为三个等级，即平坦，不平坦，陡峭三种。平坦模式下，旋转气缸4摆动幅度较大，连杆旋转气缸5转动角度较小，此时机器人步伐较大，利于快速行走。同理，陡峭模式下，旋转气缸4摆动幅度较小，连杆旋转气缸5行程较大，此时机器人抬腿幅度较大，利于越过障碍。

本发明机器人的转弯及校正：如图4所示。当操作人员给出转弯指令后，机器人将通过两侧腿步伐的差动实现前机体体的转弯，当前机体转弯后，后机体与前机体将形成一定转角，此时，后机体首先按照前机体的差动参数实现跟随转弯，之后，再根据前后机体的转角差进行自动微量调整，实现身体校正。

本发明机器人的弹跳及参数设定：该机器人在水平行走时。遇到极大障碍时（超过腿部行程），也可实现跳跃避障，此时，机器人小腿通过伸缩气缸6瞬时压力冲击实现跳跃。

本发明机器人的清洗：行走机器人身体上部安装清洗喷头，水源由地面供给，通过水管连接，通过地面遥控控制，实现对船体各部位清洗。

本发明机器人的吸附试探设定：当机器人脚部落下后，将有一个抬起确认，此时永磁铁扔保持工作状态，脚部抬起的力小于吸附力，如果脚部没有抬起，说明此时永磁铁工作良好，继续执行下一动作，否则，该条腿将重新调节参数，重复抬起落下，至满足吸附条件为止。

本发明机器人结构，如图1、图2所示，由前机体、后机体以及四支腿和脚掌组成。如图1所示。其身体部位由前后机体及中间轴连接而成，方便转弯。机器人有四个足部。每个足部由两个旋转气缸、一个伸缩气缸、两个连杆机构及一块永磁铁组成。

机器人的气动系统，如图5所示，由空气过滤器、气泵、单向阀、压力表、溢流阀、二位二通换向阀、三位四通换向阀、双单向节流阀、伸缩气缸6、旋转气缸4和连杆旋转气缸5组成。电磁换向阀默认位置为中位，永磁铁工作。抬腿时，永磁铁不工作，本腿部气缸及旋转气缸的电动换向阀同时切换至右位，旋转气缸旋转至系统设定位置，电磁换向阀切换至中位，伸缩气缸收缩至设定位置，电磁换向阀切换至中位。当三个电磁换向阀全部切换至中位后，连杆旋转气缸5及伸缩气缸6切换至左位，连杆旋转气缸5旋转至系统设定位置，对应的电磁换向阀切换至中位，伸缩气缸6伸出遇到障碍后，系统气压增大，当压力增加至设定值，且气缸伸出速度出现突变，对应的电磁换向阀切换至中位，永磁铁工作，随后电磁换向阀切换至右位，气缸收缩，如压力增加至设定值且位移小于设定值，电磁换向阀切换至中位，此时表示此步已经踩牢。系统将对下一条腿执行同样的步骤。

机器人大臂摇摆的动作由旋转气缸4实现，小臂与大臂之间的摆动由连杆旋转气缸5实现，由于脚部增加了伸缩缸，极大提高了机器人的越障能力。

机器人的控制方案如图6所示，控制模式分为手动控制与自动控制两种模式。其中，手动模式可以对各功能模块进行实时参数调节，自动模式可提前对对各功能模块进行参数设定，之后系统将按设定参数（默认值）进行工作。

功能模块分为行走模块、转弯模块、吸附模块、弹跳模块和清洗模块五种。行走模块分为平路行走、不平路行走及陡坡行走三种，其判别的标准为各脚面与身体的垂直距离差，该距离可通过伸出缸的长度差与旋转缸旋转的角度通过计算得到。距离差阈值的设定即为自动模式下判别的标准。而不平路行走及陡坡行走又包含上坡和下坡两种模式，其判别标准根据距离差的方向来决定。行走模块可以自动进行，也可以手动控制进行。转弯模块分为两种，转弯及转弯跟随。其中转弯模块只能由手动控制，通过前脚的步长差来实现转弯，而转弯跟随为默认自动控制，通过前后两身体之间的旋转编码器的角度差进行反馈，后脚的步长差实现自动跟随。除锈及清洗模块主要控制喷头角度，及开关喷头，手动自动均可。吸附模块主要控制永磁铁的开关，手动自动均可。弹跳模块：在水平路面上，首先将机器人伸缩气缸收缩至最小位移，然后增大系统压力，关闭永磁铁，然后手动模式下，打开换向阀，此时气缸快速伸出，实现机器人跳跃。

机器人四足的行走顺序为：前左、前右、后左、后右，反复循环。手动模式下，可以任意控制选定的腿进行行走。

机器人行走高度的校正：每条腿落地后，所有小腿气缸的伸出位移进行一次校核，如四个气缸位移均小于或大于指定位移范围（含死区），行走暂停，四个小腿气缸重新调整，全部复位至指定位置。然后再执行下一次抬腿动作。

机器人转弯及校正：如图4所示。当操作人员给出转弯指令后，机器人将通过两侧腿步伐的差动实现前机体体的转弯，当前机体转弯后，后机体与前机体将形成一定转角，此时，后机体首先按照前机体的差动参数实现跟随转弯，之后，再根据前后机体的转角差进行自动微量调整，实现身体校正。

机器人吸附设定：当机器人脚部落下后，将有一个抬起确认，此时永磁铁扔保持工作状态，脚部抬起的力小于吸附力，如果脚部没有抬起，说明此时永磁铁工作良好，继续执行下一动作，否则，该条腿将重新调节参数，重复抬起落下，至满足吸附条件为止。

Claims (4)

1.一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，其特征在于，所述爬壁机器人包括前机体、后机体以及四支腿和脚掌；身体部位由前后机体及中间轴连接；机器人设有四个足；每个足由两个旋转气缸、一个伸缩气缸、两个连杆机构及一块永磁铁构成；机器人身体内部设有气动系统，机器人气动工作动力源由地面气泵供给，通过气动管路连接；机器人控制方式为操作人员远程遥控；机器人的行走包括旋转气缸转动带动连杆实现抬大腿动作；以及连杆旋转气缸带动下连杆形成大腿与小腿之间的角度变化，进而实现小腿的抬腿动作；动作一与动作二同时工作完成机器人单足的行走；机器人爬壁由脚部设置磁铁吸附和气缸配置完成，越障由其设置的旋转气缸与气动系统内置压力传感器及位移传感器完成，行走校正由设置的四个气缸位移完成，机器人设有越障能力参数设定，转弯及校正由设定的差动参数完成；弹跳及参数设定通过伸缩气缸完成；机器人设有清洗装置，身体上部安装清洗喷头，水源由地面供给，通过水管连接，通过地面遥控控制，实现对船体各部位清洗。

2.根据权利要求1所述的一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人的气动系统包括空气过滤器、气泵、单向阀、压力表、溢流阀、二位二通换向阀、三位四通换向阀、双单向节流阀、伸缩气缸、旋转气缸和连杆旋转气缸。

3.根据权利要求1所述的一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，其特征在于，所述气动系统内置压力传感器及位移传感器；控制模式分为手动控制与自动控制两种模式，其模块包括行走模块、转弯模块、吸附模块、弹跳模块和清洗模块，其中，手动模式可以对各功能模块进行实时参数调节，自动模式可提前对对各功能模块进行参数设定，之后系统将按设定参数工作。

4.根据权利要求1所述的一种自动清洗大型船舶船体的爬壁机器人，其特征在于，所述机器人身体上部安装清洗喷头，水源由地面供给，通过水管连接，通过地面遥控控制，实现对船体各部位清洗。

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