CN112224299A - 一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，包括前轮部分、后轮部分、用于连接前轮部分和后部分的机械臂部分，所述前轮部分和后轮部分均设置有仿鲍鱼式吸盘，机械臂部分包括通过从动关节连接的前机械臂和后机械臂，前机械臂与前轮部分、后机械臂与后轮部分均通过驱动关节和转向关节连接，前后机械臂之间的夹角在30°～150°之间。本发明针对船壁这一特殊的工作环境—潮湿、金属表面、壁面可能存在障碍物等—设计一种采用永磁吸附与仿鲍鱼式吸盘相结合的爬壁机器人。

Description

一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生爬壁机器人，尤其涉及一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，属于移动机器人领域。

背景技术

海洋，占据着地球表面积的71％，比陆地拥有更广阔的空间与广袤的资源，更是各国重要的资源运输与开采的主要场所。而在海洋作业中，船舶是必不可少的工具。在船舶生产和维护的过程中，需要对船舶外壁进行焊接、喷涂、除锈、清理海洋附着物等等工作，而一旦发生险情，还涉及到救援工作，而这些工作如果都依靠人力或大型船坞来完成将十分繁琐并伴随不少的问题。因此，研发一款灵活的小型爬壁机器人显得十分重要。

通常情况下，可以认为爬壁机器人能够实现垂直壁面上的行走，甚至是倾角大于90°壁面。为了实现上述功能，主要有以下几种爬壁方式：磁吸附方式，又可分为永磁吸附和电磁吸附，这两种方式只能应用于金属壁面，且电磁吸附对防水性要求较高；负压吸附，多用于光滑环境，如玻璃幕墙，推力吸附；干性材料静电吸附，属于仿生的一种，通过模拟壁虎的脚掌来完成吸附，对壁面没有要求，但是成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括前轮部分、后轮部分、用于连接前轮部分和后部分的机械臂部分，所述前轮部分和后轮部分均设置有仿鲍鱼式吸盘，机械臂部分包括通过从动关节连接的前机械臂和后机械臂，前机械臂与前轮部分、后机械臂与后轮部分均通过驱动关节和转向关节连接，前后机械臂之间的夹角在30°～150°之间。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述前轮部分和后轮部分结构相同，均包括底板、设置在底板四个角上的永磁体车轮、通过四个弹簧设置在底板上方的顶板，仿鲍鱼式吸盘通过吸盘附件设置在顶板的下端面上，吸盘通过软管连接有真空发生器，转向关节设置在顶板上，对应的机械臂通过驱动关节与转向关节连接。

2.弹簧有四个，且弹簧的上下两端通过对应的弹簧铰链与顶板和底板连接。

3.当机器人被放置在船壁上，机器人的前转向关节与后转向关节锁死，后真空发生器工作，通过软管抽取后吸盘中的空气，使后吸盘内形成负压，吸附于船壁上，同时整体机构通过铰链弹簧结构形成的弹性形变补偿吸盘吸附时产生的位移；当后吸盘吸附在船壁上后，前驱动关节与后驱动关节同时工作，一个作为主要驱动，另一个作为辅助驱动，形成一个铰链四杆机构，再通过前端四个永磁体车轮的辅助使得前端整体沿船壁向上移动；当行进了合适的距离后，前驱动关节与后驱动关节停止工作，前真空发生器工作，使前吸盘吸附于船壁上，此时后真空发生器停止工作，使后吸盘脱离船壁，前驱动关节与后驱动关节同时工作，通过后端四个永磁体车轮的辅助使得后端整体沿船壁向上移动；当移动了合适的距离后停止，重复此过程，使机器人沿船壁垂直上升；

当前方存在障碍物时，前真空发生器工作，使前吸盘内形成负压，吸附于船壁上，当前吸盘吸附在船壁上后，前转向关节锁死，后转向关节工作，使后部装置整体旋转90°；旋转到指定位置后，后转向关节锁死，前转向关节开始工作，驱动整体机构以前转向关节为圆心做圆周运动；当移动到合适的位置后前转向关节与后转向关节停止工作，后真空发生器工作，使后吸盘吸附于船壁上，此时前真空发生器停止工作，使前吸盘脱离船壁，同时后转向关节锁死，前转向关节工作使前部装置转动合适的角度，与机器人的行动方向成90°角；当转动到合适的位置后，前转向关节锁死，后转向关节工作，使得整体以后转向关节为圆心做圆周运动，当移动的角度与第二步移动的角度之和为360°时停止，保证前端部分与后端部分处于同一竖直垂线上；如成功绕过了障碍物，则将前部装置与后部装置转回竖直方向即可继续爬壁；如果没能绕过障碍物，则可继续重复上述步骤，直至成功越障。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对船壁这一特殊的工作环境—潮湿、金属表面、壁面可能存在障碍物等—设计一种采用永磁吸附与仿鲍鱼式吸盘相结合的爬壁机器人。其具备以下四种功能：1.能在壁面上遥操作或自主行进；2.具备沿船体爬壁的同时能够携带一定负载的能力；3.可以越过一定高度的障碍物；4.模块化设计，便于生产及维护的同时可搭载不同的功能模块。为海上作业提供后勤保障与支援。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的左视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明前部装置隐藏了顶板后的示意图。

图6为本发明的仿鲍鱼式吸盘的示意图。

图7为本发明的仿鲍鱼式吸盘的主视图的剖视图。

图8为本发明的仿鲍鱼式吸盘的仰视图。

图9为本发明在越障时的主要步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1-图9所示，一种仿鲍鱼式爬壁机器人，其目的是设计一种应用于船壁外壁上的爬壁机器人。主要包括：前端部分、机械臂部分和后端部分，所述机械臂部分，包括：转向关节、驱动关节、机械臂等；其中，一对转向关节与对应的吸盘同轴心，分别安装在前端和后端部分上方；驱动关节安装在转向关节上方，与机械臂相连；机械臂通过从动关节与另一机械臂相连，且两机械臂之间的夹角被限制在30°～150°之间。所述的前端与后端部分，包括：永磁体车轮、底座、弹簧铰链、仿鲍鱼式吸盘、真空发生器等。其中：四个永磁体车轮安装在底板上，并无动力来源，属于从动轮；底板通过四个弹簧铰链与顶板连接，弹簧铰链能够为机器人在吸盘处于吸附状态时提供足够的弹性形变；吸盘具备特殊的仿鲍鱼式仿生结构，使其能够为整个机器人提供足够的吸附力以支持爬壁运动。

本发明具体包括永磁体车轮1、底板2、顶板3、后吸盘4、下弹簧铰链5、弹簧6、上弹簧铰链7、后软管8、后真空发生器9、后转向关节10、后驱动关节11、后机械臂12、从动关节13、前机械臂14、前驱动关节15、前转向关节16、前吸盘17、前真空发生器18和吸盘附件19。前后吸盘均为仿鲍鱼式吸盘，单个吸盘即可为机器人提供足够的支撑力以保障机器人能够吸附在垂直甚至是倾角大于90°的船体表面；永磁体车轮起到辅助支持及行走的功能；由转向关节提供的动力驱动机械臂运动，配合吸盘的交替吸附形成进行尺蠖式运动，使机器人沿船壁向上移动。

结合图1-图5，四个永磁体车轮1安装在机器人底板2上，并无动力来源，属于从动轮；底板2通过四个弹簧铰链与顶板3连接，弹簧铰链位于底板2的四角，由下弹簧铰链5、弹簧6和上弹簧铰链7组成，能够为机器人在仿鲍鱼吸盘处于吸附状态时提供足够的弹性形变；后吸盘4通过吸盘附件19安装在顶板2的正中心，后真空发生器9通过软管8与后吸盘4相连，为吸盘提供负压；转向关节10安装在顶板上，且与后吸盘4同轴心，以保障越障时的稳定性；驱动关节11安装在转向关节10上方，与后机械臂12相连接，为机器人提供主要动力；后机械臂12由从动关节13与前机械臂14相连；与后端机构相似，前端机构前机械臂14与前驱动关节15相；前驱动关节安装在前转向关节16上方；前转向关节16与前吸盘17同轴心，通过后机械臂由从动关节与前机械臂相连，完成整体机构的动力传递。

当机器人被放置在船壁上，且不需要越障时，机器人的转向关节锁死。此时后真空发生器工作，使后吸盘吸附于船壁上，前驱动关节与后驱动关节同时工作，通过前端四个永磁体车轮的辅助使得前端整体沿船壁向上移动；当行进了合适的距离后，前真空发生器工作，使前吸盘吸附于船壁上，此时后真空发生器停止工作，使后吸盘脱离船壁，前驱动关节与后驱动关节同时工作，通过后端四个永磁体车轮的辅助使得后端整体沿船壁向上移动；当移动了合适的距离后停止，重复第一步的过程，如此一来，就使得机器人能够沿船壁垂直上升。

结合图6-图8，本发明所采用的吸盘为仿生类吸盘，所模仿的为鲍鱼吸盘；鲍鱼的腹足边缘部位具有密集的褶皱结构，能够让鲍鱼更好的吸附于物体表面，并能够产生一定的变形来对抗外界拉力；鲍鱼腹足的中心褶皱以均匀的密度分布，在吸附时提供足够的力量使腹足与接触面不发生分离。

本发明所采用的仿鲍鱼式吸盘其边缘具有类椭圆形花纹，同时吸盘内腔具有密集的放射状波纹，能够模拟鲍鱼腹足边缘处的褶皱及腹足中心处的刚毛。前者提高了吸盘边缘的延展包覆性，后者对于吸盘的吸附有着良好的防滑作用。当真空发生器工作，吸盘内形成负压吸附于壁面时，由于边缘与中心花纹两者的存在，使得吸盘具有良好的伸缩性能，能够牢牢的吸附在壁面上，同时在承受拉力时能较好的避免吸盘与接触面发生分离。

不需要越障时：

结合图1-2，当机器人被放置在船壁上，机器人的前转向关节15与后转向关节10锁死，以保证机器人在垂直运动时不发生偏移。

首先使后真空发生器9工作，通过软管8抽取后吸盘4中的空气，使后吸盘4内形成负压，吸附于船壁上，同时整体机构通过铰链弹簧结构形成的弹性形变补偿吸盘吸附时产生的位移；

当后吸盘4牢牢吸附在船壁上后，前驱动关节15与后驱动关节11同时工作，一个作为主要驱动，另一个作为辅助驱动，形成一个铰链四杆机构，再通过前端四个永磁体车轮的辅助使得前端整体沿船壁向上移动；

当行进了合适的距离后，前驱动关节15与后驱动关节11停止工作，前真空发生器18工作，使前吸盘17吸附于船壁上，此时后真空发生器9停止工作，使后吸盘4脱离船壁，前驱动关节15与后驱动关节11同时工作，通过后端四个永磁体车轮1的辅助使得后端整体沿船壁向上移动；

当移动了合适的距离后停止，重复第一步的过程，如此一来，就使得机器人能够沿船壁垂直上升。

需要越障时：

结合图1与图9，当机器人在竖直上升过程中遇到障碍物时，前驱动关节15与后驱动关节11锁死，以保证在转向过程中不出现竖直方向的偏移。

当前方存在障碍物时，前真空发生器18工作，使前吸盘17内形成负压，吸附于船壁上，同时整体机构通过铰链弹簧结构形成的弹性形变补偿吸盘吸附时产生的位移；

当前吸盘17牢牢吸附在船壁上后，前转向关节16锁死，后转向关节10工作，使后部装置整体旋转90°；

旋转到指定位置后，后转向关节10锁死，前转向关节16开始工作。驱动整体机构以前转向关节16为圆心做圆周运动；

当移动到合适的位置后前转向关节16与后转向关节10停止工作，后真空发生器9工作，使后吸盘4吸附于船壁上，此时前真空发生器18停止工作，使前吸盘17脱离船壁，同时后转向关节10锁死，前转向关节16工作使前部装置转动合适的角度，与机器人的行动方向成90°角；

当转动到合适的位置后，前转向关节16锁死，后转向关节10工作，使得整体以后转向关节10为圆心做圆周运动，当移动的角度与第二步移动的角度之和为360°时停止，以保证前端部分与后端部分处于同一竖直垂线上；

至此，如成功绕过了障碍物，则将前部装置与后部装置转回竖直方向即可继续爬壁；如果没能绕过障碍物，则可继续重复上述步骤，直至成功越障。

以上所述，仅是本专利的较佳实施例而已，并非对本专利作任何形式上的限制，凡是依据本专利的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本专利技术方案的范围内。

综上，本发明公开了一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，属于移动机器人领域。主要包括前端部分、机械臂部分和后端部分。其中前端部分结构与后端部分基本一致，主要由永磁体车轮、底板、弹簧铰链、顶板、吸盘及气动元件和机器人关节组成；机械臂部分主要由前后两条机械臂及从动关节组成。吸盘在机器人进行尺蠖式移动时为其提供足够的吸附力，而永磁体车轮起辅助移动作用，保证机器人运动的平稳；机器人通过两机械臂交替运动形成尺蠖式来驱动机构前进，实现在垂直甚至是倾角大于90°的船体或其他金属材质的外壁上移动的目的。

Claims (4)

1.一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，其特征在于：包括前轮部分、后轮部分、用于连接前轮部分和后部分的机械臂部分，所述前轮部分和后轮部分均设置有仿鲍鱼式吸盘，机械臂部分包括通过从动关节连接的前机械臂和后机械臂，前机械臂与前轮部分、后机械臂与后轮部分均通过驱动关节和转向关节连接，前后机械臂之间的夹角在30°～150°之间。

2.根据权利要求1所述的一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，其特征在于：所述前轮部分和后轮部分结构相同，均包括底板、设置在底板四个角上的永磁体车轮、通过四个弹簧设置在底板上方的顶板，仿鲍鱼式吸盘通过吸盘附件设置在顶板的下端面上，吸盘通过软管连接有真空发生器，转向关节设置在顶板上，对应的机械臂通过驱动关节与转向关节连接。

3.根据权利要求2所述的一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，其特征在于：弹簧有四个，且弹簧的上下两端通过对应的弹簧铰链与顶板和底板连接。

4.根据权利要求1-3任意所述的一种仿鲍鱼式吸盘爬壁机器人，其特征在于：当机器人被放置在船壁上，机器人的前转向关节与后转向关节锁死，后真空发生器工作，通过软管抽取后吸盘中的空气，使后吸盘内形成负压，吸附于船壁上，同时整体机构通过铰链弹簧结构形成的弹性形变补偿吸盘吸附时产生的位移；当后吸盘吸附在船壁上后，前驱动关节与后驱动关节同时工作，一个作为主要驱动，另一个作为辅助驱动，形成一个铰链四杆机构，再通过前端四个永磁体车轮的辅助使得前端整体沿船壁向上移动；当行进了合适的距离后，前驱动关节与后驱动关节停止工作，前真空发生器工作，使前吸盘吸附于船壁上，此时后真空发生器停止工作，使后吸盘脱离船壁，前驱动关节与后驱动关节同时工作，通过后端四个永磁体车轮的辅助使得后端整体沿船壁向上移动；当移动了合适的距离后停止，重复此过程，使机器人沿船壁垂直上升；

当前方存在障碍物时，前真空发生器工作，使前吸盘内形成负压，吸附于船壁上，当前吸盘吸附在船壁上后，前转向关节锁死，后转向关节工作，使后部装置整体旋转90°；旋转到指定位置后，后转向关节锁死，前转向关节开始工作，驱动整体机构以前转向关节为圆心做圆周运动；当移动到合适的位置后前转向关节与后转向关节停止工作，后真空发生器工作，使后吸盘吸附于船壁上，此时前真空发生器停止工作，使前吸盘脱离船壁，同时后转向关节锁死，前转向关节工作使前部装置转动合适的角度，与机器人的行动方向成90°角；当转动到合适的位置后，前转向关节锁死，后转向关节工作，使得整体以后转向关节为圆心做圆周运动，当移动的角度与第二步移动的角度之和为360°时停止，保证前端部分与后端部分处于同一竖直垂线上；如成功绕过了障碍物，则将前部装置与后部装置转回竖直方向即可继续爬壁；如果没能绕过障碍物，则可继续重复上述步骤，直至成功越障。

Images