CN112478010B - 一种水下巡航爬壁双模式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下巡航爬壁双模式机器人，属于水下机器人技术领域。包括机架、用于搭载控制硬件和传感器的容纳腔体、设置在所述机架上的驱动模块和吸附模块；所述驱动模块包括沿水平方向设置在所述机架前后两端的第一推进器；所述吸附模块包括设置在所述机架上的伯努利吸盘，所述伯努利吸盘设有沿竖直方向设置的第二推进器；所述机架在所述伯努利吸盘的吸附方向上设有用于产生伯努利间隙的支撑结构。通过设置驱动模块和吸附模块，能够实现水下巡航以及水下爬壁两种功能，其所有的运动过程由水下推进器来实现，无需增加额外的电机控制，模式的转换主要依赖姿态变换实现，底层驱动控制较为简单。

Description

一种水下巡航爬壁双模式机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说，涉及一种水下巡航爬壁双模式机器人。

背景技术

水下机器人作为特种机器人中的一个分支，在海洋领域中扮演着极其重要的角色，现阶段其在实际的科研和工程项目中已经被细化成了很多具体的应用方向，如水下巡航机器人和水下爬壁机器人。

水下巡航机器人通常被用作水域观察，结构物勘探检测等作业任务，常见的遥控无人航行器(Remote Operate Vehicle，ROV)就是一种典型的用于水下观测作业的机器人系统。但其由于自身结构安全性的局限，在检测结构物表面缺陷时难以过于靠近结构物，在浑浊黑暗的水下环境中对于一些细小缺陷的检测效率较为低下。

而相对的，水下爬壁机器人则实现了对于结构表面的吸附功能，其在工程上更多被应用于船体清洗等需要紧密贴附在表面的作业任务。

然而，大多水下爬壁机器人实现可靠作业过于依赖于其自身能否稳定吸附在结构物表面上，尽管面对常见的钢铁表面能够通过磁吸附进行解决，但是在其他材料的结构物表面现阶段仍缺乏可靠的手段，常见的负压吸附往往受限于其吸盘的密封性，且使用时需要大体积大功率的水泵，能耗及噪声较大，在面向粗糙表面时效果差强人意，而仅靠推力实现吸附的手段往往又难以产生足够的贴附力。同时，面向形状不同、曲率各异的吸附表面，爬壁机器人的移动性能也受到了较大的限制，往往仅能实现在一定范围内平坦表面的运动，作业能力也因此有所下降。

公布号为CN111114721A的发明专利申请文献公开了一种吸附式水下机器人，包括机体和活动安装在机体上的多个支腿，机体中安装有爬行驱动机构和水泵，爬行驱动机构分别与多个支腿传动连接；支腿的底部设有吸盘，吸盘上开设有抽水口，抽水口与水泵之间连接有抽水管路；机体上还设有顶部排水口，顶部排水口与水泵之间连接有顶部排水管路，顶部排水口与支腿分别位于机体的相背侧上。利用顶部排水口向上排水对机体产生向下的反推力，并与各个支腿的吸盘产生吸附作用相配合，使支腿与水底之间形成了有效的吸附力。同时通过在机体上部还设置排水口，与水泵相接，排水时对机体产生向下的反推力，并且配合吸盘使得机器人有效吸附在壁面上。但是该吸附式水下机器人需要自身搭载水泵，使得体积和质量增加较多，且工作时噪音及能耗较大，在面向粗糙表面作业时受吸盘密封性影响难以产生足够大的吸附力，运动速度同样受限于六足爬壁形式。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下巡航爬壁双模式机器人，该机器人解决水下机器人目前功能单一的问题，能够同时实现在水域范围内的航行以及在壁面上的爬壁作业，且无需搭载额外的设备来实现吸附爬壁功能。

为了实现上述目的，本发明提供的水下巡航爬壁双模式机器人包括机架、用于搭载控制硬件和传感器的容纳腔体、设置在所述机架上的驱动模块和吸附模块；所述驱动模块包括沿水平方向设置在所述机架前后两端的第一推进器；所述吸附模块包括设置在所述机架上的伯努利吸盘，所述伯努利吸盘设有沿竖直方向设置的第二推进器；所述机架在所述伯努利吸盘的吸附方向上设有用于产生伯努利间隙的支撑结构。

上述技术方案中，通过设置驱动模块和吸附模块，能够实现水下巡航以及水下爬壁两种功能，其所有的运动过程由水下推进器来实现，无需增加额外的电机控制，模式的转换主要依赖姿态变换实现，底层驱动控制较为简单。

可选地，在一个实施例中，所述的驱动模块包括沿机架的中线对称设置的两组第一推进器，每组第一推进器包括设置在所述机架前后端的至少两个。

可选地，在一个实施例中，所述的第一推进器在水平方向上均与机器人的中轴线呈45度角设置。

可选地，在一个实施例中，所述的伯努利吸盘至少包括成对的两个，成对之间分为正桨伯努利吸盘和反桨伯努利吸盘，所述正桨伯努利吸盘和所述反桨伯努利吸盘在水平和竖直方向均间隔排布。

可选地，在一个实施例中，所述的机架包括底板、中间板、侧板、顶部壳罩和吸盘固定板；所述的第一推进器安装在所述底板和所述中间板之间；所述的伯努利吸盘安装在所述中间板和所述顶部壳罩之间；所述吸盘固定板设置在所述中间板的一侧。

可选地，在一个实施例中，两个所述的中间板对称固定在两侧板上，两中间板之间设有与所述容纳腔体的外形相适应的腔体固定板。

可选地，在一个实施例中，所述的伯努利吸盘包括吸附通道和吸附作用板，所述的第二推进器设置在所述吸附通道的顶端。

可选地，在一个实施例中，所述的吸附通道设有用于固定所述第二推进器的螺栓，该螺栓同时将所述伯努利吸盘固定在机架上。

可选地，在一个实施例中，所述的支撑结构所产生的伯努利吸盘与被吸附避免之间的间隙小于10mm。

可选地，在一个实施例中，所述的支撑结构为设置在机架上的球轮。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明的水下巡航爬壁双模式机器人同时具备巡航及爬壁功能，运动更加灵活，在实际工作过程中适用性更强；仅通过水下推进器即可实现上浮下潜、稳定吸附和自由运动等运动，使得结构和控制都更加简单灵活；适用于不同材料及粗糙度表面的吸附，并且利用伯努利效应能够产生足够可靠的吸附力，保证机器人的稳定工作；机器人基本功能实现无需额外的设备及供能，能源利用效率高且工作噪声较小。

附图说明

图1为本发明实施例中水下巡航爬壁双模式机器人的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中水下巡航爬壁双模式机器人的主视图；

图3为本发明实施例中水下巡航爬壁双模式机器人的左视图；

图4为本发明实施例中水下巡航爬壁双模式机器人的俯视图；

图5为本发明实施例中水下巡航爬壁双模式机器人的仰视图；

图6为本发明实施例中机架的结构示意图；

图7为本发明实施例中伯努利吸盘的安装示意图；

图8为本发明实施例中伯努利吸盘的结构示意图；

图9为本发明实施例中水下巡航爬壁双模式机器人的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1至图5，本实施例的水下巡航爬壁双模式机器人包括机架100、容纳腔体200、驱动模块和吸附模块。

其中，容纳腔体200内部放置各种控制硬件以及传感器模块，摄像头模块则安装在容纳腔体200容纳腔体200的半球罩区域内部，并由云台舵机控制视角。

驱动模块包括沿机架100的中线对称设置的两组第一推进器300，每组第一推进器包括设置在机架100前后端的两个。第一推进器300的推进方向为水平方向。第一推进器在水平方向上均与机器人的中轴线呈45度角设置。

吸附模块包括沿机架100的中线对称设置的两组伯努利吸盘400，每组伯努利吸盘包括两个，分为正桨伯努利吸盘和反桨伯努利吸盘，正桨伯努利吸盘和反桨伯努利吸盘在水平和竖直方向均间隔排布。参见图8，伯努利吸盘400包括吸附通道401和吸附作用板402，吸附通道401的顶端设有第二推进器403，第二推进器402的推进方向为竖直方向。机架100在伯努利吸盘400的吸附方向上设有用于产生伯努利间隙的支撑结构，本实施例的支撑结构为球轮500。

参见图6和图7，机架100包括底板101、对称布置的两块中间板102、两块侧板103、对应的两个顶部壳罩104和两个吸盘固定板105。吸盘固定板105设置在中间板102的一侧。两个中间板102对称固定在两侧板102上，两中间板102之间设有与容纳腔体200的外形相适应的腔体固定板106。第一推进器300安装在底板101和中间板102之间；伯努利吸盘400安装在中间板102和顶部壳罩104之间。吸附通道401设有用于固定第二推进器403的螺栓404，该螺栓404同时将伯努利吸盘400固定在吸盘固定板105上。

第一推进器300和第二推进器403可采用市面上各种类型的推进器而不受限制。安装时，底板101，侧板103，吸盘固定板105，中间板102和腔体固定板106之间通过螺纹进行配合安装，装配完成之后首先将第二推进器403通过中间板102边缘的螺纹孔进行固定，再参照图7所示安装结构，将顶部壳罩104安装到中间板102上，伯努利吸盘400通过顶部壳罩104的中孔1041插入到顶部壳罩104空腔内部并且通过螺栓404实现在吸盘固定板105上的安装，空腔内剩余部分可填充浮力泡沫块来增加机器人的浮力(图中未画出)。然后球轮500通过其上的螺纹杆安装到顶部壳罩104上。最后将容纳腔体200固定到腔体固定板106上即可实现整个水下机器人的安装过程。

机器人主控部分除了包含机器人本体上的容纳腔体200，还包括位于岸上的地面PC基站以及高压直流电源。岸上的上位机部分主要通过脐带缆与水下机器人的容纳腔体200相接，用来供能并发送相应的控制指令给机器人容纳腔体200内的下位机。而下位机同样将机器人相应的姿态信息、传感器信息以及摄像机所捕捉到的图像等通过脐带缆返回给岸面上的上位机，从而实现实时的通讯控制。

伯努利吸盘400在壁面吸附时通过第二推进器403内部高速旋转的叶轮带动吸附作用板402与壁面之间的流体高速流动，从吸附作用板402和壁面之间的间隙之间快速流动进入吸附通道401内，然后通过吸附通道401另一端被排出，利用这个过程中产生的伯努利效应实现吸附功能，球轮500在此过程中用来辅助产生吸附作用板402与壁面之间的固定间隙，间隙控制在10mm及以内。圆角405则作普通涵道用途，帮助提升吸附力。伯努利吸盘400除了可用作产生吸附作用的吸盘外，还可以当做普通推进器使用，外附的吸附作用板402对于第二推进器403产生的推力效果影响较小。

本实施例的水下机器人能够实现水下巡航以及水下爬壁两种功能，其所有的运动过程由水下推进器来实现，球轮500仅做被动轮用途，无需增加额外的电机控制，模式的转换主要依赖姿态变换实现，底层驱动控制较为简单。

巡航模式下，本实施例的水下机器人可视作八推进器的ROV结构，4个垂直安装的伯努利吸盘400仅作普通推进器用途，用来控制机器人在水中的深度，同时可用来改变机器人的横滚角和俯仰角，从而改变机器人在水中的姿态。而4个水平安装的第一推进器300则用来控制机器人的平移转向以及运动的速度。八推进器模式的机器人结构能够在水下环境中实现六自由度的全向运动，同时运动具备更大的灵活性。

爬壁模式下，机器人的吸附力主要由四个伯努利吸盘400来提供，此时吸盘内螺旋桨转向恒定(即将水从壁面向外抽出的方向)，而通过控制转速来实现对吸附力大小的控制。经实验证明单个伯努利吸盘能够产生三倍于原推进器推力的吸力，因此能够产生足够大的吸附力。由于伯努利吸盘400在球轮500的辅助下产生的是非接触式吸盘，吸附力不会受到壁面粗糙度的限制，并使得机器人的运动更具灵活性。

爬壁模式下，六个球轮500作被动轮用途，使得机器人具备二维平面上的全自由度。机器人的运动由水平放置的四个第一推进器300实现，通过安装在机器人四角的第一推进器300的转向和转速控制来达到各方向的平移运动以及转向运动。

本实施例的水下机器人巡航模式向爬壁模式的转换过程如图9所示。流程1～3表示的是水下机器人在水平稳定状态下实现垂直壁面吸附的运动过程。整个运动过程主要依靠垂直安装的四个推进器也就是伯努利吸盘400来实现。

在稳定状态下，将四个水平第一推进器300停转，然后通过控制伯努利吸盘400中螺旋桨的转向和转速，实现如流程1中所示的侧翻动作。通过读取容纳腔体200内部姿态传感器反馈回来的姿态信息，采用相应的控制算法实现机器人在自由水域空间中平行于吸附壁面的姿态(图例中为垂直壁面)，即流程2。最后控制伯努利吸盘400产生相应的推力，将机器人推动并按压到壁面上，实现流程3。由于球轮500的存在，机器人底部与壁面之间会产生固定的间隙，在伯努利吸盘400的作用下流体会在这个间隙内产生高速的流动，从而产生伯努利效应，在间隙处生成一定的负压区域。但由于球轮500的存在使得机器人本体不会彻底贴到壁面上，然后完成整个吸附过程。

流程4～5表示的是机器人在涵洞等封闭空间内实现水平壁面贴附的过程，此时只需要控制机器人不断上浮，直至顶部球轮500与壁面接触即可，整个吸附过程同上述一致。

机器人从爬壁模式向巡航模式的转换过程只需将伯努利吸盘400内部的螺旋桨停转或者反向旋转，使机器人产生垂直于吸附面向外的推力即可实现从壁面的脱离。然后控制调节机器人达到水平自稳状态，即可重新回到正常巡航模式。

Claims (8)

1.一种水下巡航爬壁双模式机器人，包括机架、用于搭载控制硬件和传感器的容纳腔体、设置在所述机架上的驱动模块和吸附模块；其特征在于：

所述驱动模块包括沿水平方向设置在所述机架前后两端的第一推进器；

所述吸附模块包括设置在所述机架上的伯努利吸盘，所述伯努利吸盘设有沿竖直方向设置的第二推进器；

所述机架在所述伯努利吸盘的吸附方向上设有用于产生伯努利间隙的支撑结构；

所述的伯努利吸盘包括吸附通道和吸附作用板，所述的第二推进器设置在所述吸附通道的顶端；

所述的伯努利吸盘至少包括成对的两个，成对之间分为正桨伯努利吸盘和反桨伯努利吸盘，所述正桨伯努利吸盘和所述反桨伯努利吸盘在水平和竖直方向均间隔排布。

2.根据权利要求1所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，所述的驱动模块包括沿机架的中线对称设置的两组第一推进器，每组第一推进器包括设置在所述机架前后端的至少两个。

3.根据权利要求2所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，所述的第一推进器在水平方向上均与机器人的中轴线呈45度角设置。

4.根据权利要求1所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，所述的机架包括底板、中间板、侧板、顶部壳罩和吸盘固定板；所述的第一推进器安装在所述底板和所述中间板之间；所述的伯努利吸盘安装在所述中间板和所述顶部壳罩之间；所述吸盘固定板设置在所述中间板的一侧。

5.根据权利要求4所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，两个所述的中间板对称固定在两侧板上，两中间板之间设有与所述容纳腔体的外形相适应的腔体固定板。

6.根据权利要求1所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，所述的吸附通道设有用于固定所述第二推进器的螺栓，该螺栓同时将所述伯努利吸盘固定在机架上。

7.根据权利要求1所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，所述的支撑结构所产生的伯努利吸盘与被吸附避免之间的间隙小于10mm。

8.根据权利要求1所述的水下巡航爬壁双模式机器人，其特征在于，所述的支撑结构为设置在机架上的球轮。

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