CN113183161B - 一种可变形磁吸机器人及其在船舱检测中的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变形磁吸机器人及其在船舱检测中的工作方法，所述机器人包括可折叠腿部结构、足底爪式磁吸模块、轮式驱动模块、控制模块和框架；所述框架包括机器人主体；所述可折叠腿部结构包括上腿部和下腿部；所述上腿部通过两个电机Ⅰ与所述机器人主体相连接；所述上腿部与所述下腿部通过电机Ⅱ连接；所述足底爪式磁吸模块包括橡胶足底和爪式结构；所述爪式结构包括相对设置的两块侧部电磁铁以及一块内部电磁铁；所述轮式驱动模块包括轮和电机Ⅲ；所述控制模块分别与所述电机Ⅰ、所述电机Ⅱ、所述侧部电磁铁和所述电机Ⅲ电连接。本发明解决了现有的轮式磁吸机器人存在移动效率低，控制精度低以及检测效率低等问题。

Description

一种可变形磁吸机器人及其在船舱检测中的工作方法

技术领域

本发明涉及检测机器人领域，具体而言，尤其涉及一种可变形磁吸机器人及其在船舱检测中的工作方法。

背景技术

密闭空间是指一个密封及闭塞的环境，例如船舱、坑道及沙井等。它在当今运输业、石油化工业、航运行业等众多领域应用广泛，但因其与外界相对隔离、进出口有限、空间密封等特质，常会造成空间内积存有毒有害物质和氧气不足的问题，使密闭空间作业效率低下，且易产生人员伤亡。作业人员需要经过大量的事前培训，并在作业前仔细检查空间安全等级后才能开始作业，但空间有限加上空气或其它物质、药剂流通不顺畅或者房间内存有仪器都会引起特别危险，中毒、气体燃烧或爆炸等事故屡屡发生。

为避免人员伤亡，提高船舱检测工作效率，申请日为2012年6月7日，申请号为201210185203.3，名称为“一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人”的发明专利公开了一种轮式机器人进行相关检测，其解决方案为吸附装置同时采用了磁轮和永磁间隙吸附装置，前轮采用磁轮，在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时换套后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置。但轮式机器人越障能力、地形适应能力差，难以满足密闭空间的复杂环境需求；

再如专利申请号为200710072319.5，申请日为2007年6月6日，名称为“基于真空吸附原理的小型微声爬壁机器人”的发明专利，其技术方案为六足步行结构，每一个足的驱动关节是由电机、安装在电机两端的谐波减速器、与谐波减速器相连的行星减速器相连的伞齿轮组成的一个模块，模块的两端通过关节分别于机体被动杆相连，吸盘通过被动关节安装在被动杆上，吸盘通过管路与二位三通阀相连。但该多足爬壁机器人采用的真空吸附方式，吸力较小，移动速度缓慢，难以满足高效检测的需求。

但是，轮式磁吸机器人存在很多问题，例如，在船舱内移动效率低，轮式结构非常容易打滑，控制精度低，船舱内存在许多复杂地形结构，轮式结构无法稳固吸附；多足式磁吸机器人同样存在诸如移动缓慢，结构控制复杂，地形要求高；均无法完成高效的检测工作。

发明内容

根据上述提出现有的轮式磁吸机器人存在移动效率低，控制精度低以及检测效率低等技术问题，而提供一种检测范围广、移动方式灵活的可变形磁吸机器人及其在船舱检测中的工作方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种可变形磁吸机器人，包括可折叠腿部结构、足底爪式磁吸模块、轮式驱动模块、控制模块和框架；

所述框架包括机器人主体，所述机器人主体为长方体，所述机器人主体四条侧棱上分别安装一个所述可折叠腿部结构；所述可折叠腿部结构包括上腿部和下腿部；所述上腿部通过两个电机Ⅰ与所述机器人主体相连接；所述上腿部与所述下腿部通过电机Ⅱ连接；

所述足底爪式磁吸模块包括橡胶足底和爪式结构；所述爪式结构包括相对设置的两块侧部电磁铁以及一块内部电磁铁，所述侧部电磁铁铰接安装于所述下腿部底部，所述内部电磁铁固定安装于所述下腿部底面上；所述橡胶足底为半球形结构，包裹于所述侧部电磁铁底部；

所述轮式驱动模块安装于所述机器人主体底部，所述轮式驱动模块包括四个轮，每一个所述轮均连接于一个电机Ⅲ，通过所述电机Ⅲ控制所述轮的工作；

所述机器人主体内部设置密封控制舱，所述控制模块安装于所述密封控制舱内部；所述控制模块分别与所述电机Ⅰ、所述电机Ⅱ、所述侧部电磁铁和所述电机Ⅲ电连接，用于控制所述电机Ⅰ、所述电机Ⅱ、所述侧部电磁铁和所述电机Ⅲ的工作。

进一步地，所述控制模块与控制中心有线连接，所述控制中心用于向所述控制模块发送控制指令，进而通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ、所述电机Ⅱ、所述侧部电磁铁、所述内部电磁铁和所述电机Ⅲ的工作。

进一步地，所述控制模块采用Teensy3.5with pins型号的主控板。

进一步地，还包括检测模块，所述检测模块包括视觉检测模块和气体检测模块；所述视觉检测模块包括高清摄像头和二自由度云台，所述视觉检测模块安装于所述机器人主体顶部；所述气体检测模块包括气体传感器；所述视觉检测模块和所述气体检测模块与所述控制模块电连接，用于将检测信号传输至所述控制模块。

进一步地，所述橡胶足底安装有基于摩擦纳米发电机的压力传感器，所述压力传感器与所述控制模块电连接。

本发明还提供了一种应用于船舱检测的可变形磁吸机器人的工作方法，采用上述可变形磁吸机器人，包括以下步骤：

步骤1：靠近船舱

通过所述控制中心发送控制信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而控制所述轮的转向，使得所述可变形磁吸机器人移动至待检测船舱；

步骤2：船舱内部检测

(1)检测：所述视觉检测模块用于采集船舱内指定区域的图像，并将图像通过所述控制模块传输至所述控制中心；所述气体检测模块从所述可变形磁吸机器人进入船舱起，实时对船舱密闭空间内部气体进行检测，将检测数据通过所述控制模块传输至所述控制中心；

(2)移动：操作人员根据所述可变形磁吸机器人行进方向上的地形，选择机器人的行进形式，移动至船舱内指定区域，行进形式主要包括：

轮式行进，通过所述控制模块控制所述电机Ⅱ工作，使所述下腿部与所述上腿部呈折叠状态，同时通过所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而通过所述轮式驱动模块行进；

混合行进，所述混合行进包括足式行进和爪式行进；所述足式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ和所述电机Ⅱ工作，使所述下腿部与所述上腿部呈展开状态，同时使所述可折叠腿部结构依靠所述橡胶足底与地面之间的摩擦力行进；所述爪式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述侧部电磁铁和所述内部电磁铁的工作，使所述爪式结构通过所述侧部电磁铁和所述内部电磁铁通电与船舱内壁产生的吸引力行进；

步骤3：通过所述控制中心发送控制信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而控制所述轮的转向，使得所述可变形磁吸机器人离开船舱，检测结束。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所述可变形磁吸机器人，采用可变形设计框架，当机器人处于狭小环境时，可将四条腿部折叠从而缩小体积穿过障碍；面对不同的检测需求，机器人可以选择不同的框架形态。

2、相较于一般的四足式机器人，本发明提出的机器人在跨越地形障碍方面具有很大优势，它能够并不限于在各种复杂崎岖的路面上行进，能够做到包括攀爬、推拉、吸附式越障等更为多样的动作进而满足复杂检测的需求；本发明采用轮式行进和足式行进相结合的方式，既有较快的行进速度，也提供了较强的越障能力，当需要越过船舱中横栏等障碍物时，可采用足式或爪式行进，结合爪式结构和电磁铁进行翻越；当地面较平坦时，可采用轮式行进方式，快速行进。

3、本发明采用灵活连接结构，与传统四足机器人腿部设计结构相比，具有足端落点范围广，稳定性好，移动灵活等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述可变形磁吸机器人整体结构示意图。

图2为本发明所述可变形磁吸机器人侧向剖面图。

图3为本发明所述可变形磁吸机器人底部结构示意图。

图4为本发明所述足底磁吸模块收缩状态示意图。

图5为本发明所述足底磁吸模块张开状态示意图。

图6为本发明所述轮式驱动模块结构示意图。

图中：1、视觉检测模块；2、高清摄像头；3、机器人主体；4、电机Ⅰ；5、电机Ⅱ；6、上腿部；7、可折叠腿部结构；8、足底爪式磁吸模块；9、内部电磁铁；10、橡胶足底；11、轮；12、轮式驱动模块；13、侧部电磁铁；14、气体检测模块；15、框架；16、二自由度云台；17、下腿部。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-6所示，本发明提供了一种可变形磁吸机器人，包括可折叠腿部结构7、足底爪式磁吸模块8、轮式驱动模块12、控制模块和框架15；

所述框架15包括机器人主体3，所述机器人主体3为长方体，所述机器人主体3四条侧棱上分别安装一个所述可折叠腿部结构7；所述可折叠腿部结构7包括上腿部6和下腿部17；所述上腿部6通过两个电机Ⅰ4与所述机器人主体3相连接，提供两个自由度；所述上腿部6与所述下腿部17通过电机Ⅱ5连接，提供腿部折叠功能；

所述足底爪式磁吸模块8包括橡胶足底10和爪式结构；所述爪式结构包括相对设置的两块侧部电磁铁13以及一块内部电磁铁9，所述侧部电磁铁13铰接安装于所述下腿部17底部，所述内部电磁铁9固定安装于所述下腿部17底面上；所述橡胶足底10为半球形结构，包裹于所述侧部电磁铁13底部；

所述轮式驱动模块12安装于所述机器人主体底部，所述轮式驱动模块12包括四个轮11，每一个所述轮11均连接于一个电机Ⅲ，通过所述电机Ⅲ控制所述轮11的工作；所述轮11均为主动轮，均可提供驱动力，灵活性好，可绕车体中心转向；

所述机器人主体3内部设置密封控制舱，所述控制模块安装于所述密封控制舱内部；所述控制模块分别与所述电机Ⅰ4、所述电机Ⅱ5、所述侧部电磁铁13和所述电机Ⅲ电连接，用于控制所述电机Ⅰ4、所述电机Ⅱ5、所述侧部电磁铁13和所述电机Ⅲ的工作。

进一步地，所述控制模块与控制中心有线连接，所述控制中心用于向所述控制模块发送控制指令，进而通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ4、所述电机Ⅱ5、所述侧部电磁铁13、所述内部电磁铁9和所述电机Ⅲ的工作。

进一步地，所述控制模块采用Teensy 3.5with pins型号的主控板。

进一步地，还包括检测模块，所述检测模块包括视觉检测模块1和气体检测模块14；所述视觉检测模块1包括高清摄像头2和二自由度云台16，所述视觉检测模块1安装于所述机器人主体顶部；所述气体检测模块14包括气体传感器；所述视觉检测模块1和所述气体检测模块14与所述控制模块电连接，用于将检测信号传输至所述控制模块。

进一步地，所述橡胶足底10安装有基于摩擦纳米发电机的压力传感器，所述压力传感器与所述控制模块电连接，用于将检测到的压力信号传输至所述控制中心，所述控制中心能够根据反馈的压力信号控制所述足底爪式磁吸模块8的工作。

本发明还提供了一种应用于船舱检测的可变形磁吸机器人的工作方法，采用上述的可变形磁吸机器人，包括以下步骤：

步骤1：靠近船舱

通过所述控制中心发送控制信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而控制所述轮11的转向，使得所述可变形磁吸机器人移动至待检测船舱；

步骤2：船舱内部检测

(1)检测：所述视觉检测模块1用于采集船舱内指定区域的图像，并将图像通过所述控制模块传输至所述控制中心；所述气体检测模块14从所述可变形磁吸机器人进入船舱起，实时对船舱密闭空间内部气体进行检测，将检测数据通过所述控制模块传输至所述控制中心，用户根据传输至所述控制中心的检测数据判断船舱环境中是否存在有毒气体，有毒气体含量是否超标；

(2)移动：操作人员根据所述可变形磁吸机器人行进方向上的地形，选择机器人的行进形式，移动至船舱内指定区域，行进形式主要包括：

轮式行进，通过所述控制模块控制所述电机Ⅱ5工作，使所述下腿部17与所述上腿部6呈折叠状态，同时通过所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而通过所述轮式驱动模块12行进；

混合行进，所述混合行进包括所述轮式行进、足式行进和爪式行进；所述足式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ4和所述电机Ⅱ5工作，使所述下腿部17与所述上腿部6呈展开状态，同时使所述可折叠腿部结构7依靠所述橡胶足底10与地面之间的摩擦力行进；所述爪式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述侧部电磁铁13和所述内部电磁铁9的工作，利用三块电磁铁进行爬壁等操作，使所述爪式结构通过所述侧部电磁铁13和所述内部电磁铁9通电与船舱内壁产生的吸引力行进；

工作人员可以根据地面的不同崎岖状况选择相应的行进形式，能够将所述可变形磁吸机器人吸附在船舱内各种部位；

步骤3：通过所述控制中心发送控制信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而控制所述轮的转向，使得所述可变形磁吸机器人离开船舱，检测结束。

进一步地，所述高清摄像头2内置Yolov4识别程序，能够匹配视角中的图像与数据库中指定区域图像，找到指定区域后，进行拍摄、读数，并将图像通过所述控制模块3传回所述控制中心。

本发明提供的可变形磁吸机器人，智能性高，自由度高，能够在各种危险和复杂的环境下工作；机器人具有非常灵活的脚，不仅能在钢板结构的墙壁上和地面上能够自由移动，而且还能在爬行中实现从地面到墙壁转换的自动爬壁。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种可变形磁吸机器人，其特征在于，包括可折叠腿部结构（7）、足底爪式磁吸模块（8）、轮式驱动模块（12）、控制模块和框架（15）；

所述框架（15）包括机器人主体（3），所述机器人主体（3）为长方体，所述机器人主体（3）四条侧棱上分别安装一个所述可折叠腿部结构（7）；所述可折叠腿部结构（7）包括上腿部（6）和下腿部（17）；所述上腿部（6）通过两个电机Ⅰ（4）与所述机器人主体（3）相连接；所述上腿部（6）与所述下腿部（17）通过电机Ⅱ（5）连接；

所述足底爪式磁吸模块（8）包括橡胶足底（10）和爪式结构；所述爪式结构包括相对设置的两块侧部电磁铁（13）以及一块内部电磁铁（9），所述侧部电磁铁（13）铰接安装于所述下腿部（17）底部，所述内部电磁铁（9）固定安装于所述下腿部（17）底面上；所述橡胶足底（10）为半球形结构，包裹于所述侧部电磁铁（13）底部；

所述轮式驱动模块（12）安装于所述机器人主体底部，所述轮式驱动模块（12）包括四个轮（11），每一个所述轮（11）均连接于一个电机Ⅲ，通过所述电机Ⅲ控制所述轮（11）的工作；

所述机器人主体（3）内部设置密封控制舱，所述控制模块安装于所述密封控制舱内部；所述控制模块分别与所述电机Ⅰ（4）、所述电机Ⅱ（5）、所述侧部电磁铁（13）和所述电机Ⅲ电连接，用于控制所述电机Ⅰ（4）、所述电机Ⅱ（5）、所述侧部电磁铁（13）和所述电机Ⅲ的工作；

所述可变形磁吸机器人行进形式主要包括：

轮式行进，通过所述控制模块控制所述电机Ⅱ（5）工作，使所述下腿部（17）与所述上腿部（6）呈折叠状态，同时通过所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而通过所述轮式驱动模块（12）行进；

混合行进，所述混合行进包括足式行进和爪式行进；所述足式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ（4）和所述电机Ⅱ（5）工作，使所述下腿部（17）与所述上腿部（6）呈展开状态，同时使所述可折叠腿部结构（7）依靠所述橡胶足底（10）与地面之间的摩擦力行进；所述爪式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述侧部电磁铁（13）和所述内部电磁铁（9）的工作，使所述爪式结构通过所述侧部电磁铁（13）和所述内部电磁铁（9）通电与船舱内壁产生的吸引力行进。

2.根据权利要求1所述的可变形磁吸机器人，其特征在于，所述控制模块与控制中心有线连接，所述控制中心用于向所述控制模块发送控制指令，进而通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ（4）、所述电机Ⅱ（5）、所述侧部电磁铁（13）、所述内部电磁铁（9）和所述电机Ⅲ的工作。

3.根据权利要求1所述的可变形磁吸机器人，其特征在于，所述控制模块采用Teensy3.5 with pins型号的主控板。

4.根据权利要求2所述的可变形磁吸机器人，其特征在于，还包括检测模块，所述检测模块包括视觉检测模块（1）和气体检测模块（14）；所述视觉检测模块（1）包括高清摄像头（2）和二自由度云台（16），所述视觉检测模块（1）安装于所述机器人主体顶部；所述气体检测模块（14）包括气体传感器；所述视觉检测模块（1）和所述气体检测模块（14）与所述控制模块电连接，用于将检测信号传输至所述控制模块。

5.根据权利要求2所述的可变形磁吸机器人，其特征在于，所述橡胶足底（10）安装有基于摩擦纳米发电机的压力传感器，所述压力传感器与所述控制模块电连接。

6.一种应用于船舱检测的可变形磁吸机器人的工作方法，采用权利要求4所述的可变形磁吸机器人，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：靠近船舱

通过所述控制中心发送控制信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而控制所述轮（11）的转向，使得所述可变形磁吸机器人移动至待检测船舱；

步骤2：船舱内部检测

（1）检测：所述视觉检测模块（1）用于采集船舱内指定区域的图像，并将图像通过所述控制模块传输至所述控制中心；所述气体检测模块（14）从所述可变形磁吸机器人进入船舱起，实时对船舱密闭空间内部气体进行检测，将检测数据通过所述控制模块传输至所述控制中心；

（2）移动：操作人员根据所述可变形磁吸机器人行进方向上的地形，选择机器人的行进形式，移动至船舱内指定区域，行进形式主要包括：

轮式行进，通过所述控制模块控制所述电机Ⅱ（5）工作，使所述下腿部（17）与所述上腿部（6）呈折叠状态，同时通过所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而通过所述轮式驱动模块（12）行进；

混合行进，所述混合行进包括足式行进和爪式行进；所述足式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述电机Ⅰ（4）和所述电机Ⅱ（5）工作，使所述下腿部（17）与所述上腿部（6）呈展开状态，同时使所述可折叠腿部结构（7）依靠所述橡胶足底（10）与地面之间的摩擦力行进；所述爪式行进形式具体为，通过所述控制模块控制所述侧部电磁铁（13）和所述内部电磁铁（9）的工作，使所述爪式结构通过所述侧部电磁铁（13）和所述内部电磁铁（9）通电与船舱内壁产生的吸引力行进；

步骤3：通过所述控制中心发送控制信号至所述控制模块，所述控制模块控制所述电机Ⅲ，进而控制所述轮的转向，使得所述可变形磁吸机器人离开船舱，检测结束。

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