一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人及工作方法与流程

本发明涉及一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人，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。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明设计一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人及工作方法，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：一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人，包括机身框架、主动轮组件、从动轮组件和除污系统。机身框架采用四根方管上梁和四根方管下梁将两组主动轮组件与两组从动轮组件连接成四方形，两组主动轮组件不相邻处于对角位置。

所述主动轮组件把主动轮转向制动机构设置在车轮体下方，从动轮组件把从动轮制动机构设置在车轮体下方；所述车轮体采用空心轴通过上端轴承和下端轴承设置在车架立管内，空心轴的顶端设置顶盘，顶盘上方设置脱磁手柄，脱磁手柄的手柄凸轮连接磁铁提升杆的上端，磁铁提升杆穿过顶盘和空心轴的下端设置u形永磁铁。

所述主动轮转向制动机构中主动轮底盘设置在空心轴的下方，主动轮底盘下方一侧通过主动轮车轮夹板连接主动车轮，车轮电机通过车轮轴连接主动车轮；主动轮底盘上侧周向设置卡槽，主动轮电磁铁固定在车架立管上，锁杆的一端穿过主动轮电磁铁，锁杆的另一端与卡槽相配合，锁杆的外周设有主动轮弹簧，主动轮弹簧的一端作用在锁杆下端的凸盘上，其另一端作用在主动轮电磁铁上。

所述从动轮制动机构中从动轮底盘设置在空心轴的下方，从动轮底盘通过从动轮车轮夹板连接从动车轮，从动轮电磁铁固定在从动轮车轮夹板上，从动轮弹簧杆的一端穿过从动轮电磁铁，从动轮弹簧杆的另一端固定在磁铁块上，从动轮弹簧杆的外周设置从动轮弹簧，从动轮弹簧的一端作用在磁铁块上，从动轮弹簧的另一端作用在从动轮电磁铁上；

所述除污系统设置在方管下梁构建的工作平台上，相对的两根方管下梁之间设置舵机导轨、齿轮导轨和电机导轨，舵机导轨上设置伺服舵机，伺服舵机的前端通过舵机轴驱动出动齿轮；电机导轨上设置电机，电机通过电机轴驱动齿轮，齿轮与齿轮导轨相啮合；伺服舵机与齿轮分别设置在外套筒的两侧，伺服舵机通过套筒杆与外套筒连接，齿轮通过齿轮杆与外套筒连接；外套筒前端设置旋转套筒，旋转套筒固定连接空化射流管，旋转套筒的外侧齿盘与传动齿轮相啮合；外套筒尾端与橡胶水管连接，空化射流管上设置空化射流管喷嘴。

所述两组从动轮组件中的一组从动轮组件中空心轴与从动轮底板之间设有空心轴弹簧。

所述脱磁手柄的手柄凸轮基圆与顶盘上表面始终接触。

所述上端轴承和下端轴承采用能承受轴向力的滚动轴承。

一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人的工作方式：

磁吸与脱磁模式：当把机器人放置在工作表面时，脱磁手柄处于立向的磁吸状态，脱磁手柄通过磁铁提升杆连接的u形永磁铁靠近曲面，机器人吸附在工作表面，完成磁吸模式；扳起脱磁手柄，脱磁手柄通过磁铁提升杆使u形永磁铁离开工作表面，完成脱磁模式；

主动轮制动模式：主动轮电磁铁断电，由于主动轮电磁铁无电磁力，锁杆被主动轮弹簧压入到卡槽中，此时主动轮底盘不可转动，车轮电机驱动主动车轮运动使机器人直线运动；主动轮电磁铁通电，由于主动轮电磁铁有电磁力，锁杆克服主动轮弹簧的弹簧力被吸出卡槽，车轮电机驱动主动车轮运动，主动轮底盘绕空心轴旋转，车轮电机驱动主动车轮进行转向运动；

从动轮制动模式：从动轮电磁铁断电，磁铁块下降并吸附到工作表面，从动车轮被定住不可移动，机器人整体不可移动；从动轮电磁铁通电，磁铁块受从动轮电磁铁的电磁力作用克服从动轮弹簧的弹簧力作用脱离工作表面，从动车轮恢复运动。

除污作业：电机驱动齿轮在齿轮导轨上运动，带动整体除污系统移动，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套筒内的空化射流管共同旋转，从而改变空化射流喷嘴的水流与被除污表面的夹角。机器人的四根下梁构成的平台可以用来搭载工作载荷，机身框架是构成爬壁机器人的主体框架。其中，两组主动轮组件与两组从动轮组件呈对角线布置，主动轮电机通过车轮轴与主动车轮相连；主动车轮位于“偏心”位置；从动轮组件中的一组中在空心轴与从动轮底盘之间设有空心轴弹簧，以适用于机器人四个车轮不在同一工作平面的情况。

吸附系统吸附模块采用u形永磁铁，可以提供足够的吸附力，并且车轮及磁铁集成一体，适用于大曲率曲面工作环境。u形永磁铁位于主从动车轮的偏心方向，通过调节永磁块与船体的距离，控制机器人与船体的吸附与分离。

该发明的有益效果为：与现有的机器人轮式运动机构相比，转向更加灵活，车体不动即可实现小车的任意方向的转弯，提高了机器人的运动性能，增加了除污覆盖面积；与偏心轮集成一体的高磁u形永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为一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人的总体结构示意图。

图2为本发明的主动轮组件的正视图。

图3为本发明的第一从动轮组件的侧视图。

图4为本发明的第二从动轮组件的侧视图。

图5为本发明的脱磁手柄磁吸状态图。

图6为本发明的脱磁手柄脱磁状态图。

图7为本发明机器人除污时运动轨迹示意图。

图8为本发明的空化射流管旋转45°示意图。

图9为本发明的空化射流管旋转135°示意图。

图10为本发明的除污系统初始运动示意图。

图11为本发明的除污系统往复运动示意图。

图12为本发明的除污系统回收状态示意图。

图中：1、主动轮电磁铁，2、锁杆，2a、凸盘，3、弹簧，4、车轮电机，5、车轮轴，6、车轮，7、主动轮车轮夹板，8、u形永磁块，9、主动轮底盘，10、卡槽，11、车架立管，12、顶盘，13、脱磁手柄，13a、手柄凸轮，14、方管上梁，15、方管下梁，16、磁铁提升杆，17、上端轴承，18、空心轴，19、下端轴承，20、从动轮电磁铁，21、磁铁块，22、空心轴弹簧，23、从动轮底盘，24、从动轮弹簧杆，25、从动轮弹簧，26、从动轮车轮夹板，27、从动车轮，28、舵机导轨，29、齿轮导轨，30、电机导轨，31、外套筒，31a、套筒杆，32、齿轮，32a、齿轮杆，33、电机，33a、电机轴，34、伺服舵机，34a、舵机轴，35、传动齿轮，36、旋转套筒，37、空化射流管，38、空化射流管喷嘴，ⅰ、第一主动轮组件，ⅱ、第一从动轮组件，ⅲ、第二主动轮组件，ⅳ、第二从动轮组件，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。

请参阅图1、图2、图3，示出了一种船体除污用偏心万向平移磁吸爬壁机器人，它包括机身框架、两组主动轮组件、两组从动轮组件和除污系统：机身框架采用四根方管上梁14和四根方管下梁15将第一主动轮组件ⅰ、第二主动轮组件ⅲ、第一从动轮组件ⅱ和第二从动轮组件ⅳ连接成四方形，两组主动轮组件不相邻处于对角位置。车架立管11位于顶盘12和主动轮底盘9之间，四根方管上梁14连接在车架立管11上侧，四根方管下梁15连接在车架立管11下侧。机器人的运动系统位于偏心位置，车轮电机4通过车轮轴5与主动车轮6相连；主动车轮6位于“偏心”位置；主动轮车轮夹板7位于主动车轮6两侧，上端与主动轮底盘9相连，下端位于主动车轮6侧面，用于固定主动车轮6；在主动轮组件中，空心轴18上端与顶盘12相连，下端与主动轮底盘9接触；上端轴承17和下端轴承19位于车架立管11和空心轴18之间；第一从动轮组件ⅱ中，在空心轴18与从动轮底盘9之间设有空心轴弹簧22，以适用于机器人四个车轮不在同一工作平面的情况。磁铁提升杆16下端连接在u形永磁铁8中部，上端与脱磁手柄13铰链连接；脱磁手柄13位于顶盘12上端。u形永磁铁8，可以提供足够的吸附力。主动轮电磁铁1一端固定于车架立管11上，一端与锁杆2相连；锁杆2的下端可以卡到卡槽10中，主动轮弹簧3位于锁杆2外围；卡槽10分布在主动轮底盘9上。从动轮电磁铁20、磁铁块21、从动轮弹簧22，三者构成从动轮刹车器，限定从动轮运动，从而使小车不再移动。

在主动轮组件中，主动轮电磁铁1、锁杆2和主动轮弹簧3共同构成车轮转向制动系统。主动轮电磁铁1一端固定于车架立管11上，一端与锁杆2相连，锁杆2穿过主动轮电磁铁1，下端可以卡到卡槽10中，主动轮弹簧3在锁杆外围；车轮电机4通过车轮轴5与主动车轮6相连；主动车轮6和从动车轮27与u形永磁铁8错开布置，位于车架主体的偏心位置；主动轮车轮夹板7位于主动车轮6两侧，一端与车轮相连，另一端固定于主动轮底盘9上；u形永磁铁8在每个车轮附近安装一块；底盘位于车管立架11下端；卡槽10分布在主动轮底盘9上；车管立架11与方管上梁14和方管下梁15相连，构成机器人机身框架，四根方管下梁15构成的平台可以用来搭载工作载荷；顶盘12下端与车架立管11相连；脱磁手柄13安装于顶盘12上，手柄凸轮13a与磁铁提升杆16相连；磁铁提升杆16上端与脱磁手柄13相连，下端与u形永磁铁8相连；上端轴承17和下端轴承19位于外管与空心轴18之间，能够限制外管11和空心轴18的轴向位移，不能上下活动，仅能转动；空心轴18上端与顶盘12相连，位于车架立管11和磁铁提升杆16之间；从动轮电磁铁20和磁铁块21安装于从动轮车轮夹板26上，从动轮电磁铁20断电时在从动轮弹簧25的作用下使磁铁块21下降并吸附在钢制工作表面，机器人停止运动；空心轴弹簧22安装于第一从动轮组件ⅱ上，位于空心轴18和从动轮底盘23之间（如图4所示），以适用于机器人四个车轮不在同一工作平面的情况。

除污系统设置在方管下梁15构建的工作平台上，相对的两根方管下梁15之间设置舵机导轨28、齿轮导轨29和电机导轨30，舵机导轨28上设置伺服舵机34，伺服舵机34的前端通过舵机轴34a驱动出动齿轮35；电机导轨30上设置电机33，电机33通过电机轴驱动齿轮32，齿轮32与齿轮导轨29相啮合；伺服舵机34与齿轮32分别设置在外套筒31的两侧，伺服舵机34通过套筒杆31a与外套筒31连接，齿轮32通过齿轮杆32a与外套筒31连接；外套筒31前端设置旋转套筒36，旋转套筒36固定连接空化射流管37，旋转套筒36的外侧齿盘与传动齿轮35相啮合；外套筒31尾端与橡胶水管3002连接。

伺服舵机34通过传动齿轮35驱动旋转套筒36旋转，从而带动空化射流管37一起同心旋转；外套筒36、齿轮32、电机33、伺服舵机34、传动齿轮35、旋转套筒36、空化射流管37连接固定，形成一个整体的除污结构，除污整体在电机33驱动下，沿空化射流管37的轴线方向移动，可以进行往复运动；空化射流管37上布置有四个空化射流管喷嘴38。

图5和图6示出了脱磁手柄13有两种工作状态，图5是磁吸状态，磁铁提升杆16与脱磁手柄13连接处与顶盘距离为h，此时u形永磁铁8与工作面距离很近，机器人吸附在上面；图6是脱磁状态，磁铁提升杆16与脱磁手柄13连接处与顶盘距离为h（h>h），此时脱磁手柄13被扳平，磁铁提升杆16被提升，u形永磁铁8远离工作表面，机器人可以从工作表面脱离。

请参阅图7，显示机器人除污时的运动轨迹的简单示意图，空化射流车3001通过橡胶水管3002连接至机器人，在船体表面3003上进行除污作业，机器人从a处运动到b处，在b处本体不需要掉头，主动轮做转向，仅做平移运动，机器人就可从b处移动到c处，在c处主动轮再做转向，机器人可从c处运动到d处，如此往复移动，机器人即可完成曲面运动；通过对两个主动轮的速度的控制，使车轮运动速度不同，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37进行旋转，改变喷嘴的射流角度，以适应机器人新的除污方向。

请参阅图8和图9：伺服舵机34通过舵机轴34a驱动旋转传动齿轮35，通过传动齿轮35传动，带动旋转套筒36和空化射流管37进行旋转，从而改变空化射流管喷嘴38的射流角度。图8中空化射流管喷嘴与船体表面夹角为45°，旋转90度后，图9中空化射流管喷嘴与船体表面夹角为135°。

请参阅图10和图11：进行除污工作时，电机33带动除污整体进行运动，由图10位置运动至图11位置，再由图11位置运动至图10位置，如此反复运动，即除污整体的往复运动。

请参阅图12：当机器人到达e位置完成除污的任务后，电机33带动除污整体进行运动至图12位置，将除污系统的部分收进爬壁机器人的框架内，结束除污工作。扳起脱磁手柄13，使u形永磁块8远离船体表面，此时机器人脱离船体表面，可以进行回收，工作完毕。

工作原理：当把机器人放置在工作表面时，脱磁手柄13处于磁吸状态，u形永磁块8靠近曲面，机器人吸附在工作表面，此时可以开始工作。请参阅图7，机器人起始位于a处，启动车轮电机4，驱动车轮6运动，此时主动轮制动系统启动，主动轮电磁铁1断电，锁杆2由于主动轮弹簧3的弹力被压入到卡槽10中，此时底盘不可转动，机器人做直线运动到b处；在b处，从动轮电磁铁20断电，磁铁块21下降并吸附到工作表面，从动轮被定住，不可移动，机器人整体不可移动，此时主动轮制动系统通电，锁杆2下端被主动轮电磁铁1吸出卡槽10，车轮电机4驱动主动车轮6运动时，底盘可绕空心轴转动；当车轮转过90°时，主动轮制动系统关闭，同时从动轮电磁铁通电，磁铁块受电磁力作用脱离工作表面，机器人做平移运动到c处。同理，机器人在c处完成车轮转向运动，做直线运动到d处，如此反复，通过电机和制动系统互相配合调控车轮，机器人可以轻松地实现在船体表面的运动与转弯，而机器人本体不需要掉头，可以高效完成船体表面除污的工作。

该机器人通过电机和制动系统互相配合调控车轮，机器人可以轻松地在工作表面做平移运动而不需要掉头。机器人先做平移运动，需要转向时本体不需要掉头，主动轮做转向，转向完毕后接着做平移运动，如此往复移动，机器人即可完成曲面上的运动；两个主动轮不等速就可以实现原地任意转向和移动；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，提高了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。