本发明属于人工智能领域，具体涉及一种模块化爬壁机器人。
背景技术：
现代管道系统的内部结构和部件经常需要监管和检测，在管道故障排除过程中，由于现代管道系统及其复杂，而且管状结构粗细不等，更加多样化，增加了故障排除的困难，传统的人工手段不完全能够满足要求。适应管状结构的爬壁机器人能够深入管道内部查看或检测管道内壁及其内部构件，并监测其工作状态，正逐渐成为人工智能领域的研究方向之一。
爬壁机器人在工作时需要吸附在墙壁上，目前，爬壁机器人根据吸附方式的不同可分为磁铁吸附爬壁机器人和真空吸附爬壁机器人。磁铁吸附爬壁机器人的优点在于：速度快，吸附性好，可控性高；缺点在于：适用范围小，只能用于磁性介质组成表面。真空吸附爬壁机器人的优点在于：可以在一切平滑的表面上运动，而且足式真空吸附方式具备一定翻越障碍的能力；缺点在于：前进速度缓慢，吸附力较弱，而且为提升吸附力需要增加机器人本体体积。
现代管道系统的内壁不完全是光滑的，不同部件的材料也不相同，结构多样，而且还存在一定的隔板等障碍，这就要求爬壁机器人既能克服重力，吸附力从零一直到能够支撑本体和负载，而且还要能够适应本体360°翻转，同时还要求爬壁机器人能够根据管道系统的具体结构，因地制宜地改变爬行方式，同时具有磁铁吸附和真空吸附爬壁机器人的优点。
技术实现要素：
本发明提供了一种模块化爬壁机器人，克服了上述现有技术的不足，其能有效解决现有爬壁机器人因单一吸附方式无法适应管道系统结构特性、无法在多种不同材料和平面上使用以及面对不同高度障碍物的操作方式不够灵活的问题。
一种模块化爬壁机器人，其特征在于：包括足式真空吸盘骨架1、磁铁吸附式车轮组2、视觉系统3和底盘4四个功能模块，这四个功能模块可通过不同的组合方式形成具备不同功能的爬壁机器人。
所述足式真空吸盘骨架1由腿和躯干组成，每条腿有6个自由度，其中髋关节11、膝关节12和踝关节13各有1个自由度，足关节14的球铰15与真空吸盘16相连，组成1个万向关节，具有3个自由度，髋关节11、膝关节12和踝关节13为主动驱动关节，髋关节11分别与膝关节12和踝关节13正交，髋关节13与躯干相连且轴线方向与集体垂直。
所述磁铁吸附式车轮组2由两个磁铁吸附式车轮模块21和22组成，两个磁铁吸附式车轮模块21和22结构相同，并列放置；所述磁铁吸附式车轮模块21由两个磁铁吸附式车轮21-1和21-2、两个控制舵机21-3和21-4和两个磁铁吸附式车轮接口21-5和21-6组成，其中磁铁吸附式车轮21-1与控制舵机21-3连接，磁铁吸附式车轮21-2与控制舵机21-4连接，磁铁吸附式车轮接口21-5和21-6位于磁铁吸附式车轮模块外侧，分别靠近磁铁吸附式车轮21-1和21-2。
所述视觉系统3由云台31、舵机32和摄像头33组成，摄像头33和舵机32相连，树立在云台31上，而且在云台31能够360°旋转，具有1个自由度，摄像头33能够180°俯仰，具有1个自由度，视觉系统3的底盘设有与爬壁机器人的底盘4相连接的安装孔。
所述底盘4附带有通信模块41、控制模块42、电源43及五个底盘接口44-1、44-2、44-3、44-4和44-5，其中一个底盘接口44-5和电源43位于底盘4中间，通信模块41位于该底盘接口44-5和电源43的左边，控制模块42位于该底盘接口44-5和电源43的右边，其余四个底盘接口分两组位于底盘4的两端。
所述足式真空吸盘骨架1和底盘4组合构成足式真空吸盘行进的爬壁机器人。
所述磁铁吸附式车轮2和底盘4组合构成磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人。
所述足式真空吸盘骨架1、视觉系统3和底盘4组合构成具有视觉功能的足式真空吸盘行进的爬壁机器人。
所述磁铁吸附式车轮2、视觉系统3和底盘4组合构成具备视觉功能的磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人。
所述足式真空吸盘骨架1、磁铁吸附式车轮2、视觉系统3和底盘4组合构成并存真空吸盘吸附和四车轮电磁吸附两种方式并切换行进的具备视觉功能的爬壁机器人。
本发明有益效果：
1)本发明所设计的模块化爬壁机器人具有足式真空吸盘和车轮式电磁吸附两种吸附方式，这两种吸附方式的组合使得模块化爬壁机器人适用于多种不同材料表面；
2)四足真空吸盘和车轮式电磁吸附两种吸附方式在前进过程中可以平稳互换，以灵活适用于不同材料表面或翻越障碍；
3)在磁性材料表面作业时还可以同时采用四足真空吸盘和车轮式电磁吸附这两种吸附方式，以增加吸附力和爬壁机器人工作时的稳定性；
4)本发明所设计的模块化爬壁机器人可拆卸模块化安装，在实际工作中可以根据管道系统的实际情况将不同模块自由组合，形成具有不同功能的爬壁机器人。
附图说明
图1是本发明所设计的模块化爬壁机器人的整体组成框图；
图2是足式真空吸盘骨架结构示意图；
图3是磁铁吸附式车轮组结构示意图；
图4是视觉系统的结构示意图；
图5是底盘的结构示意图；
图6是上置式足式真空吸盘行进的爬壁机器人结构示意图；
图7是下置式足式真空吸盘行进的爬壁机器人结构示意图；
图8是前后置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人结构示意图；
图9是左右置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人结构示意图；
图10是上置视觉功能的足式真空吸盘行进的爬壁机器人结构示意图；
图11是下置视觉功能的足式真空吸盘行进的爬壁机机器人结构示意图；
图12是上置视觉功能前后置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人结构示意图；
图13是下置视觉功能前后置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人结构示意图；
图14是上置视觉功能左右置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人结构示意图；
图15是下置视觉功能左右置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人结构示意图；
图16是上置视觉功能下置足式真空盘骨架前后置车轮吸附的爬壁机器人结构示意图；
图17是下置视觉功能上置足式真空盘骨架前后置车轮吸附的爬壁机器人结构示意图；
图18是上置视觉功能下置足式真空盘骨架左右置车轮吸附的爬壁机器人结构示意图；
图19是上置视觉功能下置足式真空盘骨架左右置车轮吸附的爬壁机器人结构示意图；
图20是上置视觉系统中置底盘前后置磁铁式吸附轮下置四足真空吸盘骨架的爬壁机器人结构示意图；
图21是负压产生原理示意图；
图22是正压产生原理示意图；
其中，1是足式真空吸盘骨架，11是髋关节，12是膝关节，13是踝关节，14是足关节，15是球铰，16是真空吸盘，2是磁铁吸附式车轮组，21、22是磁铁吸附式车轮模块，21-1、21-2是磁铁吸附式车轮，21-3、21-4是控制舵机，21-5、21-6是磁铁吸附式车轮接口，3-视觉系统，31是云台，32是舵机，33是摄像头，4是底盘，41是通信模块，42是控制模块，43是电源，44-1、44-2、44-3、44-4、44-5是底盘接口，51是内部推杆，52是注射筒，53是空气。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
如图1所示，本实施例提供的一种模块化爬壁机器人，包括足式真空吸盘骨架1、磁铁吸附式车轮组2、视觉系统3和底盘4四个功能模块。
如图2所示，足式真空吸盘骨架1由腿和躯干组成，每条腿有6个自由度，其中髋关节11、膝关节12和踝关节13各有1个自由度，足关节14的球铰15与真空吸盘16相连，组成1个万向关节，具有3个自由度，髋关节11、膝关节12和踝关节13为主动驱动关节，髋关节11分别与膝关节12和踝关节13正交，髋关节(13)与躯干相连且轴线方向与集体垂直。
如图3所示，磁铁吸附式车轮组2由两个磁铁吸附式车轮模块21和22组成，两个磁铁吸附式车轮模块21和22结构相同，并列放置，磁铁吸附式车轮模块21由两个磁铁吸附式车轮21-1和21-2、两个控制舵机21-3和21-4和两个磁铁吸附式车轮接口21-5和21-6组成，其中磁铁吸附式车轮21-1与控制舵机21-3连接，磁铁吸附式车轮21-2与控制舵机21-4连接，磁铁吸附式车轮接口21-5和21-6位于磁铁吸附式车轮模块21外侧，分别靠近磁铁吸附式车轮21-1和21-2。
如图4所示，视觉系统3由云台31、舵机32和摄像头33组成，摄像头33和舵机32相连，树立在云台31上，而且在云台31能够360°旋转，具有1个自由度，摄像头33能够180°俯仰，具有1个自由度，视觉系统3的底盘设有与爬壁机器人的底盘4相连接的安装孔。
如图5所示，底盘4附带有通信模块41、控制模块42、电源43及五个底盘接口44-1、44-2、44-3、44-4、44-5，其中一个底盘接口44-5和电源43位于底盘4中间，通信模块41位于该底盘接口44-5和电源43的左边，控制模块42位于该底盘接口44-5和电源43的右边，其余四个底盘接口分两组位于底盘4的两端。
模块化爬壁机器人的四个功能模块可通过不同的组合方式形成具备不同功能的爬壁机器人。
实施例一：
足式真空吸盘骨架1和底盘4组合构成足式真空吸盘行进的爬壁机器人，有两种组合方式。
第一种如图6所示，足式真空吸盘骨架1上置在底盘4上，构成上置式足式真空吸盘行进的爬壁机器人；
第二种如图7所示，足式真空吸盘骨架1下置在底盘4上，构成下置式足式真空吸盘行进的爬壁机器人。
实施例二：
磁铁吸附式车轮组2和底盘4组合构成磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人，有两种组合方式。
第一种如图8所示，两个磁铁吸附式车轮模块21和22，通过底盘4前后两端的连接口连接构成前后置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人；
第二种如图9所示，两个磁铁吸附式车轮模块21和22，通过底盘4左右两端的连接口连接构成左右置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人。
实施例三：
磁铁吸附式车轮组2、视觉系统3和底盘4组合构成具备视觉功能的磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人，有两种组合方式。
第一种如图10所示，上置视觉系统3，中置底盘4，下置足式真空吸盘骨架1，构成具有上置视觉功能的足式真空吸盘行进的爬壁机器人；
第二种如图11所示，上置足式真空吸盘骨架1，中置底盘4，下置视觉系统3，构成具有下置视觉功能的足式真空吸盘行进的爬壁机机器人。
实施例四：
足式真空吸盘骨架1、磁铁吸附式车轮组2、视觉系统3和底盘4组合构成并存真空吸盘吸附和四车轮电磁吸附两种方式并切换行进的具备视觉功能的爬壁机器人，有四种组合方式。
第一种如图12所示，上置视觉系统3，中置底盘4，底盘4前后两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，构成具有上置视觉功能前后置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人；
第二种如图13所示，下置视觉系统3，中间为包含不同模块安装接口的底盘4，底盘4前后两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，构成具有下置视觉功能前后置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人；
第三种如图14所示，上置视觉系统3，中间为包含不同模块安装接口的底盘4，底盘4左右两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，构成具有上置视觉功能左右置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人；
第四种如图15所示，下置视觉系统3，中间为包含不同模块安装接口的底盘4，底盘4左右两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，构成具有下置视觉功能左右置磁铁吸附式车轮行进的爬壁机器人。
实施例五：
足式真空吸盘骨架1、磁铁吸附式车轮2、视觉系统3和底盘4组合构成并存真空吸盘吸附和四车轮电磁吸附两种方式并切换行进的具备视觉功能的爬壁机器人，有四种组合方式。
第一种如图16所示，上置视觉系统3，中置底盘4，底盘4前后两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，下置足式真空吸盘骨架1，构成上置视觉功能下置足式真空盘骨架前后置车轮吸附的爬壁机器人。
第二种如图17所示，下置视觉系统3，中置底盘4，底盘4前后两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，上置足式真空吸盘骨1，构成下置视觉功能上置足式真空盘骨架前后置车轮吸附的爬壁机器人。
第三种如图18所示，上置视觉系统3，中置底盘4，底盘4左右两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，下置足式真空吸盘骨架1，构成上置视觉功能下置足式真空盘骨架左右置车轮吸附的爬壁机器人。
第四种如图19所示，上置视觉系统3，中置底盘4，底盘4左右两端连接磁铁吸附式车轮模块21和22，下置足式真空吸盘骨架1，构成上置视觉功能下置足式真空盘骨架左右置车轮吸附的爬壁机器人。
另外，在具体实施过程中，还可在足式真空吸盘骨架1的基础上设计四足式真空吸盘机械骨架1e，以实施例五中第一种组合方式为例，如图20所示，将视觉系统3通过底盘4上面的中间接口实现物理连接和通信连通，四足式真空吸盘机械骨架1e通过底盘下面中间接口实现物理连接和通信连通，四足式真空吸盘骨架1e由四个相同的足式真空吸盘骨架1构成，构成上置视觉系统中置底盘前后置磁铁式吸附轮下置四足真空吸盘骨架的爬壁机器人。
本发明所设计的模块化爬壁机器人具有足式真空吸盘和车轮式电磁吸附两种吸附方式，在前进过程中可以平稳互换，以灵活适用于不同材料表面或翻越障碍。其中真空吸盘方式的原理如图21和22所示，当机器人紧贴壁面时，伺服机构将注射筒52内部推杆51往后拉，把空气53吸进筒内使得筒内空气形成真空状态，产生负压，如图21所示，当机器人要移动时，利用伺服机构运动将注射筒52内部推杆51往前推进使得筒内的空气53往外排除，产生正压，如图22所示，这样就实现了机器人的行进。车轮式电磁吸附可保证机器人在磁性材料上工作时具有适当的前进速度和足够的吸附力，这种设计主要是针对管道壁面的特殊性，既适用于多磁性材料，也适用于隔板等障碍物较多的管道结构。
爬壁机器人在实现上、下、左、右和翻越障碍物时，有这样几种方式：1)在非磁性材料平面爬壁可采用足式真空吸盘前进方式；2)在磁性材料表面，可单独采取足式真空吸盘或车轮式电磁吸附其中一种前进方式；3)在磁性材料表面，在没有障碍时可以单独使用车轮式电磁吸附前进，以加快前进速度，在遇到障碍，轮式电磁吸附无法通过时，采用足式真空吸盘越障。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。