CN112498512A - 基于伯努利吸盘的变结构机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于伯努利吸盘的变结构机器人，属于水下机器人技术领域。包括机身和设置在机身上的伯努利吸盘；机身的两侧分别设有前机械臂和后机械臂，伯努利吸盘安装在前机械臂和后机械臂上；前机械臂包括前上臂、前下臂、驱动前上臂绕Y轴转动的第一驱动器、以及驱动前下臂绕X轴转动的第二驱动器；伯努利吸盘可绕Z轴转动地活动安装在前下臂上；后机械臂包括后上臂和驱动后上臂绕X轴转动的第三驱动器；伯努利吸盘可绕Z轴转动地活动安装在后上臂上。通过前机械臂和后机械臂的自由度实现机器人的变结构，可适应不同的工作状态。同时，结合伯努利吸盘间距推进与吸附的功能，可以实现机器人巡航和爬壁双模式切换，降低了整体结构的冗杂度。

Description

基于伯努利吸盘的变结构机器人

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体地说，涉及一种基于伯努利吸盘的变结构机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，四旋翼飞行器和水下潜航器等无人装置正逐步替代人工，执行高空巡检、深水勘探和各种危险区域装备维护等机械且高危的作业。然而，上述部分工种具有较高的精度要求——例如，海上工程平台桩腿探伤与船体表面除锈喷漆等作业要求执行设备能均匀遍历目标区域，否则便会影响作业效果，催生潜在安全隐患；水下无人潜航器在作业过程中难免受到浪流干扰，由此引发的机身晃动势必会降低作业精度，甚至造成碰撞损失。因此，实现高质量机器人作业的关键是提高其在外界扰动下的运动稳定性。

近年来，关于四旋翼飞行器和水下潜航器运动稳定性的研究成果不断涌现，主要包括两类：一类是基于惯性测量单元(IMU)或压力计等传感器开发运动控制算法，即在机器人被扰动的瞬间加以补偿，使其归复原位；另一类是在机器人上安装吸附装置，以实现稳定吸附或爬壁运动。然而，上述两种方式都存在一定缺陷：算法的技术门槛较高，且难以应对剧烈紊乱的环境；吸附装置一般能给机器人提供足够的吸附力，但新机构的引入增加了机器人的复杂程度，不利于在实际工程环境中应用。

公布号为CN108556949A的发明专利文献公开了一种磁力多足爬壁机器人,该爬壁机器人采用机械腿越障和轮式运动结合，目的是克服单纯轮式或履带式爬壁机器人在越障能力上的缺陷。机械腿末端安装有电磁铁，可吸附在铁磁材料表面，因此这款机器人的主要用途为船体表面检测与清洗。但显然，电磁吸附仅适用于铁磁材料，无法用于混凝土等非铁磁材料，因而该机器人在应用场景上存在一定局限性。

另有公布号为CN106428484A的发明专利文献公开了一种海洋石油开发自适应多足水下机器人，该水下机器人由ROV本体、多足机构两大部分组成；多足机构有6条腿，每条腿有5个自由度；足底是吸盘式结构，吸盘转动90度可以用于轮式滚动，通过轮足转换适用不同工况。但可以看到，该机器人机构冗杂，会导致控制复杂，故障概率高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于伯努利吸盘的变结构机器人，该机器人的吸盘兼推进器安装在具有多个自由度的机械臂上，在执行不同任务时可变换成对应的姿态，降低机构冗杂度。

为了实现上述目的，本发明提供的基于伯努利吸盘的变结构机器人包括机身和设置在所述机身上的伯努利吸盘；所述机身的两侧分别设有前机械臂和后机械臂，所述伯努利吸盘安装在所述前机械臂和所述后机械臂上；

所述前机械臂包括前上臂、前下臂、驱动所述前上臂绕Y轴转动的第一驱动器、以及驱动所述前下臂绕X轴转动的第二驱动器；所述伯努利吸盘可绕Y轴转动地活动安装在所述前下臂上；

所述后机械臂包括后上臂和驱动所述后上臂绕X轴转动的第三驱动器；所述伯努利吸盘可绕Y轴转动地活动安装在所述后上臂上。

上述技术方案中，通过前机械臂和后机械臂的自由度实现机器人的变结构，可适应不同的工作状态。同时，结合伯努利吸盘兼具推进与吸附的功能，可以实现机器人巡航和爬壁双模式切换，降低了整体结构的冗杂度，机器人的灵活运动能力和稳定吸附能力得到提高，能够执行高危环境下的精细作业。

可选地，在一个实施例中，所述的伯努利吸盘通过扭簧安装在所述前下臂或后上臂上。

可选地，在一个实施例中，所述的伯努利吸盘包括吸附涵道和设置在所述吸附涵道底端的柔性吸附作用板，所述吸附涵道上端设有螺旋推进器，所述柔性吸附作用板的吸附面上设有用于产生间隙的支撑结构。

可选地，在一个实施例中，所述的支撑机构为间隔布置在所述柔性吸附作用板的吸附面上的扇形支柱。

可选地，在一个实施例中，所述的螺旋推进器包括与所述吸附涵道相适应的筒体和设置在所述筒体内的螺旋桨，所述螺旋桨具有正转和反转功能。

可选地，在一个实施例中，所述的前下臂和所述的后上臂上设有与所述伯努利吸盘的吸附涵道相适应的导流通道，且侧边设有导流孔。

可选地，在一个实施例中，所述的前下臂和所述的后上臂上设有浮力材料安装槽。

可选地，在一个实施例中，所述的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器均为舵机。

可选地，在一个实施例中，所述的机身上设有传感器，线缆插座，以及前、后臂固定板。

可选地，在一个实施例中，所述的传感器为摄像头或超声探伤仪。也可接水枪或油漆喷枪等执行设备。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

通过本发明的变结构机器人的吸盘既能提供比真空吸附和单纯螺旋桨推力吸附更大的吸附力，又比电磁吸附和真空吸附的适用面更广，还具备正常推进器的功能，大大降低机构冗杂度，提升了吸盘本身的适用性，是未来高空和水下精细作业的发展方向。变结构与自适应关节的设计降低了机构冗杂度，提升了爬壁机器人在多材质异型曲面的适应性，同时也为机器人在沉船等狭窄复杂空间内作业提供了解决方案。同时，本发明所用原材料与零件均极易获取，且制造与安装便捷，为大规模制造和工程应用提供了便利性。

附图说明

图1为本发明实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中伯努利吸盘的结构示意图；

图3为本发明实施例中伯努利吸盘的爆炸图；

图4为本发明实施例中伯努利吸盘的仰角轴测图；

图5为本发明实施例中伯努利吸盘在伯努利效应下吸附于平整壁面的状态示意图；

图6为本发明实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人的爆炸图；

图7为本发明实施例中前机械臂的结构示意图；

图8为本发明实施例中后机械臂的结构示意图；

图9为本发明实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人在巡航模式下的示意图；

图10为本发明实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人吸附于曲面的示意图；

图11为本发明实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人的水下作业模式；

图12为本发明实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人在壁面上移动时的步态。

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，本实施例中基于伯努利吸盘的变结构机器人包括机身100、前机械臂200、后机械臂300、设置在前机械臂200和后机械臂300上的伯努利吸盘400。

参见图6和图9，机身100设有传感器101、线缆插座102、前臂固定板103和后臂固定板104。传感器101可以为摄像头等监控设备、超声探伤仪等检测设备或水枪等清洗设备。线缆插座102接入电力线，电力线同时承载通信信号，可以减少线缆重量。前臂固定板103和后臂固定板104与机身100外壳为一体，采用塑料一次成型制造。

参见图6和图7，前机械臂200包括前上臂201、固连在前上臂201内的舵机01、前下臂202、固连在前下臂202内的舵机02、扭簧203、以及吸盘固定板204。前上臂201与前下臂202通过前下臂202内的舵机02固连；伯努利吸盘400与前下臂202通过吸盘固定板204和扭簧203固连。前下臂202表面开设浮力材料安装槽2021，可在水下环境中设置泡沫等浮力材料。前下臂202还开设有导流孔2022和导流道2023，既能减轻机器人重量，又不阻碍流体运动。扭簧203为被动原件，使得伯努利吸盘400能够自适应异型曲面，且能在无干扰状况时自动复原。前机械臂200通过前上臂201内的舵机01与前臂固定板103连接。前机械臂200相对于机身具有三个自由度，分别由前上臂201内舵机01驱动前上臂201绕Y轴转动、前下臂202内舵机02驱动前下臂202绕X轴转动、以及伯努利吸盘400通过安装在前下臂202上的扭簧203绕Y轴转动。

参见图6和图8，后机械臂300包括后上臂301、固连在后上臂301内的舵机03、吸盘固定板302和扭簧303。伯努利吸盘400与后上臂301通过吸盘固定板302和扭簧303固连。后上臂301表面开设浮力材料安装槽3011，可在水下环境中设置泡沫等浮力材料。后上臂301还开设有导流孔3012和导流道3013，既能减轻机器人重量，又不阻碍流体运动。扭簧303为被动原件，使得伯努利吸盘400能够自适应异型曲面，且能在无干扰状况时自动复原。后机械臂300通过后上臂301内的舵机03与后臂固定板104连接。后机械臂300相对于机身100具有两个自由度，分别由后上臂301内的舵机03驱动后上臂301绕X轴转动、以及伯努利吸盘400通过安装在后上臂301上的扭簧303绕Y轴转动。

参见图2至图4，伯努利吸盘400包括吸附涵道401和设置在吸附涵道401底端的柔性吸附作用板402，吸附涵道401上端设有螺旋推进器403，柔性吸附作用板402的吸附面上设有用于产生间隙的支撑结构，本实施例的支撑机构为间隔布置在柔性吸附作用板402的吸附面上的扇形支柱404。柔性吸附作用板402能够适应粗糙表面，因为粗糙的缝隙壁面并不会对高速流体的流速造成很大影响；而为了适应平台桩腿和管道等大曲率吸附场景，本实施例的柔性吸附作用板材料为硅胶等易获取原料，如此便能使吸盘在发挥作用时尽可能包覆吸附面，从而增大吸附面积。

螺旋推进器403包括与吸附涵道401相适应的筒体4031和设置在筒体4031内的螺旋桨4032，螺旋桨4032具有正转和反转功能。在螺旋推进器403的作用下，伯努利吸盘400可以自主靠近壁面进行吸附，通过扇形支柱404产生间隙，达到吸附与排斥的平衡状态，螺旋桨4032反转时，实现推进功能。

参见图5，伯努利吸盘400在推力与吸附力的双重作用下吸附于平整壁面001。由于吸附紧密，柔性吸附作用板402发生形变，完全贴合于壁面001。此时，流体通过柔性吸附作用板402底面扇形支柱404间的缝隙流道流入吸附涵道401，并按图中箭头方向流动。当伯努利吸盘400需要解吸附时，只需将螺旋桨4032停转或反转，伯努利吸盘400便能无阻碍脱落。实验结果表明，加装柔性吸附作用板402不会对推进器的推进功能造成明显影响。

参见图9，机器人处于巡航状态时，可控制各舵机驱动两个前机械臂200和两个后机械臂300至图中所示姿态。在该状态下，前机械臂200保持固定，相应伯努利吸盘400内的螺旋推进器403提供沿机身100前向的推进力；后机械臂300可由舵机驱使摆动，以提供俯仰推进力；当机器人需要转向时，只需要调节机身左、右两侧推进器的转速即可。

参见图10，机器人四根机械臂末端的伯努利吸盘400均是固定在扭簧上，当扭簧刚度合适时，机器人的四个伯努利吸盘400可适应相当复杂的异型曲面。图10所示为机器人吸附于弧形壁面002的状态。

参见图11，机器人机械臂的多自由度使其可像螃蟹一样横向移动。同时，柔性伯努利吸盘400在粗糙曲面和异型曲面上仍有优异的功效，因而能够实现无打滑稳定吸附与壁面爬行，进而执行扫描等精细特种作业任务。

参见图12，以水下潜航器为例：机器人以巡航姿态下水，在遥控状态下前往目标作业区；接近目标区域后，机器人变换至吸附姿态，在推进器的作用下逐渐靠近顶壁面003(例如大型引水隧道)，直至贴合并构建伯努利吸附状态；若要吸附于侧壁面004(如坝体)，则需先控制推进器改变机身姿态，后续重复上述操作即可。

Claims (10)

1.一种基于伯努利吸盘的变结构机器人，包括机身和设置在所述机身上的伯努利吸盘；其特征在于，所述机身的两侧分别设有前机械臂和后机械臂，所述伯努利吸盘安装在所述前机械臂和所述后机械臂上；

所述前机械臂包括前上臂、前下臂、驱动所述前上臂绕Y轴转动的第一驱动器、以及驱动所述前下臂绕X轴转动的第二驱动器；所述伯努利吸盘可绕Y轴转动地活动安装在所述前下臂上；

所述后机械臂包括后上臂和驱动所述后上臂绕X轴转动的第三驱动器；所述伯努利吸盘可绕Y轴转动地活动安装在所述后上臂上。

2.根据权利要求1所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的伯努利吸盘通过扭簧安装在所述前下臂或后上臂上。

3.根据权利要求1所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的伯努利吸盘包括吸附涵道和设置在所述吸附涵道底端的柔性吸附作用板，所述吸附涵道上端设有螺旋推进器，所述柔性吸附作用板的吸附面上设有用于产生间隙的支撑结构。

4.根据权利要求3所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的支撑机构为间隔布置在所述柔性吸附作用板的吸附面上的扇形支柱。

5.根据权利要求3所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的螺旋推进器包括与所述吸附涵道相适应的筒体和设置在所述筒体内的螺旋桨，所述螺旋桨具有正转和反转功能。

6.根据权利要求1所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的前下臂和所述的后上臂上设有与所述伯努利吸盘的吸附涵道相适应的导流通道，且侧边设有导流孔。

7.根据权利要求1所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的前下臂和所述的后上臂上设有浮力材料安装槽。

8.根据权利要求1所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器均为舵机。

9.根据权利要求1所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的机身上设有传感器，线缆插座，以及前、后臂固定板。

10.根据权利要求9所述的基于柔性伯努利吸盘的变结构机器人，其特征在于，所述的传感器为摄像头或超声探伤仪。

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