[發明專利]一種船用全向移動爬壁機器人

有效

• 申請號: 201910983947.1
• 申請日: 2019-10-16
• 公開（公告）號: CN110667719B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 王常順;張煌;潘為剛;張廣淵;韓耀振
• 申請（專利權）人: 山東交通學院
• 主分類號: B62D57/024
• 分類號: B62D57/024
• 代理公司: 北京華際知識產權代理有限公司 11676
• 代理人: 褚慶森

1.一種船用全向移動爬壁機器人，包括車架(1)、車輪(2)、車輪電機(3)、二軸電控云臺(5)和前臂輔助機構(9)，車架的四個角上均設置有車輪和車輪電機，車輪電機的輸出軸與車輪的輪軸傳動連接，用于驅使車架行走；二軸電控云臺設置于車架上；其特征在于：所述車架四周底部設置有與船舶上的鋼板產生吸附磁力的永磁鐵(4)，二軸電控云臺(5)可在與車架(1)平行的平面內360°轉動，且可相對于其轉動平面進行0-90°的擺動，二軸電控云臺上固定有用于對爬壁機器人的重力進行抵消的涵道螺旋槳(6)，二軸電控云臺上固定有驅使涵道螺旋槳轉動的螺旋槳電機；

所示前臂輔助機構(9)經連接軸(11)設置于車架(1)的前端，前臂輔助機構的兩側設置有履帶(10)，車架的前端設置有經連接軸驅使前臂輔助機構轉動的前臂方向電機(12)，前臂輔助機構的兩側均設置有分別驅使兩履帶轉動的前臂前進電機(13)；

所述前臂輔助機構(9)前端的下表面上開設有對豎立面或傾斜面進行吸附的吸負壓口(15)，前臂輔助機構上固定有與吸負壓口相連通的負壓泵(14)。

2.根據權利要求1所述的船用全向移動爬壁機器人，其特征在于：所述二軸電控云臺(5)上設置有對爬壁機器人進行定位、路徑跟蹤和姿態控制的激光雷達(7)和攝像頭(8)。

3.根據權利要求1或2所述的船用全向移動爬壁機器人，其特征在于：包括嵌入式控制器、應急電源(16)、慣性導航傳感器和電源轉換電路，慣性導航傳感器安裝于車架(1)上，車架上設置有電纜接口(17)，外部電源經電纜接口接入并經電源轉換電路的轉化后，供嵌入式控制器、車輪電機(3)、二軸電控云臺(5)、前臂方向電機(12)、前臂前進電機(13)和負壓泵(14)工作。

4.一種基于權利要求1所述的船用全向移動爬壁機器人的運行控制方法，其特征在于，通過以下步驟來實現：

a).規劃行駛路徑，根據船舶所要檢測、清掃或焊接的部位，規劃出爬壁機器人的行駛路徑，并將規劃的路徑下發至爬壁機器人的嵌入式控制器中，以控制機器人按照規劃路徑行駛；

b).姿態判斷和重力抵消，嵌入式控制器通過慣性導航傳感器檢測機器人的姿態，識別出機器人是行走在水平面、傾角小于45°的水平面、傾角大于45°的水平面、垂直面上，還是行走在水平面或傾斜面的下表面上；如果行走在水平面或傾角較小的水平面上，則不開啟涵道螺旋槳，否則，則開啟涵道螺旋槳以抵消爬壁機器人的部分或全部重力，避免其墜落；

c).越障或切換爬行壁面，當嵌入式控制器檢測到遇到障礙物或需要切換爬行壁面時，通過以下步驟越障或切換爬行壁面：

c-1).前臂輔助機構上的前臂方向電機運轉，驅使前臂輔助機構抬起，使前臂輔助機構貼合在障礙物或下一個待爬行的壁面上；此時，開啟前臂輔助機構上的負壓泵，使吸負壓口吸附在障礙物或下一個爬行壁面上；

c-2).前臂輔助機構上的前臂前進電機運轉，并在車架上車輪電機的推進下，爬壁機器人的前車輪抬起，前臂方向電機控制前臂輔助機構一直貼合在障礙物或下一個爬行壁面上；

c-3).當爬壁機器人的傾角大于45°或者爬壁機器人工作在水平面下方時，啟動涵道螺旋槳，以克服機器人的全部或部分重力，避免機器人跌落；

c-4).越障或壁面切換完畢后，根據當前避免的情況，保持前臂輔助機構貼緊避免或抬起；

d).在機器人運行的過程中，如遇外部電源故障，則利用應急電池提供工作電源，保證爬壁機器人能運動到安全位置，以便于回收和修理。

5.根據權利要求4所述的船用全向移動爬壁機器人的運行控制方法，其特征在于，步驟b)所述的姿態判斷和重力抵消具體通過以下步驟來實現：

b-1).獲取機器人姿態，嵌入式控制器通過慣性導航傳感器獲取爬壁機器人的姿態，記獲取的車架平面與水平面的夾角為δ_CR、爬壁機器人中軸線與所在平面梯度方向的夾角為η_CR，δ_CR的取值范圍為[-π，π)，η_CR的取值范圍為[0，2π)；

云臺在其旋轉平面內的轉動角度為記云臺相對于其旋轉平面的轉動角度為的取值范圍為的取值范圍為(-2π,2π]；

記涵道螺旋槳產生的推力其中ω_c為螺旋槳的轉動角速度，K_T為與空氣密度相關的常量系數；

b-2).當時，

此時爬壁機器人工作在水平面或傾角較小的傾斜面上，由工作面支撐重力和吸附磁力，車輪與工作面產生的摩擦力為爬壁機器人提供前進和靜止的作用力，此時的涵道螺旋槳停止工作；

b-3).當時，

此時爬壁機器人工作在水平面的上方，但是傾角較大，車輪與工作面的摩擦力不足以讓爬壁機器人靜止在工作面上，需要風力推進裝置提供推力輔助；其中σ為設定常量，0≤σ＜0.25；風力推進裝置的工作狀態為：

K取值為0或1，根據機器人連續變化的運動狀態決定；

b-4).當時，

此時爬壁機器人工作在水平面下方，重力分量方向與永磁鐵產生的吸附力相反，需要風力推進裝置提供輔助；風力推進裝置的工作狀態為：

K取值為0或1，根據機器人連續變化的運動狀態決定；

b-5).當π-σ＜|δ_CR|≤π時，

此時爬壁機器人工作在水平面下方，重力分量方向與永磁鐵產生的吸附力相反，需要風力推進裝置提供輔助；風力推進裝置的工作狀態為：

由于工作在臨界狀態，容易發生劇烈變化，因此需要設定死去，在此范圍內需要保持原狀態不變。