振動吸附式水下四足爬壁機器人的製作方法

2024-03-03 12:53:15

本發明涉及機器人領域，特別涉及一種振動吸附式水下四足爬壁機器人。

背景技術：

水下機器人是水下作業重要的終端設備，按行動方式分為浮遊式、爬行式、複合式等。其中的爬行式水下機器人可以攜帶檢測、清洗、鑽孔、切割等工作模塊進行水下工作。在爬行式水下機器人中，多使用吸附裝置實現對船體或其它物體的吸附，包括磁吸附履帶、負壓吸盤等，這些傳統的吸附裝置與機器人的軀幹部連接形成整體結構，不但結構複雜，而且行走不靈活，對障礙物的躲避不夠靈敏，完成作業耗時過長，不能快速實現作業完成。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供一種振動吸附式水下四足爬壁機器人，可實現在水下任意平面的全方向無障礙移動。

本發明的振動吸附式水下四足爬壁機器人，包括軀幹部和兩兩分列設置於軀幹部兩側的機械腿，還包括設置於軀幹部內用於控制機械腿工作的控制系統，每一機械腿包括腿總成和設置於腿總成末端的振動吸附裝置；

腿總成包括基體、大腿、小腿和末端腿，基體以可在橫向平面內轉動的方式與軀幹部配合設置，大腿以可在豎直平面內轉動的方式與基體配合設置，小腿以可在豎直平面內轉動的方式與大腿配合設置，末端腿以可在豎直平面內轉動的方式與小腿配合設置，振動吸附裝置以可繞自身軸線轉動的方式與末端腿配合；所述基體、大腿、小腿和末端腿的內部分別設置有用於密封過線的過線槽；

所述振動吸附裝置包括安裝架、第一吸附組件、第二吸附組件、振動驅動機構和用於接觸吸附的鬆脫組件，所述第一吸附組件包括第一吸盤驅動板和設置在第一吸盤驅動板上的至少一個第一吸附單元，所述第二吸附組件包括第二吸盤驅動板和設置在第二吸盤驅動板上的至少一個第二吸附單元，所述振動驅動機構包括動力裝置、與安裝架固定連接並用於安裝動力裝置的驅動固定板和同時驅動第一吸盤驅動板和第二吸盤驅動板上下運動以分別使第一吸附單元和第二吸附單元產生振動吸附的驅動組件，所述第一吸盤驅動板、驅動固定板和第二吸盤驅動板自上而下依次設置；

所述安裝架包括上安裝板、下安裝板和側連接板，所述上安裝板與末端腿固定連接，所述驅動安裝板與所述側連接板固定連接；所述第一吸附單元和所述第二吸附單元結構相同，均包括吸盤、吸盤固定軸和傳動柱，所述下安裝板對應每一吸盤設置有用於傳動柱穿過與吸盤固定軸相連接的通孔，所述吸盤固定軸與所述傳動柱螺紋連接並連接處壓緊設置有用於密封的橡膠薄膜，所述橡膠薄膜覆蓋所述通孔並周邊通過緊固環固定於所述下安裝板設置。

進一步，軀幹部上對應每一機械腿設置有第一連接架，基體包括基體塊和與基體塊配合併用於驅動基體塊在橫向平面內轉動的第一關節，第一關節包括固定設置在基體塊內的第一驅動裝置和與第一驅動裝置傳動配合併與第一連接架固定連接的第一軸體單元，基體塊與第一軸體單元轉動配合。

進一步，大腿包括大腿腿體、設置在大腿腿體與基體塊連接端的第二連接架和用於第二連接架與基體塊連接的第二關節，第二關節包括固定於基體塊上設置的第二關節塊、固定設置在第二關節塊內的第二驅動裝置和與第二驅動裝置傳動配合併與第二連接架固定連接的第二軸體單元，第二關節塊與第二軸體單元轉動配合，第二驅動裝置的動力輸出軸與第一驅動裝置的動力輸出軸軸線相垂直。

進一步，大腿與小腿連接端還設置有第三連接架，小腿包括小腿腿體和設置在小腿腿體與大腿連接端的第三關節，第三關節包括固定於小腿腿體上設置的第三關節塊、固定設置在第三關節塊內的第三驅動裝置和與第三驅動裝置傳動配合併與第三連接架固定連接的第三軸體單元，第三關節塊與第三軸體單元轉動配合。

進一步，末端腿與小腿連接端設置有第四連接架，所述小腿腿體與所述末端腿連接端還設置有與第四連接架配合的第四關節，所述第四關節包括固定於小腿腿體上設置的第四關節塊和與第四連接架固定連接並與第四關節轉動配合的第四軸體單元，所述第四關節還包括設置於第四軸體單元與第四關節塊轉動配合處用於保持末端腿轉動復位的雙向扭簧。

進一步，第一連接架、第二連接架、第三連接架和第四連接架均為u形架結構；第一軸體單元、第二軸體單元和第三軸體單元結構相同，均至少包括與對應連接架固定連接的軸座和固定設置在軸座內並與對應驅動裝置的動力輸出軸連接配合的連接件。

進一步，第一驅動裝置、第二驅動裝置、第三驅動裝置和第四驅動裝置均為舵機，基體塊、第二關節塊、第三關節塊和第四關節塊內均形成有用於舵機固定安裝的舵機艙；連接件包括帶有十字槽的連接座和固定設置在連接座內用於與對應舵機的動力輸出軸圓周固定的十字連接體。

進一步，基體塊、第二關節塊、第三關節塊和第四關節塊的外側形成有與對應軸座轉動配合的安裝槽，軸座外套有與對應安裝槽內壁接觸用於防水密封的密封圈ⅰ。

進一步，振動吸附裝置的殼體上端形成用於外套末端腿的底部設置的軸套，軸套與末端腿轉動支撐配合，末端腿的外側圓周設置有與軸套內壁接觸用於防水密封的密封圈ⅱ，振動吸附裝置的殼體內還設置有用於集成線束的集電環。

進一步，振動吸附裝置還包括對應第一吸盤驅動板和第二吸盤驅動板各設置一組並用於導向的導向機構，所述導向機構包括與對應吸盤驅動板固定連接的導向柱和與導向柱一一設置滑動配合併固定於下安裝板上設置的滑動軸承套。

本發明的有益效果：本發明的振動吸附式水下四足爬壁機器人，四組機械腿分列軀幹部兩側設置，每一機械腿的末端設置有振動吸附裝置，且每一機械腿的基體可產生橫向的擺動，大腿、小腿和末端腿可產生在豎直平面內的轉動，四個機械腿根據具體的工作環境進行適應性調節，有效的提高了整套裝置的運動能力，可以實現多方向的無障礙移動；本發明具有較高的仿生效果，改善了水下機器人的運動性能，大大提高了水下機器人的工作效率。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明中的機械腿的截面結構示意圖；

圖3為本發明中的基體結構截面示意圖；

圖4為本發明中的第二關節結構爆炸圖；

圖5為本發明中的第三關節截面結構示意圖；

圖6為本發明中的小腿結構爆炸示意圖；

圖7為本發明中的末端腿與振動吸附裝置連接結構示意圖；

圖8為本發明中的小腿剖視圖；

圖9為本發明中的第四關節塊結構示意圖；

圖10為本發明中的振動吸附裝置結構剖視圖；

圖11為本發明中的振動吸附裝置整體結構示意圖。

具體實施方式

圖1為本發明的整體結構示意圖，圖2為本發明中的機械腿的截面結構示意圖，圖3為本發明中的基體結構截面示意圖，圖4為本發明中的第二關節和第三關節結構爆炸圖，圖5為本發明中的第二關節和第三關節截面結構示意圖，圖6為本發明中的小腿結構爆炸示意圖，圖7為本發明中的末端腿與振動吸附裝置連接結構示意圖，圖8為本發明中的小腿剖視圖，圖9為本發明中的第四關節塊結構示意圖，圖10為本發明中的振動吸附裝置結構剖視圖，圖11為本發明中的振動吸附裝置整體結構示意圖，如圖所示：本實施例的振動吸附式水下四足爬壁機器人，包括軀幹部3和兩兩分列設置於軀幹部3兩側的機械腿，還包括設置於軀幹部3內用於控制機械腿工作的控制系統，每一機械腿包括腿總成和設置於腿總成末端的振動吸附裝置2；其中，軀幹部3為一方形殼體，控制系統設置在軀幹部3內部，控制系統包括有中央控制器、遙控開關、距離傳感器、鋰電池和紅外傳感器，距離傳感器用於檢測障礙物的距離，距離傳感器與中央控制器連接，遙控開關通過無線模塊與外部控制單元連接，鋰電池用於為機器人整體提供電力；機械腿共設置有四個，在軀幹部3的橫向兩側各設置兩個，形成四足機構，當然，同樣的機械腿也可設置六組、八組或多組；

腿總成包括基體1、大腿4、小腿5和末端腿6，基體1以可在橫向平面內轉動的方式與軀幹部3配合設置，大腿4以可在豎直平面內轉動的方式與基體1配合設置，小腿5以可在豎直平面內轉動的方式與大腿4配合設置，末端腿6以可在豎直平面內轉動的方式與小腿5配合設置，振動吸附裝置2以可繞自身軸線轉動的方式與末端腿6配合；在機械腿工作時，每一機械腿的基體1可在驅動力的作用下相對軀幹部3產生在橫向平面內的轉動，以用於驅動機械腿前進或後退，由於大腿4、小腿5和末端腿6依次設置，並均可分別在豎直平面內轉動，可形成多角度範圍內的作業，根據具體的工作環境進行調整腿部的姿態以對障礙物進行避讓；所述基體、大腿、小腿和末端腿的內部分別設置有用於密封過線的過線槽，過線槽內填充有泡沫材料；

所述振動吸附裝置包括安裝架、第一吸附組件、第二吸附組件、振動驅動機構和用於接觸吸附的鬆脫組件，所述第一吸附組件包括第一吸盤驅動板21和設置在第一吸盤驅動板上的至少一個第一吸附單元，所述第二吸附組件包括第二吸盤驅動板22和設置在第二吸盤驅動板上的至少一個第二吸附單元，所述振動驅動機構包括動力裝置31、與安裝架固定連接並用於安裝動力裝置的驅動固定板20和同時驅動第一吸盤驅動板21和第二吸盤驅動板22上下運動以分別使第一吸附單元和第二吸附單元產生振動吸附的驅動組件，所述第一吸盤驅動板21、驅動固定板20和第二吸盤驅動板自上而下依次設置；其中，動力裝置為電機，驅動組件包括由動力裝置驅動轉動的驅動軸、第一偏心輪32和第二偏心輪33，第一偏心輪和第二偏心輪均固定在驅動軸上並相對於驅動軸呈180°對稱分布，驅動組件還包括外套配合於第一偏心輪並與第一吸盤安裝板連接的第一連接板和外套配合於第二偏心輪並與第二吸盤安裝板連接的第二連接板，由第一連接板和第二連接板分別帶動第一吸盤驅動板21和第二吸盤驅動板上下運動，從而驅動第一吸附單元和第二吸附單元產生上下振動進行吸附，鬆脫組件通過六通電磁閥實現，為現有技術，在此不再贅述；

所述安裝架包括上安裝板17、下安裝板18和側連接板19，所述上安裝板17與末端腿固定連接，所述驅動安裝板與所述側連接板19固定連接；所述第一吸附單元和所述第二吸附單元結構相同，均包括吸盤(圖中為吸盤23和吸盤23a)、吸盤固定軸(圖中為吸盤固定軸24和吸盤固定軸24a)和傳動柱(圖中為傳動柱25和傳動柱25a)，所述下安裝板18對應每一吸盤設置有用於傳動柱穿過與吸盤固定軸相連接的通孔26，所述吸盤固定軸與所述傳動柱螺紋連接並連接處壓緊設置有用於密封的橡膠薄膜27，所述橡膠薄膜覆蓋所述通孔並周邊通過緊固環28固定於所述下安裝板18設置；即橡膠薄膜的邊緣通過緊固環和螺釘固定在下安裝板18上並覆蓋通孔設置，橡膠薄膜的中部設置有過孔，吸盤固定軸和傳動軸的連接處自過孔穿過並過孔的邊沿被壓緊於吸盤固定軸和傳動軸的連接處；第一吸附單元的傳動柱依次穿過驅動固定板20、第二吸盤驅動板和下安裝板18設置，第二吸附單元的傳動柱穿過下安裝板18設置，由振動驅動機構驅動第一吸附單元和第二吸附單元交替工作，當振動吸附時，吸盤內部產生負壓進行吸附，當需要脫落時，通過鬆脫組件對吸盤內部消除負壓。

本實施例中，軀幹部3上對應每一機械腿設置有第一連接架1-1，基體1包括基體塊1-2和與基體塊1-2配合併用於驅動基體塊1-2在橫向平面內轉動的第一關節，第一關節包括固定設置在基體塊1-2內的第一驅動裝置1-3和與第一驅動裝置1-3傳動配合併與第一連接架1-1固定連接的第一軸體單元，基體塊1-2與第一軸體單元轉動配合；如圖所示，第一連接架1-1通過螺釘固定在軀幹部3的外殼上，第一軸體單元與基體塊1-2通過軸承1-4轉動配合，第一軸體單元與第一連接架1-1通過螺釘1-5連接，由於第一軸體單元與第一連接架1-1固定，而第一連接架1-1又固定在軀幹部3的殼體上，當第一驅動裝置1-3輸出動力時，會造成第一驅動裝置1-3的機體帶動基體塊1-2相對於第一軸體單元和第一連接架1-1進行轉動，從而實現基體塊1-2帶動整體的大腿4、小腿5、末端腿6和振動吸附裝置2前進或後退；基體塊由基體塊本體和蓋板1-6通過螺釘連接而成。

本實施例中，大腿4包括大腿腿體4-1、設置在大腿腿體4-1與基體塊1-2連接端的第二連接架4-2和用於第二連接架4-2與基體塊1-2連接的第二關節，第二關節包括固定於基體塊1-2上設置的第二關節塊4-3、固定設置在第二關節塊4-3內的第二驅動裝置4-4和與第二驅動裝置4-4傳動配合併與第二連接架4-2固定連接的第二軸體單元，第二關節塊4-3與第二軸體單元通過軸承4-5實現轉動配合，第二驅動裝置4-4的動力輸出軸與第一驅動裝置1-3的動力輸出軸軸線相垂直；其中，第二連接架4-2固定在大腿腿體4-1上，第二關節塊4-3直接通過螺釘固定在基體塊1-2上，基體塊1-2內部對應第二關節塊4-3的連接位置形成中空結構，以用於減重；另外，第二驅動裝置4-4設置在第二關節塊4-3內，在第二驅動裝置4-4工作時，第二驅動裝置4-4的動力輸出軸轉動，帶動第二軸體單元轉動，由於第二軸體單元與第二連接架4-2固定連接，從而實現帶動第二連接架4-2的運動，進而最終實現驅動大腿腿體4-1在豎直平面內的轉動；第二關節塊由塊本體和蓋板4-6通過螺釘連接而成。

本實施例中，大腿4與小腿5連接端還設置有第三連接架5-2，小腿5包括小腿腿體5-1和設置在小腿腿體5-1與大腿4連接端的第三關節，第三關節包括固定於小腿腿體5-1上設置的第三關節塊5-3、固定設置在第三關節塊5-3內的第三驅動裝置5-4和與第三驅動裝置5-4傳動配合併與第三連接架5-2固定連接的第三軸體單元，第三關節塊5-3與第三軸體單元轉動配合；第三關節塊由塊本體和蓋板5-5通過螺釘5-6連接組成。

在本發明中，第一關節、第二關節和第三關節在結構上是大體相同的，所不同的是最終驅動輸出方式的不同：第一關節由於第一連接架1-1和第一軸體單元固定不動，當第一驅動裝置1-3輸出動力時會造成第一驅動裝置1-3的機體帶動基體塊1-2轉動，即第一驅動裝置1-3的機體和基體塊1-2一同轉動；第二關節為第二關節塊4-3固定不動，當第二驅動裝置4-4輸出動力時會造成第二軸體單元帶動第二連接架4-2相對於第二關節塊4-3一同轉動實現對大腿腿體4-1的輸出；第三關節對小腿腿體5-1驅動時為第三連接架5-2固定不動，當第三驅動裝置5-4輸出動力時會造成第三驅動裝置5-4的機體帶動第三關節塊5-3轉動，即第三驅動裝置5-4的機體和第三關節塊5-3一同轉動，從而實現對小腿腿體5-1的驅動；

本實施例中，末端腿6與小腿5連接端設置有第四連接架6-1，小腿腿體5-1與末端腿6連接端還設置有與第四連接架6-1配合的第四關節，第四關節包括固定於小腿腿體5-1上設置的第四關節塊6-2和與第四連接架固定連接並與第四關節轉動配合的第四軸體單元，所述第四關節還包括設置於第四軸體單元與第四關節塊轉動配合處用於保持末端腿轉動復位的雙向扭簧6-3；其中，第四關節塊由塊本體和蓋板6-4通過螺釘連接形成，第四關節塊的塊本體為圓形，第四軸體單元包括分列第四關節塊兩側設置的軸塊ⅰ6-5和軸塊ⅱ6-6，軸塊ⅰ6-5和軸塊ⅱ6-6分別通過一軸承12與第四關節塊6-2配合，第四關節塊兩側面上分別對應軸塊ⅰ和軸塊ⅱ設置有安裝槽6-11，安裝槽內設置有用於對雙向扭簧6-3定位的定位凸起，定位凸起包括有圓柱形定位凸起6-7和半月形定位凸起6-8，雙向扭簧6-3套在定位凸起上形成定位安裝，軸塊ⅰ上設置有對雙向扭簧6-3的兩自由臂外側卡位的卡位凸起6-9，卡位凸起設置兩個，分列雙向扭簧6-3的自由臂外側設置；本機器人在水下工作時，有時會由於末端腿會受到重力的作用，而與吸附的平面產生一定的傾斜，導致吸附不穩，通過雙向扭簧6-3的作用，提供扭力，而使末端腿回復原位，從而保證吸附穩定；為保持密封，軸塊ⅰ6-5的外部套設有格萊圈6-10。

本實施例中，第一連接架1-1、第二連接架4-2、第三連接架5-2和第四連接架6-1均為u形架結構；第一軸體單元、第二軸體單元和第三軸體單元結構相同，均至少包括與對應連接架固定連接的軸座7和固定設置在軸座7內並與對應驅動裝置的動力輸出軸連接配合的連接件；在第一關節、第二關節、第三關節和第四關節內還設置有副軸座11，副軸座11與對應關節內的軸體單元分列基體塊/關節塊的兩側設置，副軸座11通過軸承12與對應的基體塊/關節塊轉動配合。

本實施例中，第一驅動裝置1-3、第二驅動裝置4-4、第三驅動裝置5-4和第四驅動裝置均為舵機，基體塊1-2、第二關節塊4-3、第三關節塊5-3和第四關節塊6-2內均形成有用於舵機固定安裝的舵機艙；連接件包括帶有十字槽的連接座8和固定設置在連接座8內用於與對應舵機的動力輸出軸圓周固定的十字連接體9。

本實施例中，基體塊1-2、第二關節塊4-3、第三關節塊5-3和第四關節塊6-2的外側形成有與對應軸座7轉動配合的安裝槽，軸座7外套有與對應安裝槽內壁接觸用於防水密封的密封圈ⅰ10；密封圈ⅰ為格萊圈，用於防水密封；另外，其中的，軸座7和連接座8均為環形結構，對應的連接架上設置有用於安裝軸承的凹陷區，軸座7與軸承的內圈固定，軸承的外圈固定在關節塊的安裝槽內。

本實施例中，振動吸附裝置2的殼體上端形成用於外套末端腿6的底部設置的軸套15，軸套與末端腿6轉動支撐配合，末端腿6的外側圓周設置有與軸套內壁接觸用於防水密封的密封圈ⅱ14；軸套與振動吸附裝置2的殼體一體成形，軸套與末端腿6之間通過防水軸承13實現轉動支撐配合，密封圈ⅱ為格萊圈，用於防水密封。

本實施例中，振動吸附裝置的殼體內還設置有用於集成線束防止振動吸附裝置轉動時線束纏繞的集電環16。

本實施例中，振動吸附裝置還包括對應第一吸盤驅動板21和第二吸盤驅動板各設置一組並用於導向的導向機構，所述導向機構包括與對應吸盤驅動板固定連接的導向柱29和與導向柱一一設置滑動配合併固定於下安裝板18上設置的滑動軸承套30。

最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。