CN114851180A - 一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人包括机体板、封闭机壳、四个仿生象腿、仿生象鼻喷漆机构、用于驱动仿生象鼻喷漆机构运动的喷漆动力组件、与喷漆动力组件和仿生象腿相电连的喷漆控制组件、仿生象鼻除锈机构、与仿生象鼻除锈机构和仿生象腿相电连的除锈控制组件以及设置于封闭机壳前端且分别与喷漆控制组件和除锈控制组件相电连的激光雷达，仿生象鼻喷漆机构上设置有与喷漆控制组件相电连的温度传感器、第一视觉传感器和油漆涂层测厚传感器，仿生象鼻除锈机构上设置有与除锈控制组件相电连的第二视觉传感器、锈蚀传感器和光学粗糙度传感器。本发明可以在不同的工作环境下有效提升喷漆除锈的工作效率。

Description

一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及仿生机器人，尤其涉及一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人及其控制方法。
背景技术
船舶喷漆除锈工作现今大多由船舶工厂工人进行，工人进行喷漆除锈工作时往往伴随这巨大的身体伤害和危险，而且其生产效率不如机器人高。喷漆时，工人们戴着厚重的防毒面罩与衣物，气温高时容易发生中暑，不小心还有可以造成中毒，以及***等危险。除锈时，喷漆除锈管的压力很大，工人容易疲劳，而且锈蚀尘埃对人体也有巨大伤害。此外虽然有各自机器人相继出现，可以极大地解放了生产力，但是在船舶喷漆除锈领域的机器人还仍然是单一化的机器人，且机器人的灵活度不高，实用性偏低，无法满足复合型作业的要求。
对比现有文献，在专利名称(一体化爬行机器人及除锈机器人和喷漆机器人)专利号(CN202022410863.X)中描述了一种一体化爬行机器人及除锈机器人和喷漆机器人，一体化爬行机器人包括车架、壳体以及用于驱动所述车架进行移动的驱动装置，通过设置调节槽，使得调节杆与横梁之间夹角的可调整，进而带动磁吸驱动轮组进行倾斜，以适应不同弧面的工作面，使得爬行机器人能够适用10m以下直径的储罐表面处理和防护。对比现有文献：《舰船除锈喷漆机器人的研究与设计》(作者:王传江；江浩；孙秀娟；慕金伯；刊名：舰船科学技术期号:01卷号:31页数:4页码:60-62+99)中介绍了一种喷漆除锈机器人，该机器人采用直角坐标和柱坐标相结合的设计方法，通过主从遥控控制或自动轨迹规划控制，能够实现平面和曲面作业。该多功能机器人可实现对船体的外侧、内侧的曲面和平面的喷砂除锈和喷漆作业。对于曲面船体，机器人作业时，水平坐标导轨沿垂直坐标导轨的移动，水平移动座附带喷枪机构沿水平坐标导轨的往返运动以及垂直坐标导轨绕转动轴的旋转这3个构件进行联动，从而实现连续的曲面施工作业面。
对比发现，此爬壁式除锈和喷漆机器人主要用于船舶外壁曲率较小的地方进行喷漆除锈工作，不能进入狭小空间，也不能对空间转折角落进行喷漆除锈，工作时需要工人实时监管。《舰船除锈喷漆机器人的研究与设计》中提出的喷漆除锈机器人也不能适应工况复杂的水平面，不能通过仿生的腿部运动跨越地面障碍，便利性不高、适应性不强且该机器人体型较大，更不能在狭小空间内进行喷漆除锈工作。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种效率高且灵活性高的模块化用于船舶喷漆除锈的机器人。
本发明的第二目的是提供该一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人的控制方法。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，包括机体板、罩设在机体板上的封闭机壳、对称设置于机体板下方的四个仿生象腿、与机体板前端可拆卸连接的仿生象鼻喷漆机构、位于机体板中部且用于驱动仿生象鼻喷漆机构运动的喷漆动力组件、位于机体板上表面后侧且与喷漆动力组件和仿生象腿相电连的喷漆控制组件、与机体板前端可拆卸连接的仿生象鼻除锈机构、位于机体板上表面后侧且与仿生象鼻除锈机构和仿生象腿相电连的除锈控制组件以及设置于封闭机壳前端且分别与喷漆控制组件和除锈控制组件相电连的激光雷达，所述仿生象鼻喷漆机构上设置有与喷漆控制组件相电连的温度传感器、第一视觉传感器和油漆涂层测厚传感器，所述仿生象鼻除锈机构上设置有与除锈控制组件相电连的第二视觉传感器、锈蚀传感器和光学粗糙度传感器。
其中，仿生象鼻喷漆机构包括与机体板可拆卸连接的圆盘连接板、与圆盘连接板相连且沿轴向依次间隔设置的1号传动关节～6号传动关节、用于连接相邻传动关节的万向节、通过万向节与6号传动关节相连的喷涂套管以及均布于传动关节上且用于支撑传动关节的支撑弹簧，其中油漆涂层测厚传感器设置于喷涂套管上，温度传感器和第一视觉传感器位于1号传动关节上，喷涂套管上连接有外接喷涂罐的喷涂管口，喷涂罐与喷漆控制组件相电连接；所述圆盘连接板以及1号传动关节～6号传动关节上以轴向为中心顺时针均开设有1号钢丝孔～8号钢丝孔。
再者，喷漆动力组件包括向上控制电机、向下控制电机、向左控制电机、向右控制电机、向左上控制电机、向左下控制电机、向右上控制电机和向右下控制电机，其中1号钢丝的一端与6号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向上控制电机相连，2号钢丝的一端与3号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右上控制电机相连，3号钢丝的一端与6号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右控制电机相连，4号钢丝的一端与3号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右下控制电机相连，5号钢丝的一端与6号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向下控制电机相连，6号钢丝的一端与3号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左下控制电机相连，7号钢丝的一端与6号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左控制电机相连，8号钢丝的一端与3号传动关节相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左上控制电机相连。
进一步，1号传动关节和喷涂套管上与传动关节相连的侧面上均布有多个用于套设支撑弹簧的立杆，2号传动关节～5号传动关节的两侧面上分别均布有多个用于套设支撑弹簧的立杆。
优选的，仿生象鼻除锈机构包括与机体板可拆卸连接的矩形固定架、固定于矩形固定架上的前端传动舵机、通过固定板与前端传动舵机相连的1号传动板、固定在1号传动板前端的中端传动舵机、通过固定板与中端传动舵机相连的2号传动板、固定在2号传动板前端的后端传动舵机以及通过固定板与后端传动舵机相连的除锈套筒，除锈套筒上连接有外接喷砂罐的喷砂管口，喷砂罐与喷漆控制组件相电连。
再者，第二视觉传感器设置于矩形固定架上，锈蚀传感器和光学粗糙度传感器设置于除锈套筒上。
进一步，仿生象腿包括与机体板相固连的大腿舵机套、固定于大腿舵机套内的大腿舵机、上端与大腿舵机相连且可在大腿舵机驱动下前后摆动的大腿板、与大腿板下端相铰接的小腿板以及位于小腿板内用于驱动小腿板前后摆动的小腿舵机。
优选的，喷漆控制组件包括第一主控板、第一动态均衡模块、第一仿生踱步模块和喷漆传动控制模块，激光雷达扫描周围环境获取环境信号并传输至第一主控板，第一主控板根据环境信号输出指令至第一动态均衡模块和第一仿生踱步模块，第一动态均衡模块和第一仿生踱步模块分别控制仿生象腿动作，第一视觉传感器、温度传感器和油漆涂层测厚传感器将获取的信号传输至第一主控板，第一主控板发出控制信号至第一仿生踱步模块，驱动仿生象腿运动至喷漆区，第一主控板发出控制信号至喷漆传动控制模块，喷漆传动控制模块输出信号控制喷漆动力组件驱动仿生象鼻喷漆机构运动。
再者，除锈控制组件包括第二主控板、第二动态均衡模块、第二仿生踱步模块和除锈传动控制模块，激光雷达扫描周围环境获取环境信号并传输至第二主控板，第二主控板根据环境信号输出指令至第二动态均衡模块和第二仿生踱步模块，第二动态均衡模块和第二仿生踱步模块分别控制仿生象腿动作，第二视觉传感器、锈蚀传感器和光学粗糙度传感器将获取的信号传输至第二主控板，第二主控板发出控制信号至第二仿生踱步模块，驱动仿生象腿运动至除锈区，第二主控板发出控制信号至除锈传动控制模块，除锈传动控制模块输出信号控制仿生象鼻除锈机构运动。
本发明一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人的控制方法，包括如下步骤：
当使用仿生象鼻喷漆机构时，激光雷达扫描周围环境将地图模型通过信号采集电路反馈给第一主控板，第一主控板根据设定的串口数据自动规划路线，当设定障碍物高度高于第一设定值时第一主控板发出绕开障碍物信号给第一仿生踱步模块，并保持机身与障碍物最近距离大于第二设定值，当障碍物高度在第一区间内时发出越过障碍物的信号给第一动态均衡模块与第一仿生踱步模块跨越障碍，当地面不平整时通过第一动态均衡模块调整四肢姿态保持机体水平；
在前进时第一视觉传感器将摄像头所拍摄的影像通过信号采集电路传给第一主控板进行处理分析，当影像符合喷涂要求时，第一主控板发出工作信号给第一仿生踱步模块与喷漆传动控制模块靠近工作地点；
第一主控板通过第一仿生踱步模块控制仿生象腿靠近影像实际地点，第一主控板通过第一视觉传感器控制仿生象鼻喷漆机构前端与喷涂区域距离在安全距离范围内，仿生象鼻喷漆机构前端面保持与喷涂区域法线夹角在80°到90°之间，打开喷漆开关并从上而下沿工作点开始喷涂；
油漆涂层测厚传感器在第一主控板发出工作打开信号给喷涂开关时自动打开，实时监测喷漆厚度，当喷漆厚度未达到标准值时反馈停止不动的信号给第一主控板，第一主控板控制仿生象腿停止运动，当膜厚达到标准时，油漆涂层测厚传感器向第一主控板回馈信号，第一主控板控制仿生象腿向下一个工作点靠近；
直到第一视觉传感器所摄影像在第一主控板分析后不符合喷涂目标时停止工作；
当使用仿生象鼻除锈机构时，激光雷达扫描周围环境将地图模型通过信号采集电路反馈给第二主控板，第二主控板根据设定的串口数据自动规划路线，当设定障碍物高度高于第一设定值时第二主控板发出绕开障碍物信号给第二仿生踱步模块，并保持机身与障碍物最近距离大于第二设定值，当障碍物高度在第一区间内时发出越过障碍物的信号给第二动态均衡模块与第二仿生踱步模块跨越障碍，当地面不平整时通过第二动态均衡模块调整四肢姿态保持机体水平；
在前进时第二视觉传感器将摄像头所拍摄的影像通过信号采集电路传给第二主控板进行处理分析，当影像符合除锈要求时，第二主控板发出信号给第二仿生踱步模块与除锈传动控制模块；
第二主控板控制第二仿生踱步模块靠近影像分析后的实际工作地点，仿生象鼻除锈机构带着喷砂管朝向工作区域，第二主控板通过第二视觉传感器控制仿生象鼻除锈机构与除锈物件表面相距在安全范围内，仿生象鼻除锈机构前端面与锈蚀物件表面法线夹角控制在60°到70°之间；
仿生象鼻除锈机构位置摆好后打开喷砂除锈开关，第二主控板开始接受锈蚀传感器和光学粗糙度传感器的信号，实时监测除锈后是否留有锈蚀和表面粗糙度是否达到标准，当两个标准都未达到时向第二主控板发出停止运动信号，控制仿生象腿停止运动，当两个标准都达到时向第二主控板回馈信号，第二主控板控制仿生象腿向下一个工作点靠近；
直到第二视觉传感器所摄影像经第二主控板分析不符合除锈目标时停止工作。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
本发明可以在不同的工作环境下有效提升喷漆除锈的工作效率，利用视觉传感器的辨别工作目标能力，使得模块化可拆卸式的仿生象鼻喷漆机构和仿生象鼻除锈机构具有自动化高，极大地提高了生产效率，适应力强和生产应用前景好等性能；本发明的仿生象鼻喷漆机构的灵活性高，可以探入处理狭窄空间内的工作，设定机器人身体宽度较窄方便在狭小空间内走动；本发明可代替人工喷漆除锈，极大的节省了人力资源，避免了工人因工作环境而可能受到的中毒，***，吸入尘土等危害。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为本发明去除机壳的俯视图；
图3为本发明去除机壳的结构示意图；
图4为本发明仿生象鼻喷漆机构的***示意图；
图5为本发明仿生象鼻喷漆机构的结构示意图；
图6为本发明中钢丝孔的布置示意图；
图7为本发明去除机壳装有仿生象鼻除锈机构的结构示意图；
图8为本发明仿生象鼻除锈机构的结构示意图；
图9为本发明仿生象鼻除锈机构去除矩形固定架的结构示意图；
图10为本发明的机器人喷漆除锈作业时的示意图；
图11为本发明用于喷漆作业时的控制流程图；
图12为本发明用于除锈作业时的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人包括机体板1、封闭机壳2、仿生象腿3、仿生象鼻喷漆机构4、喷漆动力组件5、喷漆控制组件6、仿生象鼻除锈机构7、除锈控制组件8、激光雷达9、温度传感器10、第一视觉传感器11、油漆涂层测厚传感器12、第二视觉传感器13、锈蚀传感器14、光学粗糙度传感器15和可充电的锂电池箱。
如图3所示，本发明中封闭机壳2罩设在机体板1上，封闭机壳与机体板装配时使用焊接工艺，做防尘处理，所有在封闭机壳外的舵机、激光雷达和传感器都安装有透明防尘罩。4个仿生象腿3对称设置于机体板1的下方，机体板1的前侧可拆卸连接有仿生象鼻喷漆机构4，机体板1的前侧可拆卸连接有仿生象鼻除锈机构7，喷漆动力组件5位于机体板上方中部，喷漆动力组件5与仿生象鼻喷漆机构4相连，用于驱动仿生象鼻喷漆机构4运动。喷漆控制组件6和除锈控制组件8平行对称分布于机体板1上方后侧，封闭机壳2罩设在喷漆控制组件6、除锈控制组件8和喷漆动力组件5的上方，激光雷达9安装于封闭机壳2的前侧，激光雷达9与喷漆控制组件相电连，激光雷达9传输信号至喷漆控制组件，激光雷达9与除锈控制组件相电连，激光雷达9传输信号至除锈控制组件；封闭机壳2外可套有透明防尘罩。除锈控制组件8与仿生象鼻除锈机构相电连，用于控制仿生象鼻除锈机构动作进行喷漆，除锈控制组件8与仿生象腿相电连，用于控制仿生象腿动作。温度传感器10设置在仿生象鼻喷漆机构4上，温度传感器10与喷漆控制组件相电连，传输信号至喷漆控制组件；在做喷漆作业时，为了防爆，当温度传感器反馈信号高于43℃时，自动关闭机器人电源，停止作业。第一视觉传感器11和油漆涂层测厚传感器12设置在仿生象鼻喷漆机构4上，第一视觉传感器11和油漆涂层测厚传感器12分别漆控制组件相电连，传输信号至喷漆控制组件；第二视觉传感器13在仿生象鼻除锈机构7上，第二视觉传感器13与除锈控制组件相电连，传输信号至除锈控制组件。锈蚀传感器14设置生象鼻除锈机构7上，第二视觉传感器13与除锈控制组件相电连，传输信号至除锈控制组件；光学粗糙度传感器15设置生象鼻除锈机构7上，第二视觉传感器13与除锈控制组件相电连，传输信号至除锈控制组件。
仿生象腿3包括大腿舵机套301、大腿舵机302、大腿板303、小腿板304和小腿舵机305，大腿舵机套301与机体板1相固连，大腿舵机302固定于大腿舵机套301内，大腿板303的上端与大腿舵机302相连，可在大腿舵机驱动下前后摆动。小腿板304与大腿板303下端相铰接，小腿舵机305位于小腿板303内，用于驱动小腿板303前后摆动。仿生象腿与第一动态均衡模块或第二动态均衡模块相连使机器人在高低不平的路面运动时，可以调整四肢姿态保证机身水平，大腿舵机控制大腿板前后摆动，小腿舵机控制小腿板前后摆动，大腿板与小腿板连续独立运动以模仿小象踱步运动以模仿小象踱步运动。
如图4、图5和图6所示，仿生象鼻喷漆机构4包括圆盘连接板401、1号传动关节402、2号传动关节403、3号传动关节404、4号传动关节405、5号传动关节406、6号传动关节407、万向节408、喷涂套管409和支撑弹簧410。圆盘连接板401与机体板1的前端可拆卸连接，1号传动关节～6号传动关节沿着轴向依次间隔设置，相邻传动关节之间通过万向节408相连接，1号传动关节通过万向节408与圆盘连接板401相连接，6号传动关节407通过万向节408与喷涂套管409相连接。1号传动关节上朝向2号传动关节的一侧面上均布有8个立杆411，2号传动关节和3号传动关节的两侧面上分别均布有8个立杆411，4号传动关节上朝向3号传动关节的一侧面上均布有8个立杆411，4号传动关节上朝向5号传动关节的一侧面上均布有4个立杆411，5号传动关节和6号传动关节的两侧面上分别均布有4个立杆411，喷涂套管409上朝向6号传动关节的一侧面上均布有4个立杆411；万向节包括万向节前管412、万向节后管413和万向节十字轴414。1号传动关节上的立柱411与2号传动关节上相对1号传动关节一侧面的立柱411位置一一对应，8个支撑弹簧410分别套设在两端的立柱411上，且支撑弹簧410的一端与1号传动关节的侧面相固定，支撑弹簧410的另一端与2号传动关节的侧面相固定。2号传动关节上的立柱411与3号传动关节上相对2号传动关节一侧面的立柱411位置一一对应，8个支撑弹簧410分别套设在两端的立柱411上，且支撑弹簧410的一端与2号传动关节的侧面相固定，支撑弹簧410的另一端与3号传动关节的侧面相固定。3号传动关节上的立柱411与4号传动关节上相对3号传动关节一侧面的立柱411位置一一对应，8个支撑弹簧410分别套设在两端的立柱411上，且支撑弹簧410的一端与3号传动关节的侧面相固定，支撑弹簧410的另一端与4号传动关节的侧面相固定。4号传动关节上的立柱411与5号传动关节上相对4号传动关节一侧面的立柱411位置一一对应，4个支撑弹簧410分别套设在两端的立柱411上，且支撑弹簧410的一端与4号传动关节的侧面相固定，支撑弹簧410的另一端与5号传动关节的侧面相固定。5号传动关节上的立柱411与6号传动关节上相对5号传动关节一侧面的立柱411位置一一对应，4个支撑弹簧410分别套设在两端的立柱411上，且支撑弹簧410的一端与5号传动关节的侧面相固定，支撑弹簧410的另一端与6号传动关节的侧面相固定。6号传动关节上的立柱411与喷涂套管409一侧面的立柱411位置一一对应，4个支撑弹簧410分别套设在两端的立柱411上，且支撑弹簧410的一端与6号传动关节的侧面相固定，支撑弹簧410的另一端与喷涂套管的侧面相固定。油漆涂层测厚传感器12设置于喷涂套管409上，温度传感器10和第一视觉传感器11设置于1号传动关节402上，喷涂套管409上连接有外接喷涂罐的喷涂管口，喷涂罐与喷漆控制组件相电连接。
圆盘连接板以及1号传动关节～6号传动关节上以轴向为中心顺时针均开设有1号钢丝孔～8号钢丝孔。喷漆动力组件5包括向上控制电机501、向下控制电机502、向左控制电机503、向右控制电机504、向左上控制电机505、向左下控制电机506、向右上控制电机507、向右下控制电机508以及1号钢丝～8号钢丝，向上控制电机501和向下控制电机502垒叠安装固定于同一电机座509内，向左控制电机503和向右控制电机504垒叠安装固定于同一个电机座509内，向左上控制电机505和向左下控制电机506垒叠安装固定于同一个电机座509内，向右上控制电机507和向右下控制电机508垒叠安装固定于同一个电机座509内，4个电机座509对称固定于机体板1上。向上控制电机501、向下控制电机502、向左控制电机503、向右控制电机504、向左上控制电机505、向左下控制电机506、向右上控制电机507和向右下控制电机508的电机转轴上均套有钢丝绕圈510，用于绕设钢丝。其中1号钢丝的一端与6号传动关节407相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向上控制电机501相连，2号钢丝的一端与3号传动关节404相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右上控制电机507相连，3号钢丝的一端与6号传动关节407相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右控制电机504相连，4号钢丝的一端与3号传动关节404相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右下控制电机508相连，5号钢丝的一端与6号传动关节407相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向下控制电机502相连，6号钢丝的一端与3号传动关节404相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左下控制电机506相连，7号钢丝的一端与6号传动关节407相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左控制电机503相连，8号钢丝的一端与3号传动关节404相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左上控制电机505相连。本发明中靠近机体的1号传动关节、2号传动关节和3号传动关节被通过2号钢丝孔、4号钢丝孔、6号钢丝孔和8号钢丝孔的钢丝拉紧，远离机体的4号传动关节、5号传动关节和6号传动关节被通过1号钢丝孔、3号钢丝孔、5号钢丝孔和7号钢丝孔的钢丝拉紧。
本发明仿生象鼻喷漆机构传动方式为：八个电机转动控制钢丝绕圈转动，带动钢丝伸缩运动，从而带动仿生象鼻喷漆机构1号～6号传动关节摆动，向上控制电机、向下控制电机、向左控制电机和向右控制电机控制4号～6号传动关节，向上控制电机逆时针转动拉紧钢丝使4号～6号传动关节向上弯曲，向下控制电机使其向下弯曲，向左控制电机使其向左弯曲，向右控制电机使其向右弯曲。向左上控制电机、向左下控制电机、向右上控制电机和向右下控制电机控制1号～3号传动关节，向左上控制电机逆时针转动拉紧钢丝使1号～3号传动关节向左上方弯曲，向左下控制电机使其向左下方弯曲，向右上控制电机使其向右上方弯曲，向右下控制电机使其向右下方弯曲，弯曲产生的钢丝伸缩余量进行matlab分析可得出，故八个电机需要协同控制，使象鼻向上弯曲时向上控制电机逆时针转动拉紧钢丝同时向下控制电机顺时针转动放松钢丝以保障向上弯曲余量充足，其他部位电机按照matlab分析结果同时进行拉紧和放松操作，当同时拉紧两根或以上钢丝时，依据matlab分析将钢丝余量变化函数写入控制程序，亦可实现多自由度控制，在象鼻结构达到预期位置时保障个电机拉紧个自控制的钢丝，保证喷漆稳定性。
本发明中大腿舵机302控制大腿板303前后摆动，小腿舵机305控制小腿板304前后摆动，大腿板303与小腿板304连续独立运动以模仿小象踱步运动，八个控制仿生象鼻喷漆机构的电机转动控制钢丝绕圈510转动，带动钢丝伸缩运动，从而带动仿生象鼻喷漆机构1号～6号传动关节摆动，向上控制电机、向下控制电机、向左控制电机和向右控制电机控制4号～6号传动关节，最大可摆动360°，向左上控制电机、向左下控制电机、向右上控制电机和向右下控制电机控制1号～3号传动关节，最大也可摆动360°，本仿生象鼻喷漆机构理论上可以在360°的立体空间内实现定位喷漆。
如图7、图8和图9所示，喷漆控制组件6包括第一主控板601、第一动态均衡模块602、第一仿生踱步模块603和喷漆传动控制模块604，激光雷达9扫描周围环境获取环境信号并传输至第一主控板601，第一主控板601根据环境信号输出指令至第一动态均衡模块602和第一仿生踱步模块603，第一动态均衡模块602和第一仿生踱步模块603分别控制仿生象腿动作，第一视觉传感器11、温度传感器10和油漆涂层测厚传感器12将获取的信号传输至第一主控板601，第一主控板601发出控制信号至第一仿生踱步模块602，驱动仿生象腿运动至喷漆区，第一主控板601发出控制信号至喷漆传动控制模块604，喷漆传动控制模块604输出信号控制喷漆动力组件5驱动仿生象鼻喷漆机构4运动。第一动态均衡模块和第一仿生踱步模块与四条仿生象腿上的大腿舵机和小腿舵机相连，喷漆传动控制模块与向上控制电机、向下控制电机、向左控制电机、向右控制电机、向左上控制电机、向左下控制电机、向右上控制电机和向右下控制电机相连，激光雷达、第一视觉传感器、油漆涂层测厚传感器和温度传感器通过信号采集电路与第一主控板连接，第一主控板与喷漆罐开关相连，第二主控板与喷砂除锈罐开关相连。
仿生象鼻除锈机构7包括矩形固定架701、前端传动舵机702、固定板703、1号传动板704、中端传动舵机705、2号传动板706、后端传动舵机707和除锈套筒708，矩形固定架701与机体板1的前端可拆卸连接，前端传动舵机702固定于矩形固定架的前端，1号传动板704通过固定板703与前端传动舵机702相连，在前端传动舵机702驱动下自由摆动。中端传动舵机705固定在1号传动板前端，2号传动板706通过固定板703与中端传动舵机705相连，在中端传动舵机705驱动下自由摆动。后端传动舵机707固定在2号传动板706的前端，除锈套筒708通过固定板703与后端传动舵机707相连，在后端传动舵机707的驱动下自由摆动，除锈套筒708上连接有外接喷砂罐的喷砂管口，喷砂罐与喷漆控制组件相电连。第二视觉传感器13设置于矩形固定架701上，锈蚀传感器14和光学粗糙度传感器15设置于除锈套筒708上；其中前端传动舵机702和后端传动舵机707竖直放置，中端传动舵机705水平放置。前端传动舵机和后端传动舵机分别控制1号传动板和除锈套筒左右运动，中端传动舵机控制2号传动板上下摆动，理论上可以实现左右偏转360°上下偏转240°的立体空间内实现定位除锈。舵机采用高扭矩舵机，承受的应力相比仿生象鼻喷漆机构更大，可以左右偏转360°上下俯仰240°，考虑到喷砂除锈时象鼻机构承受压力很大，故采用此机构除锈更为优选。
除锈控制组件8包括第二主控板801、第二动态均衡模块802、第二仿生踱步模块803和除锈传动控制模块804，激光雷达9扫描周围环境获取环境信号并传输至第二主控板801，第二主控板801根据环境信号输出指令至第二动态均衡模块802和第二仿生踱步模块803，第二动态均衡模块802和第二仿生踱步模块803分别控制仿生象腿动作，第二视觉传感器13、锈蚀传感器14和光学粗糙度传感器15将获取的信号传输至第二主控板801，第二主控板801发出控制信号至第二仿生踱步模块802，驱动仿生象腿运动至除锈区，第二主控板801发出控制信号至除锈传动控制模块804，除锈传动控制模块804输出信号控制仿生象鼻除锈机构7运动。第二动态均衡模块和第二仿生踱步模块与四条仿生象腿上的大腿舵机和小腿舵机相连，除锈传动控制模块与前端传动舵机、中端传动舵机和后端传动舵机相连，激光雷达、锈蚀传感器、光学粗糙度传感器和第二视觉传感器通过信号采集电路与第二主控板连接，第二主控板与喷砂除锈罐开关相连。
仿生象鼻喷漆机构与仿生象鼻除锈机构相比灵活度高，稳定性低，适用于与喷漆装置配合使用，仿生象鼻除锈机构与仿生象鼻喷漆机构灵活度低，稳定性高，适用于喷射压力较大的喷砂除锈装置。本发明可以根据实际施工特点更换仿生象鼻除锈机构和仿生象鼻喷漆机构，仿生象鼻除锈机构和仿生象鼻喷漆机构都设计为方便拆卸拼装结构，当需要更换使用仿生象鼻喷漆机构时，拧开封闭机壳上的螺栓，打开封闭机壳，将仿生象鼻喷漆机构安装在机体板前端，并使钢丝与电机上的钢丝绕圈连接紧密。将向上控制电机、向下控制电机、向左控制电机、向右控制电机、向左上控制电机、向左下控制电机、向右上控制电机和向右下控制电机与喷漆传动控制模块相连，打开第一主控板，并与喷漆罐开关相连，关闭第二主控板，打开电源，将喷漆管与仿生象鼻喷漆机构前端固定，当需要更换使用仿生象鼻除锈机构时，拧开封闭机壳上的螺栓，打开封闭机壳的上盖板，将仿生象鼻除锈机构安装在机体板前端，将前端传动舵机、中端传动舵机和后端传动舵机与除锈传动控制模块相连，打开第二主控板，并与喷砂除锈罐开关相连，关闭第一主控板，打开电源，将喷砂除锈管与仿生象鼻除锈机构前端固定。
第一主控板和第二主控板在本实施例采用STM32单片机，第一视觉传感器和第二视觉传感器都使用人工智能摄像头，喷漆传动控制模块与仿生象鼻喷漆结构的八个电机的驱动板块相连，电机的驱动板块采用两块cnc扩展板，每个cnc扩展板上接有四个A4988电机驱动器，除锈传动控制模块与仿生象鼻除锈机构的三个舵机连接，激光雷达通过两个第一主控板和第二主控板上的信号采集电路分别与两个主控板连接；温度传感器实时检测环境温度，当环境温度高于43℃使，温度传感器通过信号采集电路将信号传送给第一主控板，第一主控板自动关闭开关，停止所有工作。
第一主控板和第二主控板使用STM32单片机编译，信号采集电路、第一视觉传感器、第二视觉传感器、油漆涂层测厚传感器、锈蚀传感器、光学粗糙度传感器、温度传感器、激光雷达、第一动态均衡模块、第一仿生踱步模块、第二动态均衡模块和第二仿生踱步模块都是可以选择购买。激光雷达选用PCR雷达传感器A111，油漆涂层测厚传感器可选用油漆涂层测厚仪，第一视觉传感器和第二视觉传感器可选用D450双目视觉相机，锈蚀传感器可选用金属表面锈蚀测量仪，光学粗糙度传感器可选用光学表面粗糙度测量仪，仿生踱步模块自带芯片和电源接口，同时内置踱步动作计算与执行程序，在接收到主控板的踱步命令与相关参数后，可以将踱步指令的相关参数代入模块预先内置的运动轨迹函数经过计算后生成能够驱动舵机执行踱步动作的参数，通过该参数控制连接在仿生踱步模块上的八个腿部舵机依次按命令转动以完成踱步动作。喷漆传动控制模块在接收到经过视觉传感器识别处理后得到的需要喷漆部位的空间坐标参数后，模块预先编入的象鼻位置求解程序将空间坐标代入程序求解后得到喷漆所需要的象鼻姿态参数。象鼻姿态的调整是通过连接在喷漆传动控制模块上的八个电机转动来调节象鼻上的钢丝绕圈伸缩带动象鼻弯曲以达到所需的象鼻姿态。除锈传动控制模块的信号处理流程与喷漆传动控制模块类似，不同之处在于除锈传动控制模块调整象鼻姿态是通过连接在除锈传动控制模块上的三个关节舵机依次转动所累积的转动角度使象鼻末端对准除锈位置以完成除锈工作。动态均衡模块自带芯片和电源接口，同时内置默认程序，可以使连接在该模块上的舵机转动根据模块正平面和地平线的夹角自动保持一致；当动态均衡模块初始启动时，该模块根据工况环境调整舵机转动角度与动态均衡模块姿态之间的线性关系，以满足特定需要。
如图10、图11和图12所示，本发明一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人的控制方法，包括如下步骤：
当使用仿生象鼻喷漆机构时，激光雷达扫描周围环境将地图模型通过信号采集电路反馈给第一主控板，第一主控板根据设定的串口数据自动规划路线，当设定障碍物高度高于第一设定值40cm时第一主控板发出绕开障碍物信号给第一仿生踱步模块，并保持机身与障碍物最近距离大于第二设定值30cm，当障碍物高度在第一区间3cm～40cm内时发出越过障碍物的信号给第一动态均衡模块与第一仿生踱步模块跨越障碍，当地面不平整时通过第一动态均衡模块调整四肢姿态保持机体水平；
在前进时第一视觉传感器将摄像头所拍摄的影像通过信号采集电路传给第一主控板进行处理分析，当影像符合喷涂要求时，第一主控板发出工作信号给第一仿生踱步模块与喷漆传动控制模块靠近工作地点；
第一主控板通过第一仿生踱步模块控制仿生象腿靠近影像实际地点，第一主控板通过第一视觉传感器控制仿生象鼻喷漆机构前端与喷涂区域距离在安全距离范围10cm～20cm内，仿生象鼻喷漆机构前端面保持与喷涂区域法线夹角在80°到90°之间，打开喷漆开关并从上而下沿工作点开始喷涂；
油漆涂层测厚传感器在第一主控板发出工作打开信号给喷涂开关时自动打开，实时监测喷漆厚度，当喷漆厚度未达到标准值时反馈停止不动的信号给第一主控板，第一主控板控制仿生象腿停止运动，当膜厚达到标准时，油漆涂层测厚传感器向第一主控板回馈信号，第一主控板控制仿生象腿向下一个工作点靠近；
直到第一视觉传感器所摄影像在第一主控板分析后不符合喷涂目标时停止工作；
当使用仿生象鼻除锈机构时，激光雷达扫描周围环境将地图模型通过信号采集电路反馈给第二主控板，第二主控板根据设定的串口数据自动规划路线，当设定障碍物高度高于第一设定值40cm时第二主控板发出绕开障碍物信号给第二仿生踱步模块，并保持机身与障碍物最近距离大于第二设定值30cm，当障碍物高度在第一区间3cm～40cm内时发出越过障碍物的信号给第二动态均衡模块与第二仿生踱步模块跨越障碍，当地面不平整时通过第二动态均衡模块调整四肢姿态保持机体水平；
在前进时第二视觉传感器将摄像头所拍摄的影像通过信号采集电路传给第二主控板进行处理分析，当影像符合除锈要求时，第二主控板发出信号给第二仿生踱步模块与除锈传动控制模块；
第二主控板控制第二仿生踱步模块靠近影像分析后的实际工作地点，仿生象鼻除锈机构带着喷砂管朝向工作区域，第二主控板通过第二视觉传感器控制仿生象鼻除锈机构与除锈物件表面相距在安全范围20cm～25cm内，仿生象鼻除锈机构前端面与锈蚀物件表面法线夹角控制在60°到70°之间；
仿生象鼻除锈机构位置摆好后打开喷砂除锈开关，第二主控板开始接受锈蚀传感器和光学粗糙度传感器的信号，实时监测除锈后是否留有锈蚀和表面粗糙度是否达到标准，当两个标准都未达到时向第二主控板发出停止运动信号，控制仿生象腿停止运动，当两个标准都达到时向第二主控板回馈信号，第二主控板控制仿生象腿向下一个工作点靠近；
直到第二视觉传感器所摄影像经第二主控板分析不符合除锈目标时停止工作。本发明可以适用与比较复杂的工况，四足地面行走稳定性更强，能对狭小角落进行喷漆除锈工作，且自动化水平较高，能避免工人吸入有害喷漆除锈颗粒材料。

Claims (10)

1.一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：包括机体板(1)、罩设在机体板上的封闭机壳(2)、对称设置于机体板下方的四个仿生象腿(3)、与机体板前端可拆卸连接的仿生象鼻喷漆机构(4)、位于机体板中部且用于驱动仿生象鼻喷漆机构运动的喷漆动力组件(5)、位于机体板上表面后侧且与喷漆动力组件和仿生象腿相电连的喷漆控制组件(6)、与机体板前端可拆卸连接的仿生象鼻除锈机构(7)、位于机体板上表面后侧且与仿生象鼻除锈机构和仿生象腿相电连的除锈控制组件(8)以及设置于封闭机壳前端且分别与喷漆控制组件和除锈控制组件相电连的激光雷达(9)，所述仿生象鼻喷漆机构(4)上设置有与喷漆控制组件相电连的温度传感器(10)、第一视觉传感器(11)和油漆涂层测厚传感器(12)，所述仿生象鼻除锈机构(7)上设置有与除锈控制组件相电连的第二视觉传感器(13)、锈蚀传感器(14)和光学粗糙度传感器(15)。
2.根据权利要求1所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述仿生象鼻喷漆机构(4)包括与机体板(1)可拆卸连接的圆盘连接板(401)、与圆盘连接板相连且沿轴向依次间隔设置的1号传动关节～6号传动关节、用于连接相邻传动关节的万向节(408)、通过万向节与6号传动关节相连的喷涂套管(409)以及均布于传动关节上且用于支撑传动关节的支撑弹簧(410)，其中油漆涂层测厚传感器(12)设置于喷涂套管(409)上，温度传感器(10)和第一视觉传感器(11)位于1号传动关节(402)上，喷涂套管(409)上连接有外接喷涂罐的喷涂管口，喷涂罐与喷漆控制组件相电连接；所述圆盘连接板以及1号传动关节～6号传动关节上以轴向为中心顺时针均开设有1号钢丝孔～8号钢丝孔。
3.根据权利要求2所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述喷漆动力组件(5)包括向上控制电机(501)、向下控制电机(502)、向左控制电机(503)、向右控制电机(504)、向左上控制电机(505)、向左下控制电机(506)、向右上控制电机(507)、向右下控制电机(508)以及1号钢丝～8号钢丝，其中1号钢丝的一端与6号传动关节(407)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向上控制电机(501)相连，2号钢丝的一端与3号传动关节(404)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右上控制电机(507)相连，3号钢丝的一端与6号传动关节(407)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右控制电机(504)相连，4号钢丝的一端与3号传动关节(404)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向右下控制电机(508)相连，5号钢丝的一端与6号传动关节(407)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向下控制电机(502)相连，6号钢丝的一端与3号传动关节(404)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左下控制电机(506)相连，7号钢丝的一端与6号传动关节(407)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左控制电机(503)相连，8号钢丝的一端与3号传动关节(404)相固连并依次穿过其余传动关节和圆盘连接板后与向左上控制电机(505)相连。
4.根据权利要求2所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述1号传动关节(402)和喷涂套管(409)上与传动关节相连的侧面上均布有多个用于套设支撑弹簧(410)的立杆(411)，2号传动关节～5号传动关节的两侧面上分别均布有多个用于套设支撑弹簧的立杆(411)。
5.根据权利要求1所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述仿生象鼻除锈机构(7)包括与机体板(1)可拆卸连接的矩形固定架(701)、固定于矩形固定架上的前端传动舵机(702)、通过固定板(703)与前端传动舵机相连的1号传动板(704)、固定在1号传动板前端的中端传动舵机(705)、通过固定板(703)与中端传动舵机相连的2号传动板(706)、固定在2号传动板前端的后端传动舵机(707)以及通过固定板(703)与后端传动舵机相连的除锈套筒(708)，除锈套筒(708)上连接有外接喷砂罐的喷砂管口，喷砂罐与喷漆控制组件相电连。
6.根据权利要求5所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述第二视觉传感器(13)设置于矩形固定架(701)上，锈蚀传感器(14)和光学粗糙度传感器(15)设置于除锈套筒(708)上。
7.根据权利要求1所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述仿生象腿(3)包括与机体板(1)相固连的大腿舵机套(301)、固定于大腿舵机套内的大腿舵机(302)、上端与大腿舵机相连且可在大腿舵机驱动下前后摆动的大腿板(303)、与大腿板下端相铰接的小腿板(304)以及位于小腿板内用于驱动小腿板前后摆动的小腿舵机(305)。
8.根据权利要求1所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述喷漆控制组件(6)包括第一主控板(601)、第一动态均衡模块(602)、第一仿生踱步模块(603)和喷漆传动控制模块(604)，激光雷达(9)扫描周围环境获取环境信号并传输至第一主控板(601)，第一主控板(601)根据环境信号输出指令至第一动态均衡模块(602)和第一仿生踱步模块(603)，第一动态均衡模块(602)和第一仿生踱步模块(603)分别控制仿生象腿动作，第一视觉传感器(11)、温度传感器(10)和油漆涂层测厚传感器(12)将获取的信号传输至第一主控板(601)，第一主控板(601)发出控制信号至第一仿生踱步模块(602)，驱动仿生象腿运动至喷漆区，第一主控板(601)发出控制信号至喷漆传动控制模块(604)，喷漆传动控制模块(604)输出信号控制喷漆动力组件(5)驱动仿生象鼻喷漆机构(4)运动。
9.根据权利要求1所述的一种模块化用于船舶喷漆除锈的机器人，其特征在于：所述除锈控制组件(8)包括第二主控板(801)、第二动态均衡模块(802)、第二仿生踱步模块(803)和除锈传动控制模块(804)，激光雷达(9)扫描周围环境获取环境信号并传输至第二主控板(801)，第二主控板(801)根据环境信号输出指令至第二动态均衡模块(802)和第二仿生踱步模块(803)，第二动态均衡模块(802)和第二仿生踱步模块(803)分别控制仿生象腿动作，第二视觉传感器(13)、锈蚀传感器(14)和光学粗糙度传感器(15)将获取的信号传输至第二主控板(801)，第二主控板(801)发出控制信号至第二仿生踱步模块(802)，驱动仿生象腿运动至除锈区，第二主控板(801)发出控制信号至除锈传动控制模块(804)，除锈传动控制模块(804)输出信号控制仿生象鼻除锈机构(7)运动。
10.一种根据权利要求1至9任一所述的模块化用于船舶喷漆除锈的机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
当使用仿生象鼻喷漆机构时，激光雷达扫描周围环境将地图模型通过信号采集电路反馈给第一主控板，第一主控板根据设定的串口数据自动规划路线，当设定障碍物高度高于第一设定值时第一主控板发出绕开障碍物信号给第一仿生踱步模块，并保持机身与障碍物最近距离大于第二设定值，当障碍物高度在第一区间内时发出越过障碍物的信号给第一动态均衡模块与第一仿生踱步模块跨越障碍，当地面不平整时通过第一动态均衡模块调整四肢姿态保持机体水平；
在前进时第一视觉传感器将摄像头所拍摄的影像通过信号采集电路传给第一主控板进行处理分析，当影像符合喷涂要求时，第一主控板发出工作信号给第一仿生踱步模块与喷漆传动控制模块靠近工作地点；
第一主控板通过第一仿生踱步模块控制仿生象腿靠近影像实际地点，第一主控板通过第一视觉传感器控制仿生象鼻喷漆机构前端与喷涂区域距离在安全距离范围内，仿生象鼻喷漆机构前端面保持与喷涂区域法线夹角在80°到90°之间，打开喷漆开关并从上而下沿工作点开始喷涂；
油漆涂层测厚传感器在第一主控板发出工作打开信号给喷涂开关时自动打开，实时监测喷漆厚度，当喷漆厚度未达到标准值时反馈停止不动的信号给第一主控板，第一主控板控制仿生象腿停止运动，当膜厚达到标准时，油漆涂层测厚传感器向第一主控板回馈信号，第一主控板控制仿生象腿向下一个工作点靠近；
直到第一视觉传感器所摄影像在第一主控板分析后不符合喷涂目标时停止工作；
当使用仿生象鼻除锈机构时，激光雷达扫描周围环境将地图模型通过信号采集电路反馈给第二主控板，第二主控板根据设定的串口数据自动规划路线，当设定障碍物高度高于第一设定值时第二主控板发出绕开障碍物信号给第二仿生踱步模块，并保持机身与障碍物最近距离大于第二设定值，当障碍物高度在第一区间内时发出越过障碍物的信号给第二动态均衡模块与第二仿生踱步模块跨越障碍，当地面不平整时通过第二动态均衡模块调整四肢姿态保持机体水平；
在前进时第二视觉传感器将摄像头所拍摄的影像通过信号采集电路传给第二主控板进行处理分析，当影像符合除锈要求时，第二主控板发出信号给第二仿生踱步模块与除锈传动控制模块；
第二主控板控制第二仿生踱步模块靠近影像分析后的实际工作地点，仿生象鼻除锈机构带着喷砂管朝向工作区域，第二主控板通过第二视觉传感器控制仿生象鼻除锈机构与除锈物件表面相距在安全范围内，仿生象鼻除锈机构前端面与锈蚀物件表面法线夹角控制在60°到70°之间；
仿生象鼻除锈机构位置摆好后打开喷砂除锈开关，第二主控板开始接受锈蚀传感器和光学粗糙度传感器的信号，实时监测除锈后是否留有锈蚀和表面粗糙度是否达到标准，当两个标准都未达到时向第二主控板发出停止运动信号，控制仿生象腿停止运动，当两个标准都达到时向第二主控板回馈信号，第二主控板控制仿生象腿向下一个工作点靠近；
直到第二视觉传感器所摄影像经第二主控板分析不符合除锈目标时停止工作。
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