本发明涉及水下作业设备技术领域，具体地说，涉及一种适用于水下作业的伯努利吸盘。
背景技术：
机器人技术一直都是学术和工业界的研究热点之一，近年来，伴随着机器人被广泛应用于各个领域之中，特种机器人技术也得到了飞速的发展。区别于工业和服务机器人，特种机器人面向于解决专业领域内的难点问题，因此需要在一些特殊的功能和需求上进行细化和加强。而水下爬壁机器人作为特种机器人的一个新的重要分支，在海洋装备清洗、水下结构物勘探以及水利设备维护中扮演着十分重要的角色。但是如何实现在不同类型的表面上的稳定吸附，一直都是水下爬壁机器人的研究难点之一。
传统上水下机器人依赖于磁吸附、真空吸附或旋流负压吸附实现在结构及装备物上的贴附，然而，所述吸附原理均存在相应的缺陷：磁力吸附的适用场景局限于铁磁材料表面，无法在桥墩和坝体等非铁磁材料结构上发挥作用；真空吸附难以摆脱真空泵的限制，并且真空吸盘在水下环境中极易发生泄漏，大大增加了机构设计与实际操作的困难程度；旋流负压吸附依靠高压水泵或大功率电机在吸盘腔体内产生负压区，存在功耗大与噪声大等缺点。
如公布号为cn110054073a的发明专利文献公开的一种凸起式真空吸盘，该吸盘由导气管、吸盘支架和吸盘膜组成。在使用时，先用外力将整体吸盘压于目标表面，使吸盘膜与之完全贴合；而后通过抽气设备抽吸吸盘腔内气体，使吸盘膜脱离目标表面，从而产生真空吸附。该吸盘在作用前必须要稳定的外力预紧，而这是水流中的潜航器难以办到的；同时，该吸盘依靠抽气设备产生真空，无论抽气设备在岸基控制端还是机器人自身携带，都会给实际操作或控制带来极大不便；另外，该吸盘无法应对粗糙表面。
另如公布号为cn106938691a的发明专利文献公开的一种离心叶轮式水下吸盘，该吸盘通过电机驱动类圆柱腔旋转，腔体内壁边缘周向排布一圈扇叶，因而能够在水下制造液体旋流，进而形成负压区。这种设计的优点在于结构较为简单，且容易控制吸附状态，但其吸附力大小与吸附面积呈正相关，若要使承担高压清洗等重型作业的水下机器人稳定吸附，则需要一个大吸盘或多个小吸盘，导致机构整体复杂且沉重。
此外，部分水下机器人直接利用自身推进器产生的推力贴附于目标结构表面，但常规推进器的推力仅约3公斤，普通水下机器人所搭载的推进器组难以应对高压清洗与除锈等具有强反作用力的工种。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种适用于水下作业的伯努利吸盘，兼具吸附与推进功能，解决了普通水下机器人所搭载的推进器组难以应对高压清洗与除锈等具有强反作用力的工种的问题。
为了实现上述目的，本发明提供的适用于水下作业的伯努利吸盘包括吸附主体和设置在所述吸附主体内的推进器，所述吸附主体的底面为吸附面，所述吸附面底部设有支撑结构，使得吸附面在吸附过程中与被吸附表面之间具有一定的间隙。
上述技术方案中，通过推进器内的螺旋桨产生环境流动，吸附面的支撑结构用来制造流动间隙。由于粗糙的缝隙壁面并不会对高速流体造成很大影响，因此设有支撑结构的吸附面可以适应粗糙表面。在工作过程中，吸盘在推进器的作用下可以自主靠近壁面进行吸附，推进器此时的状态是“抽水”，为了防止其在接近壁面后更迅速地靠近壁面，并与壁面完全贴合形成真空吸附，采用在吸附面上设置支撑结构的方法，制造周向缝隙流道，这样可以提高吸附作用力，本发明的伯努利吸盘的吸附作用力是其螺旋桨推力的至少两倍。
可选地，在一个实施例中，所述的吸附主体包括吸附通道和位于所述吸附通道底端的吸附作用板，所述的推进器设置在所述吸附通道的顶端，所述的吸附面即为所述吸附作用板的底面。
可选地，在一个实施例中，所述的推进器设有与所述吸附通道配合的涵道，推进器的螺旋桨设置在所述涵道内。
可选地，在一个实施例中，所述的涵道外具有凸起，所述的吸附通道上设有与所述凸起配合的避让槽。
可选地，在一个实施例中，所述的避让槽顶部开通，并设有用于固定涵道的螺栓。安装时，将涵道的凸起对齐避让槽的顶部，并顺着避让槽的顶部开口向下滑入至避让槽的底部，然后用螺栓将避让槽和凸起固定住。
可选地，在一个实施例中，所述的支撑结构为设置在所述吸附面底部的滚珠球轮，所述吸附主体通过刚性材料制作。
可选地，在一个实施例中，所述的支撑结构为设置在所述吸附面上的扇形支柱。
为了适应海上平台桩腿和水下管道等大曲率吸附场景，可选地，在一个实施例中，所述的吸附主体和所述的扇形支柱通过柔性材料制成。材料可以是硅胶等易获取原料，如此便能使吸盘在发挥作用时尽可能包覆被吸附面，使得吸盘在大粗糙度和大曲率壁面上都能正常工作。
吸附主体根据适用场景有三种制造方法，分别为三维打印、模具制造和柔固装配，具体阐述如下：
若吸附面为混凝土等相对光滑的材料，可采用三维打印或模具制造，制备一体成型的单一材料柔性吸附主体；
若吸附面为布满铁锈、贝壳等显著粗糙的表面，可先采用三维打印或模具制造制备不含扇形支柱的柔性体，再通过机加工用金属制造底面柔性扇形支柱，最后将二者用强力胶黏连，从而获得耐磨损的吸附主体。
可选地，在一个实施例中，所述的间隙宽度小于10mm。
可选地，在一个实施例中，所述的推进器的螺旋桨具有正转和反转功能。以使吸盘兼具吸附与推进功能。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
本发明将吸盘与伯努利效应吸附相结合，比传统真空吸附和单纯螺旋桨推力吸附具有更大的吸附力，并且由于本发明的吸盘控制方便，功能结合亦能大大降低机构冗杂度，自然在中低重量级的水下与空中作业场景中优于其他吸附方式。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1中刚性伯努利吸盘的爆炸结构示意图；
图2为本发明实施例1中刚性伯努利吸盘的主视图；
图3为本发明实施例1中刚性伯努利吸盘的轴测图；
图4为本发明实施例1中刚性伯努利吸盘的仰视图；
图5为本发明实施例1中刚性伯努利吸盘的俯视图；
图6为本发明实施例1中刚性伯努利吸盘在吸附工作时的示意图；
图7为本发明实施例1中刚性伯努利吸盘正常推进作用时的示意图，其中(a)为螺旋桨叶轮逆时针旋转示意图，(b)为螺旋桨叶轮顺时针旋转示意图；
图8为本发明实施例2中柔性伯努利吸盘的整体结构示意图；
图9为本发明实施例2中柔性伯努利吸盘的爆炸结构示意图；
图10为本发明实施例2中柔性伯努利吸盘的轴测图；
图11本发明实施例2中柔性伯努利吸盘的的侧视图；
图12本发明实施例2中柔性伯努利吸盘在螺旋桨的推力作用下靠近目标表面的运动与水流示意图；
图13(a)本发明实施例2中柔性伯努利吸盘吸附在平整表面的状态示意图；图13(b)本发明实施例2中柔性伯努利吸盘吸附在粗糙表面的状态示意图。
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1
参见图1至图5，本实施例的伯努利吸盘为刚性吸盘，包括吸附主体100和设置在吸附主体100内的推进器200，吸附主体100包括吸附通道101和吸附作用板102。
推进器200采用市面上已有的各式螺旋桨推进器，本实施例的推进器200包括与吸附通道101配合的涵道201、封装在涵道201内的电机(图中未示出)、以及螺旋桨202。螺旋桨202具有正转和反转功能。
吸附通道101上设有一向外突出的限位槽1011，涵道201外设有与限位槽1011配合的凸起2011。限位槽1011的顶部开通，并设有用于固定涵道201的螺栓1012。安装时，将涵道201的凸起2011对齐限位槽1011的顶部，并顺着限位槽1011的顶部开口向下滑入至限位槽1011的底部，然后用螺栓1012将限位槽1011和凸起2011固定住。
吸附作用板102的底面为吸附面，吸附面底部设有支撑结构，本实施例的支撑结构为均匀设置在吸附作用板102底面的滚珠球轮300，滚珠球轮300通过螺纹连接方式(螺栓301和螺母302)安装在吸附作用板102上。滚珠球轮300的高度小于10mm，使得吸附面与被吸附面之间的间隙(即用于产生伯努利效应的间隙)高度小于10mm。另一方面，滚珠球轮300可以使吸盘具备一定的移动性能。吸附作用板102与吸附通道101的连接处设有便于流体进入吸附通道101内的圆角400。
本实施例的伯努利吸盘根据螺旋桨202的旋转方向的不同，可分别用作吸附和推进两种用途，规定螺旋桨202逆时针旋转时水流由下方吸附作用板102向上方排出，顺时针旋转时则相反(参见图7)。
将吸附作用板102靠近被吸附表面，控制推进器200内的螺旋桨202的桨叶逆时针旋转，此时吸盘会由于推进器200的推力作用迅速靠近被吸附表面，而滚珠球轮300先于吸盘底部接触吸附表面，并给吸盘底部和被吸附表面之间提供固定大小的间隙。
如图6所示，为吸盘在被吸附表面上吸附的工作示意图。等待吸盘在被吸附表面稳定下来之后，由于螺旋桨202的桨叶高速的旋转运动，将会抽动外界的水进入到吸盘底部和壁面之间的间隙中，并使得水流在此中快速流动，随后流动进入到吸盘的吸附通道101中，由吸附通道101顶部被排出到外界流域之中。
由于水流在吸附作用板102和被吸附壁面之间快速流动，根据伯努利效应的原理可知，快速流动的流体会在吸附作用板102和被吸附壁面之间形成负压区域，进而在工作表面上产生一定的压差，也就是会在吸附作用板102和被吸附壁面之间形成负压区域，这个压差和螺旋桨202的转速有直接关系，螺旋桨202转速越大，流体流动越快，那么产生的压差也会越大。圆角400作普通涵道用途，可以辅助产生附加吸力。
因为压强差的存在，将会迫使吸盘被外界流体压强按压在被吸附壁面上，但是由于滚珠球轮300的存在，吸附作用板102和被吸附面将始终保持固定大小的间隙，整个吸盘吸附系统的伯努利效应，本实施例吸盘的吸附力可以达到同功率下推进器200原有推进力的3倍以上，能够在较小的功耗下提供较大的吸附力。同时滚珠球轮300可以使得吸盘在被吸附壁面上具备一定的移动性能。
当吸盘需要离开吸附面时，只需将推进器200停转或者使其反向旋转即可。在远离被吸附壁面的自由流体域内，吸盘可当做普通螺旋桨推进器使用，实验结果表明吸附作用板102不会对原本推进器的推力大小产生较大影响。通过控制推进器200内的螺旋桨叶正反转运动(参见图7)来实现整体的前进或后退。
实施例2
参见图8至图11，本实施例的伯努利吸盘为柔性吸盘，包括吸附主体100和设置在吸附主体100内的推进器200，吸附主体100包括吸附通道101和吸附作用板102。
吸附作用板102通过柔性材料制作，推进器200和吸附作用板102可通过强力胶粘连，并用螺栓强化固连。本实施例的推进器200包括与吸附通道101配合的涵道201、封装在涵道201内的电机(图中未示出)、以及螺旋桨202。螺旋桨202具有正转和反转功能。
本实施例的涵道201外具有凸起2011，吸附通道101上设有与凸起2011配合的避让槽1011。避让槽1011的顶部开通，并设有用于固定涵道201的螺栓1012。安装时，将涵道201的凸起2011对齐避让槽1011的顶部，并顺着避让槽1011的顶部开口向下滑入至避让槽1011的底部，然后用螺栓1012将避让槽1011和凸起2011固定住。
吸附作用板102的底面为吸附面，吸附面底部设有支撑结构，本实施例的支撑结构为设置在吸附面上的扇形支柱1021。
参见图12和图13，规定推进器200的螺旋桨202按图示方向旋转时为从吸盘底部抽吸状态。参见图12，柔性伯努利吸盘在推进器200的螺旋桨202的作用下向平整吸附面001移动，此时水流穿过吸附通道101和涵道201，并按图中箭头方向流动。根据伯努利原理可知，当柔性伯努利吸盘接近平整吸附面001时，高速流体会在工作表面上产生一定压降，即会在吸盘底部和被吸附壁面之间形成负压区域，压降与螺旋桨202的转速有直接关系，螺旋桨202转速越大，流体流速越快，产生的压差就越大，从而迫使吸盘被环境流体压在平整吸附面001上。
参见图13(a)，柔性伯努利吸盘在推力与吸附力的双重作用下吸附于平整吸附面001。由于吸附紧密，吸附作用板102的柔性褶皱发生形变，贴合于平整吸附面001。此时，流体通过扇形支柱1021与平整吸附面001之间的缝隙流道流入吸附通道101，并按图中箭头方向流动；
参见图13(b)，柔性伯努利吸盘在粗糙吸附面002或带有一定曲率的吸附面上亦可发挥作用，因为混凝土等水下工程材料的粗糙表面并不会对流体运动产生较大影响；
当吸盘需要解吸附时，只需将螺旋桨202停转或反转，吸盘便能无阻碍脱落。实验结果表明，加装吸附作用板102不会对推进器200的推进功能造成明显影响。
本实施例中，推进器200可通过直接购买商用产品的方式获取，既可为无人机用空中推进器，也可为水下潜航器用水下推进器。要求所购买的推进器具有覆盖螺旋桨的涵道，且涵道外表面平整、有紧固区域，从而方便装配。
吸附作用板102根据适用场景有三种制造方法，分别为三维打印、模具制造和柔固装配，具体阐述如下：
(1)若吸附面为混凝土等相对光滑的材料，可采用三维打印或模具制造，制备一体成型的单一材料柔性吸附作用板；
(2)若吸附面为布满铁锈、贝壳等显著粗糙的表面，可先采用三维打印或模具制造制备不含底面褶皱的柔性体，再通过机加工用金属制造底面支柱柔性，最后将二者用强力胶黏连，从而获得耐磨损的吸附作用板。
1.一种适用于水下作业的伯努利吸盘，包括吸附主体和设置在所述吸附主体内的推进器，其特征在于，所述吸附主体的底面为吸附面，所述吸附面底部设有支撑结构，使得吸附面在吸附过程中与被吸附表面之间具有一定的间隙。
2.根据权利要求1所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的吸附主体包括吸附通道和位于所述吸附通道底端的吸附作用板，所述的推进器设置在所述吸附通道的顶端，所述的吸附面即为所述吸附作用板的底面。
3.根据权利要求2所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的推进器设有与所述吸附通道配合的涵道，推进器的螺旋桨设置在所述涵道内。
4.根据权利要求3所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的涵道外具有凸起，所述的吸附通道上设有与所述凸起配合的避让槽。
5.根据权利要求4所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的避让槽顶部开通，并设有用于固定涵道的螺栓。
6.根据权利要求1所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的支撑结构为设置在所述吸附面底部的滚珠球轮，所述吸附主体通过刚性材料制作。
7.根据权利要求1所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的支撑结构为设置在所述吸附面上的扇形支柱。
8.根据权利要求7所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的吸附主体和所述的扇形支柱通过柔性材料制成。
9.根据权利要求1所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的间隙宽度小于10mm。
10.根据权利要求1所述的适用于水下作业的伯努利吸盘，其特征在于，所述的推进器的螺旋桨具有正转和反转功能。
技术总结