CN100383007C - 船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人 - Google Patents

船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人 Download PDF

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Abstract

一种船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，它是借助双列履带上固装的永磁体块吸附在船体表面上，并在遥控装置的控制下实现水上、水下爬行和船体清刷作业。与现有船体表面清刷机械(机器人)不同之处在于：它的吸附和行走功能来自于由传动链轮副和永磁吸附单元组成的双条履带；而与现有履带式爬壁机器人不同之处在于：每条履带均采用双排链轮副，其特有的结构设计使机器人运行更为平稳，有效地避免了转弯时链条销轴被剪断和掉链等故障的发生；永磁体吸附单元更适合用于船体表面。机器人本体上携带的三个呈等腰三角形分布的可伸缩旋转刷组件以及其它水密措施使之同时适于水下作业。

Description

船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人
技术领域
一种船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，是借助双列履带上固装的永磁体块吸附在船体表面上，并在遥控装置的控制下实现水上、水下爬行和船体清刷作业。属船体清洗装置。
背景技术
船体水下表面清刷技术始于六十年代。定期清刷船体浸水表面有利于改善船舶航行性能，延长船舶使用寿命；在船舶进坞前对船体水下表面进行清洗、除锈，可极大地缩短坞修时间，进而提高船坞利用率。
目前常用的船舶表面清刷设备有两大类。一类是手持单刷或多刷机械，它是借助液压或气动马达驱动不同质地的摩擦盘或刷高速旋转，旋转时产生的负压使之贴紧船体表面。全部清刷工作由潜水员手持进行。其典型设备是美国REMR公司生产的Whirl Away rotary abrading tool.另一类是遥控行走式清刷机械(机器人)，有轮式和履带式之分；前者的典型设备是美国UltraStrip公司生产的M3500。它是借助磁性轮实现吸附和行走功能，动力源为电机，而清刷作业由高压喷射水枪完成。但该装置不能在水下工作，只能用于清刷船体或罐体的水上表面。
哈尔滨工业大学机器人研究所沈为民等人在《南京航空航天大学学报》2000年8月第32卷第4期上发表的《多功能水冷壁排管爬壁机器人的研制》一文公开了一种履带式爬壁机器人的结构形式，可用于电站锅炉水冷壁排管向火侧表面浮灰的清扫、结焦的清除、以及排管壁厚的自动检测。实现机器人本体吸附和爬行的两列履带分别由单排链轮副与数十个永磁吸附块组成。其特殊设计的永磁体磁路结构和外形使之只能适应于水冷壁排管的工作环境；而单排链传动结构，常导致机器人转弯时链条连接销轴被剪断以及链条与链轮脱节(掉链)。
清华大学机械工程系和中国科学院电子学研究所王军波等人在《清华大学学报》(自然科学版)2003年第43卷第2期上发表的《爬壁机器人变磁力吸附单元的优化设计》一文公开了一种变磁力吸附单元的磁路结构，其径向磁化圆柱形永磁体位于长方形铁轭中心的通孔中，铁轭被隔磁气隙分隔成为对称的两半，永磁体可以在孔中自由转动；永磁体和外部的拨动回复机构相连接，从而实现磁吸力的调节。其不足在于结构复杂，可靠性偏低。
发明内容
本发明的目的是公开一种船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人(简称为清刷机器人)。与前述的现有船体表面清刷机械(机器人)不同之处在于：它的吸附和行走功能来自于由传动链轮副和永磁吸附单元组成的双条履带；而与对比文献中列举的履带式爬壁机器人不同之处在于：每条履带均采用双排链轮副，并在内、外支撑板底部固装一条链条挡板，进而使机器人行走更为平稳，有效地避免了转弯时链条销轴被剪断和掉链等故障的发生；其特殊设计的永磁体吸附单元更适合用于船体表面；机器人本体上携带的三个呈等腰三角形分布的柔性旋转刷以及其它水密措施使之适于水下作业。
船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人的主要结构包括一套组合式机架、两条履带、两台行走电机、三套可伸缩旋转刷组件、三套防水电机和蜗轮蜗杆减速器、控制系统。其中，每条履带分别由双排链传动副和固装在链节上的数十套永磁吸附单元组成。所述双排链传动副是在主、从动轴上分别固装双排链轮，而双排链条分别绕过对应的链轮闭合，并用螺栓拉紧装置调解松紧度。所述的单套永磁吸附单元是由钕铁硼永磁体、隔磁铜块、长方形轭铁、弯边“∏”形盖和硫化氯丁橡胶包层组成；即在两块N、S极倒置的钕铁硼永磁体中间夹持一块隔磁铜块，内侧(靠链条侧)吸附一块长方体轭铁，并用一个底部带螺孔的弯边“∏”形盖罩住，以便与链条螺栓连接；组装后的整体用硫化氯丁橡胶层包覆，以防海水接触各个组件，起隔离、防止锈蚀的作用，同时在与船体表面接触的过程中起缓冲、防止打滑的作用。
双排链条是由2条单排链条共用加长的链节销轴组成的，且每隔1节或2个链节改装出一对可与磁吸附单元的弯边“∏”形盖底部螺栓连接的直角弯翼板。双排链条上均匀镶嵌的永磁吸附单元的数量满足的条件是：在行进过程中，与船体表面良好吸附的永磁吸附单元不少于7块。
组合式机架是由两个内部各安装一条履带的框形箱体与矩形连接板螺栓连接而成。其中每个框形箱体又是借助数根带有等距凸肩的螺栓将两块条状支撑板连成一体后，再与矩形连接板两侧的凸缘螺栓连接。本发明的履带式行走机构采用“后轮驱动”方式，两根带有双排链轮的主动轴分别插装在框形箱体后部的滑动轴承中。两根带有双排链轮的从动轴分别插装在框形箱体前部的滑动轴承中，且这两个滑动轴承可在框形箱体两侧支撑板上的导轨槽中滑动，以便借助螺栓拉紧装置调解链条的松紧度。为了防止机器人在转弯时掉链，框形箱体两侧支撑板的底部分别固装一条链条挡板。两台带减速器的行走伺服电机分别借助端部法兰盘密封在圆筒状防水罩内，防水罩又借助端部法兰盘固装在框形箱体内侧的支撑板上，伺服电机、防水罩、主动轴三者同轴线。
三个旋转刷二前一后地位于机架的前部，且布置在一个等腰三角形的三个顶点上，前两个的旋转方向与后一个的旋转方向相反，由三台潜水电机单独驱动。驱动前两个旋转刷的潜水电机轴头朝前，驱动后一个旋转刷的潜水电机轴头朝后，固装在机架的连接板上，并经各自的蜗轮蜗杆减速器减速、换向后再借助可伸缩的刷杆轴与旋转刷固连。三个旋转刷的清刷平面与履带的行走平面平行。
控制系统为二级计算机控制以保证机器人既可实现自主作业，又可进行人工操纵，从而提高它的实用性和可靠性。上位PC工控机能够实现人机界面交互，具有环境初始值输入，作业任务指定，机器人状态显示，机器人及辅助系统的动作协调等项功能。它包括控制柜、CRT显示器、动力源和卷扬装置，且全部安装在一台可在船甲板上行走的运载小车上，其上还有清刷机器人的停放位置和供它爬上爬下的跳板，从而克服了由于清刷机器人履带上具有的永磁力所带来的搬运不便。220v交流动力源为清刷机器人行走和清刷作业提供动力；卷扬装置随着清刷机器人的上下行走及时收放保护缆绳(防其坠落)和控制电缆；显示器借助安装在清刷机器人本体上的摄像机实时显示水下工作环境。下位机安装在与组合式机架连接板固连的密闭控制箱中，它包括两个驱动行走伺服电机运转的驱动器、直流电源模块、倾角传感器和控制电路板。控制电路板以AT89C51单片机最小系统为核心，它根据上位机传送的初始化参数和动作指令进行路径规划，驱动两个交流伺服马达，从而控制清刷机器人的运动；驱动潜水电机带动旋转刷完成清刷作业；获得倾角传感器的反馈信号，控制清刷机器人的姿态，以防它在凸凹不平的船体表面行走时，由于两条履带轨迹不同而出现的爬偏现象，确保行走路径。所有线缆经水密接头引出。
当清刷机器人从运载小车沿所述跳板爬上船体待清刷表面时，先按从上至下的路径移动；当到达船体表面的底部时，旋转180度，再从下至上移动。机器人的转弯运动是靠两条履带的速度差来实现的。清刷机器人边移动边清刷，其移动时所覆盖的面积即为清刷的面积。如此往复，完成清刷作业。
附图说明
图1船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人结构示意图(俯视图)
图2船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人结构示意图(侧视图)
图3船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人框形箱体支撑板结构示意图
图4船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人的永磁吸附单元结构示意图
具体实施方式
下面给出本发明的优选实施方式，并结合附图加以说明。
如图1、图2所示，一种船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，其主要结构包括一套组合式机架、两条履带、两台自带减速器的行走伺服电机、三套旋转刷组件、三台防水电机和蜗轮蜗杆减速器、控制系统；其中，每条履带分别由双排链传动副和固装在链节上的数十套永磁吸附单元组成。所述双排链传动副是在主、从动轴21、23上分别固装双排链轮22、24，而双排链条13分别绕过对应的链轮闭合，并用拉紧螺栓15调解其松紧度。如图4所示，所述的单套永磁吸附单元14是由钕铁硼永磁体141、隔磁铜块142、长方形轭铁143、弯边“∏”形盖144和硫化氯丁橡胶包层145组成；即在两块N、S极倒置的钕铁硼永磁体141中间夹持一块隔磁铜块142，内侧(靠链条侧)吸附一块长方体轭铁143，并用一个底部带螺孔的弯边“∏”形盖144罩住，以便与链条两侧的直角弯翼板132螺栓连接；组装后的整体用硫化氯丁橡胶层145包覆，以防海水接触各个组件，起防止锈蚀的作用，同时又在它与船体表面接触的过程中起缓冲、防止打滑的作用。
如图2、4所示，双排链条13是由2条单排链条131共用加长的链节销轴133组成的，且每隔1节或2个链节改装出一对可与磁吸附单元14弯边“∏”形盖144底部螺栓连接的直角弯翼板132。双排链条13上均匀镶嵌的永磁吸附单元14的数量满足的条件是：在行进过程中，与船体表面良好吸附的永磁吸附单元不少于7块。
如图1、图2所示，组合式机架是由两个内部各安装一条履带的框形箱体与矩形连接板11螺栓连接而成。其中每个框形箱体又是借助数根带有等距凸肩的螺栓10将两块条状支撑板12(参见图3)连成一体后，再与矩形连接板11两侧的凸缘螺栓连接。本发明的履带式行走机构采用“后轮驱动”方式，两根带有双排链轮22的主动轴21分别插装在所述框形箱体后部的滑动轴承中；两根带有双排链轮24的从动轴23分别插装在框形箱体前部的滑动轴承中，且这两个滑动轴承可在框形箱体两侧支撑板12上的导轨槽中滑动，以便借助拉紧螺栓15调解链条13的松紧度。为了防止机器人在转弯时掉链，框形箱体两侧支撑板12的底部分别固装一条链条挡板。两台带减速器的行走伺服电机31分别借助端部法兰盘密封在圆筒状防水罩32内，而防水罩32又借助端部法兰盘固装在框形箱体内侧的支撑板12上，伺服电机31、防水罩32、主动轴21三者同轴线。
如图1、图2所示，三个旋转刷44二前一后地位于机架的前部，且布置在一个等腰三角形的三个顶点上，前两个的旋转方向与后一个的旋转方向相反，分别由三台潜水电机41单独驱动。驱动前两个旋转刷44的潜水电机41轴头朝前，驱动后一个旋转刷44的潜水电机41轴头朝后，分别固装在组合式机架的连接板11上，并经各自的蜗轮蜗杆减速器42减速、换向后再借助可伸缩的刷杆轴43与旋转刷44固连。三个旋转刷44的清刷平面与履带的行走平面平行。
控制系统为二级计算机控制，以保证机器人既可实现自主作业，又可进行人工操纵，从而提高它的实用性和可靠性。上位PC工控机能够实现人机界面交互，具有环境初始值输入，作业任务指定，机器人状态显示，机器人及辅助系统的动作协调等项功能；它包括控制柜、CRT显示器、动力源和卷扬装置，且全部安装在一台可在船甲板上行走的运载小车上；其上还有清刷机器人的停放位置和供它爬上爬下的跳板，从而克服了由于清刷机器人履带上具有的永远磁力所带来的搬运不便。220v交流动力源为清刷机器人行走和清刷作业提供动力；卷扬装置随着清刷机器人的上下行走及时收放保护缆绳(防其坠落)和控制电缆。显示器借助安装在清刷机器人本体上的摄像机实时显示水下工作环境。下位机安装在与组合式机架连接板固连的密闭控制箱5中，包括两个驱动行走伺服电机运转的驱动器、直流电源模块、倾角传感器和控制电路板。控制电路板以AT89C51单片机最小系统为核心，它根据上位机传送的初始化参数和动作指令进行路径规划，驱动两个行走伺服电机31，从而控制清刷机器人的运动；驱动潜水电机41带动旋转刷44完成清刷作业；获得倾角传感器的反馈信号，控制清刷机器人的姿态，以防它在凸凹不平的船体表面行走时，由于两条履带轨迹不同而出现的爬偏现象，确保行走路径。所有线缆经水密接头引出。
当清刷机器人从运载小车沿所述跳板爬上船体待清刷表面时，先按从上至下的路径移动；当到达船体表面的底部时，旋转180度，再从下至上移动。机器人的转弯运动是靠两条履带的速度差来实现的。清刷机器人边移动边清刷，其移动时所覆盖的面积即为清刷的面积。如此往复，完成清刷作业。

Claims (6)

1.一种船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，它包括组合式机架、履带、行走伺服电机、可伸缩旋转刷组件、防水电机和蜗轮蜗杆减速器、控制系统；其特征在于：每条履带分别由双排链传动副和固装在链节上的数十套永磁吸附单元组成；所述的双排链传动副是在主、从动轴(21、23)上分别固装双排链轮(22、24)，而双排链条(13)分别绕过对应的链轮闭合，并用拉紧螺栓(15)调解其松紧度；双排链条(13)是由2条单排链条(131)共用加长的链节销轴(133)而成的，且每隔1个链节或2个链节改装出一对与永磁吸附单元(14)的弯边“П”形盖(144)底部螺栓连接的直角弯翼板(132)；框形箱体两侧支撑板(12)的底部分别固装一条链条挡板。
2.如权利要求1所述的船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，其特征在于：单套永磁吸附单元(14)是由钕铁硼永磁体(141)、隔磁铜块(142)、长方形轭铁(143)、弯边“П”形盖(144)和硫化氯丁橡胶包层(145)组成；即在两块N、S极倒置的钕铁硼永磁体(141)中间夹持一块隔磁铜块(142)，靠链条侧吸附一块长方体轭铁(143)，并用一个底部带有螺孔的弯边“П”形盖(144)罩住，以便与链条两侧的直角弯翼板(132)螺栓连接；组装后的整体用硫化氯丁橡胶层(145)包覆。
3.如权利要求1所述的船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，其特征在于：在行进过程中，一组双排链条(13)上与船体表面良好吸附的永磁吸附单元(14)不少于7套。
4.如权利要求1所述的船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，其特征在于：组合式机架是由两个内部各安装一条履带的所述框形箱体与矩形连接板(11)螺栓连接而成；其中每个框形箱体又是借助4-6根带有等距凸肩的螺栓(10)将两块条状所述支撑板(12)连成一体后，再与矩形连接板(11)两侧的凸缘螺栓连接。
5.如权利要求1所述的船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，其特征在于：两台带减速器的行走伺服电机(31)分别借助端部法兰盘密封在圆筒状防水罩(32)内，防水罩(32)又借助端部法兰盘固装在框形箱体内侧的支撑板(12)上，伺服电机(31)、防水罩(32)、主动轴(21)三者同轴线。
6.如权利要求1所述的船体表面清刷用永磁吸附双履带机器人，其特征在于：三个旋转刷(44)二前一后地位于组合式机架的前部，且布置在一个等腰三角形的三个顶点上，前两个的旋转方向与后一个的旋转方向相反，由三台潜水电机(41)单独驱动；驱动前两个旋转刷(44)的潜水电机(41)轴头朝前，驱动后一个旋转刷(44)的潜水电机(41)轴头朝后，分别固装在组合式机架的矩形连接板(11)上，并经各自的蜗轮蜗杆减速器(42)减速、换向后再借助可伸缩的刷杆轴(43)与旋转刷(44)固连；三个旋转刷(44)的清刷平面与履带的行走平面平行。
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