CN106891073B - 六自由度水中移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度水中移动平台，采用开架式结构，使平台重量与体积减小，适应更多不同类型的作业区域，通过线缆控制平台的各项结构，同时平台底部安装的焊接控制盒保证了平台的实时追踪焊接功能，提高了焊接质量。简单的通过气囊完成平台的翻转，降低了成本，简化了平台的姿态控制，通过两台垂直推进器、四台水平推进器实现六自由度运动，所述的平台运动姿态控制方式结合万向轮，实现的爬壁功能，可使平台在任意作业平面上自由移动。所述的平台结构以及所实现的爬壁、实时追踪焊接功能，实现了一款新型的、成本低的、稳定的开架式水下作业机器人。

Description

六自由度水中移动平台

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，特别是一种具有六自由度、具有稳定焊接功能的六自由度水中移动平台。

背景技术

水下焊接机器人可以广泛用于大型船舶、海洋勘探平台、海洋钻井平台等的水下检修、核电设施的维护、恶劣环境下的水中焊接作业等领域，具有广阔的应用前景。水下焊接机器人应满足适应多种环境、长时间稳定作业、足够大的结构强度、便于维修等要求。目前的水下焊接机器人多为体积较大，缺乏灵活性的水下爬行机，而具有焊接功能的多自由度水中移动平台还有待于进一步开发。现有的一种水下焊接实验平台只能进行人工遥控的直线焊接实验，而不能完成任意焊缝的自动跟踪焊接。

发明内容

本发明的目的是针对多种操作环境下的不同作业要求，将水下机器人与水下爬行机的功能相结合，发明一种具有焊接功能的六自由度水中移动平台。

本发明的目的是这样实现的：

一种六自由度水中移动平台，其组成包括：开架式水下机器人；所述的开架式水下机器人四周安装有四个圆柱形气囊，然后通过软管连接在平台前端的玻璃圆筒中的电磁阀上，前视摄像头与下视摄像头，平台底部前端安装一横向丝杠，与横向丝杠平行的另一侧安装一横向凹槽，在横向丝杠上安装一竖向丝杠，将竖向丝杠一端设置的防水电机安装在横向丝杠上，将竖向丝杠另一端设置的外盖嵌入横向凹槽中，还包括与竖向丝杠一同运动的竖向凹槽，竖向凹槽中嵌入焊接控制盒，焊枪透过平台底部镂空区域伸出，通过控制开架式水下机器人的运动姿态，可使平台附着在作业平面上，借助平台底部的万向轮可以在作业平面上自由移动，在指定平面上完成焊接任务。

所述的六自由度水中移动平台的运动机构，所述的开架式水下机器人安装有两台垂直推进器、四台水平推进器，所述的四台水平推进器采用四角对置方式布置。

所述的六自由度水中移动平台的运动机构，所述的平台前端的玻璃圆筒另一端连接岸上控制系统的图像处理设备和气泵；所述的电磁阀连接岸上气泵与平台四个圆柱形气囊。

所述的六自由度水中移动平台，所述的平台焊接运动机构位于平台底部镂空区域。

所述的六自由度水中移动平台，所述的圆柱形气囊采用承载能力高、具有高度抗揉压能力、端部抗暴设计新结构、耐久的抗老化能力和耐磨特性、高柔韧性和吸震能力的气囊，气囊只有一端开孔，通过开孔使气囊与电磁阀连接，开孔通过O型圈密封；装有电磁阀的玻璃圆筒两端均通过O型圈密封，两侧端盖开孔分别连接姿态控制的圆柱形气囊与岸上控制系统。

所述的六自由度水中移动平台，所述的推进器使用的是直流无刷内转子电机，并安装有减速箱，尾端与前端采用密封圈密封，出轴处使用骨架油封密封。

所述的六自由度水中移动平台，所述的垂直推进器采用加涵道的方式固定在平台上，防水电机与涵道连接，涵道与平台本体连接。

所述的六自由度水中移动平台，所述的水平推进器通过不锈钢箍固定于与平台连接的涵道上。

所述的六自由度水中移动平台，所述的平台焊接运动机构采用的XY轴运动机构，横向运动行程由横向丝杠与横向凹槽构成，横向丝杠的一端电机外套筒和滚珠丝杠外套筒通过连接端盖相连接构成连接件，该连接件固定于平台底部，竖向运动行程的竖向丝杠一端设置的防水电机一端通过轴承与横向丝杠连接，将竖向丝杠另一端的凸台滑轮嵌入横向凹槽中，竖向丝杠上的焊接控制盒一端通过轴承与竖向丝杠连接，另一端的凸台滑轮嵌入竖向凹槽中。

所述的六自由度水中移动平台，所述的平台焊接运动结构的防水电机的线路用挠性软管封套密封接入焊接控制盒内。

所述的六自由度水中移动平台，所述的平台焊接运动机构受焊接控制盒控制，焊接控制盒上安装焊接装置、下视摄像头、照明装置。下视摄像头与照明装置固定在焊接控制盒外侧，焊枪通过平台镂空区域伸向平台外侧。

所述的六自由度水中移动平台，所述的平台上使用的摄像头在前端使用3mm厚的有机玻璃，用密封圈的方式密封。

所述的六自由度水中移动平台，通过控制开架式水下机器人的运动姿态，可使平台附着在作业平面上，借助平台底部的万向轮可以在作业平面上自由移动，在指定平面上完成焊接任务。万向轮位于平台底部四角，支撑平台在作业平面上移动。

本发明具有如下特点：

平台采用框架式结构，材质轻盈、设计简单、易于操作、成本低、工作稳定、寿命长，平台结构组成明朗清晰，便于维修。

通过两台垂直推进器、四台水平推进器实现六自由度运动。

通过控制开架式水下机器人的运动姿态，可使平台附着在作业平面上，借助平台底部的万向轮可以在作业平面上自由移动，实现爬壁功能。

平台主体采用开架式水下机器人，重量轻，体积小巧，可完成狭窄区域作业的任务。

通过平台底部安装的焊接控制盒可实现实时追踪焊接功能。

六自由度水中移动平台采用开架式结构，使平台重量与体积极大减小，适应更多不同类型的作业区域，通过线缆控制平台的各项结构，保证了平台的实时追踪焊接功能，提高了焊接质量。简单的通过气囊完成平台的翻转，降低了成本，简化了平台的姿态控制。所述的平台运动姿态控制方式结合万向轮，实现的爬壁功能，可使平台在任意作业平面上自由移动。所述的平台结构以及所实现的爬壁、实时追踪焊接功能，实现了一款新型的、成本低的、稳定的开架式水下作业机器人。

附图说明：

图1为六自由度水中移动平台的正视图，图中，2为圆柱形气囊，3为平台前端玻璃圆筒；

图2为六自由度水中移动平台的侧视图，图中，1为开架式机器人，4为挠性软管；

图3为六自由度水中移动平台的后视图，图中，12为焊接控制盒；

图4为六自由度水中移动平台的俯视图，图中，5为前视摄像头，14为垂直推进器，16为涵道；

图5为六自由度水中移动平台的仰视图，图中，6为下视摄像头，10为防水电机，13为焊枪，15为水平推进器，16为涵道，17为万向轮，19为照明装置；

图6为六自由度水中移动平台的焊接运动机构图，图中，7为横向丝杠，8为横向凹槽，9为竖向丝杠，11为竖向凹槽，18为电机外套筒和滚珠丝杠外套筒通过连接端盖相连接构成的连接件。

具体实施方式：

实施例1：

一种六自由度水中移动平台，其组成包括：开架式水下机器人1；开架式水下机器人1四周安装有四个圆柱形气囊2，然后通过软管4连接在平台前端的玻璃圆筒3中的电磁阀上，前视摄像头5与下视摄像头6，平台底部前端安装一横向丝杠7，与横向丝杠7平行的另一侧安装一横向凹槽8，在横向丝杠7上安装一竖向丝杠9，将竖向丝杠9一端设置的防水电机10安装在横向丝杠7上，将竖向丝杠9另一端设置的外盖嵌入横向凹槽8中，还包括与竖向丝杠9一同运动的竖向凹槽11，竖向凹槽11中嵌入焊接控制盒12，焊枪13透过平台底部镂空区域伸出，通过控制开架式水下机器人1的运动姿态，可使平台附着在作业平面上，借助平台底部的万向轮17可以在作业平面上自由移动，在指定平面上完成焊接任务。

实施例2：

根据实施例1六自由度水中移动平台的运动机构，平台安装有两台垂直推进器14、四台水平推进器15，四台水平推进器15采用四角对置方式布置；推进器使用的是直流无刷内转子电机，并安装有减速箱，尾端与前端采用密封圈密封，出轴处使用骨架油封密封。

实施例3：

根据实施例1六自由度水中移动平台的运动机构，平台前端的玻璃圆筒3另一端连接岸上控制系统的图像处理设备和气泵；电磁阀连接岸上气泵与平台四周圆柱形气囊2，实现平台的任意方向翻转。

实施例4：

根据实施例1六自由度水中移动平台，平台焊接运动机构位于平台底部镂空区域。

实施例5：

根据实施例1六自由度水中移动平台，圆柱形气囊2采用承载能力高、具有高度抗揉压能力、.端部抗暴设计新结构、耐久的抗老化能力和耐磨特性、高柔韧性和吸震能力的气囊，气囊只有一端开孔，通过开孔以挠性软管4连接气囊2与电磁阀，开孔通过O型圈密封；装有电磁阀的玻璃圆筒3两端均通过O型圈密封，两侧端盖开孔分别连接姿态控制的圆柱形气囊2与岸上控制系统。

实施例6：

根据实施例2六自由度水中移动平台，垂直推进器采用加涵道的方式固定在平台上，防水电机10与涵道16连接，涵道16与平台本体连接，极大减小了平台运动过程中的阻力。

实施例7：

根据实施例2六自由度水中移动平台，水平推进器15通过不锈钢箍固定于平台上平面的连接件。

实施例8：

根据实施例1六自由度水中移动平台，平台焊接运动机构采用的XY轴运动机构，横向运动行程由横向丝杠7与横向凹槽8构成，横向丝杠7的一端电机外套筒和滚珠丝杠外套筒通过连接端盖相连接构成连接件18，该连接件18固定于平台底部，竖向运动行程的竖向丝杠9一端设置的防水电机10一端通过轴承与横向丝杠7连接，将竖向丝杠9另一端的凸台滑轮嵌入横向凹槽8中，竖向丝杠9上的焊接控制盒12一端通过轴承与竖向丝杠9连接，另一端的凸台滑轮嵌入竖向凹槽11中。

实施例9：

根据实施例1六自由度水中移动平台，平台焊接运动结构的防水电机10的线路用挠性软管封套密封接入焊接控制盒内。

实施例10：

根据实施例1六自由度水中移动平台，平台焊接运动机构受焊接控制盒12控制，焊接控制盒12上安装焊接装置、下视摄像头6、照明装置19，下视摄像头6与照明装置19固定在焊接控制盒12外侧，焊枪13通过平台镂空区域伸向平台外侧；平台上使用的摄像头在前端使用3mm厚的有机玻璃，用密封圈的方式密封。

实施例11：

根据实施例1-10六自由度水中移动平台，平台停留在焊接区域，配合下视摄像头6与照明装置19，将焊接区域图像传输至岸上控制系统，完成焊接操作；该平台能够根据四周的气囊2中空气的体积，配合六台推进器，完成侧移、俯仰等动作，通过底部所安装的万向轮，能够停留在平面上并可以行走。平台运动控制通过六台推进器，两台垂直放置，四台采用四角对置方式布置，实现平台的上下、前后、侧移等运动。平台焊接运动机构通过固定于平台底部前端的横向丝杠7与底部后端的横向凹槽8，构成横向运动行程，在该行程上安装一竖向丝杠9与竖向凹槽11，构成竖向运动行程，在竖向运动行程上搭载焊接机构，实现XY轴运动机构；通过焊接控制盒12，控制焊缝图像采集、焊接操作，实现平台的焊接操作。平台在平面的运动控制通过平台四周的气囊2完成姿态控制，垂直推进器14与水平推进器15使平台运动到任务平面，垂直推进器14持续运动将平台稳定到平面上，使底部万向轮17接触到平面，再控制不同水平推进器15，完成平台在平面的行走。

实施例12：

根据上述实施例六自由度水中移动平台，包括运动姿态控制机构、水下焊接机构以及岸上控制系统。运动姿态控制机构的实现是通过在平台四周各安装一个圆柱形气囊2，接口处采用O型圈进行密封，平台前端安装一采用相同密封方法的玻璃圆筒3，内置四个电磁阀、姿态传感器和所需的电机驱动模块，分别控制四个圆柱形气囊2的气体进出以及检测平台的运动姿态，通过压缩空气，使平台完成上仰、下俯、左翻、右翻等动作，实现平台多个自由度的运动，并且通过推进器提供动力，达到在某一姿态下的稳定。水下焊接机构的实现是通过在机器人底部安装一横向丝杠7，由防水步进电机10驱动，完成横向移动。然后该电机安装在一竖向丝杠9上，同样由防水步进电机10驱动，完成竖向移动。将焊接控制盒12安装在该丝杠上，从而满足各种焊接要求，焊接控制盒12中安装有位移传感器，对焊枪13位置进行定位。在平面上作业时，由垂直推进器14提供压力，使机器人能够贴平面运动，行进则通过底部的万向轮17完成。摄像头有两个，一个为前视摄像头5，一个为下视摄像头6用以采集焊接区域图像，完成平台在水下的行进与作业要求。平台动力机构共使用六台推进器，推进器使用的是直流无刷内转子电机，加上减速箱来提高扭矩，尾端与前端采用密封圈密封，出轴处使用骨架油封密封。两台垂直布置，提供垂直动力，四台横向推进器采用四角对置方式布置，实现平台的横向移动，比单纯的差动侧移更加稳定。通过浮力调节与推进器的联合运动，实现了一种六自由度水中移动平台的运动机构。岸上控制系统包括气泵、图像处理系统，运动与焊接控制系统。

Claims (10)

1.一种六自由度水中移动平台，其组成包括：开架式水下机器人(1)；所述的开架式水下机器人(1)四周安装有四个圆柱形气囊(2)，然后通过软管(4)连接在平台前端的玻璃圆筒(3)中的电磁阀上，前视摄像头(5)与下视摄像头(6)，平台底部前端安装一横向丝杠(7)，与横向丝杠(7)平行的另一侧安装一横向凹槽(8)，在横向丝杠(7)上安装一竖向丝杠(9)，将竖向丝杠(9)一端设置的防水电机(10)安装在横向丝杠(7)上，将竖向丝杠(9)另一端设置的凸台滑轮嵌入横向凹槽(8)中，还包括与竖向丝杠(9)一同运动的竖向凹槽(11)，平台焊接运动机构通过固定于平台底部前端的横向丝杠(7)与平台底部后端的横向凹槽(8)，构成横向运动行程，在该行程上安装一竖向丝杠(9)与竖向凹槽(11)，构成竖向运动行程，在竖向运动行程上搭载焊接机构，实现XY轴运动机构；竖向凹槽(11)中嵌入焊接控制盒(12)，焊枪(13)透过平台底部镂空区域伸出，通过控制开架式水下机器人(1)的运动姿态，可使平台附着在作业平面上，借助平台底部的万向轮(17)可以在作业平面上自由移动，在指定平面上完成焊接任务：所述的平台安装有两台垂直推进器(14)、四台水平推进器(15)，所述的四台水平推进器(15)采用四角对置方式布置；所述的推进器使用的是直流无刷内转子电机，并安装有减速箱，尾端与前端采用密封圈密封，出轴处使用骨架油封密封。

2.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台的运动机构，其特征在于：所述的平台前端的玻璃圆筒(3)另一端连接岸上控制系统的图像处理设备和气泵；所述的电磁阀连接岸上气泵与平台四个圆柱形气囊(2)。

3.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：所述的平台焊接运动机构位于平台底部镂空区域。

4.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：所述的圆柱形气囊(2)采用具有承载能力、抗揉压能力、端部抗暴设计、耐久的抗老化能力和耐磨特性、柔韧性和吸震能力的气囊，气囊只有一端开孔，通过开孔使气囊与电磁阀连接，并且开孔通过O型圈密封；装有电磁阀的玻璃圆筒两端均通过O型圈密封，两侧端盖开孔分别连接姿态控制的圆柱形气囊(2)与岸上控制系统。

5.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：所述的垂直推进器(14)采用加涵道的方式固定在平台上，防水电机(10)与涵道(16)连接，涵道(16)与平台本体连接。

6.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，所述的水平推进器(15)通过不锈钢箍固定于与平台连接的涵道(16)上。

7.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：所述的平台焊接运动机构采用XY轴运动机构，横向运动行程由横向丝杠(7)与横向凹槽(8)构成，横向丝杠(7)的一端电机外套筒和滚珠丝杠外套筒通过连接端盖相连接构成连接件(18)，该连接件(18)固定于平台底部，竖向运动行程的竖向丝杠(9)一端设置的防水电机(10)一端通过轴承与横向丝杠(7)连接，将竖向丝杠(9)另一端的凸台滑轮嵌入横向凹槽(8)中，竖向丝杠(9)上的焊接控制盒(12)一端通过轴承与竖向丝杠(9)连接，另一端的凸台滑轮嵌入竖向凹槽(11)中。

8.根据权利要求7所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：所述的平台焊接运动结构的防水电机(10)的线路用挠性软管封套密封接入焊接控制盒(12)内。

9.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：所述的平台焊接运动机构受焊接控制盒(12)控制，焊接控制盒(12)上安装焊接装置、下视摄像头(6)、照明装置(19)，下视摄像头(6)与照明装置(19)固定在焊接控制盒(12)外侧，焊枪(13)通过平台镂空区域伸向平台外侧，所述的平台上使用的摄像头在前端使用3mm厚的有机玻璃，用密封圈的方式密封。

10.根据权利要求1所述的六自由度水中移动平台，其特征在于：通过控制所述开架式水下机器人(1)的运动姿态，可使平台附着在作业平面上，借助平台底部的万向轮(17)可以在作业平面上自由移动，在指定平面上完成焊接任务，万向轮(17)位于平台底部四角，支撑平台在作业平面上移动。