CN108466662A - 海上平台桩腿半圆形内壁爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种机器人技术领域，公开了一种海上平台桩腿半圆形内壁爬行机器人，机器人由上腿组、躯干、下腿组构成；机器人的上腿组与躯干通过腿底板及主滑块座连为一体，腿底板通过螺栓固定在主滑块座的顶平面上；机器人的下腿组与躯干通过腿底板及腿‑干连接座连为一体，腿底板通过螺栓固定在腿‑干连接座的顶平面上；所发明的机器人可携带检测或作业设备，对桩腿内壁进行缺陷检测或特定的作业。

Description

海上平台桩腿半圆形内壁爬行机器人

技术领域

本发明涉及一种海上平台桩腿半圆形内壁爬行机器人，属于机械设计领域。

背景技术

桩腿是维持海上平台稳固与安全的重大基础部件。目前，桩腿表面缺陷与隐患的现场检测主要靠人工爬行及肉眼观察等办法，该方法通常伴随着高空作业，操作难度大，效率低，具有一定的危险性，且可检测范围受限。

本发明以某海上平台干式桩腿内部结构为原型，该桩腿内部圆柱空间分为两个半圆柱部分，其中一个半圆柱空间安装有多层工作平台、爬梯、护栏等结构，结构较为复杂，不适宜机器人的爬行。另一个半圆柱空间为上下直通式结构，内部结构较为简单。基于以上结构，本发明开发一种可在桩腿内壁上下直通部分空间往复爬行的机器人，以搭载桩腿内壁缺陷检测设备，实现桩腿内壁缺陷的巡回检测功能。系统应用于平台现场，可及时发现桩腿内壁缺陷，提高桩腿乃至整个平台系统的安全性，节省桩腿检修成本。

发明内容

本发明开发一种可在海上平台桩腿内部半圆形空间往复爬行的机器人。机器人采用步进式爬行方式，并可跨越爬行前方的凸出障碍。为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

机器人（A）由上腿组（A1）、躯干（A2）、下腿组（A2）构成。机器人（A）的上腿组（A1）与躯干（A2）通过腿底板（7）及主滑块座（14）连为一体，腿底板（7）通过螺栓固定在主滑块座（14）的顶平面上。机器人（A）的下腿组（A3）与躯干（A2）通过腿底板（7）及腿-干连接座（8）连为一体，腿底板（7）通过螺栓固定在腿-干连接座（8）的顶平面上。机器人（A）通过躯干（A2）的伸缩运动配合上腿组（A1）、下腿组（A3）的摆动张开或收回运动，实现其在桩腿内壁步进式爬行。

机器人（A）的上腿组（A1）和下腿组（A2）均由腿干与驱动机构（A6）、中支腿机构（A4）、侧支腿机构（A5）构成。腿干与驱动机构（A6）是中支腿机构（A4）和侧支腿机构（A5）的载体和驱动机构。每组侧支腿机构（A5）和中支腿机构（A4）的摆动张开与收回运动均由两根摆杆（9）控制。摆杆（9）的一端通过长轴销（27）、锁紧螺母（15）与滑动“T”型架（29）的一个安装脚铰接。摆杆（9）的另一端通过短轴销（16）、锁紧螺母（15）与侧腿内腿杆（19）、侧腿外腿杆（10）或中腿杆（20）的下铰接孔铰接。

上腿组（A1）和下腿组（A2）的腿干与驱动机构（A6）由腿底板（7）、腿电机（6）、腿丝杠（30）、腿导向杆（33）、腿丝杠螺母（28）、腿丝杠固定端轴承座（31）、腿丝杠支撑端轴承座（32）、固定“T”型架（1）、滑动“T”型架（29）、摆杆（9）、腿电机座（34）构成。腿电机（6）通过螺栓与腿电机座（34）固定，腿电机座（34）通过螺栓固定于腿底板（7）的一端。腿电机（6）的输出轴通过腿传动联轴器（35）与腿丝杠（30）的输入端相连。腿丝杠（30）的两端分别由腿丝杠固定端轴承座（31）和腿丝杠支撑端轴承座（32）支撑。腿丝杠固定端轴承座（31）和腿丝杠支撑端轴承座（32）分别通过沉头螺栓固定在腿底板（7）上。滑动“T”型架（29）通过螺栓与腿丝杠螺母（28）固定，腿丝杠螺母（28）与腿丝杠（30）滚动配合。固定“T”型架（1）通过沉头螺栓固定于腿底板（7）的一端。两根腿导向杆（33）分别穿过滑动“T”型架（29）两侧的导向孔，且腿导向杆（33）分别置于腿电机座（34）和固定“T”型架（1）两侧的盲孔内。固定“T”型架（1）和滑动“T”型架（29）均具有三个安装脚，安装脚的端部加工有铰接孔。

上腿组（A1）和下腿组（A2）的侧支腿机构（A5）由中撑杆（17）、侧腿吸盘架（18）、侧腿内腿杆（19）、侧腿外腿杆（10）、吸盘安装板（11）、吸盘（13）构成。侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）的一端为倾斜端面，另一端为垂直端面。在靠近侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）垂直端面的杆体上分别加工一个上铰接孔，在距离侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）垂直端面一定距离的杆体上分别加工一个下铰接孔。侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）的中间部位分别通过螺栓与固定于中撑杆（17）的两端。三组吸盘（13）通过螺母固定在吸盘安装板（11）上，吸盘安装板（11）通过螺栓固定在侧腿吸盘架（18）上，每个吸盘（13）的金属杆上安装一根缓冲弹簧（12）。侧腿吸盘架（18）分别与侧腿内腿杆（19）和侧腿外腿杆（10）的倾斜端面配合，并通过螺栓固定。两组侧支腿机构（A5）分别通过其侧腿内腿杆（19）和侧腿外腿杆（10）的上铰接孔、长轴销（27）及锁紧螺母（15）与固定“T”型架（1）两侧的安装脚铰接。

上腿组（A1）和下腿组（A2）的中支腿机构（A4）与侧支腿机构（A5）的不同之处在于：中支腿机构（A4）将侧支腿机构（A5）的侧腿内腿杆（19）和侧腿外腿杆（10）替换为两根等长中腿杆（20），中腿杆（20）的两端面均为垂直平面。中腿吸盘架（5）与中腿杆（20）的垂直端面配合，并通过螺栓固定。中支腿机构（A4）其它部件及连接方式与侧支腿机构（A5）相同。

机器人（A）的躯干（A2）由主电机（2）、主电机座（3）、躯干底板（4）、腿-干连接座（8）、主滑块座（14）、主丝杠螺母（21）、主丝杠支撑端轴承座（22）、主丝杠固定端轴承座（23）、主丝杠（24）、主导向杆（25）、躯干传动联轴器（26）构成。主电机（2）通过螺栓与主电机座（3）固定，主电机座（3）通过螺栓固定于躯干底板（4）的一个端面上。主电机（2）的输出轴通过躯干传动联轴器（26）与主丝杠（24）的输入端相连。主丝杠（24）的输入端和尾端分别由主丝杠固定端轴承座（23）和主丝杠支撑端轴承座（22）支撑。主丝杠固定端轴承座（23）和主丝杠支撑端轴承座（22）分别通过沉头螺栓固定在躯干底板（4）上。主滑块座（14）通过螺栓与主丝杠螺母（21）固定，主丝杠螺母（21）与主丝杠（24）滚动配合。腿-干连接座（8）通过沉头螺栓固定在躯干底板（4）的非电机端。两根主导向杆（25）分别穿过主丝杠螺母（21）两侧的导向孔，且主导向杆（25）的两端分别插入主滑块座（14）和腿-干连接座（8）两侧的盲孔内。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、机器人由腿部的摆动开合运动配合躯干的伸缩运动实现机器人在桩腿内部爬行，并可跨越机器人爬行前方的凸出障碍，系统结构简单。

2、机器人采用真空吸附与斜角式支撑相结合的方式实现机器人在半圆形桩腿内部壁面的吸附。即通过真空吸附，使机器人脚部与壁面紧密接触，同时吸盘可以适应壁面弧度的变化，增大了机器人脚部与壁面的摩擦系数。通过腿杆的斜角支撑，将自身重力分解为水平和垂直的分力，增加了机器人与壁面的依附力，机器人在壁面的依附更稳固。

3、机器人整体重量越大，机器人与壁面的依附力越大，机器人可承载重量较大的测量与作业装备。

附图说明

图1 机器人整体装配主视图

图2 机器人整体装配左视图

图3 机器人整体装配俯视图

图4 机器人在桩腿内状态图

图5躯干组件主视图

图6躯干组件俯视图

图7 腿干与驱动机构主视图

图8腿干与驱动机构左视图

图9腿干与驱动机构俯视图

图10躯干底板主视图

图11躯干底板俯视图

图12腿底板主视图

图13腿底板俯视图

图14滑动“T”型架主视图

图15滑动“T”型架左视图

图16滑动“T”型架俯视图

图17固定“T”型架主视图

图18固定“T”型架左视图

图19固定“T”型架俯视图

图20腿-干连接座主视图

图21腿-干连接座俯视图

图22腿-干连接座主剖视图

图23 主滑块座主视图

图24 主滑块座俯视图

图中：1、固定“T”型架， 2、主电机，3、主电机座，4、躯干底板，5、中腿吸盘架，6、腿电机，7、腿底板，8、腿-干连接座，9、摆杆，10、侧腿外腿杆，11、吸盘安装板，12、缓冲弹簧，13、吸盘，14、主滑块座，15、锁紧螺母，16、短轴销，17、中撑杆，18、侧腿吸盘架，19、侧腿内腿杆，20、中腿杆，21、主丝杠螺母，22、主丝杠支撑端轴承座，23、主丝杠固定端轴承座，24、主丝杠，25、主导向杆，26、躯干传动联轴器，27、长轴销，28、腿丝杠螺母，29、滑动“T”型架，30、腿丝杠，31、腿丝杠固定端轴承座，32、腿丝杠支撑端轴承座，33、腿导向杆，34、腿电机座，35、腿联轴器，A、机器人，B、桩腿，A1、上腿组，A2、躯干，A3、下腿组，A4、中支撑腿，A5、侧支撑腿，A6、腿干与驱动机构。

具体实施方式

本发明开发一种可在海上平台桩腿内部半圆形空间往复爬行的机器人。机器人采用步进式爬行方式，并可跨越爬行前方的凸出障碍。为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，结合图1-22，兹例举以下实施例，并详细说明如下：

所述的机器人（A）由上腿组（A1）、躯干（A2）、下腿组（A2）构成。机器人（A）的上腿组（A1）与躯干（A2）通过腿底板（7）及主滑块座（14）连为一体，腿底板（7）通过螺栓固定在主滑块座（14）的顶平面上。机器人（A）的下腿组（A3）与躯干（A2）通过腿底板（7）及腿-干连接座（8）连为一体，腿底板（7）通过螺栓固定在腿-干连接座（8）的顶平面上。机器人（A）通过躯干（A2）的伸缩运动配合上腿组（A1）、下腿组（A3）的摆动张开或收回运动，实现其在桩腿内壁步进式爬行。

所述机器人（A）的上腿组（A1）和下腿组（A2）均由腿干与驱动机构（A6）、中支腿机构（A4）、侧支腿机构（A5）构成。腿干与驱动机构（A6）是中支腿机构（A4）和侧支腿机构（A5）的载体和驱动机构。每组侧支腿机构（A5）和中支腿机构（A4）的摆动张开与收回运动均由两根摆杆（9）控制。摆杆（9）的一端通过长轴销（27）、锁紧螺母（15）与滑动“T”型架（29）的一个安装脚铰接。摆杆（9）的另一端通过短轴销（16）、锁紧螺母（15）与侧腿内腿杆（19）、侧腿外腿杆（10）或中腿杆（20）的下铰接孔铰接。

所述上腿组（A1）和下腿组（A2）的腿干与驱动机构（A6）由腿底板（7）、腿电机（6）、腿丝杠（30）、腿导向杆（33）、腿丝杠螺母（28）、腿丝杠固定端轴承座（31）、腿丝杠支撑端轴承座（32）、固定“T”型架（1）、滑动“T”型架（29）、摆杆（9）、腿电机座（34）构成。腿电机（6）通过螺栓与腿电机座（34）固定，腿电机座（34）通过螺栓固定于腿底板（7）的一端。腿电机（6）的输出轴通过腿传动联轴器（35）与腿丝杠（30）的输入端相连。腿丝杠（30）的两端分别由腿丝杠固定端轴承座（31）和腿丝杠支撑端轴承座（32）支撑。腿丝杠固定端轴承座（31）和腿丝杠支撑端轴承座（32）分别通过沉头螺栓固定在腿底板（7）上。滑动“T”型架（29）通过螺栓与腿丝杠螺母（28）固定，腿丝杠螺母（28）与腿丝杠（30）滚动配合。固定“T”型架（1）通过沉头螺栓固定于腿底板（7）的一端。两根腿导向杆（33）分别穿过滑动“T”型架（29）两侧的导向孔，且腿导向杆（33）分别置于腿电机座（34）和固定“T”型架（1）两侧的盲孔内。固定“T”型架（1）和滑动“T”型架（29）均具有三个安装脚，安装脚的端部加工有铰接孔。

所述上腿组（A1）和下腿组（A2）的侧支腿机构（A5）由中撑杆（17）、侧腿吸盘架（18）、侧腿内腿杆（19）、侧腿外腿杆（10）、吸盘安装板（11）、吸盘（13）构成。侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）的一端为倾斜端面，另一端为垂直端面。在靠近侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）垂直端面的杆体上分别加工一个上铰接孔，在距离侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）垂直端面一定距离的杆体上分别加工一个下铰接孔。侧腿内腿杆（19）与侧腿外腿杆（10）的中间部位分别通过螺栓与固定于中撑杆（17）的两端。三组吸盘（13）通过螺母固定在吸盘安装板（11）上，吸盘安装板（11）通过螺栓固定在侧腿吸盘架（18）上，每个吸盘（13）的金属杆上安装一根缓冲弹簧（12）。侧腿吸盘架（18）分别与侧腿内腿杆（19）和侧腿外腿杆（10）的倾斜端面配合，并通过螺栓固定。两组侧支腿机构（A5）分别通过其侧腿内腿杆（19）和侧腿外腿杆（10）的上铰接孔、长轴销（27）及锁紧螺母（15）与固定“T”型架（1）两侧的安装脚铰接。

所述上腿组（A1）和下腿组（A2）的中支腿机构（A4）与侧支腿机构（A5）的不同之处在于：中支腿机构（A4）将侧支腿机构（A5）的侧腿内腿杆（19）和侧腿外腿杆（10）替换为两根等长中腿杆（20），中腿杆（20）的两端面均为垂直平面。中腿吸盘架（5）与中腿杆（20）的垂直端面配合，并通过螺栓固定。中支腿机构（A4）其它部件及连接方式与侧支腿机构（A5）相同。

所述机器人（A）的躯干（A2）由主电机（2）、主电机座（3）、躯干底板（4）、腿-干连接座（8）、主滑块座（14）、主丝杠螺母（21）、主丝杠支撑端轴承座（22）、主丝杠固定端轴承座（23）、主丝杠（24）、主导向杆（25）、躯干传动联轴器（26）构成。主电机（2）通过螺栓与主电机座（3）固定，主电机座（3）通过螺栓固定于躯干底板（4）的一个端面上。主电机（2）的输出轴通过躯干传动联轴器（26）与主丝杠（24）的输入端相连。主丝杠（24）的输入端和尾端分别由主丝杠固定端轴承座（23）和主丝杠支撑端轴承座（22）支撑。主丝杠固定端轴承座（23）和主丝杠支撑端轴承座（22）分别通过沉头螺栓固定在躯干底板（4）上。主滑块座（14）通过螺栓与主丝杠螺母（21）固定，主丝杠螺母（21）与主丝杠（24）滚动配合。腿-干连接座（8）通过沉头螺栓固定在躯干底板（4）的非电机端。两根主导向杆（25）分别穿过主丝杠螺母（21）两侧的导向孔，且主导向杆（25）的两端分别插入主滑块座（14）和腿-干连接座（8）两侧的盲孔内。

上述机器人爬行及烟灰清洗工作过程如下：

初始状态：机器人上、下腿组均摆动张紧，吸盘吸附，躯干完全收回，机器人整体在桩腿半圆形内壁依附。

机器人下行流程：基于初始状态，机器人上腿组张紧，吸盘吸附→机器人下腿组吸盘脱开，机器人下腿电机反转，下腿组收回→机器人躯干电机正转，躯干连同下腿组伸出到位→机器人下腿电机正转，下腿组摆动张开至吸盘与壁面压紧，吸盘抽真空，下腿组张紧→机器人上腿组吸盘脱开，机器人上腿电机反转，上腿组收回→机器人躯干电机反转，躯干连同上腿组收回到位→机器人上腿电机正转，上腿组摆动张开至吸盘与壁面压紧，吸盘抽真空，上腿组张紧→完成一个步长的往下爬行。

机器人上行流程为：基于初始状态，机器人下腿组张紧，吸盘吸附→机器人上腿组吸盘脱开，机器人上腿电机反转，上腿组收回→机器人躯干电机正转，躯干连同上腿组伸出到位→机器人上腿电机正转，上腿组摆动张开至吸盘与壁面压紧，吸盘抽真空，上腿组张紧→机器人下腿组吸盘脱开，机器人下腿电机反转，下腿组收回→机器人躯干电机反转，躯干连同下腿组收回到位→机器人下腿电机正转，下腿组摆动张开至吸盘与壁面压紧，吸盘抽真空，下腿组张紧→完成一个步长的往上爬行。

以上所述为本发明的一个实例，我们还可对其机械结构进行一些变换，以应用于其它管式内壁结构的爬行。只要其机器人的机械结构设计思想同本发明所叙述的一致，均应视为本发明所包括的范围。

Claims (6)

1.海上平台桩腿半圆形内壁爬行机器人，其特征在于，机器人由上腿组、躯干、下腿组构成；机器人的上腿组与躯干通过腿底板及主滑块座连为一体，腿底板通过螺栓固定在主滑块座的顶平面上；机器人的下腿组与躯干通过腿底板及腿-干连接座连为一体，腿底板通过螺栓固定在腿-干连接座的顶平面上；机器人通过躯干的伸缩运动配合上腿组、下腿组的摆动张开或收回运动，实现其在桩腿内壁步进式爬行。

2.根据权利要求1所述机器人的上腿组和下腿组，其特征在于，上腿组和下腿组均由腿干与驱动机构、中支腿机构、侧支腿机构构成；腿干与驱动机构是中支腿机构和侧支腿机构的载体和驱动机构；每组侧支腿机构和中支腿机构的摆动张开与收回运动均由两根摆杆控制；摆杆的一端通过长轴销、锁紧螺母与滑动“T”型架的一个安装脚铰接；摆杆的另一端通过短轴销、锁紧螺母与侧腿内腿杆、侧腿外腿杆或中腿杆的下铰接孔铰接。

3.根据权利要求2所述上腿组和下腿组的腿干与驱动机构，其特征在于，腿干与驱动机构由腿底板、腿电机、腿丝杠、腿导向杆、腿丝杠螺母、腿丝杠固定端轴承座、腿丝杠支撑端轴承座、固定“T”型架、滑动“T”型架、摆杆、腿电机座构成；腿电机通过螺栓与腿电机座固定，腿电机座通过螺栓固定于腿底板的一端；腿电机的输出轴通过腿传动联轴器与腿丝杠的输入端相连；腿丝杠的两端分别由腿丝杠固定端轴承座和腿丝杠支撑端轴承座支撑；腿丝杠固定端轴承座和腿丝杠支撑端轴承座分别通过沉头螺栓固定在腿底板上；滑动“T”型架通过螺栓与腿丝杠螺母固定，腿丝杠螺母与腿丝杠滚动配合；固定“T”型架通过沉头螺栓固定于腿底板的一端；两根腿导向杆分别穿过滑动“T”型架两侧的导向孔，且腿导向杆分别置于腿电机座和固定“T”型架两侧的盲孔内；固定“T”型架和滑动“T”型架均具有三个安装脚，安装脚的端部加工有铰接孔。

4.根据权利要求2所述上腿组和下腿组的侧支腿机构，其特征在于，侧支腿机构由中撑杆、侧腿吸盘架、侧腿内腿杆、侧腿外腿杆、吸盘安装板、吸盘构成；侧腿内腿杆与侧腿外腿杆的一端为倾斜端面，另一端为垂直端面；在靠近侧腿内腿杆与侧腿外腿杆垂直端面的杆体上分别加工一个上铰接孔，在距离侧腿内腿杆与侧腿外腿杆垂直端面一定距离的杆体上分别加工一个下铰接孔；侧腿内腿杆与侧腿外腿杆的中间部位分别通过螺栓与固定于中撑杆的两端；三组吸盘通过螺母固定在吸盘安装板上，吸盘安装板通过螺栓固定在侧腿吸盘架上，每个吸盘的金属杆上安装一根缓冲弹簧；侧腿吸盘架分别与侧腿内腿杆和侧腿外腿杆的倾斜端面配合，并通过螺栓固定；两组侧支腿机构分别通过其侧腿内腿杆和侧腿外腿杆的上铰接孔、长轴销及锁紧螺母与固定“T”型架两侧的安装脚铰接。

5.根据权利要求2所述上腿组和下腿组的中支腿机构，其特征在于，中支腿机构与侧支腿机构的不同之处在于：中支腿机构将侧支腿机构的侧腿内腿杆和侧腿外腿杆替换为两根等长中腿杆，中腿杆的两端面均为垂直平面；中腿吸盘架与中腿杆的垂直端面配合，并通过螺栓固定；中支腿机构其它部件及连接方式与侧支腿机构相同。

6.根据权利要求1所述述机器人的躯干，其特征在于，躯干由主电机、主电机座、躯干底板、腿-干连接座、主滑块座、主丝杠螺母、主丝杠支撑端轴承座、主丝杠固定端轴承座、主丝杠、主导向杆、躯干传动联轴器构成；主电机通过螺栓与主电机座固定，主电机座通过螺栓固定于躯干底板的一个端面上；主电机的输出轴通过躯干传动联轴器与主丝杠的输入端相连；主丝杠的输入端和尾端分别由主丝杠固定端轴承座和主丝杠支撑端轴承座支撑；主丝杠固定端轴承座和主丝杠支撑端轴承座分别通过沉头螺栓固定在躯干底板上；主滑块座通过螺栓与主丝杠螺母固定，主丝杠螺母与主丝杠滚动配合；腿-干连接座通过沉头螺栓固定在躯干底板的非电机端；两根主导向杆分别穿过主丝杠螺母两侧的导向孔，且主导向杆的两端分别插入主滑块座和腿-干连接座两侧的盲孔内。