CN109895979B - 一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，包括左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮、前轴、主梁、后轴、充油接口，还包括滚转角轴；前轴的两端分别连接左前驱动轮和右前驱动轮，后轴的两端分别连接左后随动轮和右后随动轮，前轴通过滚转角轴与主梁的一端相连，主梁的另一端与后轴连接；驱动轮提供运动所需的驱动力，随动轮跟随运动；充油接口用于对空腔进行充油，使底盘保持内外压力平衡。本发明可以让机器人在外圆管曲面上做任意方向的灵活运动，确保机器人可靠的吸附在圆管或者各种曲面上，可以工作于水下300米左右的水深，也可根据任务要求搭载各类作业工具，实现模块配置。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构。
背景技术
随着人们对于海洋开发水平的不断提高和利用技术的持续发展，在海上建设了越来越多的海上水下设施，尤其是应用得越来越频繁的石油平台导管架。水上设施常年处于海平面以下，因此很容易附着大量的海生物，这些海生物的分泌物会腐蚀水下设施的钢结构，加大结构的受力，并削弱水下设施结构的载荷能力。同时根据海上设施作业安全保障要求以及船级社强制要求，有些水下设施结构必须定期检测，包括外观、裂纹、厚度测量、电位检测等。因此对于海上水下设施的结构清洗和检测越来越重要，其维护的成本也越来越高。
就目前而言，小于50米深的海上水下设施结构的清洗和检测作业绝大部分由潜水员完成，而50米深以上的海上水下设施结构清洗和检测作业一般由作业级水下远程控制机器人(ROV)完成。
潜水员作业是一种高风险作业，水下设施结构内的海流、漩涡以及水下可视性差等特点给水下作业带来了很大安全隐患，再叠加上高压水枪作业，进一步增加了水下作业的人员危险性；另外，由于身体原因潜水员作业时间受限，工作效率低；而且潜水员在超过50米深以上的水下是基本上无法作业的。
传统的作业级水下远程控制机器人(ROV)需要具有动力定位能力的大型母船支持，设备和作业成本高，且ROV的悬停作业易受外界环境的影响，控制难度大，作业效率低。
发明内容
现有技术中，人们开始采用磁吸附机器人进行水下清洗作业，现有的磁吸附机器人主要存在以下问题：(1)仅用于吸附平面或者小曲面的场合；(2)无法在外圆管的曲面上任意方向自由运动；(3)无法在大深度的水深下使用；(4)作业效率低。
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，该底盘结构可以让机器人在外圆管曲面上做任意方向的灵活运动，确保机器人底盘的四个轮子可靠的吸附在圆管或者各种曲面上，可以工作于水下300米左右的水深，作业底盘上也可根据任务要求搭载各类作业工具，实现模块配置。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，包括左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮、前轴、主梁、后轴、充油接口，还包括滚转角轴；所述前轴的两端分别连接左前驱动轮和右前驱动轮，所述后轴的两端分别连接左后随动轮和右后随动轮，前轴通过滚转角轴与主梁的一端相连，主梁的另一端与后轴连接；所述左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮均内嵌带锥度角的永磁体轮，用于吸附所行走的曲面；所述左前驱动轮和右前驱动轮为整个底盘提供运动所需的驱动力，所述左后随动轮和右后随动轮跟随运动；所述充油接口连通着左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮的内部空腔，用于对左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮的空腔进行充油，使底盘保持内外压力平衡。
优选地，所述左前驱动轮、右前驱动轮从外层向内嵌套有带锥度角α的耐磨材料和带锥度角α的永磁体轮；所述左前驱动轮和右前驱动轮沿轮轴剖面的外边沿构成一个夹角β，β根据底盘行走的曲面进行设计。
优选地，所述左前驱动轮和右前驱动轮由外向内分别安装有驱动永磁体轮的驱动轮毂、直流无刷电机和减速器，所述减速器的一端与永磁体轮的驱动轮毂紧固，减速器的另外一个端面输入轴与直流无刷电机的输出轴通过键连接。
优选地，所述前轴为两侧带有法兰端面的圆柱形结构，分别与所述左前驱动轮和右前驱动轮的电机法兰端面紧固连接在一起；在前轴圆柱形中间位置且垂直于法兰轴线的方向方开有一个圆孔，圆孔的上下两个端面安装有带帽沿的第二滑动轴承；在垂直于轴孔的中间处设有一个V字形的通槽。
优选地，所述滚转角轴为杆状，滚转角轴的一侧为耳环孔，另一侧端部为一个轴向圆柱面，圆柱面的轴线与耳环孔的轴线互相垂直；所述主梁一侧沿轴向带有一个轴孔，轴孔的两端安装有带帽沿的第一滑动轴承，另外一侧端部为叉形结构，上面加工有用于固定主梁的两通孔；所述滚转角轴的耳环孔平行安装到前轴的V字形的通槽中，第二分段式芯轴和第三分段式芯轴穿过滚转角轴的耳环孔和前轴的圆孔，形成偏航角ψ坐标轴，所述滚转角轴可以在前轴的V字形的通槽中沿偏航角ψ坐标轴做摆动运动。
优选地，所述滚转角轴的圆柱面的轴端与主梁端面的轴孔配合安装，第一分段式芯轴穿过主梁上的轴承，用第一紧固螺栓锁紧第一分段式芯轴与滚转角轴，同时形成滚转角φ坐标轴，所述滚转角轴可以沿滚转角φ坐标轴做相对于主梁的旋转运动。
优选地，所述左后随动轮、右后随动轮从外层向内嵌套有带锥度角α的耐磨材料和带锥度角α的永磁体轮；所述左后随动轮和右后随动轮的轴向剖面外边沿构成一个夹角β，β根据底盘行走的曲面进行设计；所述左后随动轮和右后随动轮在带锥度角α永磁体轮内部由外向内分别安装有永磁体轮的驱动轮毂、轴承总成；所述轴承总成外部是轴承箱，轴承箱的一侧加工有法兰螺纹孔；轴承箱的两端沿轴向上安装有圆锥滚子轴承；圆锥滚子轴承上安装有随动轮驱动轮轴，随动轮驱动轮轴与永磁体轮的驱动轮毂紧固。
优选地，所述后轴为两侧带有法兰端面的圆柱形结构，分别与所述左后随动轮和右后随动轮的轴承箱法兰端面紧固连接在一起；后轴圆柱形中间位置加工有两平行端面，上面加工有两通孔，用于连接主梁；所述主梁的叉形结构与后轴中间的两平行端面配合，采用第二紧固螺栓连接它们的通孔。
优选地，所述底盘结构具有姿态角坐标轴系统，所述姿态角坐标轴系统包括偏航角ψ坐标轴、滚转角φ坐标轴、俯仰角θ坐标轴；所述偏航角ψ坐标轴是一条垂直于左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮轴组成的平面并穿过左前驱动轮、右前驱动轮轴线的中心点的旋转轴线；所述俯仰角θ坐标轴是一条通过左前驱动轮、右前驱动轮旋转轴的旋转轴线；所述滚转角φ坐标轴是一条垂直于偏航角ψ坐标轴和俯仰角θ坐标轴组成的平面并穿过垂直于偏航角ψ坐标轴和俯仰角θ坐标轴交点的旋转轴线。
一种搭载有上述水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构的磁吸附机器人，搭载有所述底盘结构的磁吸附机器人可以在外圆管曲面上做任意方向的灵活运动，同时确保四个轮子可靠的吸附在圆管曲面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)设计了一种用于专门用于水下设施特别是圆管建筑结构的磁吸附机器人的底盘结构，它具有能够自适应各种外圆管直径的特殊的轮子，以使在各种外圆管直径上轮子的磁吸附力变化最小。
(2)底盘上具有双自由度的转动关节，转动关节的旋转轴与前驱动轮的旋转轴两两垂直正交，在空间上构成相互垂直的偏航角ψ、滚转角φ、俯仰角θ姿态角坐标轴系统，这种结构可以让机器人在外圆管曲面上做任意方向的灵活运动，确保机器人底盘的四个轮子可靠的吸附在圆管或者各种曲面上。
(3)驱动轮和随动轮上带有充油口，通过外接的补偿器，将轮子充满补偿油后，底盘可以使用于水下300米左右的水深，适用于深水作业的场合。
(4)作业底盘上可根据任务要求搭载各类的作业工具，如高压清洗、空化清洗工具以及结构和裂纹检测仪等，实现模块配置。
(5)安装有该底盘结构的磁吸附机器人作业效率高。
附图说明
图1是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构的整体结构示意图。
图2是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构中永磁体轮的锥角示意图。
图3是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构中左前驱动轮、右前驱动轮的剖面图。
图4是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构中前轴的立体结构示意图。
图5是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构中滚转角轴的立体结构示意图。
图6是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构的俯视图及局部剖面图。
图7是本发明所提供的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构中左后随动轮、右后随动轮的俯视剖面图。
附图标记说明：Ⅰ、前轴；Ⅱ、充油接口；Ⅲ、右前驱动轮；Ⅳ、滚转角轴；Ⅴ、主梁；Ⅵ、右后随动轮；Ⅶ、后轴；Ⅷ、左后随动轮；Ⅸ、左前驱动轮；1、第一滑动轴承；2、第一分段式芯轴；3、第一紧固螺栓；4、第二紧固螺栓；5、O型密封圈；6、第三紧固螺栓；7、减速器；8、直流无刷电机；9、驱动轮毂压紧环；10、第四紧固螺栓；11、驱动轮毂；12、第一导磁环；13、耐磨材料；14、永磁体轮；15、第二导磁环；16、电机法兰端面；17、锁紧螺母；18、第二滑动轴承；19、第五紧固螺栓；20、第二分段式芯轴；21、第三分段式芯轴；22、随动轮驱动轮轴；23、圆锥滚子轴承；24、轴承箱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，包括左前驱动轮Ⅸ、右前驱动轮Ⅲ、左后随动轮Ⅷ、右后随动轮Ⅵ、前轴Ⅰ、主梁Ⅴ、后轴Ⅶ、充油接口Ⅱ，还包括滚转角轴Ⅳ；所述前轴Ⅰ的两端分别连接左前驱动轮Ⅸ和右前驱动轮Ⅲ，所述后轴Ⅶ的两端分别连接左后随动轮Ⅷ和右后随动轮Ⅵ，前轴Ⅰ通过滚转角轴Ⅳ与主梁Ⅴ的一端相连，主梁Ⅴ的另一端与后轴Ⅶ连接；所述左前驱动轮Ⅸ、右前驱动轮Ⅲ、左后随动轮Ⅷ、右后随动轮Ⅵ均内嵌带锥度角的永磁体轮，用于吸附所行走的曲面；所述左前驱动轮Ⅸ和右前驱动轮Ⅲ为整个底盘提供运动所需的驱动力，所述左后随动轮Ⅷ和右后随动轮Ⅵ跟随运动；所述充油接口Ⅱ连通着左前驱动轮Ⅸ、右前驱动轮Ⅲ、左后随动轮Ⅷ、右后随动轮Ⅵ的内部空腔，用于对左前驱动轮Ⅸ、右前驱动轮Ⅲ、左后随动轮Ⅷ、右后随动轮Ⅵ的空腔进行充油，使底盘保持内外压力平衡。
如图2所示，所述左前驱动轮Ⅸ、右前驱动轮Ⅲ从外层向内嵌套有带锥度角α的耐磨材料和带锥度角α的永磁体轮；所述左前驱动轮Ⅸ和右前驱动轮Ⅲ沿轮轴剖面的外边沿构成一个夹角β，β根据底盘行走的曲面进行设计，使左前驱动轮和右前驱动轮上永磁体轮与吸附表面之间的磁隙较小，从而能在各种直径的圆管上提供较大的吸附力。
如图3所示，所述左前驱动轮Ⅸ和右前驱动轮Ⅲ由外向内分别安装有驱动永磁体轮14的驱动轮毂11、直流无刷电机8和减速器7，所述减速器7的一端与永磁体轮14的驱动轮毂11紧固，减速器7的另外一个端面输入轴与直流无刷电机8的输出轴通过键连接。所述驱动轮毂11通过驱动轮毂压紧环9压紧在永磁体轮上，永磁体轮14的外侧设有第一导磁环12，所述第一导磁环12通过第四紧固螺栓10固定；减速器7的外侧通过第三紧固螺栓6进行固定，所述第一导磁环12与驱动轮毂11之间通过O型密封圈5进行密封。
如图4所示，所述前轴Ⅰ为两侧带有法兰端面的圆柱形结构，分别与所述左前驱动轮和右前驱动轮的电机法兰端面16紧固连接在一起；在前轴Ⅰ圆柱形中间位置且垂直于法兰轴线的方向方开有一个圆孔，圆孔的上下两个端面安装有带帽沿的第二滑动轴承18；在垂直于轴孔的中间处设有一个V字形的通槽。
如图5所示，所述滚转角轴Ⅳ为杆状，滚转角轴Ⅳ的一侧为耳环孔，另一侧端部为一个轴向圆柱面，圆柱面的轴线与耳环孔的轴线互相垂直；如图6所示，所述主梁Ⅴ一侧沿轴向带有一个轴孔，轴孔的两端安装有带帽沿的第一滑动轴承1，另外一侧端部为叉形结构，上面加工有用于固定主梁的两通孔；所述滚转角轴Ⅳ的耳环孔平行安装到前轴Ⅰ的V字形的通槽中，通过锁紧螺母17和第五紧固螺栓19锁紧，第二分段式芯轴20和第三分段式芯轴21穿过滚转角轴Ⅳ的耳环孔和前轴Ⅰ的圆孔，形成偏航角ψ坐标轴，所述滚转角轴Ⅳ可以在前轴Ⅰ的V字形的通槽中沿偏航角ψ坐标轴做摆动运动。
所述滚转角轴Ⅳ的圆柱面的轴端与主梁Ⅴ端面的轴孔配合安装，第一分段式芯轴2穿过主梁Ⅴ上的轴承，用第一紧固螺栓3锁紧第一分段式芯轴2与滚转角轴Ⅳ，同时形成滚转角φ坐标轴，所述滚转角轴Ⅳ可以沿滚转角φ坐标轴做相对于主梁Ⅴ的旋转运动。
如图7所示，所述左后随动轮Ⅷ、右后随动轮Ⅵ从外层向内嵌套有带锥度角α的耐磨材料和带锥度角α的永磁体轮；所述左后随动轮Ⅷ和右后随动轮Ⅵ的轴向剖面外边沿构成一个夹角β，β根据底盘行走的曲面进行设计，使左后随动轮和右后随动轮上的永磁体轮与吸附表面之间的磁隙较小，从而能在各种直径的圆管上提供较大的吸附力；所述左后随动轮Ⅷ和右后随动轮Ⅵ在带锥度角α永磁体轮内部由外向内分别安装有永磁体轮的驱动轮毂、轴承总成；所述轴承总成外部是轴承箱24，轴承箱24的一侧加工有法兰螺纹孔；轴承箱24的两端沿轴向上安装有圆锥滚子轴承23；圆锥滚子轴承23上安装有随动轮驱动轮轴22，随动轮驱动轮轴22与永磁体轮的驱动轮毂紧固。
所述后轴Ⅶ为两侧带有法兰端面的圆柱形结构，分别与所述左后随动轮Ⅷ和右后随动轮Ⅵ的轴承箱24法兰端面紧固连接在一起；后轴Ⅶ圆柱形中间位置加工有两平行端面，上面加工有两通孔，用于连接主梁Ⅴ；所述主梁Ⅴ的叉形结构与后轴Ⅶ中间的两平行端面配合，采用第二紧固螺栓4连接它们的通孔。
所述底盘结构具有姿态角坐标轴系统，所述姿态角坐标轴系统包括偏航角ψ坐标轴、滚转角φ坐标轴、俯仰角θ坐标轴；所述偏航角ψ坐标轴是一条垂直于左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮轴组成的平面并穿过左前驱动轮、右前驱动轮轴线的中心点的旋转轴线；所述俯仰角θ坐标轴是一条通过左前驱动轮、右前驱动轮旋转轴的旋转轴线；所述滚转角φ坐标轴是一条垂直于偏航角ψ坐标轴和俯仰角θ坐标轴组成的平面并穿过垂直于偏航角ψ坐标轴和俯仰角θ坐标轴交点的旋转轴线。
搭载有所述底盘结构的磁吸附机器人可以在外圆管曲面上做任意方向的灵活运动，同时确保四个轮子可靠的吸附在圆管曲面上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，包括左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮、前轴、主梁、后轴、充油接口，其特征在于：还包括滚转角轴；所述前轴的两端分别连接左前驱动轮和右前驱动轮，所述后轴的两端分别连接左后随动轮和右后随动轮，前轴通过滚转角轴与主梁的一端相连，主梁的另一端与后轴连接；所述左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮均内嵌带锥度角的永磁体轮，用于吸附所行走的曲面；所述左前驱动轮和右前驱动轮为整个底盘提供运动所需的驱动力，所述左后随动轮和右后随动轮跟随运动；所述充油接口连通着左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮的内部空腔，用于对左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮的空腔进行充油，使底盘保持内外压力平衡；
所述前轴为两侧带有法兰端面的圆柱形结构，分别与所述左前驱动轮和右前驱动轮的电机法兰端面紧固连接在一起；在前轴圆柱形中间位置且垂直于法兰轴线的方向方开有一个圆孔，圆孔的上下两个端面安装有带帽沿的第二滑动轴承；在垂直于轴孔的中间处设有一个V字形的通槽；
所述滚转角轴为杆状，滚转角轴的一侧为耳环孔，另一侧端部为一个轴向圆柱面，圆柱面的轴线与耳环孔的轴线互相垂直；所述主梁一侧沿轴向带有一个轴孔，轴孔的两端安装有带帽沿的第一滑动轴承，另外一侧端部为叉形结构，上面加工有用于固定主梁的两通孔；所述滚转角轴的耳环孔平行安装到前轴的V字形的通槽中，第二分段式芯轴和第三分段式芯轴穿过滚转角轴的耳环孔和前轴的圆孔，形成偏航角ψ坐标轴，所述滚转角轴可以在前轴的V字形的通槽中沿偏航角ψ坐标轴做摆动运动；
所述滚转角轴的圆柱面的轴端与主梁端面的轴孔配合安装，第一分段式芯轴穿过主梁上的轴承，用第一紧固螺栓锁紧第一分段式芯轴与滚转角轴，同时形成滚转角φ坐标轴，所述滚转角轴可以沿滚转角φ坐标轴做相对于主梁的旋转运动；
所述后轴为两侧带有法兰端面的圆柱形结构，分别与所述左后随动轮和右后随动轮的轴承箱法兰端面紧固连接在一起；后轴圆柱形中间位置加工有两平行端面，上面加工有两通孔，用于连接主梁；所述主梁的叉形结构与后轴中间的两平行端面配合，采用第二紧固螺栓连接它们的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，其特征在于：所述左前驱动轮、右前驱动轮从外层向内嵌套有带锥度角α的耐磨材料和带锥度角α的永磁体轮；所述左前驱动轮和右前驱动轮沿轮轴剖面的外边沿构成一个夹角β，β根据底盘行走的曲面进行设计。
3.根据权利要求2所述的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，其特征在于：所述左前驱动轮和右前驱动轮由外向内分别安装有驱动永磁体轮的驱动轮毂、直流无刷电机和减速器，所述减速器的一端与永磁体轮的驱动轮毂紧固，减速器的另外一个端面输入轴与直流无刷电机的输出轴通过键连接。
4.根据权利要求1所述的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，其特征在于：所述左后随动轮、右后随动轮从外层向内嵌套有带锥度角α的耐磨材料和带锥度角α的永磁体轮；所述左后随动轮和右后随动轮的轴向剖面外边沿构成一个夹角β，β根据底盘行走的曲面进行设计；所述左后随动轮和右后随动轮在带锥度角α永磁体轮内部由外向内分别安装有永磁体轮的驱动轮毂、轴承总成；所述轴承总成外部是轴承箱，轴承箱的一侧加工有法兰螺纹孔；轴承箱的两端沿轴向上安装有圆锥滚子轴承；圆锥滚子轴承上安装有随动轮驱动轮轴，随动轮驱动轮轴与永磁体轮的驱动轮毂紧固。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构，其特征在于：所述底盘结构具有姿态角坐标轴系统，所述姿态角坐标轴系统包括偏航角ψ坐标轴、滚转角φ坐标轴、俯仰角θ坐标轴；所述偏航角ψ坐标轴是一条垂直于左前驱动轮、右前驱动轮、左后随动轮、右后随动轮轴组成的平面并穿过左前驱动轮、右前驱动轮轴线的中心点的旋转轴线；所述俯仰角θ坐标轴是一条通过左前驱动轮、右前驱动轮旋转轴的旋转轴线；所述滚转角φ坐标轴是一条垂直于偏航角ψ坐标轴和俯仰角θ坐标轴组成的平面并穿过垂直于偏航角ψ坐标轴和俯仰角θ坐标轴交点的旋转轴线。
6.一种搭载有如权利要求1至5中任一项所述的水下自适应外圆管的磁吸附机器人底盘结构的磁吸附机器人，其特征在于：搭载有所述底盘结构的磁吸附机器人可以在外圆管曲面上做任意方向的灵活运动，同时确保四个轮子可靠的吸附在圆管曲面上。
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