CN110142484B - 船底焊接水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了船底焊接维修技术领域的一种船底焊接水下机器人，包括碳纤维机架、水下无刷双向推进器、密封箱体、五自由度机械臂、焊接系统、吸附系统、监控系统和脐带缆，碳纤维机架包括四组碳纤维支架，碳纤维支架的底部分别固定安装有水下无刷双向推进器，碳纤维支架的顶部固定安装有吸附系统，吸附系统包括液压杆和电磁装置，电磁装置安装在液压杆的顶部，本发明实现机器人本体多方向运动功能，通过液压杆带动电磁装置吸附装置，实现机器人本体与船底规则或非规则待作业面的稳定连接，确保焊接作业的安全性，通过五自由度机械臂夹持焊枪，提高了焊接操作的灵活性和精确性。

Description

船底焊接水下机器人

技术领域

本发明涉及船底焊接维修技术领域，具体为一种船底焊接水下机器人。

背景技术

随着海洋运输的发展，各种船只及相关技术也应运而生。近些年来，货船船底损坏事故也屡见不鲜。水下自动焊接技术的应用，将极大解放水下工作人员，避免在危险水域进行焊接，还能有效提高焊接效率，确保焊接的稳定性和准确性，提高作业质量和经济效益。水下焊接不仅要为焊接提供稳定的工作环境，还要使焊枪能够灵活精确的运动和操作，同时要求设备尽可能结构简单，降低造价和不可控因素。因此，很有必要设计能在水中进行船底焊接作业的水下机器人，以弥补我国在船底焊接维修技术的缺口。

基于此，本发明设计了一种船底焊接水下机器人，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船底焊接水下机器人，以解决上述背景技术中提出现有技术中缺少一种能够在水中稳定的进行船底焊接作业的水下机器人的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种船底焊接水下机器人，包括碳纤维机架、水下无刷双向推进器、密封箱体、五自由度机械臂、焊接系统、吸附系统、监控系统和脐带缆，所述碳纤维机架包括四组碳纤维支架，所述碳纤维支架的底部分别固定安装有水下无刷双向推进器，所述碳纤维支架的顶部固定安装有吸附系统，所述吸附系统包括液压杆和电磁装置，所述电磁装置安装在液压杆的顶部，所述密封箱体包括上层、中层和下层，所述上层顶部固定安装有五自由度机械臂，所述上层的顶部固定安装有密封盖，所述中层设置为密封层，且内含控制芯片及供能电路，所述中层的侧壁固定安装有脐带缆，所述脐带缆外接动力电源，所述下层内腔安装有水体环境检测传感器，所述五自由度机械臂的尾端固定安装有焊接系统，所述焊接系统包括焊缝跟踪系统、送丝机构和水下焊枪，所述送丝机构包括水下焊接专用电源和脉动送丝机构，所述监控系统为采用单片机作为主控芯片，包括水下照明灯和摄像系统，所述监控系统安装在密封箱体上层外壁上。

优选的，所述脐带缆一端的两组所述水下无刷双向推进器设置为一组，所述监控系统一端的两组所述水下无刷双向推进器设置为一组，同组所述水下无刷双向推进器转向相同，相邻两组所述水下无刷双向推进器转向相反。

优选的，所述电磁装置的顶部固定安装有吸盘底板，所述吸盘底板采用不锈钢材料，所述电磁装置内腔的电磁铁表面做搪瓷处理。

优选的，所述密封箱体外壳采用铝合金材料打造。

优选的，所述五自由度机械臂设置为由直流伺服电机驱动的工业五自由度机械手臂，配用单片机和伺服舵机控制器组成的五自由度机械臂智能控制系统。

优选的，所述焊缝跟踪系统选用CXZK-S-RBT-A3系统。

优选的，所述水下照明灯选用LED探照灯，所述摄像系统选用水下高速摄像机。

优选的，所述密封盖的顶部固定安装有吊环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过四组无刷双向推进器作为推动装置，实现机器人本体多方向运动功能，通过液压杆带动电磁装置吸附装置，实现机器人本体与船底规则或非规则待作业面的稳定连接，确保焊接作业的安全性，通过五自由度机械臂夹持焊枪，提高了焊接操作的灵活性和精确性，一方面通过摄像头实时传输现场画面，方便操作人员进行监控和操作弧焊接作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明主视角结构示意图；

图2为本发明俯视角结构示意图；

图3为本发明侧视角结构示意图；

图4为本发明五自由度机械臂结构示意图；

图5为本发明吸附系统结构示意图；

图6为本发明碳纤维机架结构示意图；

图7为本发明密封箱体结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-碳纤维机架，101-碳纤维支架，2-密封箱体，201-上层，202-中层，203-下层，3-水下无刷双向推进器，4-吸附系统，401-液压杆，402-电磁装置，403-吸盘底板，5-密封盖，6-五自由度机械臂，7-焊接系统，8-监控系统，9-脐带缆，10-吊环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种船底焊接水下机器人，包括碳纤维机架1、水下无刷双向推进器3、密封箱体2、五自由度机械臂6、焊接系统7、吸附系统4、监控系统8和脐带缆9，碳纤维机架1包括四组碳纤维支架101，碳纤维机架1采用轴向强度和弹性模量高的碳纤维骨架，既能满足装载焊接设备进行水下高压工作的要求，又具有密度低、比性能高；耐疲劳，耐腐蚀，电磁屏蔽性好等优点，碳纤维支架101的底部分别固定安装有水下无刷双向推进器3，碳纤维支架101的顶部固定安装有吸附系统4，吸附系统4包括液压杆401和电磁装置402，电磁装置402安装在液压杆401的顶部，当机器到达指定位置，液压杆401伸出并吸附焊接对象，同时减小水下无刷双向推进器3转速，以此确保焊接的稳定性，密封箱体2包括上层201、中层202和下层203，上层201顶部固定安装有五自由度机械臂6，上层201的顶部固定安装有密封盖5，中层202设置为密封层，且内含控制芯片及供能电路，中层202的侧壁固定安装有脐带缆9，脐带缆9外接动力电源，下层203内腔安装有水体环境检测传感器，五自由度机械臂6的尾端固定安装有焊接系统7，焊接系统7包括焊缝跟踪系统、送丝机构和水下焊枪，焊缝跟踪系统选用CXZK-S-RBT-A3系统，送丝机构包括水下焊接专用电源和脉动送丝机构，在焊接作业时，焊枪启动后通过焊缝跟踪系统最大化的减少了人工干预，保证了焊接质量，并极大的进步了生产效率，所使用的脉动送丝系统既能以“一送一停”的方式送丝，又能连续送丝，保证了焊接过程稳定，使水下焊接成形美观，监控系统8为采用单片机作为主控芯片，包括水下照明灯和摄像系统，监控系统8安装在密封箱体上层201外壁上。

其中，脐带缆9一端的两组水下无刷双向推进器3设置为一组，监控系统8一端的两组水下无刷双向推进器3设置为一组，同组水下无刷双向推进器3转向相同，相邻两组水下无刷双向推进器3转向相反，水下无刷双向推进器3中心对称的布置在机架四面，水下无刷双向推进器3采用高强度复合材料做推进器材料，机器水下释放后通过驱动水下无刷双向推进器3移动至焊接位置周围，并调整姿态便于焊接作业，水下无刷双向推进器3的旋转方向变化可改变推进力的方向；同时改变四个水下无刷双向推进器3的转速，可以实现机器的垂直起降和稳定悬停；当单独地增大某单一水下无刷双向推进器3的转速时，可以实现机器的俯仰与翻滚，同时增大同一组的水下无刷双向推进器3转速就能够完成机器的偏航运动；因其特殊的机械结构，可以实现水下悬停、独立的在垂直方向和水平方向移动，使机器灵活有效。

电磁装置402的顶部固定安装有吸盘底板403，吸盘底板403采用不锈钢材料，以增大磁力，减少变形；电磁装置402内腔的电磁铁表面做搪瓷处理，为避免电磁铁在水下工作时产生腐蚀。

密封箱体2外壳采用铝合金材料打造，铝合金材料打造密封箱体2的结构具有水下运动阻力小、强度性能优，重量与排水量比值小的优点。

五自由度机械臂6设置为由直流伺服电机驱动的工业五自由度机械手臂，配用单片机和伺服舵机控制器组成的五自由度机械臂智能控制系统，从底盘到机械臂末端共分五个电机，使机械臂具备立体焊接的功能，另配有颜色传感器，用来检测有色物体，超声波传感器用来判断物体与焊枪的距离。

水下照明灯选用LED探照灯，在单片机的控制下实现LED的亮度调节，配有不锈钢面板和铝制灯身，具有很强防腐蚀、抗冲击力强的优点。并且有很好的防水设计，维修简单，安装方便，摄像系统选用水下高速摄像机，保证监控过程中不会出现频闪，能够适应水下机器人的摄像要求，以便于操作人员的实时作业监控。水下摄像机的外部主要由摄像机外壳和前端透明玻璃两部分组成，玻璃采用具有形变小，可塑性形变低，不会突然破裂等优点的有机玻璃。

密封盖5的顶部固定安装有吊环10，该结构用于机器的释放和回收，在本台机器中，吊环10和载体框架是通过焊接的方式连接的，目的是提高连接强度。

水下机器人各部位密封多属于静密封，电缆入口连接口处均采用O形圈密封，电缆入口采用金属防水接头，该接头为电缆密封提供了刚性而充分的结合面，可使电缆连接处消除应变。而五自由度机械臂6接口处需要使用动密封。动密封方式采用充油压力补偿式密封。其通过压力补偿实现内外均压，不仅能大大减轻基体重量，同时还提高了密封的可靠性。

本实施例的一个具体应用为：本发明操作过程：通过打开电源，检查各项功能是否正常，启动运动和照明系统，放入水中，先水体环境检测，然后寻找焊接目标处，控制四组水下无刷双向推进器3协调运动至目标位置，使机身调整姿态，液压杆401伸长，使电磁装置402吸附在伸目标位置上，通过打开密封箱体2，使五自由度机械臂6夹持水下焊枪伸出，调整水下焊枪方向，启动焊接系统7，通过送丝机构送丝、进行焊接，通过监控系统8监控整个过程，完成焊接后水下焊枪收回，密封箱体2顶部的密封盖5关闭，减小电磁装置402吸力，启动四组水下无刷双向推进器3协调运动离开目标位置，返航，在水面回收并关闭，本装置通过四组无刷双向推进器3作为推动装置，实现机器人本体多方向运动功能，通过液压杆401带动电磁装置402吸附装置，实现机器人本体与船底规则或非规则待作业面的稳定连接，确保焊接作业的安全性，通过五自由度机械臂6夹持焊枪，提高了焊接操作的灵活性和精确性，一方面通过摄像头实时传输现场画面，方便操作人员进行监控和操作弧焊接作业。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种船底焊接水下机器人，其特征在于：包括碳纤维机架(1)、水下无刷双向推进器(3)、密封箱体(2)、五自由度机械臂(6)、焊接系统(7)、吸附系统(4)、监控系统(8)和脐带缆(9)，所述碳纤维机架(1)包括四组碳纤维支架(101)，所述碳纤维支架(101)的底部分别固定安装有水下无刷双向推进器(3)，所述碳纤维支架(101)的顶部固定安装有吸附系统(4)，所述吸附系统(4)包括液压杆(401)和电磁装置(402)，所述电磁装置(402)安装在液压杆(401)的顶部，所述密封箱体(2)包括上层(201)、中层(202)和下层(203)，所述上层(201)顶部固定安装有五自由度机械臂(6)，所述上层(201)的顶部固定安装有密封盖(5)，所述中层(202)设置为密封层，且内含控制芯片及供能电路，所述中层(202)的侧壁固定安装有脐带缆(9)，所述脐带缆(9)外接动力电源，所述下层(203)内腔安装有水体环境检测传感器，所述五自由度机械臂(6)的尾端固定安装有焊接系统(7)，所述焊接系统(7)包括焊缝跟踪系统、送丝机构和水下焊枪，所述送丝机构包括水下焊接专用电源和脉动送丝机构，所述监控系统(8)为采用单片机作为主控芯片，包括水下照明灯和摄像系统，所述监控系统(8)安装在密封箱体上层(201)外壁上。

2.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述脐带缆(9)和监控系统(8)分别位于密封箱体(2)的垂直投影上的两个对角，其中两组所述水下无刷双向推进器(3)分别位于所述脐带缆(9)的两侧且转向相同，另外两组所述水下无刷双向推进器(3)分别位于所述监控系统(8)的两侧且转向相同，所述脐带缆(9)的两侧的水下无刷双向推进器(3)与监控系统(8)的两侧水下无刷双向推进器(3)的转向相反。

3.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述电磁装置(402)的顶部固定安装有吸盘底板(403)，所述吸盘底板(403)采用不锈钢材料，所述电磁装置(402)内腔的电磁铁表面做搪瓷处理。

4.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述密封箱体(2)外壳采用铝合金材料打造。

5.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述五自由度机械臂(6)设置为由直流伺服电机驱动的工业五自由度机械手臂，配用单片机和伺服舵机控制器组成的五自由度机械臂智能控制系统。

6.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述焊缝跟踪系统选用CXZK-S-RBT-A3系统。

7.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述水下照明灯选用LED探照灯，所述摄像系统选用水下高速摄像机。

8.根据权利要求1所述的一种船底焊接水下机器人，其特征在于：所述密封盖(5)的顶部固定安装有吊环(10)。

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