CN113650746A - 一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置 - Google Patents

Abstract

一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置，包含输水管、水枪、机架、臂杆、平动链、直线驱动器，输水管为刚性管，包括第一、第二、第三输水管，所述臂杆包括第一、第二、第三臂杆；所述输水管固定安装在臂杆上，机架、臂杆、平动链、直线驱动器构成平面两自由度连杆机构，包含第一、第二、第三、第四闭环回路，其中由平动链、第一臂杆、第二臂杆构成的第三、第四闭环回路可维持水枪平动；各输水管通过软管连通，第一输水管一端通过软管连通高压水路，第三输水管与水枪连通。该种壁面清洗机器人清洁工作装置可实现水枪相对机架两自由度可控平动，利用高压水流实现大面积、结构复杂度低的船舶等海洋设备外竖立面的清洁作业。

Description

一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置

技术领域

本发明涉及壁面清洗机器人领域，特别是一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置。

背景技术

爬壁机器人是一种主要应用于竖立面维护、检查、清洗等极限作业为主的移动机器人，壁面清洗机器人在壁面移动机器人中是最具前景的应用之一。当前，壁面清洗主要有三种方式：人工清洗、吊篮清洗、自动化设备清洗，前两种清洗方式完全依赖工人清洗，劳动强度大，而且存在安全隐患，自动化设备进行竖立面清洗也离不开人工干预，同时设备造价高昂。以上介绍的避免清洗方式在陆地环境下尚难以广泛使用，在环境更为特殊的水下环境下更难以适用。船舶等海洋设备长期在海洋环境中，水线以下往往附着大量的海生物，为使设备维持良好的工作状态，需要定期清除附着物，以降低阻力以及油耗，维持设备性能，提高设备效率。当前船舶等海洋设备海生物的清除作业主要有两种方式：一类是依赖潜水员进行人工清洗，该方式清洁效率低，危险系数大；另一类是船舶等海洋设备进坞清洁，该方式成本高，耗时长。上述各方面原因影响制约了水下清洁作业，随着海洋贸易的持续发展，如何在水下爬壁机器人基础上，研发设计一种清洁该种装置，灵活高效的对船舶等海洋设备的水下竖立面进行清洁作业，已成为行业内一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于已有技术存在的问题提供一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置，一方面，在爬壁机器人基础上，通过水枪两自由度可控平动，完成竖立面的清洁作业；另一方面，清洁工作装置需具有承压能力强、运动平稳、装配方便、结构强度高，稳定性能好等优点。

本发明通过以下技术方案来达到上述目的：一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置，包含输水管、水枪、机架、臂杆、平动链、直线驱动器，所述输水管为刚性管，包括第一输水管、第二输水管、第三输水管，所述臂杆包括第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆，所述平动链包含第一连杆、摇臂、第二连杆，所述直线驱动器包含第一直线驱动器、第二直线驱动器，所述机架、第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆、第一直线驱动器、第二直线驱动器、第一连杆、摇臂、第二连杆构成平面两自由度连杆机构；所述第一输水管固定安装在第一臂杆上，第二输水管固定安装在第二臂杆上，第三输水管固定安装在第三臂杆上；

所述第一臂杆、机架、第一直线驱动器构成第一闭环回路，所述第一臂杆通过第一转动副安装在机架上，所述第一直线驱动器一端通过第二转动副安装在机架上，另一端通过第三转动副安装在第一臂杆上；第一直线驱动器为伺服电动缸，通过第一直线驱动器的伸缩运动，可实现第一臂杆绕第一转动副上下摆动，进而实现第一输水管相对机架的单自由度可控摆动。

所述第一臂杆、第二臂杆、第二直线驱动器组成第二闭环回路，所述第二臂杆通过第四转动副安装在第一臂杆上，所述第二直线驱动器一端通过第五转动副安装在第一臂杆上，另一端通过第六转动副安装在第二臂杆上；所述第二直线驱动器为伺服电动缸，通过第二直线驱动器的伸缩运动，可实现第二臂杆相对第一臂杆摆动，进而实现第二输水管相对第一输水管的单自由度可控摆动。

所述机架、第一连杆、第一臂杆、摇臂构成第三闭环回路，所述第一连杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与摇臂连接，所述摇臂通过第九转动副安装在第一臂杆上，所述第四转动副与第九转动副组成复合铰链，所述第一转动副与第七转动副之间的孔心距，它与第八转动副和第九转动副之间的孔心距相等；第七转动副和第八转动副之间的孔心距，它和第一转动副与第九转动副之间的孔心距相等；所述机架、第一连杆、第一臂杆、摇臂构成平行四边形运动链，摇臂相对机架维持平动。

所述第二连杆、摇臂、第二臂杆、第三臂杆构成第四闭环回路，所述第二连杆一端通过第十转动副与摇臂连接，另一端通过第十一转动副与第三臂杆连接，所述第三臂杆通过第十二转动副与第二臂杆连接。所述第十转动副与第九转动副之间的孔心距，它与第十一转动副、第十二转动副之间的孔心距相等，所述第九转动副、第十二转动副之间的孔心距，它与第十转动副、第十一转动副之间的孔心距相等，所述第二连杆、摇臂、第二臂杆、第三臂杆构成平行四边形运动链，因此第三臂杆随着第二臂杆摆动，而相对摇臂平动，而摇臂运动过程中始终相对机架平动，因此第三臂杆在运动过程中始终相对机架平动，由于第三输水管固定安装在第三臂杆上，因此第三输水管始终相对机架做平面两自由度平动。

第一输水管一端通过软管连通高压水路，另一端通过软管与第二输水管一端连通，第二输水管另一端通过软管与第三输水管一端连通，第三输水管另一端通过软管与水枪连通；所述机架通过第十三转动副与爬壁机器人连接，在动力装置驱动下，机架可相对爬壁机器人可控转动。当安装有该种三自由度清洁工作装置的水下壁面清洗机器人在水下竖立面进行清洁作业时，通过机架可控回转运动以及第一直线驱动器、第二直线驱动器的耦合驱动下，水枪可相对竖立面实现三自由度平动调整，即水枪相对竖立面距离、位置均可控可调，水枪姿态始终维持平动，高压水路中的高压水流通过第一输水管、第二输水管、第三输水管后，通过水枪喷出，利用高压水流，灵活高效的实现对船舶等海洋设备的水下竖立面进行清洁作业。

本发明突出优点在于：

1、相比现有水枪通过全软管连接，输水管线在海水腐蚀性等复杂环境下，易损坏、老化、破裂，该种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置的输水管为刚性管，不仅提高了管道抗压能力，而且提高了输水管道的可靠性，降低了故障率，保证了水枪的作业稳定性和水下环境适应性；刚性管固定在臂杆上，臂杆之间通过转动副连接，不仅结构简单、成本低，而且刚性大，输水通道稳定性好。

2、该种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置由三个输水管串联，大幅提高了水枪的工作空间，该工作装置只有两自由度，水枪在作业过程中在平动链作用下始终维持平动，相比三自由度清洁工作装置，有效降低了控制难度及造价，在机架可控转动下，水枪相对竖立面可进一步实现三自由度可控平动，高压水路中的高压水流通过水枪喷出，利用高压水流，高效的实现对船舶等海洋设备规则表面的清洁作业。

附图说明

图1为本发明所述的一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置示意图。

图2为本发明所述的一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置立体图。

图3为本发明所述的一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置平动链示意图。

图4为本发明所述的一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置工作位姿示意图之一。

图5为本发明所述的一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置工作位姿示意图之二。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对照图1、图2、图3，一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置，包含输水管、水枪7、机架1、臂杆、平动链、直线驱动器，所述输水管为刚性管，包括第一输水管3、第二输水管24、第三输水管5，所述臂杆包括第一臂杆4、第二臂杆23、第三臂杆6，所述平动链包含第一连杆10、摇臂19、第二连杆12，所述直线驱动器包含第一直线驱动器15、第二直线驱动器26，所述机架1、第一臂杆4、第二臂杆23、第三臂杆6、第一直线驱动器15、第二直线驱动器26、第一连杆10、摇臂19、第二连杆12构成平面两自由度连杆机构；所述第一输水管3固定安装在第一臂杆4上，第二输水管24固定安装在第二臂杆23上，第三输水管5固定安装在第三臂杆6上；

对照图1、图2、图3，所述第一臂杆4、机架1、第一直线驱动器15构成第一闭环回路，所述第一臂杆4通过第一转动副18安装在机架1上，所述第一直线驱动器15一端通过第二转动副14安装在机架1上，另一端通过第三转动副16安装在第一臂杆4上；第一直线驱动器15为伺服电动缸，通过第一直线驱动器15的伸缩运动，可实现第一臂杆4绕第一转动副18上下摆动，进而实现第一输水管3相对机架1的单自由度可控摆动。

对照图1、图2、图3，所述第一臂杆4、第二臂杆23、第二直线驱动器26组成第二闭环回路，所述第二臂杆23通过第四转动副22安装在第一臂杆4上，所述第二直线驱动器26一端通过第五转动副25安装在第一臂杆4上，另一端通过第六转动副27安装在第二臂杆23上；所述第二直线驱动器26为伺服电动缸，通过第二直线驱动器26的伸缩运动，可实现第二臂杆23相对第一臂杆4摆动，进而实现第二输水管24相对第一输水管3的单自由度可控摆动。

对照图1、图2、图3，所述机架1、第一连杆10、第一臂杆4、摇臂19构成第三闭环回路，所述第一连杆10一端通过第七转动副9与机架1连接，另一端通过第八转动副11与摇臂19连接，所述摇臂19通过第九转动副21安装在第一臂杆4上，所述第四转动副22与第九转动副21组成复合铰链，所述第一转动副18与第七转动副9之间的孔心距，它与第八转动副11和第九转动副21之间的孔心距相等；第七转动副9和第八转动副11之间的孔心距，它和第一转动副18与第九转动副21之间的孔心距相等；所述机架1、第一连杆10、第一臂杆4、摇臂19构成平行四边形运动链，摇臂19相对机架1维持平动。

对照图1、图2、图3，所述第二连杆12、摇臂19、第二臂杆23、第三臂杆6构成第四闭环回路，所述第二连杆12一端通过第十转动副20与摇臂19连接，另一端通过第十一转动副13与第三臂杆6连接，所述第三臂杆6通过第十二转动副8与第二臂杆23连接。所述第十转动副20与第九转动副21之间的孔心距，它与第十一转动副13、第十二转动副8之间的孔心距相等，所述第九转动副21、第十二转动副8之间的孔心距，它与第十转动副20、第十一转动副13之间的孔心距相等，所述第二连杆12、摇臂19、第二臂杆23、第三臂杆6构成平行四边形运动链，因此第三臂杆6随着第二臂杆23摆动，而相对摇臂19平动，而摇臂19运动过程中始终相对机架1平动，因此第三臂杆6在运动过程中始终相对机架1平动，由于第三输水管5固定安装在第三臂杆6上，因此第三输水管5始终相对机架1做平面两自由度平动。

对照图1、图2、图3、图4、图5，第一输水管3一端通过软管连通高压水路，另一端通过软管与第二输水管24一端连通，第二输水管24另一端通过软管与第三输水管5一端连通，第三输水管5另一端通过软管与水枪7连通；所述机架1通过第十三转动副2与爬壁机器人17连接，在动力装置驱动下，机架1可相对爬壁机器人17可控转动。当安装有该种三自由度清洁工作装置的水下壁面清洗机器人在水下竖立面进行清洁作业时，通过机架1可控回转运动以及第一直线驱动器15、第二直线驱动器26的耦合驱动下，水枪7可相对竖立面实现三自由度平动调整，即水枪7相对竖立面距离、位置均可控可调，水枪7姿态始终维持平动，高压水路中的高压水流通过第一输水管3、第二输水管24、第三输水管5后，通过水枪7喷出，利用高压水流，灵活高效的实现对船舶等海洋设备的水下竖立面进行清洁作业。

Claims (2)

1.一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置，包含输水管、水枪、机架、臂杆、平动链、直线驱动器，其特征在于：所述输水管为刚性管，包括第一输水管、第二输水管、第三输水管，所述臂杆包括第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆，所述平动链包含第一连杆、摇臂、第二连杆，所述直线驱动器包含第一直线驱动器、第二直线驱动器，所述机架、第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆、第一直线驱动器、第二直线驱动器、第一连杆、摇臂、第二连杆构成平面两自由度连杆机构；所述第一输水管固定安装在第一臂杆上，第二输水管固定安装在第二臂杆上，第三输水管固定安装在第三臂杆上；

所述第一臂杆、机架、第一直线驱动器构成第一闭环回路，

所述第一臂杆、第二臂杆、第二直线驱动器组成第二闭环回路，

所述机架、第一连杆、第一臂杆、摇臂构成第三闭环回路，所述机架、第一连杆、第一臂杆、摇臂构成平行四边形运动链，

所述第二连杆、摇臂、第二臂杆、第三臂杆构成第四闭环回路，所述第二连杆、摇臂、第二臂杆、第三臂杆构成平行四边形运动链，

第一输水管一端通过软管连通高压水路，另一端通过软管与第二输水管一端连通，第二输水管另一端通过软管与第三输水管一端连通，第三输水管另一端通过软管与水枪连通。

2.根据权利要求1所述的一种水下壁面清洗机器人两自由度大空间工作装置，其特征在于：所述第一臂杆通过第一转动副安装在机架上，所述第一直线驱动器一端通过第二转动副安装在机架上，另一端通过第三转动副安装在第一臂杆上；第一直线驱动器为伺服电动缸；

所述第二臂杆通过第四转动副安装在第一臂杆上，所述第二直线驱动器一端通过第五转动副安装在第一臂杆上，另一端通过第六转动副安装在第二臂杆上；所述第二直线驱动器为伺服电动缸；

所述第一连杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与摇臂连接，所述摇臂通过第九转动副安装在第一臂杆上，所述第四转动副与第九转动副组成复合铰链，所述第一转动副与第七转动副之间的孔心距，它与第八转动副和第九转动副之间的孔心距相等；第七转动副和第八转动副之间的孔心距，它和第一转动副与第九转动副之间的孔心距相等；

所述第二连杆一端通过第十转动副与摇臂连接，另一端通过第十一转动副与第三臂杆连接，所述第三臂杆通过第十二转动副与第二臂杆连接；所述第十转动副与第九转动副之间的孔心距，它与第十一转动副、第十二转动副之间的孔心距相等，所述第九转动副、第十二转动副之间的孔心距，它与第十转动副、第十一转动副之间的孔心距相等；

所述机架通过第十三转动副与爬壁机器人连接。

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