CN115140278A - 一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，具体为一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，本发明主要用于水下建筑物的检测，特别是应用在输水隧洞中；履带伸缩式机构可以将履带行走装置收缩至机器人本体的履带槽内，有效降低了水下机器人在隧洞内浮游运动时的水阻，且在执行隧洞壁面检修时能够使机器人依靠履带行走装置实现隧洞内贴壁爬行，具有检测效率高、反应快、运动平稳和占用体积小的特点；水液压驱动系统为执行机器人履带伸缩的动力系统，可以对液压回路实现自动锁死和过载保护作用，整个液压系统直接布置在水下环境中，可以直接采用工作环境中的淡水作为介质，设计十分简单方便，具有动态响应快，稳定性高，排放方便等优势。

Description

一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，具体为一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置。
背景技术
目前，水下机器人的研究已经成为了热点研究领域，水下机器人可以应用于水下受损建筑物的检测和维修，特别是应用在输水隧洞中。由于输水隧洞为地下结构，且要经过各种复杂地形环境，使隧洞修建难度加大；在隧洞输水时会产生水压，可能造成隧洞变形甚至出现裂纹，从而发生渗水或漏水现象，造成漏水地段土质疏松，从而引起地质灾害。在灾害发生前，很难从外面检测是否漏水，采用其他复杂方法去检测漏水问题又会造成效率低和成本高的问题，而从隧洞内部去检测能很好地解决上述问题。
由于隧洞内部环境复杂，人工检测时可能会发生事故，所以采用水下机器人检测更加方便快捷。水下机器人多采用推进器进行驱动，推进器可以实现机器人浮游运动或者悬停，但在情况复杂的水域作业时，只依靠推进器并不能使机器人稳定的进行高精度水下作业。如水下机器人在长距离输水隧洞中进行检测时，需要水下机器人潜入隧道。由于隧洞中水流速度过大，机器人很难稳定的悬停，而机器人的悬停偏差和振荡会造成检测误差，甚至出现无法检测的情况，而对于水下高精度作业就更加困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，包括水下机器人本体、前端履带伸缩机构、履带行走装置、后端履带伸缩机构和水液压驱动系统，所述水下机器人本体两侧面分别对称安装有前端履带伸缩机构和后端履带伸缩机构，所述前端履带伸缩机构和后端履带伸缩机构底部之间安装有履带行走装置，所述前端履带伸缩机构和后端履带伸缩机构于水下机器人本体内部连接有水液压驱动系统；
所述水下机器人本体包括机器人前端舱体，所述机器人前端舱体一端通过机器人舱体前端抱箍安装有机器人舱体前端盖，所述机器人前端舱体另一端通过机器人舱体中间抱箍连接有机器人后端舱体，所述机器人后端舱体一端通过机器人舱体后端抱箍连接有机器人舱体后端盖，所述机器人舱体前端抱箍两侧安装有前端履带伸缩机构，所述机器人舱体后端抱箍两侧安装有后端履带伸缩机构；
所述前端履带伸缩机构包括前端履带伸缩机构固定杆，所述前端履带伸缩机构固定杆左侧开设有安装孔，并与机器人舱体前端抱箍连接，所述前端履带伸缩机构固定杆中间开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有前端履带伸缩机构旋转杆，所述前端履带伸缩机构固定杆一侧开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有前端履带伸缩机构液压作动器，所述前端履带伸缩机构液压作动器的输出端与前端履带伸缩机构旋转杆相连接；同理，所述后端履带伸缩机构包括后端履带伸缩机构固定杆，所述后端履带伸缩机构固定杆一侧开设有安装孔，并与机器人舱体后端抱箍连接，所述后端履带伸缩机构固定杆中间开设有转动销孔，并通过转动销轴与后端履带伸缩机构旋转杆连接，所述后端履带伸缩机构固定杆一端开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有后端履带伸缩机构液压作动器，所述后端履带伸缩机构液压作动器输出端与后端履带伸缩机构旋转杆相连接；
所述履带行走装置包括履带行走装置驱动机构、履带行走装置前端固定架和履带行走装置后端固定架，所述履带行走装置前端固定架和履带行走装置后端固定架底部通过转动销轴连接有履带侧板；
所述履带行走装置驱动机构包括水密驱动电机和履带行走装置驱动轮，所述水密驱动电机包括水密驱动电机壳体和水密驱动电机输出轴，所述水密驱动电机壳体开设有螺纹孔，通过螺钉和履带侧板连接；
所述水液压驱动系统包括水密电机、液压泵、过滤器、第一电磁阀、第二电磁阀、蓄能器、数显压力表、溢流阀和压力传感器，所述第一电磁阀、第二电磁阀和蓄能器与前端履带伸缩机构液压作动器和后端履带伸缩机构液压作动器的控制端相电性连接，所述数显压力表和溢流阀与前端履带伸缩机构液压作动器和后端履带伸缩机构液压作动器的信号端相连接，所述第一电磁阀控制端与液压泵、压力传感器和溢流阀相连接，所述液压泵内安装有水密电机和过滤器。
优选的，所述机器人舱体前端抱箍与机器人舱体中间抱箍之间安装有机器人舱体前端浮力材，所述机器人舱体中间抱箍与机器人舱体后端抱箍之间安装有机器人舱体后端浮力材。
优选的，所述前端履带伸缩机构液压作动器的液压推杆顶端安装有鱼眼轴承，并通过转动销轴与前端履带伸缩机构旋转杆连接。
优选的，所述后端履带伸缩机构液压作动器的液压推杆顶端安装有鱼眼轴承，并通过转动销轴与后端履带伸缩机构旋转杆连接。
优选的，所述履带行走装置前端固定架和履带行走装置后端固定架均为三角形固定架。
优选的，所述水密驱动电机输出轴开设有螺纹孔，通过螺钉与履带行走装置驱动轮连接。
优选的，所述履带行走装置前端固定架和履带行走装置后端固定架顶部通过转动销轴分别和前端履带伸缩机构旋转杆和后端履带伸缩机构旋转杆连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要用于水下建筑物的检测，特别是应用在输水隧洞中；履带伸缩式机构可以将履带行走装置收缩至机器人本体的履带槽内，有效降低了水下机器人在隧洞内浮游运动时的水阻，且在执行隧洞壁面检修时能够使机器人依靠履带行走装置实现隧洞内贴壁爬行，具有检测效率高、反应快、运动平稳和占用体积小的特点；水液压驱动系统为执行机器人履带伸缩的动力系统，可以对液压回路实现自动锁死和过载保护作用，整个液压系统直接布置在水下环境中，无单独设计的耐压舱、水箱和压力补偿器，可以直接采用工作环境中的淡水作为介质，设计十分简单方便，具有动态响应快，稳定性高，排放方便，成本低等优势。
附图说明
图1是本发明的履带缩回状态下的水下机器人中间段本体侧视图；
图2是本发明的履带伸出状态下的水下机器人中间段本体结构示意图；
图3是本发明的履带伸出状态下的伸缩式履带装置结构示意图；
图4是本发明的履带行走装置的驱动机构部分剖视图；
图5是本发明的履带伸缩机构水液压驱动系统原理图。
图中：1、水下机器人本体；2、前端履带伸缩机构；3、履带行走装置；4、后端履带伸缩机构；5、水液压驱动系统；11、机器人前端舱体；12、机器人舱体前端盖；13、机器人舱体前端抱箍；14、机器人舱体前端浮力材；15、机器人舱体中间抱箍；16、机器人舱体后端浮力材；17、机器人舱体后端抱箍；18、机器人舱体后端盖；19、机器人后端舱体；21、前端履带伸缩机构固定杆；22、前端履带伸缩机构旋转杆；23、前端履带伸缩机构液压作动器；31、履带行走装置驱动机构；32、履带行走装置前端固定架；33、履带行走装置后端固定架；34、履带侧板；41、后端履带伸缩机构固定杆；42、后端履带伸缩机构旋转杆；43、后端履带伸缩机构液压作动器；51、水密电机；52、液压泵；53、过滤器；54、第一电磁阀；55、第二电磁阀；56、蓄能器；57、数显压力表；58、溢流阀；59、压力传感器；311、水密驱动电机；312、履带行走装置驱动轮；3111、水密驱动电机壳体；3112、水密驱动电机输出轴。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，包括水下机器人本体1、前端履带伸缩机构2、履带行走装置3、后端履带伸缩机构4和水液压驱动系统5，水下机器人本体1两侧面分别对称安装有前端履带伸缩机构2和后端履带伸缩机构4，前端履带伸缩机构2和后端履带伸缩机构4底部之间安装有履带行走装置3，前端履带伸缩机构2和后端履带伸缩机构4于水下机器人本体1内部连接有水液压驱动系统5；
水下机器人本体1包括机器人前端舱体11，机器人前端舱体11一端通过机器人舱体前端抱箍13安装有机器人舱体前端盖12，机器人前端舱体11另一端通过机器人舱体中间抱箍15连接有机器人后端舱体19，机器人后端舱体19一端通过机器人舱体后端抱箍17连接有机器人舱体后端盖18，机器人舱体前端抱箍13两侧安装有前端履带伸缩机构2，机器人舱体后端抱箍17两侧安装有后端履带伸缩机构4；
前端履带伸缩机构2包括前端履带伸缩机构固定杆21，前端履带伸缩机构固定杆21左侧开设有安装孔，并与机器人舱体前端抱箍13连接，前端履带伸缩机构固定杆21中间开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有前端履带伸缩机构旋转杆22，前端履带伸缩机构固定杆21一侧开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有前端履带伸缩机构液压作动器23，前端履带伸缩机构液压作动器23的输出端与前端履带伸缩机构旋转杆22相连接；同理，后端履带伸缩机构4包括后端履带伸缩机构固定杆41，后端履带伸缩机构固定杆41一侧开设有安装孔，并与机器人舱体后端抱箍17连接，后端履带伸缩机构固定杆41中间开设有转动销孔，并通过转动销轴与后端履带伸缩机构旋转杆42连接，后端履带伸缩机构固定杆41一端开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有后端履带伸缩机构液压作动器43，后端履带伸缩机构液压作动器43输出端与后端履带伸缩机构旋转杆42相连接；
履带行走装置3包括履带行走装置驱动机构31、履带行走装置前端固定架32和履带行走装置后端固定架33，履带行走装置前端固定架32和履带行走装置后端固定架33底部通过转动销轴连接有履带侧板34；
履带行走装置驱动机构31包括水密驱动电机311和履带行走装置驱动轮312，水密驱动电机311包括水密驱动电机壳体3111和水密驱动电机输出轴3112，水密驱动电机壳体3111开设有螺纹孔，通过螺钉和履带侧板34连接；
水液压驱动系统5包括水密电机51、液压泵52、过滤器53、第一电磁阀54、第二电磁阀55、蓄能器56、数显压力表57、溢流阀58和压力传感器59，第一电磁阀54、第二电磁阀55和蓄能器56与前端履带伸缩机构液压作动器23和后端履带伸缩机构液压作动器43的控制端相电性连接，数显压力表57和溢流阀58与前端履带伸缩机构液压作动器23和后端履带伸缩机构液压作动器43的信号端相连接，第一电磁阀54控制端与液压泵52、压力传感器59和溢流阀58相连接，液压泵52内安装有水密电机51和过滤器53。
进一步的，机器人舱体前端抱箍13与机器人舱体中间抱箍15之间安装有机器人舱体前端浮力材14，机器人舱体中间抱箍15与机器人舱体后端抱箍17之间安装有机器人舱体后端浮力材16。
进一步的，前端履带伸缩机构液压作动器23的液压推杆顶端安装有鱼眼轴承，并通过转动销轴与前端履带伸缩机构旋转杆22连接。
进一步的，后端履带伸缩机构液压作动器43的液压推杆顶端安装有鱼眼轴承，并通过转动销轴与后端履带伸缩机构旋转杆42连接。
进一步的，履带行走装置前端固定架32和履带行走装置后端固定架33均为三角形固定架。
进一步的，水密驱动电机输出轴3112开设有螺纹孔，通过螺钉与履带行走装置驱动轮312连接。
进一步的，履带行走装置前端固定架32和履带行走装置后端固定架33顶部通过转动销轴分别和前端履带伸缩机构旋转杆22和后端履带伸缩机构旋转杆42连接。
本发明中水液压驱动系统5目的在于实现两个前端履带伸缩机构液压作动器23和两个后端履带伸缩机构液压作动器43的同步伸缩运动，整个液压系统直接布置在水下环境中，无单独设计的耐压舱、水箱和压力补偿器，可以直接采用工作环境中的淡水作为介质，并可以实现过载保护和自动锁死，水液压驱动系统可以分为液压回路自我保护状态、工进状态和快退状态三种工作状态，具体内容如下：
液压回路自我保护状态：水液压驱动系统要先让水密电机51工作并达到稳定状态，在整个过程中，水密电机51带动液压泵52开始工作，液压泵52的进水口安装有过滤器53，过滤器53可以过滤掉外部环境中的杂质，此时第一电磁阀54和第二电磁阀55都处于关闭状态，两个前端履带伸缩机构液压作动器23和两个后端履带伸缩机构液压作动器43都处于原始缩回的状态，数显压力表57示数变大，水液压驱动系统中的压力值会逐渐上升到溢流阀58的设定压力，最终溢流阀58打开，并将介质排到外部环境中；
工进状态：水液压驱动系统由液压回路自我保护状态开始工进，此时压泵52处于稳定状态时，将第一电磁阀54打开，第二电磁阀55关闭，两个前端履带伸缩机构液压作动器23和两个后端履带伸缩机构液压作动器43无杆腔供水，有杆腔为出水口进行回流，液压推杆伸出，从而将机器人履带行走装置3同步推出，蓄能器56将系统中的多余能量转变为压缩能或位能储存起来，待液压推杆完全伸出，达到稳定状态后，数显压力表57示数变大，待水液压驱动系统压力值达到压力传感器59设定的压力，则表明履带行走装置3已完全伸出，则可以关闭第一电磁阀54，此时两个前端履带伸缩机构液压作动器23和两个后端履带伸缩机构液压作动器43无杆腔介质无法排除，伸出的液压推杆被锁死，机器人履带行走装置3完全伸出并处于稳定状态；此时，液压泵52、溢流阀58、过滤器53和外部环境形成回路，液压回路达到自我保护状态；
快退状态:当水液压驱动系统由工进后的稳定状态开始快退，此时液压泵53处于稳定状态，将第二电磁阀55打开，第一电磁阀54关闭，两个前端履带伸缩机构液压作动器23和两个后端履带伸缩机构液压作动器43有杆腔为进水口进行供水，无杆腔为出水口并将原本锁住的介质从第二电磁阀55的出水口排出，液压推杆缩回，从而将机器人履带行走装置3同步缩回，蓄能器56将系统中的多余能量转变为压缩能或位能储存起来，液压推杆完全缩回后，数显压力表57示数变大，待液压系统压力值达到压力传感器59设定的压力，则可以关闭第二电磁阀55，此时两个前端履带伸缩机构液压作动器23和两个后端履带伸缩机构液压作动器43有杆腔介质无法排除，缩回的液压推杆被锁死，机器人履带行走装置3完全缩回并处于稳定状态；此时，液压泵52、溢流阀58、过滤器53和外部环境形成回路，液压回路达到自我保护状态；
综上所述，本发明用于水下建筑物的检测，特别是应用在输水隧洞中，履带伸缩式机构可以将履带行走装置收缩至机器人本体的履带槽内，有效降低了水下机器人在隧洞内浮游运动时的水阻，且在执行隧洞壁面检修时能够使机器人依靠履带行走装置实现隧洞内贴壁爬行，具有检测效率高、反应快、运动平稳和占用体积小的特点；水液压驱动系统5为执行机器人履带伸缩的动力系统，可以对液压回路实现自动锁死和过载保护作用，整个液压系统直接布置在水下环境中，无单独设计的耐压舱、水箱和压力补偿器，可以直接采用工作环境中的淡水作为介质，设计十分简单方便，具有动态响应快，稳定性高，排放方便，成本低等优势。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，包括水下机器人本体(1)、前端履带伸缩机构(2)、履带行走装置(3)、后端履带伸缩机构(4)和水液压驱动系统(5)，其特征在于：所述水下机器人本体(1)两侧面分别对称安装有前端履带伸缩机构(2)和后端履带伸缩机构(4)，所述前端履带伸缩机构(2)和后端履带伸缩机构(4)底部之间安装有履带行走装置(3)，所述前端履带伸缩机构(2)和后端履带伸缩机构(4)于水下机器人本体(1)内部连接有水液压驱动系统(5)；
所述水下机器人本体(1)包括机器人前端舱体(11)，所述机器人前端舱体(11)一端通过机器人舱体前端抱箍(13)安装有机器人舱体前端盖(12)，所述机器人前端舱体(11)另一端通过机器人舱体中间抱箍(15)连接有机器人后端舱体(19)，所述机器人后端舱体(19)一端通过机器人舱体后端抱箍(17)连接有机器人舱体后端盖(18)，所述机器人舱体前端抱箍(13)两侧安装有前端履带伸缩机构(2)，所述机器人舱体后端抱箍(17)两侧安装有后端履带伸缩机构(4)；
所述前端履带伸缩机构(2)包括前端履带伸缩机构固定杆(21)，所述前端履带伸缩机构固定杆(21)左侧开设有安装孔，并与机器人舱体前端抱箍(13)连接，所述前端履带伸缩机构固定杆(21)中间开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有前端履带伸缩机构旋转杆(22)，所述前端履带伸缩机构固定杆(21)一侧开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有前端履带伸缩机构液压作动器(23)，所述前端履带伸缩机构液压作动器(23)的输出端与前端履带伸缩机构旋转杆(22)相连接；同理，所述后端履带伸缩机构(4)包括后端履带伸缩机构固定杆(41)，所述后端履带伸缩机构固定杆(41)一侧开设有安装孔，并与机器人舱体后端抱箍(17)连接，所述后端履带伸缩机构固定杆(41)中间开设有转动销孔，并通过转动销轴与后端履带伸缩机构旋转杆(42)连接，所述后端履带伸缩机构固定杆(41)一端开设有转动销孔，并通过转动销轴连接有后端履带伸缩机构液压作动器(43)，所述后端履带伸缩机构液压作动器(43)输出端与后端履带伸缩机构旋转杆(42)相连接；
所述履带行走装置(3)包括履带行走装置驱动机构(31)、履带行走装置前端固定架(32)和履带行走装置后端固定架(33)，所述履带行走装置前端固定架(32)和履带行走装置后端固定架(33)底部通过转动销轴连接有履带侧板(34)；
所述履带行走装置驱动机构(31)包括水密驱动电机(311)和履带行走装置驱动轮(312)，所述水密驱动电机(311)包括水密驱动电机壳体(3111)和水密驱动电机输出轴(3112)，所述水密驱动电机壳体(3111)开设有螺纹孔，通过螺钉和履带侧板(34)连接；
所述水液压驱动系统(5)包括水密电机(51)、液压泵(52)、过滤器(53)、第一电磁阀(54)、第二电磁阀(55)、蓄能器(56)、数显压力表(57)、溢流阀(58)和压力传感器(59)，所述第一电磁阀(54)、第二电磁阀(55)和蓄能器(56)与前端履带伸缩机构液压作动器(23)和后端履带伸缩机构液压作动器(43)的控制端相电性连接，所述数显压力表(57)和溢流阀(58)与前端履带伸缩机构液压作动器(23)和后端履带伸缩机构液压作动器(43)的信号端相连接，所述第一电磁阀(54)控制端与液压泵(52)、压力传感器(59)和溢流阀(58)相连接，所述液压泵(52)内安装有水密电机(51)和过滤器(53)。
2.根据权利要求1所述的一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，其特征在于：所述机器人舱体前端抱箍(13)与机器人舱体中间抱箍(15)之间安装有机器人舱体前端浮力材(14)，所述机器人舱体中间抱箍(15)与机器人舱体后端抱箍(17)之间安装有机器人舱体后端浮力材(16)。
3.根据权利要求1所述的一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，其特征在于：所述前端履带伸缩机构液压作动器(23)的液压推杆顶端安装有鱼眼轴承，并通过转动销轴与前端履带伸缩机构旋转杆(22)连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，其特征在于：所述后端履带伸缩机构液压作动器(43)的液压推杆顶端安装有鱼眼轴承，并通过转动销轴与后端履带伸缩机构旋转杆(42)连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，其特征在于：所述履带行走装置前端固定架(32)和履带行走装置后端固定架(33)均为三角形固定架。
6.根据权利要求1所述的一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，其特征在于：所述水密驱动电机输出轴(3112)开设有螺纹孔，通过螺钉与履带行走装置驱动轮(312)连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于水液压系统的水下机器人伸缩式履带装置，其特征在于：所述履带行走装置前端固定架(32)和履带行走装置后端固定架(33)顶部通过转动销轴分别和前端履带伸缩机构旋转杆(22)和后端履带伸缩机构旋转杆(42)连接。
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