CN115401708A - 一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，属于海洋装备技术领域。通过电机驱动螺旋桨提供机器人向基桩表面的推力以及电机驱动环抱机构的方式，利用电机驱动螺旋桨推进器实现在海洋基桩表面的移动与固定，通过控制机械手对海洋基桩表面进行检测。其主要材料为316L不锈钢，它具有移动灵活，操作简单等优点。
Description
技术领域
一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人是一种应用于检测海洋基桩表面的机器人，通过电机驱动螺旋桨提供机器人向基桩表面的推力以及电机驱动环抱机构的方式，利用电机驱动螺旋桨推进器实现在海洋基桩表面的移动与固定，通过控制机械手对海洋基桩表面进行检测。其主要材料为316L不锈钢，它具有移动灵活，操作简单等优点。属于海洋装备技术领域。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，世界各国对于石油天然气等油气资源的需求量逐渐增加。目前陆地上的油气资源已经远不能满足世界各国的需求，海洋中所蕴含的油气资源约占到全球油气资源的近80％。近些年来，对海洋资源的勘探与开发利用越来越被世界给各国所重视，水下作业及水下装备的研究发展也非常迅速，海洋工程及其相关技术已经成为各国争相开发探索的重要领域。作为海洋工程设施中历史最悠久、最成熟、经验最丰富的固定式海洋平台，由于支撑平台的钢结构基桩长期处在恶劣的海洋环境中，海浪、台风、海洋生物附着、海水腐蚀以及构件疲劳和材料老化等都会对基桩造成不同程度的损伤，使其的局部构件强度和抗力降低，一旦发生事故将会造成重大的财产损失以及严重海洋污染。因此需要定期对海洋基桩进行检测工作。
目前各国对于海洋基桩的检测工作主要是由潜水员完成，其具有操作、移动灵活和检测范围比较全面等特点，但是由于海洋环境的恶劣、深水处高压及能见度低、受到海风流等因素，潜水人员的进行水下作业的有效工作时间短，而且成本较高、风险较大。随着国内水下装备技术的发展，水下检测技术已经逐渐成熟。设计出一种能够在海洋基桩上灵活运动的水下移动机器人，代替人工完成对其表面进行无损检测的作业，不仅提高工作效率减少工作周期，同时避免人工潜水作业所带来的巨大风险，对海洋石油开发工程的发展具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有水下海洋基桩检测技术的问题而提出的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，适用于管道最大直径为1824mm，水深<200m。它包括环抱机构、推进机构、背部驱动机构、基桩表面接触的移动机构、伸缩机构和检测机械手。
本发明的目的是这样实现的：包括推进机构箱体和设置在箱体上的上盖、设置在上盖上的检测机械手、设置在箱体中的四个推进器、设置在上盖上的两个上下螺旋桨推进器和两个左右螺旋桨推进器，在箱体内部还设置有伸缩机构驱动电机，伸缩机构驱动电机的输出端连接有连接轴，连接轴连接固定内转子，通过保护罩密封并与外部伸缩机构丝杠一端固定的外转子连接，实现伸缩机构丝杠的控制；一对伸缩杆的一端通过螺母固定在伸缩机构螺母的两端，另一端穿过推进机构箱体腹部开孔后用固定在连接板上，连接板两端通过螺钉固定侧边支撑杆，侧边支撑杆另一端穿过箱体与侧边滑块固定，侧边滑块在一对侧边滑杆滑动；在连接板上设置有上环抱机构，在箱体上设置有下环抱机构，通过伸缩机构驱动电机驱动伸缩机构丝杠控制伸缩机构螺母的移动实现上、下环抱机构间的距离伸缩。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.上环抱机构与下环抱机构均包括电机，电机通过连接直角减速器驱动内转子，内转子通过磁耦合的方式与保护罩外的外转子形成连接，外转子固定在环抱丝杠右端，环抱丝杠通过右丝杠支撑板、中部丝杠固定板、左丝杠支撑板进行轴向固定，电机支撑板、右丝杠支撑板、中部丝杠固定板、左丝杠支撑板通过螺栓连接固定在下固定板上，固定板两端通过销轴连接抱杆，两端抱杆与中部使用销轴与左传动螺母和右传动螺母通过一对连接杆连接，抱杆的末端通过长销轴连接万向轮，通过控制电机控制磁耦合连接器带动环抱丝杠旋转，控制左传动螺母和右传动螺母的位移调整两边抱杆的开合角度对海洋基桩进行抱紧与张开，下环抱机构的固定板通过螺栓固定在箱体上，上环抱机构的固定板通过螺栓固定在伸缩机构的连接板上。
2.检测机械手包括设置在上盖上的回转臂驱动舵机，其输出端与回转臂进行连接，回转臂上端通过螺钉固定大臂驱动舵机，大臂驱动舵机输出轴连接大臂，小臂后端通过螺钉连接小臂驱动舵机再通过舵机输出轴连接到大臂的前端；小臂另一端通过螺钉固定支架驱动舵机，支架驱动舵机输出轴连接支架，通过操纵多个舵机的转动实现固定在支架上的高压水枪喷头、检测摄像头和照明灯。
3.每个推进器包括螺旋桨驱动电机、与螺旋桨驱动电机连接的减速器、与减速器输出端连接的螺旋桨轴、设置在螺旋桨轴上的螺旋桨。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在放置机器人入水时，推进机构中四个电机分别驱动螺旋桨向外排水提供给机器人向基桩表面的推进力。通过驱动环抱机构上的电机控制丝杠旋转来带动抱杆，使环抱机构合拢，与基桩表面形成240°半包围的形式，通过丝杠螺母的自锁形成抱杆角度的固定防止其松脱。通过控制机器人腹部的电机驱动丝杠带动上环抱机构从而控制上下环抱机构之间的距离。通过四周的螺旋桨推进器配合移动轮实现机器人在基桩表面上的上下移动与左右旋转。将检测装置放置在顶部机械手的末端，当机器人移动到达指定基桩表面区域时，通过控制机械手关节的舵机使末端检测装置移动至指定基桩表面点进行检测。
附图说明
图1是海洋基桩检测机器人正等轴测图；
图2是海洋基桩检测机器人正视图；
图3是海洋基桩检测机器人左视图；
图4是海洋基桩检测机器人俯视图；
图5是图3中I部分放大的结构示意图；
图6是海洋基桩检测机器人伸缩螺母连接的结构示意图；
图7是海洋基桩检测机器人下环抱机构俯视方向的结构示意图；
图8是图3中II部分下环抱机构抱杆末端放大的结构示意图；
图9是海洋基桩检测机器人上环抱机构俯视方向的结构示意图；
图10是海洋基桩检测机器人检测机械手左视方向的结构示意图；
图11是海洋基桩检测机器人检测机械手俯视方向的结构示意图；
图12是海洋基桩检测机器人推进机构推进器的结构示意图；
图13-图15是本发明的立体示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图15，本发明的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人由推进机构上盖1、推进机构箱体2、下环抱机构3、侧边滑块4、侧边滑杆5、侧边支撑6、上环抱机构7、检测机械手8、推进器9、上下螺旋桨推进器10、左右螺旋桨推进器11、推进机构导流罩13、腹部万向轮14、万向轮支架15、连接板16、伸缩机构驱动电机17、连接轴18、内转子19、防水保护罩20、外转子21、伸缩机构螺母22、伸缩机构丝杠23、伸缩杆24等组成。
环抱机构：下环抱机构3中电机3-11通过连接直角减速器3-10驱动内转子3-9。内转子3-9通过磁耦合的方式与保护罩3-8外的外转子3-7形成连接。外转子3-7固定在环抱丝杠3-4右端。环抱丝杠3-4通过右丝杠支撑板3-13、中部丝杠固定板3-14、左丝杠支撑板3-15进行轴向固定。电机支撑板3-12、右丝杠支撑板3-13、中部丝杠固定板3-14、左丝杠支撑板3-15通过螺栓连接固定在下固定板3-1上。下固定板3-1两端通过销轴连接抱杆3-2，两端抱杆3-2与中部使用销轴与左传动螺母3-5和右传动螺母3-6通过一对连接杆3-3连接。抱杆3-2的末端通过长销轴3-20连接万向轮3-16。螺母3-19、弹簧垫圈3-18、垫块3-17对万向轮3-16进行轴向固定。通过控制电机3-11控制磁耦合连接器带动环抱丝杠3-4旋转，控制左传动螺母3-5和右传动螺母3-6的位移调整两边抱杆3-2的开合角度对海洋基桩12进行抱紧与张开。上环抱机构7与上述结构同理，下固定板3-1改为上固定板7-1即可。下环抱机构3的下固定板3-1通过螺栓固定在推进机构箱体2，上环保机构7的上固定板7-1通过螺栓固定在伸缩机构的连接板16上。
检测机械手8：回转臂驱动舵机8-8通过螺钉固定在推进机构上盖1，其输出端与回转臂8-7进行连接，回转臂8-7上端再通过螺钉固定大臂驱动舵机8-6。大臂驱动舵机8-6输出轴连接大臂8-5，小臂8-4后端通过螺钉连接小臂驱动舵机8-11再通过舵机输出轴连接到大臂8-5的前端。小臂8-4另一端通过螺钉固定支架驱动舵机8-3。支架驱动舵机8-3输出轴连接支架8-2，通过操纵多个舵机的转动可以实现固定在支架8-2上的高压水枪喷头8-1、检测摄像头8-9和照明灯8-10。
推进机构：螺旋桨驱动电机9-1与减速器9-2连接固定在防水罩中，螺旋桨9-8通过固定螺母9-9固定在螺旋桨轴9-6上。螺旋桨轴9-6通过支架端盖9-7、防水罩上盖9-5、动密封元件9-4以及支架9-3进行轴向固定，另一端连接减速器9-2，组成推进器9。四个推进器9通过支架9-3固定在推进机构箱体2中。推进机构上盖1与一对推进机构导流罩13通过螺钉固定在推进机构箱体2上，与推进器9共同组成推进机构。
背部驱动机构：两个上下螺旋桨推进器10和两个左右螺旋桨推进器11通过螺栓固定在推进机构上盖1，左右各布置一个，下方布置一对的方式。通过控制这四个螺旋桨推进器使机器人在基桩表面自由移动。四个腹部万向轮14使用销轴与推进机构箱体2通过万向轮支架15固定，与海洋基桩12的表面接触，配合抱杆3-2末端万向轮3-16实现机器人在基桩表面的移动。
伸缩机构：伸缩机构驱动电机17通过螺钉固定在推进机构箱体2的腹部，连接轴18连接固定内转子19，通过保护罩20密封并与外部伸缩机构丝杠23一端固定的外转子21连接，从而实现伸缩机构丝杠23的控制。一对伸缩杆24的一端通过螺母固定在伸缩机构螺母22的两端，另一端穿过推进机构箱体2腹部开孔后用固定在连接板16上。连接板16两端通过螺钉固定侧边支撑杆6，侧边支撑杆6另一端穿过推进机构箱体2与侧边滑块4固定，侧边滑块4在一对侧边滑杆5滑动以提高机构的刚度。上环抱机构7与连接板16连接，下环抱机构3固定在推进机构箱体2上。通过伸缩机构驱动电机17驱动伸缩机构丝杠23控制伸缩机构螺母22的移动可以实现上下两环抱机构间的距离伸缩。
工作原理：
1)固定在基桩表面通过吊运机或者其他设备将机器人运送到浅水处的基桩表面，机器人推进机构的四个推进器9开始工作，提供给机器人靠近海洋基桩表面的推进力，使机器人的下环抱机构3和上环抱机构7正对基桩。同时，上下环抱机构工作，通过丝杠的自锁条件，使机器人固定在基桩表面。
2)在基桩表面移动在机器人的推进机构上盖1上有两个上下螺旋桨推进器10和两个左右螺旋桨推进器11，通过控制推进器的正反转来实现机器人的移动。在机器人的尾部有两个上下螺旋桨推进器10，利用推进器的正反转来实现机器人的上浮和下沉。在机器人的两边有两个左右螺旋桨推进器11，通过控制推进器的正反转来实现机器人的向左向右旋转。在机器人抱住基桩表面后，可以通过控制螺旋桨推进器使机器人运动到指定位置。
3)越过基桩表面焊接点当机器人在下沉过程中需要越过基桩表面的横斜焊接点时，先张开下环抱机构3，再通过控制伸缩机构驱动电机17使伸缩杆24伸开，使下环抱机构3越过焊接点后再次抱住海洋基桩12表面。上环抱机构7张开，开始收缩伸缩杆24，同时控制上下螺旋桨推进器10使机器人下移。当上环抱机构越过焊接点后再次环抱海洋基桩12表面。机器人上浮时越过焊接点的操作同理。
4)进行基桩表面的检测机器人到达指定位置后，通过控制机器人顶部的检测机械手8使检测器件移动到需要检测的位置。通过高压水枪喷头8-1对表面进行冲刷后，使用照明灯8-10辅助照明，通过检测摄像头8-9将水下基桩表面的情况传输到水面上的检测人员。区域检测完成后，通过控制螺旋桨推进器移动机器人到达其他检测位置重复检测工作。
此设计的实例中的用于海洋基桩表面检测的检测机械手8由高压水枪喷头8-1、支架8-2、支架驱动舵机8-3、小臂8-4、大臂8-5、大臂驱动舵机8-6、回转臂8-7、回转臂驱动舵机8-8、检测摄像头8-9、照明灯8-10、小臂驱动舵机8-11等组成。下环抱机构3主要由下固定板3-1、抱杆3-2、连接杆3-3、环抱丝杠3-4、左传动螺母3-5、右传动螺母3-6、外转子3-7、保护罩3-8、内转子3-9、直角减速器3-10、电机3-11、电机支撑板3-12、右丝杠支撑板3-13、中部丝杠固定板3-14、左丝杠支撑板3-15、万向轮3-16、垫块3-17、弹簧垫圈3-18、螺母3-19、长销轴3-20等组成。上环抱机构7同理，下固定板3-1更换为上固定板7-1即可。伸缩机构主要由侧边滑块4、侧边滑杆5、侧边支撑杆6、连接板16、伸缩机构驱动电机17、连接轴18、内转子19、防水保护罩20、外转子21、伸缩机构螺母22、伸缩机构丝杠23、伸缩杆24等组成。
结合图1～6，伸缩装置的动作主要由伸缩机构驱动电机17通过内转子19和外转子21的磁耦合链接带动伸缩机构丝杠23旋转，从而控制带动伸缩机构螺母22的移动，使伸缩杆24连接的连接板16伸出和回缩。同时连接板16两端与侧边支撑杆6连接。推进机构箱体2两边分别布置一对侧边滑杆5、侧边滑块4、侧边支撑杆6，组成引导伸缩的结构，提高伸缩机构的刚度。
结合图7～9，下环抱机构主要由电机3-11连接直角减速器3-10通过磁耦合内转子3-9、外转子3-7和环抱丝杠3-4带动左传动螺母3-5和右传动螺母3-6，将旋转运动转换为平移运动，使左右连接杆3-3带动抱杆3-2进行张开和抱紧的运动，完成机器人在基桩上松开抱紧的过程，具有良好的运动可靠性。抱杆3-2末端安装万向轮3-16与机器人腹部万向轮14将滑动摩擦转化为转动摩擦，减小对基桩的破坏。上环抱机构同理。
结合图10和图11，检测机械手8中回转臂驱动舵机8-8驱动回转臂8-7负责整个机械手的回转，控制机械手末端检测装置的横向位置。大臂驱动舵机8-6和小臂驱动舵机8-11带动大臂8-5小臂8-4，可以控制机械手末端检测装置与基桩表面的距离。支架驱动舵机8-3可以调整支架8-2末端原件的旋转角度与位置。在进行检测工作时，先通过高压水枪喷头8-1对海洋基12桩表面进行冲刷，再使用检测摄像头8-9和照明灯8-10对基桩表面进行观察检测。
综上，本发明的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人采用电机作为动力，使用螺旋桨提供向基桩表面的推力和利用推进器进行运动的方式，具有良好的运动可靠性。采用环抱机构环抱基桩的方式，通过丝杠螺纹自锁特性减小对基桩的挤压力的同时牢固可靠，并且布置万向轮减小摩擦，具有良好的导向性，对基桩的破坏小，同时具有移动灵活等特点，能够满足海洋大型基桩的检测要求。
Claims (5)
1.一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，其特征在于：包括推进机构箱体和设置在箱体上的上盖、设置在上盖上的检测机械手、设置在箱体中的四个推进器、设置在上盖上的两个上下螺旋桨推进器和两个左右螺旋桨推进器，在箱体内部还设置有伸缩机构驱动电机，伸缩机构驱动电机的输出端连接有连接轴，连接轴连接固定内转子，通过保护罩密封并与外部伸缩机构丝杠一端固定的外转子连接，实现伸缩机构丝杠的控制；一对伸缩杆的一端通过螺母固定在伸缩机构螺母的两端，另一端穿过推进机构箱体腹部开孔后用固定在连接板上，连接板两端通过螺钉固定侧边支撑杆，侧边支撑杆另一端穿过箱体与侧边滑块固定，侧边滑块在一对侧边滑杆滑动；在连接板上设置有上环抱机构，在箱体上设置有下环抱机构，通过伸缩机构驱动电机驱动伸缩机构丝杠控制伸缩机构螺母的移动实现上、下环抱机构间的距离伸缩。
2.根据权利要求1所述的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，其特征在于：上环抱机构与下环抱机构均包括电机，电机通过连接直角减速器驱动内转子，内转子通过磁耦合的方式与保护罩外的外转子形成连接，外转子固定在环抱丝杠右端，环抱丝杠通过右丝杠支撑板、中部丝杠固定板、左丝杠支撑板进行轴向固定，电机支撑板、右丝杠支撑板、中部丝杠固定板、左丝杠支撑板通过螺栓连接固定在下固定板上，固定板两端通过销轴连接抱杆，两端抱杆与中部使用销轴与左传动螺母和右传动螺母通过一对连接杆连接，抱杆的末端通过长销轴连接万向轮，通过控制电机控制磁耦合连接器带动环抱丝杠旋转，控制左传动螺母和右传动螺母的位移调整两边抱杆的开合角度对海洋基桩进行抱紧与张开，下环抱机构的固定板通过螺栓固定在箱体上，上环抱机构的固定板通过螺栓固定在伸缩机构的连接板上。
3.根据权利要求1或2所述的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，其特征在于：检测机械手包括设置在上盖上的回转臂驱动舵机，其输出端与回转臂进行连接，回转臂上端通过螺钉固定大臂驱动舵机，大臂驱动舵机输出轴连接大臂，小臂后端通过螺钉连接小臂驱动舵机再通过舵机输出轴连接到大臂的前端；小臂另一端通过螺钉固定支架驱动舵机，支架驱动舵机输出轴连接支架，通过操纵多个舵机的转动实现固定在支架上的高压水枪喷头、检测摄像头和照明灯。
4.根据权利要求1或2所述的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，其特征在于：每个推进器包括螺旋桨驱动电机、与螺旋桨驱动电机连接的减速器、与减速器输出端连接的螺旋桨轴、设置在螺旋桨轴上的螺旋桨。
5.根据权利要求3所述的一种环抱式螺旋桨驱动海洋基桩检测机器人，其特征在于：每个推进器包括螺旋桨驱动电机、与螺旋桨驱动电机连接的减速器、与减速器输出端连接的螺旋桨轴、设置在螺旋桨轴上的螺旋桨。
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