水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，包括機械本體、控制系統(tǒng)，機械本體上設(shè)有吸附裝置、移動裝置、照明裝置、攝像裝置、檢測裝置和單片機；吸附裝置包括螺旋槳及其驅(qū)動裝置，移動裝置包括驅(qū)動輪及其驅(qū)動裝置和隨動輪；控制系統(tǒng)包括顯示器、主機、遙控器、收放機構(gòu)和動力源；單片機與主機和遙控器有線或無線連接，攝像裝置與顯示器有線或無線連接，所放機構(gòu)與機械本體連接?？梢源嫒藵撊胨逻M行作業(yè)，避免了人在水下和輻射環(huán)境下的危險性，并且大大提高了作業(yè)效率。
【專利說明】水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及水下機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人。

【背景技術(shù)】
[0002]積極發(fā)展核電是中國的能源戰(zhàn)略，核電的發(fā)展必須以安全為第一原則。核電站用過的乏燃料在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍然具有高度危險性，其放射性物質(zhì)如果發(fā)生泄漏，將會嚴(yán)重污染環(huán)境、危害公眾健康。乏燃料池就是核工廠貯存乏燃料的水池，它的安全性對于核電廠的安全具有巨大的影響，所以對乏燃料池壁面的檢測顯得尤為重要。泛燃料水池含有放射性物質(zhì)，不能采用潛水員手工直接檢測的施工方式，這時候就需要機器人對壁面進行無損檢測。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的是提高一種用于核工業(yè)環(huán)境下的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人。
[0004]本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]本實用新型的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，包括機械本體、控制系統(tǒng)，所述機械本體上設(shè)有吸附裝置、移動裝置、照明裝置、攝像裝置、檢測裝置和單片機；
[0006]所述吸附裝置包括螺旋槳及其驅(qū)動裝置，所述移動裝置包括驅(qū)動輪及其驅(qū)動裝置和隨動輪；
[0007]所述控制系統(tǒng)包括顯示器、主機、遙控器、收放機構(gòu)和動力源；
[0008]所述單片機與所述主機和遙控器有線或無線連接，所述攝像裝置與所述顯示器有線或無線連接，所述收放機構(gòu)與所述機械本體連接。
[0009]由上述本實用新型的技術(shù)方案可以看出，本實用新型的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，由于包括機械本體、控制系統(tǒng)，機械本體上設(shè)有吸附裝置、移動裝置、照明裝置、攝像裝置、檢測裝置和單片機；吸附裝置包括螺旋槳及其驅(qū)動裝置，移動裝置包括驅(qū)動輪及其驅(qū)動裝置和隨動輪；控制系統(tǒng)包括顯示器、主機、遙控器、收放機構(gòu)和動力源；單片機與主機和遙控器有線或無線連接，攝像裝置與顯示器有線或無線連接，所放機構(gòu)與機械本體連接，它具有良好的吸附、靈活的運動性能，以及優(yōu)越的越障能力，最終完成對乏燃料池核廢水環(huán)境觀察和對壁面的無損檢測，可以代替人潛入水下進行作業(yè)，避免了人在水下和輻射環(huán)境下的危險性，并且大大提高了作業(yè)效率，除了應(yīng)用于核工業(yè)，還可以應(yīng)用于石化工業(yè)、造船業(yè)、漁業(yè)、近海領(lǐng)域等許多行業(yè)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型實施例的設(shè)計流程圖；
[0011]圖2為本實用新型實施例的力學(xué)原理圖；
[0012]圖3為本實用新型實施例的移動原理圖；
[0013]圖4為本實用新型實施例的總體框圖；
[0014]圖5為本實用新型實施例的水下螺旋槳推力吸附爬壁機器人載體三維模型圖；
[0015]圖6為本實用新型實施例的動密封結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖中:
[0017]1、機械本體，2、萬向輪，3、同步帶輪，4、照明裝置，5、螺旋槳，6、驅(qū)動裝置，7、驅(qū)動輪，8、柔性裙，9、唇形圈，10、橡膠圈。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
[0019]本實用新型的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，其較佳的【具體實施方式】是:
[0020]包括機械本體、控制系統(tǒng)，所述機械本體上設(shè)有吸附裝置、移動裝置、照明裝置、攝像裝置、檢測裝置和單片機；
[0021]所述吸附裝置包括螺旋槳及其驅(qū)動裝置，所述移動裝置包括驅(qū)動輪及其驅(qū)動裝置和隨動輪；
[0022]所述控制系統(tǒng)包括顯示器、主機、遙控器、收放機構(gòu)和動力源；
[0023]所述單片機與所述主機和遙控器有線或無線連接，所述攝像裝置與所述顯示器有線或無線連接，所述收放機構(gòu)與所述機械本體連接。
[0024]所述的機械本體為圓盤狀，所述螺旋槳有兩個，所述驅(qū)動輪有兩個，所述隨動輪為一個萬向輪，兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪呈三角形布置。
[0025]所述機械本體上還設(shè)有深度計、姿態(tài)傳感器和編碼器。
[0026]所述驅(qū)動裝置的軸部密封采用兩道唇形圈和一道橡膠圈。
[0027]應(yīng)用本實用新型通過對乏燃料池壁面的檢測，及時進行修復(fù)，可以有效的防止核泄漏，避免核事故的發(fā)生，具有廣泛的應(yīng)用前景和研宄意義。
[0028]本實用新型綜合了計算機科學(xué)、機械工程技術(shù)、控制理論、機構(gòu)學(xué)、電子工程、信息科學(xué)和傳感器技術(shù)等多個科學(xué)最新的研宄發(fā)展成果，是現(xiàn)代高新科技發(fā)展的產(chǎn)物。水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人是特種機器人的一種，是一種設(shè)計用來在惡劣、危險、極限情況下、在水下壁面上進行特定作業(yè)如觀查、檢測、焊接等的一種自動化機械裝置。這種機器人可以代替人潛入水下進行作業(yè)，避免了人在水下和輻射環(huán)境下的危險性，并且大大提高了作業(yè)效率，所以越來越受到世界各國的重視。除了應(yīng)用于核工業(yè)，水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人還可以應(yīng)用于石化工業(yè)、造船業(yè)、漁業(yè)、近海領(lǐng)域等許多行業(yè)。
[0029]具體實施例:
[0030]圖1為本實用新型提供的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人的設(shè)計流程圖，它為水下爬壁機器人設(shè)計提供了設(shè)計路線和方案。
[0031]圖2為本實用新型提供的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人力學(xué)原理圖，由于爬壁機器人是在水下鋼鐵壁面上進行工作，設(shè)計時必須對它安全性加以考慮。機器人在壁面作業(yè)時可能會出現(xiàn)兩種危險情況:一是機器人在壁面上的滑落，二是機器人在壁面上發(fā)生傾覆。對機器人在壁面移動時進行靜力分析，是以可靠性吸附為機器人的設(shè)計提供依據(jù)和參考。
[0032]圖3為本實用新型提供的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人的移動原理圖。
[0033]輪式移動裝置一般有三個輪、四個輪或六個輪，其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式。鉸軸轉(zhuǎn)向式:轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機通過減速器和機械連桿機構(gòu)控制鉸軸，從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向；差速轉(zhuǎn)向式:在輪式機器人中，差動轉(zhuǎn)向式控制較復(fù)雜，但精度較高，在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度比實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，非驅(qū)動輪應(yīng)為自由輪。
[0034]四輪的穩(wěn)定性好，承載能力較大，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。三輪移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，控制最方便。三點確定一個平面，三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，采用三輪移動機構(gòu)的機器人來說，重心都比較低，載荷穩(wěn)定且中心位置基本不發(fā)生變化，所以三輪移動機構(gòu)能滿足要求。前輪為萬向輪，只起支撐作用，后兩輪為驅(qū)動輪，固定不可轉(zhuǎn)向，且相互獨立。
[0035]圖4為本實用新型實施例的總體框圖。
[0036]水下推力吸附式爬壁機器人在結(jié)構(gòu)上又可分為機械本體、攝像裝置、檢測裝置和控制系統(tǒng)四部分，其工作原理為:在地面上放置水下爬壁機器人的控制系統(tǒng)，由它控制機器人在水下壁面上的移動。
[0037]這個控制系統(tǒng)包括主機、顯示器、動力源及收放裝置。動力源可以為水下機器人的移動和檢測裝置提供動力，收放裝置隨著機器人的上下移動及時地收放保護纜繩，為機器人提供安全保障條件，同時為機器人輸送動力和控制電纜。顯示器通過安裝在機器人本體上的攝像機，實時地顯示機器人的工作環(huán)境，便于操作者掌握機器人的工作狀態(tài)。爬壁機器人從地面深入水下，在水下壁面上移動，檢測裝置由電機單獨驅(qū)動做左右往復(fù)運動，機器人邊移動邊檢測，如此往復(fù)，完成檢測工作。
[0038]圖5為本實用新型實施例的水下螺旋槳推力吸附爬壁機器人載體三維模型圖
[0039]不像地面移動機器人，水下爬壁機器人要實現(xiàn)在水下壁面上的運動，首先需要提供可靠的吸附力。到目前為止，水下爬壁機器人采用吸附方式主要有以下四種:真空吸附、磁吸附、推力吸附、粘著劑材料吸附。
[0040]綜合國內(nèi)外現(xiàn)有的成果以及最新的發(fā)展方向，并結(jié)合本課題設(shè)計的爬壁機器人需要在水下壁面上運動，并且壁面過渡處存在棱角，表面上也可能存在凹凸和焊縫，考慮到推力吸附的材料適應(yīng)性強，因此，最后選擇了螺旋槳推力吸附的方式。
[0041]爬壁機器人的移動方式主要有車輪式、履帶式、多足步行式和框架式4種方案，它們各有優(yōu)缺點。車輪式移動速度快、控制靈活，特別是轉(zhuǎn)向比較容易實現(xiàn)，但車輪與壁面接觸面積小，因此維持移動的吸附力比較困難；履帶式對壁面的適應(yīng)性強，接觸面積大，吸附力強，運動速度快，但不易轉(zhuǎn)向和壁面過渡；多足步行式吸附力較強，易于跨越障礙，可靈活實現(xiàn)壁面過渡和轉(zhuǎn)向等功能，但移動速度慢，多足的運動協(xié)調(diào)性要求較高，控制難度高；框架式利用多層框架的交替運動來實現(xiàn)機器人本體的整體移動，雖然控制比較簡單、吸附力強，但運動速度較慢，轉(zhuǎn)向和壁面過渡能力有限。
[0042]綜合分析各方面的特性，結(jié)合水下爬壁機器人的工作環(huán)境，考慮到車輪式移動機器人功耗低，轉(zhuǎn)向靈活，控制簡單，結(jié)構(gòu)簡單，最終選擇了車輪式移動方式，設(shè)計的移動機構(gòu)如圖2所示，該機構(gòu)為三輪式，兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪，通過差速移動的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、前進和后退。
[0043]驅(qū)動方式設(shè)計:常見的機器人驅(qū)動方式有電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等方式，如表3所示。電機驅(qū)動相對其他幾種驅(qū)動方式來說，具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、控制靈活方便等優(yōu)點，電機驅(qū)動的控制簡單、速度快的的特點在機器人的設(shè)計中中得到了廣泛的應(yīng)用。符合本文的設(shè)計要求，所以選擇電機驅(qū)動的方式。
[0044]動力源的設(shè)計:由于需要對電機進行靈活的控制，所以選用電機分類中的控制類電機，其中包括步進電機和伺服電機。伺服電機憑借其良好的力矩范圍、控制方式、控制精度、響應(yīng)速度、平滑性、過載特性等優(yōu)點，成為最終的選擇對象。又因為水下爬壁機器人的結(jié)構(gòu)內(nèi)及周邊環(huán)境不方便提供交流電，所以采用直流電源作為動力源，所以爬壁機器人的驅(qū)動機構(gòu)為直流伺服電機。
[0045]圖6為本實用新型實施例的動密封結(jié)構(gòu)圖。
[0046]水下機器人研制的關(guān)鍵問題之一是軸的動密封，即軸伸出本體處的密封。研宄表明:水下機器人由于密封問題而發(fā)生的故障比由于電子器件等問題而發(fā)生的故障高。水下機器人的密封分為靜密封和動密封兩種，靜密封相對來說容易解決，動密封的問題比較難解決，軸在旋轉(zhuǎn)時，由于軸與機殼間存在間隙，就會產(chǎn)生泄漏，而且介質(zhì)壓力越高、軸的轉(zhuǎn)速越高，越容易產(chǎn)生泄漏。
[0047]結(jié)合水下爬壁機器人的機構(gòu)以及工作環(huán)境，采用了唇形圈和斯特封組合密封的動密封，密封結(jié)構(gòu)如圖6所示，該方式密封可靠，能夠有效的防止泄漏。
[0048]照明和攝像裝置的設(shè)計:由于下潛深度要到達20m左右，為防止燈具和攝像頭進水，設(shè)計了相應(yīng)的防護罩，并且該防護罩應(yīng)能承受3個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力，以保證照明裝置的正常工作。
[0049]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，其特征在于，包括機械本體、控制系統(tǒng)，所述機械本體上設(shè)有吸附裝置、移動裝置、照明裝置、攝像裝置、檢測裝置和單片機； 所述吸附裝置包括螺旋槳及其驅(qū)動裝置，所述移動裝置包括驅(qū)動輪及其驅(qū)動裝置和隨動輪； 所述控制系統(tǒng)包括顯示器、主機、遙控器、收放機構(gòu)和動力源； 所述單片機與所述主機和遙控器有線或無線連接，所述攝像裝置與所述顯示器有線或無線連接，所述收放機構(gòu)與所述機械本體連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，其特征在于，所述的機械本體為圓盤狀，所述螺旋槳有兩個，所述驅(qū)動輪有兩個，所述隨動輪為一個萬向輪，兩個驅(qū)動輪和一個萬向輪呈三角形布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，其特征在于，所述機械本體上還設(shè)有深度計、姿態(tài)傳感器和編碼器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下螺旋槳推力吸附式爬壁機器人，其特征在于，所述驅(qū)動裝置的軸部密封采用兩道唇形圈和一道橡膠圈。
【文檔編號】B25J9/00GK204263162SQ201420653396
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】楊海強, 周燦豐, 高輝 申請人:北京石油化工學(xué)院