水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，包括机械本体、控制系统，机械本体上设有吸附装置、移动装置、照明装置、摄像装置、检测装置和单片机；吸附装置包括螺旋桨及其驱动装置，移动装置包括驱动轮及其驱动装置和随动轮；控制系统包括显示器、主机、遥控器、收放机构和动力源；单片机与主机和遥控器有线或无线连接，摄像装置与显示器有线或无线连接，所放机构与机械本体连接。可以代替人潜入水下进行作业，避免了人在水下和辐射环境下的危险性，并且大大提高了作业效率。
【专利说明】水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及水下机器人【技术领域】，尤其涉及一种水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人。
【背景技术】
[0002]积极发展核电是中国的能源战略，核电的发展必须以安全为第一原则。核电站用过的乏燃料在相当长一段时间内仍然具有高度危险性，其放射性物质如果发生泄漏，将会严重污染环境、危害公众健康。乏燃料池就是核工厂贮存乏燃料的水池，它的安全性对于核电厂的安全具有巨大的影响，所以对乏燃料池壁面的检测显得尤为重要。泛燃料水池含有放射性物质，不能采用潜水员手工直接检测的施工方式，这时候就需要机器人对壁面进行无损检测。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是提高一种用于核工业环境下的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人。
[0004]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]本实用新型的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，包括机械本体、控制系统，所述机械本体上设有吸附装置、移动装置、照明装置、摄像装置、检测装置和单片机；
[0006]所述吸附装置包括螺旋桨及其驱动装置，所述移动装置包括驱动轮及其驱动装置和随动轮；
[0007]所述控制系统包括显示器、主机、遥控器、收放机构和动力源；
[0008]所述单片机与所述主机和遥控器有线或无线连接，所述摄像装置与所述显示器有线或无线连接，所述收放机构与所述机械本体连接。
[0009]由上述本实用新型的技术方案可以看出，本实用新型的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，由于包括机械本体、控制系统，机械本体上设有吸附装置、移动装置、照明装置、摄像装置、检测装置和单片机；吸附装置包括螺旋桨及其驱动装置，移动装置包括驱动轮及其驱动装置和随动轮；控制系统包括显示器、主机、遥控器、收放机构和动力源；单片机与主机和遥控器有线或无线连接，摄像装置与显示器有线或无线连接，所放机构与机械本体连接，它具有良好的吸附、灵活的运动性能，以及优越的越障能力，最终完成对乏燃料池核废水环境观察和对壁面的无损检测，可以代替人潜入水下进行作业，避免了人在水下和辐射环境下的危险性，并且大大提高了作业效率，除了应用于核工业，还可以应用于石化工业、造船业、渔业、近海领域等许多行业。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型实施例的设计流程图；
[0011]图2为本实用新型实施例的力学原理图；
[0012]图3为本实用新型实施例的移动原理图；
[0013]图4为本实用新型实施例的总体框图；
[0014]图5为本实用新型实施例的水下螺旋桨推力吸附爬壁机器人载体三维模型图；
[0015]图6为本实用新型实施例的动密封结构图。
[0016]图中:
[0017]1、机械本体，2、万向轮，3、同步带轮，4、照明装置，5、螺旋桨，6、驱动装置，7、驱动轮，8、柔性裙，9、唇形圈，10、橡胶圈。
【具体实施方式】
[0018]下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0019]本实用新型的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，其较佳的【具体实施方式】是:
[0020]包括机械本体、控制系统，所述机械本体上设有吸附装置、移动装置、照明装置、摄像装置、检测装置和单片机；
[0021]所述吸附装置包括螺旋桨及其驱动装置，所述移动装置包括驱动轮及其驱动装置和随动轮；
[0022]所述控制系统包括显示器、主机、遥控器、收放机构和动力源；
[0023]所述单片机与所述主机和遥控器有线或无线连接，所述摄像装置与所述显示器有线或无线连接，所述收放机构与所述机械本体连接。
[0024]所述的机械本体为圆盘状，所述螺旋桨有两个，所述驱动轮有两个，所述随动轮为一个万向轮，两个驱动轮和一个万向轮呈三角形布置。
[0025]所述机械本体上还设有深度计、姿态传感器和编码器。
[0026]所述驱动装置的轴部密封采用两道唇形圈和一道橡胶圈。
[0027]应用本实用新型通过对乏燃料池壁面的检测，及时进行修复，可以有效的防止核泄漏，避免核事故的发生，具有广泛的应用前景和研宄意义。
[0028]本实用新型综合了计算机科学、机械工程技术、控制理论、机构学、电子工程、信息科学和传感器技术等多个科学最新的研宄发展成果，是现代高新科技发展的产物。水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人是特种机器人的一种，是一种设计用来在恶劣、危险、极限情况下、在水下壁面上进行特定作业如观查、检测、焊接等的一种自动化机械装置。这种机器人可以代替人潜入水下进行作业，避免了人在水下和辐射环境下的危险性，并且大大提高了作业效率，所以越来越受到世界各国的重视。除了应用于核工业，水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人还可以应用于石化工业、造船业、渔业、近海领域等许多行业。
[0029]具体实施例:
[0030]图1为本实用新型提供的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人的设计流程图，它为水下爬壁机器人设计提供了设计路线和方案。
[0031]图2为本实用新型提供的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人力学原理图，由于爬壁机器人是在水下钢铁壁面上进行工作，设计时必须对它安全性加以考虑。机器人在壁面作业时可能会出现两种危险情况:一是机器人在壁面上的滑落，二是机器人在壁面上发生倾覆。对机器人在壁面移动时进行静力分析，是以可靠性吸附为机器人的设计提供依据和参考。
[0032]图3为本实用新型提供的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人的移动原理图。
[0033]轮式移动装置一般有三个轮、四个轮或六个轮，其转向装置的结构通常有两种方式。铰轴转向式:转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴，从而控制转向轮的转向；差速转向式:在轮式机器人中，差动转向式控制较复杂，但精度较高，在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度比实现车体的转向，非驱动轮应为自由轮。
[0034]四轮的稳定性好，承载能力较大，但结构较复杂。三轮移动机构结构最简单，控制最方便。三点确定一个平面，三轮支撑理论上是稳定的，采用三轮移动机构的机器人来说，重心都比较低，载荷稳定且中心位置基本不发生变化，所以三轮移动机构能满足要求。前轮为万向轮，只起支撑作用，后两轮为驱动轮，固定不可转向，且相互独立。
[0035]图4为本实用新型实施例的总体框图。
[0036]水下推力吸附式爬壁机器人在结构上又可分为机械本体、摄像装置、检测装置和控制系统四部分，其工作原理为:在地面上放置水下爬壁机器人的控制系统，由它控制机器人在水下壁面上的移动。
[0037]这个控制系统包括主机、显示器、动力源及收放装置。动力源可以为水下机器人的移动和检测装置提供动力，收放装置随着机器人的上下移动及时地收放保护缆绳，为机器人提供安全保障条件，同时为机器人输送动力和控制电缆。显示器通过安装在机器人本体上的摄像机，实时地显示机器人的工作环境，便于操作者掌握机器人的工作状态。爬壁机器人从地面深入水下，在水下壁面上移动，检测装置由电机单独驱动做左右往复运动，机器人边移动边检测，如此往复，完成检测工作。
[0038]图5为本实用新型实施例的水下螺旋桨推力吸附爬壁机器人载体三维模型图
[0039]不像地面移动机器人，水下爬壁机器人要实现在水下壁面上的运动，首先需要提供可靠的吸附力。到目前为止，水下爬壁机器人采用吸附方式主要有以下四种:真空吸附、磁吸附、推力吸附、粘着剂材料吸附。
[0040]综合国内外现有的成果以及最新的发展方向，并结合本课题设计的爬壁机器人需要在水下壁面上运动，并且壁面过渡处存在棱角，表面上也可能存在凹凸和焊缝，考虑到推力吸附的材料适应性强，因此，最后选择了螺旋桨推力吸附的方式。
[0041]爬壁机器人的移动方式主要有车轮式、履带式、多足步行式和框架式4种方案，它们各有优缺点。车轮式移动速度快、控制灵活，特别是转向比较容易实现，但车轮与壁面接触面积小，因此维持移动的吸附力比较困难；履带式对壁面的适应性强，接触面积大，吸附力强，运动速度快，但不易转向和壁面过渡；多足步行式吸附力较强，易于跨越障碍，可灵活实现壁面过渡和转向等功能，但移动速度慢，多足的运动协调性要求较高，控制难度高；框架式利用多层框架的交替运动来实现机器人本体的整体移动，虽然控制比较简单、吸附力强，但运动速度较慢，转向和壁面过渡能力有限。
[0042]综合分析各方面的特性，结合水下爬壁机器人的工作环境，考虑到车轮式移动机器人功耗低，转向灵活，控制简单，结构简单，最终选择了车轮式移动方式，设计的移动机构如图2所示，该机构为三轮式，两个驱动轮和一个万向轮，通过差速移动的方式实现转弯、前进和后退。
[0043]驱动方式设计:常见的机器人驱动方式有电机驱动、液压驱动、气压驱动等方式，如表3所示。电机驱动相对其他几种驱动方式来说，具有体积小、重量轻、响应速度快、控制灵活方便等优点，电机驱动的控制简单、速度快的的特点在机器人的设计中中得到了广泛的应用。符合本文的设计要求，所以选择电机驱动的方式。
[0044]动力源的设计:由于需要对电机进行灵活的控制，所以选用电机分类中的控制类电机，其中包括步进电机和伺服电机。伺服电机凭借其良好的力矩范围、控制方式、控制精度、响应速度、平滑性、过载特性等优点，成为最终的选择对象。又因为水下爬壁机器人的结构内及周边环境不方便提供交流电，所以采用直流电源作为动力源，所以爬壁机器人的驱动机构为直流伺服电机。
[0045]图6为本实用新型实施例的动密封结构图。
[0046]水下机器人研制的关键问题之一是轴的动密封，即轴伸出本体处的密封。研宄表明:水下机器人由于密封问题而发生的故障比由于电子器件等问题而发生的故障高。水下机器人的密封分为静密封和动密封两种，静密封相对来说容易解决，动密封的问题比较难解决，轴在旋转时，由于轴与机壳间存在间隙，就会产生泄漏，而且介质压力越高、轴的转速越高，越容易产生泄漏。
[0047]结合水下爬壁机器人的机构以及工作环境，采用了唇形圈和斯特封组合密封的动密封，密封结构如图6所示，该方式密封可靠，能够有效的防止泄漏。
[0048]照明和摄像装置的设计:由于下潜深度要到达20m左右，为防止灯具和摄像头进水，设计了相应的防护罩，并且该防护罩应能承受3个标准大气压的压力，以保证照明装置的正常工作。
[0049]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，其特征在于，包括机械本体、控制系统，所述机械本体上设有吸附装置、移动装置、照明装置、摄像装置、检测装置和单片机； 所述吸附装置包括螺旋桨及其驱动装置，所述移动装置包括驱动轮及其驱动装置和随动轮； 所述控制系统包括显示器、主机、遥控器、收放机构和动力源； 所述单片机与所述主机和遥控器有线或无线连接，所述摄像装置与所述显示器有线或无线连接，所述收放机构与所述机械本体连接。
2.根据权利要求1所述的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，其特征在于，所述的机械本体为圆盘状，所述螺旋桨有两个，所述驱动轮有两个，所述随动轮为一个万向轮，两个驱动轮和一个万向轮呈三角形布置。
3.根据权利要求1或2所述的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，其特征在于，所述机械本体上还设有深度计、姿态传感器和编码器。
4.根据权利要求1所述的水下螺旋桨推力吸附式爬壁机器人，其特征在于，所述驱动装置的轴部密封采用两道唇形圈和一道橡胶圈。
【文档编号】B25J9/00GK204263162SQ201420653396
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】杨海强, 周灿丰, 高辉 申请人:北京石油化工学院