一种车载式水炮三自由度数控支撑机构的制作方法

本实用新型涉及水炮领域，特别是一种车载式水炮三自由度数控支撑机构。

背景技术：

水炮一般安装在车体上，是一种以水作为工作介质，通过炮体的喷头喷射水流的消防设备，不仅用于消防领域，是远距离灭火的关键设备，而且也广泛应用于市政环卫领域，是道路洒水、树木病虫害防治、大气降尘等领域的有力工具。水炮的操作方式一般分为手动操纵和自动控制两种，手动操纵型水炮炮体安装在支撑架上，由人直接操作炮体进行喷水作业，虽然该种操作方式操作人员劳动强度大，喷水效果差，但手动操纵型水泡结构简单，维护保养容易，成本低廉，依然是当前市政环卫领域应用最广泛的一种水炮类型；自动控制型水炮是近些年产生的一类新型智能消防水炮，具体包括自动扫描射水高空水炮、电控消防水炮、红外线自动寻的消防水炮等类型，该类自动控制型水炮广泛应用于石油化工企业、储罐区、飞机库、仓库、港口码头、车库等场所，更是消防车理想的车载消防炮。

自动控制型水炮虽然不再需要人工操作，自动化程度高，依赖传感器等电子设备即可实现自动化喷水作业，但是由于自动控制型水炮是一种通过活动关节直接连接自动化钢性水管组，不仅因为在喷水作业过程中管体、活动关节需承受较大的惯性力和水压力，对密封性和加工精度提出了较为严苛的要求，而且由于自动控制型水炮管体即是机械臂，需考虑流体动力学因素，对设计要求更高，因此自动控制型水炮造价高昂，仅作为消防器材得到了有限应用，在市政环卫等领域，如道路洒水、树木病虫害防治等工作依然依赖手动操纵型车载水炮。另外，自动控制型水炮驱动管壁的控制用电动机均安装在关闭关节上，水炮在运动过程中需要承受更大的运动惯量，系统动力学性能较差。

如何基于可控机构等机构学前沿理论提出一种车载式水炮三自由度数控支撑机构，具有机械结构简单、机构耦合度低、控制编程容易等特点，不仅可以实现自动化喷水作业，拥有自动控制型水炮拥有的控制精度和灵活性，而且具有更高的可靠性和刚度，更小的转动惯量，更好的动力学性能，不仅满足石油化工企业、储罐区、飞机库、仓库、港口码头、车库等场所的自动化消防作业要求，而且以更低的加工、制造成本，较好的满足道路洒水、树木病虫害防治等市政环卫领域自动化作业需要，已成为水炮领域一个亟需解决的工程问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种车载式水炮三自由度数控支撑机构，具有机械结构简单、机构耦合度低、控制编程容易等特点，不仅可以实现自动化喷水作业，拥有自动控制型水炮拥有的控制精度和灵活性，而且具有更高的可靠性和刚度，更小的转动惯量，更好的动力学性能，不仅满足石油化工企业、储罐区、飞机库、仓库、港口码头、车库等场所的自动化消防作业要求，而且以更低的加工、制造成本，满足道路洒水、树木病虫害防治等市政环卫领域的自动化作业需要。

本实用新型通过以下技术方案达到上述目的：

一种车载式水炮三自由度数控支撑机构，包含喷头支撑机构和底座，所述喷头支撑机构为全转动副平面五杆两自由度机构，包含机架、主动臂、主动杆、连杆、托架，所述机架通过第一转动副与底座连接，所述主动臂一端通过第二转动副与机架连接，另一端通过第三转动副与托架连接，所述主动杆一端通过第四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与连杆一端连接，所述连杆另一端通过第六转动副与托架连接，所述托架上安装有喷枪。

所述机架由控制用电动机驱动控制，进而相对底座实现可控转动，所述主动臂、主动杆均由安装在机架上的控制用电动机驱动控制，进而实现托架的两自由度俯仰运动。通过机架和托架的耦合运动，可实现喷枪的三自由度柔性可控喷水作业。

在计算机编程控制下，通过机架、主动臂、主动杆相互耦合运动，可使该种车载式水炮三自由度数控支撑机构上的托架实现三自由度柔性可控运动，进而保证安装在托架上的喷枪进行高灵活性、大空间、高精度可控喷水作业。由于控制用电动机安装在机架上，相比现有自动控制型水炮电动机安装在关节处，有效降低了执行机构的重心，降低了运动惯量，改善了动力学性能。所述第二转动副、第四转动副轴线同轴，可以显著降低喷头支撑机构的耦合度，运动学正、逆解求解容易，便于编程与控制。

所述喷头支撑机构采用全转动副平面五杆两自由度机构设计，机构杆件少，装配制造成本低，相比现有自动控制型水炮采用的串联结构设计，该种喷头支撑机构为平面五杆并联机构，具有刚度大、承载稳定性强等优势。所述底座安装在车体上，在实际工程应用中，只需将合适的喷枪固定到托架上，在计算机控制下，喷枪即可随托架实现三自由度柔性可控运动，水泵通过管线将从水箱中泵出的水输出给喷枪适时喷出，即可完成喷水作业。另外，由于管线与喷枪不再是组成喷头支撑机构的构件，相对独立，不仅有效降低了喷头支撑机构的制造、加工成本，而且大幅提高了喷头支撑机构的适用场合，只需要换装不同的喷枪14既可进行消防灭火、道路洒水、树木病虫害防治等其它喷水作业。

与现有技术相比，本实用新型的突出优点在于：

1.该种车载式水炮三自由度数控支撑机构可实现三自由度柔性可控运动，相比现有技术采用的两自由度自动控制型水炮，灵活性更好，适用场合更广。

2.该种车载式水炮三自由度数控支撑机构其喷头支撑机构采用全转动副平面五杆两自由度机构设计，机构杆件少，机构复杂度低，相比现有自动控制型水炮采用的串联结构设计，具有刚度大、承载稳定性强等优势。

3.该种车载式水炮三自由度数控支撑机构其喷头支撑机构的控制用电动机均安装在机架上，相比电动机安装在关节处的现有自动控制型水炮，有效降低了执行机构的重心，降低了运动惯量，改善了动力学性能。主动臂和主动杆分别与机架相连接的转动副采用同轴设计，显著降低了喷头支撑机构的耦合度，有效简化了运动学正、逆解求解，改善了编程与控制难度。

4.该种车载式水炮三自由度数控支撑机构中，由于管线与喷枪不再是组成喷头支撑机构的构件，相对独立，不仅有效降低了喷头支撑机构的制造、加工成本，而且大幅提高了喷头支撑机构的适用场合，只需要换装不同的喷枪既可进行消防灭火、道路洒水、树木病虫害防治等喷水作业。

附图说明

图1为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构的喷头支撑机构主视图。

图2为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构的喷头支撑机构三维视图之一。

图3为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构的喷头支撑机构三维视图之二。

图4为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构的喷头支撑机构三维视图之三。

图5为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构的喷头支撑机构活动范围示意图。

图6为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构主视图。

图7为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构姿态示意图之一。

图8为本实用新型所述车载式水炮三自由度数控支撑机构姿态示意图之二。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。

对照图1、图2、图3、图4，一种车载式水炮三自由度数控支撑机构，包含喷头支撑机构和底座2，所述喷头支撑机构为全转动副平面五杆两自由度机构，包含机架4、主动臂12、主动杆6、连杆8、托架10，所述机架4通过第一转动副3与底座2连接，所述主动臂12一端通过第二转动副11与机架4连接，另一端通过第三转动副13与托架10连接，所述主动杆6一端通过第四转动副5与机架4连接，另一端通过第五转动副7与连杆8一端连接，所述连杆8另一端通过第六转动副9与托架10连接，所述托架10上安装有喷枪14。

对照图1、图2，所述机架4由控制用电动机驱动控制，进而相对底座2实现可控转动，所述主动臂12、主动杆6分别由安装在机架4上的控制用电动机16、控制用电动机15驱动控制，进而实现托架10的两自由度俯仰运动。通过机架4和托架10的耦合运动，可实现喷枪14的三自由度柔性可控喷水作业。

对照图1、图2、图5，在计算机编程控制下，通过机架4、主动臂12、主动杆6相互耦合运动，可使该种车载式水炮三自由度数控支撑机构上的托架10实现三自由度柔性可控运动，进而保证安装在托架10上的喷枪14进行三自由度高灵活性、大空间、高精度可控喷水作业。由于控制用电动机安装在机架上，相比现有自动控制型水炮电动机安装在关节处，有效降低了执行机构的重心，降低了运动惯量，改善了动力学性能。所述第二转动副11、第四转动副5轴线同轴，可以显著降低喷头支撑机构的耦合度，运动学正、逆解求解容易，便于编程与控制。

对照图5、图6、图7、图8，所述喷头支撑机构采用全转动副平面五杆两自由度机构设计，机构杆件少，装配制造成本低，相比现有自动控制型水炮采用的串联结构设计，该种喷头支撑机构为平面五杆并联机构，具有刚度大、承载稳定性强等优势。所述底座2安装在车体1上，在实际工程应用中，只需将合适的喷枪14固定到托架10上，在计算机控制下，喷枪14即可随托架10实现三自由度柔性可控运动，水泵通过管线将从水箱17中泵出的水输出给喷枪14适时喷出，即可完成喷水作业。另外，由于管线与喷枪14不再是组成喷头支撑机构的构件，相对独立，不仅有效降低了喷头支撑机构的制造、加工成本，而且大幅提高了喷头支撑机构的适用场合，只需要换装不同的喷枪14既可进行消防灭火、道路洒水、树木病虫害防治等其它喷水作业。该种车载式水炮三自由度数控支撑机构技术优势明显，市场前景广阔。