一种水下清洗机器人的制作方法

本发明涉及一种水下清洗机器人，属于机械工程领域和水下机器人领域。

背景技术：

随着海洋经济的崛起，水下作业呈现出技术要求越来越高、工作量越来越大的态势。海水具有腐蚀性，海洋生物有顽固的附着力，船舶底部，海洋钻井平台管道、拖带式电缆等在水里工作一段时间后，容易附着大量的藤壶类、藻类海洋生物以及锈斑等，通常需要潜水员进行定期清理。由此带来的问题也很显著:潜水员的人身安全得不到保障，工作时间受海况影响较大，工作效率低等。

早在上世纪末，就已经有很多研究机构开始设计有爬壁功能的水下清洗机器人，主要用于清理船舶底部、海洋平台水下导管上的海生物。船舶底部、海洋平台水下导管都是固定清洗方式，而带有障碍物的圆形导管/电缆清洗难度更大，例如地震/资源勘探/军事探测用拖带式电缆，非金属，并带有大量飞翼式罗经鸟保持所需姿态。

针对以上问题，申请日为2009年11月2日，申请号200910154488.2的专利涉及的“水下清洗机器人”，针对水下平面或有一定曲率的表面进行清洗作业，采用左、右轮组调整机器人行动速度和方向，采用柔性叶片对水下平面或有一定曲率的表面进行清洗。该机器人仅针对游泳池侧面等水下平面或有一定曲率的表面进行清洗，越障能力有限，无法对带有障碍物的圆形导管/电缆进行清理。

申请日为2011年10月26日，申请号201110328312.1的专利涉及的“清除水下船体附着物机器人”，针对舰船外壳附着物进行遥控清洗作业，使用切割片和钢刷清除船体外壳表面附着的海洋生物。该机器人无越障能力，清洗方式对船壳表面会有损伤，无法对带有障碍物的圆形导管/电缆进行清理。

申请日为2014年6月19日，申请号201420330136.4的专利涉及的"一种适用于导管架海生物清理的机器人机构"，该机器人的环抱式卡爪通过驱动剪刀撑的螺杆实现环抱导管架立柱，利用高压水对立柱海生物进行清理。但该机器人只能用于圆柱体结构的表面清理，越障能力有限，局限性较大。

申请日为2016年6月8日，申请号201610408757.3的专利涉及的“水下钢结构表面海生物清理机器人”，针对船舶底部、海洋钻井平台导管进行清洗作业，采用转向轮机构能够在水下不同曲率的钢结构表面爬行，该机器人只能用于钢结构表面海生物清理，并不能对带有障碍物的圆形导管/电缆进行清理。

申请日为2016年8月30日，申请号201610782211.4的专利涉及的“一种水下清洗机器人”，针对水下平台导管进行清洗作业，带有上下夹持装置和旋转装置，采用高压水对水下导管进行周向清洗。该机器人可以取代人工对水下平台导管进行清理，越障能力有限，无法对带有障碍物的圆形导管/电缆进行清理。

申请日为2017年11月8日，申请号201711092817.6的专利涉及的“一种节能环保的水下清洗机器人”，针对舰船外壳进行清洗作业，带有螺旋桨推进器和永磁体履带，使用机械臂清洗船壳。该机器人越障能力有限，无法对带有障碍物的圆形导管/电缆进行清理。

申请日为2018年5月10日，申请号201810445027.x的专利涉及的“一种面向海洋附着物的水下清洗机器人系统”，针对舰船外表面进行清洗作业，采用螺旋桨和轮辐式爬行轮在船体表面行进。该机器人仅针对船体外壳，越障能力有限，无法对带有障碍物的圆形导管/电缆进行清理。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种水下清洗机器人，以解决越障能力差、周向清洗困难、清洗效率低、无法解决带有障碍物的圆形导管/电缆清洗的的问题。

本发明的技术解决方案是：一种水下清洗机器人，包括：框架平台、以及安装在框架平台上的驱动控制单元、周向清洗单元、导向单元；

驱动控制单元控制整个机器人移动并定位在待清洗对象的上方；在驱动控制单元的控制下，通过导向单元夹紧待清洗对象，周向清洗单元通过空化射流的方式对待清洗对象进行周向清洗；当需要规避障碍物时，导向单元与周向清洗单元均放开待清洗对象，由驱动控制单元控制导向单元与周向清洗单元上移避开障碍物。

驱动控制单元所述的周向清洗单元包括两个对称的清洗底板，每个清洗底板上通过滚动轴承安装转换轴，小齿轮安装在所述的转换轴上，清洗底板上安装弧形齿圈，该弧形齿圈为内齿轮且与所述的小齿轮啮合，旋转用驱动电机安装在支撑板上，所述电机的输出轴与所述的转换轴固定，支撑板上安装喷嘴；两个清洗底板上的弧形齿圈位于同一圆周上，喷嘴出口始终对着位于所述清洗底板中间的待清洗对象表面。

驱动控制单元在清洗底板的截面为l型，l型的底面上设置凹槽，用于安装滚动轴承，所述的滚动轴承采用复合滚动轴承，所述的凹槽与所述轴承配合面的粗糙度至少1.6，所述的凹槽倒圆角半径至少为5毫米。

驱动控制单元所述的两个对称的清洗底板组合构成一个封闭的圆环，或者不完全封闭圆环，所述的不完全封闭圆环的开口角度小于喷管空化射流的扩张角20度。

驱动控制单元所述的两个清洗底板通过丝杠螺母组件安装在越障单元上，通过越障单元与框架平台连接；所述的越障单元能够带动清洗底板上下运动。

驱动控制单元所述的导向单元由两个对称的夹紧板构成，两个对称的夹紧板构成一个不完全封闭的圆环；夹紧板一侧通过丝杠螺母组件安装在越障单元上，通过越障单元与框架平台连接；所述的越障单元能够带动导向单元上下运动。

驱动控制单元在所述的夹紧板的内侧固定橡胶条。

优选的，所述的越障单元包括安装板、导轨、水下电动推杆；

安装板上安装丝杠螺母组件，水下电动推杆的输出端与所述安装板固连，导轨固定在框架平台上，导轨的滑块与所述的安装板固连；通过水下电动推杆带动安装板沿导轨上下运动。

优选的，所述的丝杠螺母组件采用梯形丝杠螺母组件。

优选的，所述的驱动控制单元包括侧向推进器、主推进器、控制设备舱、清洗动力单元、能源系统；

能源系统为整个机器人供电；清洗动力单元为周向清洗单元提供空化射流动力；主推进器为整个机器人提供前进主动力，侧向推进器用于改变机器人的姿态；控制设备舱内密封存储用于整个清洗控制的电路板。

优选的，驱动控制单元还包括浮力材料，通过浮力材料调节整个机器人的重心和浮心在同一铅垂线上。

所述的水下清洗机器人适用于带有障碍物的水下电缆或导管。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明采用集成化的水下电动推杆带动导向装置、清洗装置上下运动，占用空间少，安装简单，垂直位移大(最大行程达到400毫米)，配合主推进器和侧向推进器，越过障碍物能力强。

(2)本发明采用水下电机驱动梯形丝杠传动，带动梯形丝杠上左旋螺母、右旋螺母做直线进给运动，进而带动两个弧形的导向夹紧板实现开、合动作；导向夹紧板内侧安装有橡胶条，夹紧圆形导管/电缆的同时可以防止损伤电缆等贵重易损件，服务范围大，自锁可靠，能够方便、快捷地实现机器人的前进导向。

(3)本发明采用固定弧形齿圈与水下电机直驱驱动的小齿轮啮合运动，带动两个对称安装的喷嘴运动，喷嘴旋转中心与圆形导管/电缆中心线重合，每个喷嘴运动范围±75°，配合喷嘴本身的喷洗范围，可实现对圆形导管/电缆的360°全周向清洗，清洁度高，清洗效率高。

(4)本发明采用两个对称安装的喷嘴采用空化水射流方式进行清洗，清洗效率高，可有效减少清洗工作时带来的冲击；使用复合滚动轴承+精密研磨的导轨(左侧清洗底板、右侧清洗底板上的凹槽)，凹槽与轴承配合面的粗糙度至少1.6，根部倒圆角半径不小于5毫米，使得喷嘴能够围绕圆形导管/电缆中心线旋转，同时仅有粗糙度要求和倒圆角要求的凹槽加工方便，整个旋转机构体积小，承载力大，能够承受清洗运动过程中产生的高轴向载荷与径向载荷，满足带有障碍物的圆形导管/电缆清洗需求。

附图说明

图1为本发明水下清洗机器人结构示意图；

图2为本发明水下清洗机器人a—a剖视图；

图3为本发明水下清洗机器人b—b剖视图；

图4为本发明水下清洗机器人c—c剖视图；

图5为本发明水下清洗机器人d—d剖视图；

图6为本发明水下清洗机器人e—e剖视图；

图7为本发明水下清洗机器人f—f剖视图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明提供了一种水下清洗机器人，如图1-图7所示，包括：探测/照明设备1、机器人框架平台2、浮力材料3、控制设备舱4、清洗动力单元5、侧向推进器6、能源系统7、主推进器8、导向装置基板9、清洗装置基板10、水下电动推杆i11、水下电动推杆ii12、安装板i13、导轨i14、安装板ii15、导轨ii16、左侧清洗底板17、右侧清洗底板18、左侧导向夹紧板19、左侧橡胶条20、右侧橡胶条21、右侧导向夹紧板22、弧形齿圈i23、旋转用驱动电机24、清洗安装支撑板25、喷嘴26、复合滚动轴承27、转换轴28、胀紧套29、小齿轮30、弧形齿圈ii31、水下直线驱动系统i32、安装支撑台i33、联轴节i34、轴承压板i35、止动环i36、轴承i37、轴承座i38、梯形丝杠i39、支撑轴承座i40、水下直线驱动系统ii41、安装支撑台ii42、联轴节ii43、轴承压板ii44、止动环ii45、轴承ii46、轴承座ii47、梯形丝杠ii48、支撑轴承座ii49；

通过水下电动推杆ii12头部的螺纹，将安装板ii15与水下电动推杆ii12连接在一起。再将水下电动推杆ii12、导轨ii16通过螺钉安装在清洗装置基板10上。然后使用螺钉将安装板ii15与导轨ii16上的滑块紧密连接。

在梯形丝杠i39两端装入一对轴承i37，并通过轴承压板i35、止动环i36将之安装在轴承座i38、支撑轴承座i40之间，使得轴承i37、轴承座i38、梯形丝杠i39、支撑轴承座i40紧密连接。轴承压板i35安装在左端轴承左侧，与止动环i36配合将轴承i37轴向压紧。使用螺钉将轴承座i38、支撑轴承座i40安装在安装板ii15上。

将水下直线驱动系统i32通过螺钉与安装支撑台i33连接，再将其通过螺钉安装在安装板ii15上。通过联轴节i34，使得水下直线驱动系统i32的输出轴与梯形丝杠i39左端输入轴相连，传递动力。

将弧形齿圈i23通过螺钉安装在左侧清洗底板17的高台上面。使用热安装方式，使得转换轴28的一端与复合滚动轴承27头部凸台紧密连接。将小齿轮30内圈与胀紧套29的外圈安装在一起，再将上述连接后的胀紧套29从转换轴28的另一端装入，拧紧胀紧套29的螺钉使得复合滚动轴承27、转换轴28、胀紧套29、小齿轮30紧密连接在一起。

将旋转用驱动电机24的输出端伸出清洗安装支撑板25的圆形凹槽，使用螺钉将两者固定在一起。再使用螺钉将喷嘴26安装在清洗安装支撑板25的垂直段上。

将上述连接后的旋转用驱动电机24的输出轴通过键与上述连接后的转换轴28紧密相连。

将上述连接后的复合滚动轴承27装入左侧清洗底板17上的凹槽内。所述小齿轮30与弧形齿圈i23啮合形成齿轮组进行传动，使得喷嘴26可以围绕圆形导管/电缆中心线做旋转运动，旋转范围±75°。喷嘴26旋转中心始终与圆形导管/电缆中心线重合。喷嘴出口始终对着位于所述清洗底板中间的待清洗对象表面，喷嘴出口距离待清洗对象表面为50毫米。

右侧清洗底板18的凹槽内也对称装入上述一套装置。通过螺钉，使得弧形齿圈ii31和右侧清洗底板18紧密连接在一起。同样地，小齿轮与弧形齿圈ii31啮合形成齿轮组进行传动，使得对称安装在右侧清洗底板18上的喷嘴围绕圆形导管/电缆中心线做±75°旋转运动。喷嘴出口始终对着位于所述清洗底板中间的待清洗对象表面，喷嘴出口距离待清洗对象表面为50毫米。

上述弧形齿圈i23、31是内齿轮，分别固定在左侧清洗底板17、右侧清洗底板18的高台上。旋转用驱动电机24驱动小齿轮30与弧形齿圈i23啮合形成齿轮组，经转换轴28带动复合滚动轴承27，沿着左侧清洗底板17上的弧形凹槽内，围绕圆形导管/电缆中心线做±75°旋转运动。

通过左侧清洗底板17、右侧清洗底板18上部的通孔，使用螺钉将上述连接后的左侧清洗底板17、右侧清洗底板18分别与梯形丝杠i39上的左旋螺母、右旋螺母相连。

上述连接后构成装在清洗装置基板10上的水下清洗机器人的清洗装置。通过螺钉，使得上述连接后的清洗装置基板10与机器人框架平台2紧密连接。

通过水下电动推杆i11头部的螺纹，将安装板i13与水下电动推杆i11连接在一起。再将水下电动推杆i11、导轨i14通过螺钉安装在导向装置基板9上。然后使用螺钉将安装板i13与导轨i14的滑块紧密连接。水下电动推杆i11直线推动安装板i13在导轨i14运动，带动由左侧导向夹紧板19、左侧橡胶条20、右侧橡胶条21、右侧导向夹紧板22、水下直线驱动系统ii41、安装支撑台ii42、联轴节ii43、轴承压板ii44、止动环ii45、轴承ii46、轴承座ii47、梯形丝杠ii48、支撑轴承座ii49组成的导向装置在垂直方向运动。

水下电动推杆ii12直线推动安装板ii15在导轨ii16运动，带动由左侧清洗底板17、右侧清洗底板18、弧形齿圈i23、旋转用驱动电机24、清洗安装支撑板25、喷嘴26、复合滚动轴承27、转换轴28、胀紧套29、小齿轮30、弧形齿圈ii31、水下直线驱动系统i32、安装支撑台i33、联轴节i34、轴承压板i35、止动环i36、轴承i37、轴承座i38、梯形丝杠i39、支撑轴承座i40组成的清洗装置在垂直方向运动。

在梯形丝杠ii48两端装入一对轴承ii46，并通过轴承压板ii44、止动环ii45将之安装在轴承座ii47、支撑轴承座ii49之间，使得轴承ii46、轴承座ii47、梯形丝杠ii48、支撑轴承座ii49紧密连接。轴承压板ii44安装在左端轴承左侧，与止动环ii45配合将轴承ii46轴向压紧。使用螺钉将轴承座ii47、支撑轴承座ii49安装在安装板i13上。

将水下直线驱动系统ii41通过螺钉与安装支撑台ii42连接，再将其通过螺钉安装在安装板i13。通过联轴节ii43，使得水下直线驱动系统ii41的输出轴与梯形丝杠ii48左侧输入轴相连，传递动力。

使用螺钉，将左侧导向夹紧板19、左侧橡胶条20，右侧橡胶条21、右侧导向夹紧板22连接在一起，左侧橡胶条20、右侧橡胶条21分别在左侧导向夹紧板19、右侧导向夹紧板22的内侧。再通过左侧导向夹紧板19、右侧导向夹紧板22上部的通孔，使用螺钉将左侧导向夹紧板19、右侧导向夹紧板22分别与梯形丝杠ii47上的左旋螺母、右旋螺母相连。

上述连接后构成装在导向装置基板9上的水下清洗机器人的导向装置，分别装入机器人框架平台2的前部和后部。通过螺钉，使得上述连接后的导向装置基板9与机器人框架平台2紧密连接。

将探测/照明设备1、浮力材料3、控制设备舱4、清洗动力单元5、侧向推进器6、能源系统7、主推进器8由左至右，依次通过螺钉安装在机器人框架平台2上。其中，侧向推进器6有四个，两个一组对称装在机器人框架平台2两侧外部，两个主推进器8对称安装在机器人框架平台2右侧外部。

所述小齿轮与弧形齿圈i啮合形成齿轮组进行传动，使得喷嘴可以围绕圆形导管/电缆中心线做旋转运动，旋转范围±75°。

经过项目试验测试，该发明实施例满足水下清洗机器人清洗带有障碍物的圆形导管/电缆的需求，具备较强的越障能力，能够在行进中进行周向清洗，清洗效率高，清洁度高。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。