一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置的制作方法

本实用新型涉及壁面清洗机器人领域，特别是一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置。

背景技术：

爬壁机器人是一种主要应用于竖立面维护、检查、清洗等极限作业为主的移动机器人，壁面清洗机器人在壁面移动机器人中是最具前景的应用之一。当前，壁面清洗主要有三种方式：人工清洗、吊篮清洗、自动化设备清洗，前两种清洗方式完全依赖工人清洗，劳动强度大，而且存在安全隐患，自动化设备进行竖立面清洗也离不开人工干预，同时设备造价高昂。以上介绍的避免清洗方式在陆地环境下尚难以广泛使用，在环境更为特殊的水下环境下更难以适用。船舶等海洋设备长期在海洋环境中，水线以下往往附着大量的海生物，为使设备维持良好的工作状态，需要定期清除附着物，以降低阻力以及油耗，维持设备性能，提高设备效率。当前船舶等海洋设备海生物的清除作业主要有两种方式：一类是依赖潜水员进行人工清洗，该方式清洁效率低，危险系数大；另一类是船舶等海洋设备进坞清洁，该方式成本高，耗时长。上述各方面原因影响制约了水下清洁作业，随着海洋贸易的持续发展，如何在水下爬壁机器人基础上，研发设计一种清洁该种装置，灵活高效的对船舶等海洋设备的水下竖立面进行清洁作业，已成为行业内一个亟需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于已有技术存在的问题提供一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置，一方面，在爬壁机器人基础上，通过水枪三自由度可控平动，完成竖立面的清洁作业；另一方面，清洁工作装置需具有灵活性高、运动平稳、装配方便、结构强度高，稳定性能好等优点。

本实用新型通过以下技术方案来达到上述目的：

一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置，包含输水管、水枪、机架、臂杆、驱动链、直线驱动器，所述输水管为刚性管，包括第一输水管、第二输水管、第三输水管，所述臂杆包括第一臂杆、第二臂杆、第三臂杆；所述驱动链包括第一驱动链、第二驱动链，第一驱动链包括第一主动杆、第一连杆、摇臂、第二连杆，第二驱动链包括第二主动杆、第三连杆；所述第一输水管固定安装在第一臂杆上，第二输水管固定安装在第二臂杆上，第三输水管固定安装在第三臂杆上；机架、臂杆、驱动链、直线驱动器构成平面三自由度连杆机构。

所述机架、第一臂杆、第二主动杆、第三连杆构成第一闭环回路，所述第一臂杆通过第一转动副安装在机架上，第二主动杆一端通过第二转动副安装在机架上，另一端通过第三转动副与第三连杆连接，第三连杆为三副构件，包含第三转动副、第四转动副、第五转动副，所述第三连杆通过第四转动副与第一臂杆连接。第二主动杆由伺服电机驱动，通过伺服电机编程控制，第二主动杆可控转动，进而带动第一臂杆单自由度可控摆动。所述第一转动副、第四转动副之间的孔心距，它和第二转动副、第三转动副之间的孔心距相等，所述第三转动副、第四转动副之间的孔心距，它和第一转动副、第二转动副之间的孔心距相等，第一闭环回路构成平行四边形运动链，因此第三连杆始终相对机架平动。

所述第一臂杆、第三连杆、直线驱动器、第二臂杆构成第二闭环回路，所述直线驱动器一端通过第五转动副与第三连杆连接，另一端通过第六转动副与第二臂杆连接，所述第二臂杆通过第七转动副与第一臂杆连接。在第二主动杆、直线驱动器的耦合驱动下，第二臂杆可相对第一臂杆单自由度摆动；所述第四转动副、第五转动副之间的孔心距，它与第六转动副、第七转动副之间的孔心距相等；当直线驱动器通过伸缩，直至第五转动副和第六转动副之间的孔心距，它与第一转动副、第七转动副之间的孔心距相等时，此时直线驱动器锁止，第二闭环回路构成平行四边形运动链，此时第二臂杆相对第三连杆始终平动，而第三连杆始终相对机架平动，因此在上述情形下，当第二主动杆在伺服电机驱动下转动时，第二臂杆始终相对机架单自由度平动，因第二臂杆安装在第一臂杆上，因此第二臂杆平动范围将大幅增加，即获得增益，满足竖立面大空间的清洁作业要求。

所述第一主动杆、第一连杆、第一臂杆、摇臂构成第三闭环回路，所述第一主动杆一端通过第八转动副安装在机架上，所述第八转动副和第一转动副构成复合铰链，第一主动杆另一端通过第九转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第十一转动副与摇臂连接，所述摇臂通过第十二转动副安装在第一支撑臂上，所述第十二转动副与第七转动副构成复合铰链；所述第八转动副与第九转动副之间的孔心距，它与第十二转动副、第十一转动副之间的孔心距相等；第九转动副和第十一转动副之间的孔心距，它和第八转动副与第十二转动副之间的孔心距相等；所述第一主动杆、第一连杆、第一臂杆、摇臂构成平行四边形运动链，第一主动杆由伺服电机驱动，通过伺服电机编程控制，第一主动杆可控转动，摇臂始终相对第一主动杆平动。

所述第二连杆、摇臂、第二臂杆、第三臂杆构成第四闭环回路，所述第二连杆一端通过第十三转动副与摇臂连接，另一端通过第十四转动副与第三臂杆连接，所述第三臂杆通过第十五转动副与第二臂杆连接。所述第十三转动副与第十四转动副之间的孔心距，它与第七转动副、第十五转动副之间的孔心距相等，所述第七转动副、第十三转动副之间的孔心距，它与第十五转动副、第十四转动副之间的孔心距相等，所述第二连杆、摇臂、第二臂杆、第三臂杆构成平行四边形运动链，因此第三臂杆随着第二臂杆摆动，而相对摇臂平动，而摇臂运动过程中始终相对第一主动杆平动，因此第三臂杆在运动过程中始终相对第一主动杆平动，由于第三输水管固定安装在第三臂杆上，当第一主动杆锁止不动时，第三输水管将始终相对机架平动；另外第三输水管在第一主动杆、第二主动杆、直线驱动器耦合驱动下，可相对机架做平面三自由度可控运动。

第一输水管一端通过软管连通高压水路，另一端通过软管与第二输水管一端连通，第二输水管另一端通过软管与第三输水管一端连通，第三输水管另一端通过软管与水枪连通；所述机架通过第十转动副与爬壁机器人连接，在动力装置驱动下，机架可相对爬壁机器人可控转动。当安装有该种三自由度清洁工作装置的水下壁面清洗机器人在水下竖立面进行清洁作业时，通过机架可控回转运动以及第一主动杆、第二主动杆、直线驱动器的耦合驱动下，水枪可相对竖立面实现四自由度平动调整，即水枪相对竖立面距离、位置、水枪的倾斜角度均可控可调，水枪姿态即可相对竖立面平动，也可可控可调，高压水路中的高压水流通过第一输水管、第二输水管、第三输水管后，通过水枪喷出，利用高压水流，灵活高效的实现对船舶等海洋设备的复杂水下竖立面进行清洁作业。

本实用新型突出优点在于：

1、相比现有水枪通过全软管连接，输水管线在海水腐蚀性等复杂环境下，易损坏、老化、破裂，该种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置的输水管为刚性管，不仅提高了管道抗压能力，而且提高了输水管道的可靠性，降低了故障率，保证了水枪的作业稳定性和水下环境适应性；刚性管固定在臂杆上，臂杆之间通过转动副连接，不仅结构简单、成本低，而且刚性大，输水通道稳定性好。

2、该种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置由三个输水管串联，大幅提高了水枪的工作空间，该工作装置有三个自由度，不仅可以灵活的完成复杂竖立面的清洁作业要求，使水枪距离竖立面的高度、水枪倾斜角度、水枪位置可控可调，而且通过第二、第三、第四闭环回路的调整，可实现水枪平动，降低了水枪作业过程的控制难度；在机架可控转动下，水枪相对竖立面可进一步实现四自由度可控运动，高压水路中的高压水流通过水枪喷出，利用高压水流，高效的实现对船舶等海洋设备复杂表面的清洁作业。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置示意图。

图2为本实用新型所述的一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置驱动链示意图。

图3为本实用新型所述的一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置工作位姿示意图之一。

图4为本实用新型所述的一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置工作位姿示意图之二。

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3，一种水下壁面清洗机器人三自由度高灵活性工作装置，包含输水管、水枪7、机架1、臂杆、驱动链、直线驱动器26，所述输水管为刚性管，包括第一输水管3、第二输水管24、第三输水管5，所述臂杆包括第一臂杆4、第二臂杆23、第三臂杆6；所述驱动链包括第一驱动链、第二驱动链，第一驱动链包括第一主动杆29、第一连杆10、摇臂19、第二连杆12，第二驱动链包括第二主动杆32、第三连杆15；所述第一输水管3固定安装在第一臂杆4上，第二输水管24固定安装在第二臂杆23上，第三输水管5固定安装在第三臂杆6上；机架1、臂杆、驱动链、直线驱动器构成平面三自由度连杆机构。

对照图1、图2、图3，所述机架1、第一臂杆4、第二主动杆32、第三连杆15构成第一闭环回路，所述第一臂杆4通过第一转动副28安装在机架1上，第二主动杆32一端通过第二转动副33安装在机架1上，另一端通过第三转动副14与第三连杆15连接，第三连杆15为三副构件，包含第三转动副14、第四转动副16、第五转动副25，所述第三连杆15通过第四转动副16与第一臂杆4连接。第二主动杆32由伺服电机驱动，通过伺服电机编程控制，第二主动杆32可控转动，进而带动第一臂杆4单自由度可控摆动。所述第一转动副28、第四转动副16之间的孔心距，它和第二转动副33、第三转动副14之间的孔心距相等，所述第三转动副14、第四转动副16之间的孔心距，它和第一转动副28、第二转动副33之间的孔心距相等，第一闭环回路构成平行四边形运动链，因此第三连杆15始终相对机架1平动。

对照图1、图2、图3，所述第一臂杆4、第三连杆15、直线驱动器26、第二臂杆23构成第二闭环回路，所述直线驱动器26一端通过第五转动副25与第三连杆15连接，另一端通过第六转动副27与第二臂杆23连接，所述第二臂杆23通过第七转动副22与第一臂杆4连接。在第二主动杆32、直线驱动器26的耦合驱动下，第二臂杆23可相对第一臂杆4单自由度摆动；所述第四转动副16、第五转动副25之间的孔心距，它与第六转动副27、第七转动副22之间的孔心距相等；当直线驱动器26通过伸缩，直至第五转动副25和第六转动副27之间的孔心距，它与第一转动副28、第七转动副22之间的孔心距相等时，此时直线驱动器26锁止，第二闭环回路构成平行四边形运动链，此时第二臂杆23相对第三连杆15始终平动，而第三连杆15始终相对机架1平动，因此在上述情形下，当第二主动杆32在伺服电机驱动下转动时，第二臂杆23始终相对机架1单自由度平动，因第二臂杆23安装在第一臂杆4上，因此第二臂杆23平动范围将大幅增加，即获得增益，满足竖立面大空间的清洁作业要求。

对照图1、图2、图3，所述第一主动杆29、第一连杆10、第一臂杆4、摇臂19构成第三闭环回路，所述第一主动杆29一端通过第八转动副18安装在机架1上，所述第八转动副18和第一转动副28构成复合铰链，第一主动杆29另一端通过第九转动副9与第一连杆10一端连接，所述第一连杆10另一端通过第十一转动副11与摇臂19连接，所述摇臂19通过第十二转动副21安装在第一支撑臂4上，所述第十二转动副21与第七转动副22构成复合铰链；所述第八转动副18与第九转动副9之间的孔心距，它与第十二转动副21、第十一转动副11之间的孔心距相等；第九转动副9和第十一转动副11之间的孔心距，它和第八转动副18与第十二转动副21之间的孔心距相等；所述第一主动杆29、第一连杆10、第一臂杆4、摇臂19构成平行四边形运动链，第一主动杆29由伺服电机驱动，通过伺服电机编程控制，第一主动杆29可控转动，摇臂19始终相对第一主动杆29平动。

对照图1、图2、图3，所述第二连杆12、摇臂19、第二臂杆23、第三臂杆6构成第四闭环回路，所述第二连杆12一端通过第十三转动副20与摇臂19连接，另一端通过第十四转动副13与第三臂杆6连接，所述第三臂杆6通过第十五转动副8与第二臂杆23连接。所述第十三转动副20与第十四转动副13之间的孔心距，它与第七转动副22、第十五转动副8之间的孔心距相等，所述第七转动副22、第十三转动副20之间的孔心距，它与第十五转动副8、第十四转动副13之间的孔心距相等，所述第二连杆12、摇臂19、第二臂杆23、第三臂杆6构成平行四边形运动链，因此第三臂杆6随着第二臂杆23摆动，而相对摇臂19平动，而摇臂19运动过程中始终相对第一主动杆29平动，因此第三臂杆6在运动过程中始终相对第一主动杆29平动，由于第三输水管5固定安装在第三臂杆6上，当第一主动杆29锁止不动时，第三输水管5将始终相对机架1平动；另外第三输水管5在第一主动杆29、第二主动杆32、直线驱动器26耦合驱动下，可相对机架做平面三自由度可控运动。

对照图1、图2、图3、图4，第一输水管3一端通过软管连通高压水路，另一端通过软管与第二输水管24一端连通，第二输水管24另一端通过软管与第三输水管5一端连通，第三输水管24另一端通过软管与水枪7连通；所述机架1通过第十转动副2与爬壁机器人17连接，在动力装置驱动下，机架1可相对爬壁机器人17可控转动。当安装有该种三自由度清洁工作装置的水下壁面清洗机器人在水下竖立面进行清洁作业时，通过机架1可控回转运动以及第一主动杆29、第二主动杆32、直线驱动器26的耦合驱动下，水枪可相对竖立面实现四自由度平动调整，即水枪相对竖立面距离、位置、水枪的倾斜角度均可控可调，水枪姿态即可相对竖立面平动，也可可控可调，高压水路中的高压水流通过第一输水管3、第二输水管24、第三输水管5后，通过水枪7喷出，利用高压水流，灵活高效的实现对船舶等海洋设备的复杂水下竖立面进行清洁作业。