一种仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法

1.本发明涉及智能化机械风电塔筒管内喷漆设备利用领域，特别涉及一种仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法。


背景技术：

2.在当下科技飞速发展的今天，能源的收集与利用依旧是一个不可避免的问题。而像煤炭、石油、天然气等这类资源目前仍然是燃料使用的主力，但他们属于不可再生能源，面临着会被消耗殆尽的风险。除此之外，其燃烧产物也会给大气带来温室效应，有一定的弊端。因此，可再生能源成为了不可或缺的寻找方向。太阳能，风能，潮汐能等都是干净无污染且可以再生的能源。
3.风能作为最先发展且较为简单收集的能源，成为了可再生能源的主力。我国风能储量庞大，具有很高的可利用性，因此我国内蒙古、沿海等地区设置有大型的风电机组以收集庞大的风能。近几年，我国已经开始向海上发展，建设了多组海上风电机组，以收集海上的风能。风力发电机组由大型的风电支撑塔、风电叶片、发电机、蓄电池等多组件构成。风力发电机组通常都在一些环境较为严苛的地方工作，因此，极易受到自然环境的腐蚀。作为最主要的风电支撑塔，就必须要做好防护工作。目前的支撑塔多为硬质钢，采取的措施是将外壁和内壁进行涂漆处理，以此来达到防锈防腐蚀的目的。当下的风电塔筒内壁的喷漆多为人力操作，分有登高工作者和地面工作者，工作量大，耗时较长，且工作较为单一，很大程度的会削减工人的工作耐心，并且人工喷涂效果不均匀。对于大型的风电塔筒，人工操作还需要多项工具的辅助，例如吊架，吊杆等，会给工程造成很大的施工不便性。因此，一种自动、机械化的风电塔筒管内喷漆装置成为了亟待需要设计的方向。本发明专利可以很好的解决上述的问题，利用机械装置代替人工的操作，极大的简化了施工的步骤，且可以很好的保证喷漆精度，具有很好的便携性。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种可以很大程度上减少人力劳动，采用机械化、自动的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法。
5.本发明采用的技术方案是：一种仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法，包括机械平台、旋转喷漆装置、四足运动装置和定位装置；所述的机械平台包括油漆箱、空气泵、控制单元和蓄电池；所述的旋转喷漆装置包括旋转接头、喷漆关节ⅰ、喷漆关节ⅱ、喷漆关节、喷头、辅助动力装置和缓存漆箱；所述的定位装置包括头部的图像扫描装置、中央定位装置和尾部的辅助定位装置；所述的四足运动装置包括四条位于机械平台两侧的机械腿；所述的机械腿包括机械腿关节ⅰ、机械腿关节ⅱ、机械腿关节ⅲ和机械腿关节ⅳ。
6.上述的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法中，所述的机械
平台包括空气泵、控制单元、蓄电池、四个伺服电机以及电路设备；所述的四个伺服电机包括电机ⅰ、电机ⅱ、电机ⅲ和电机ⅳ，位于机械平台的左右两侧，每侧的两个电机相距0.8m，且距离机械平台的两侧壳体壁0.1m，每个伺服电机的传动轴都与外部的机械腿相连接；所述的四个伺服电机都与内部的蓄电池和控制单元相连接。
7.上述的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法中，所述的旋转喷漆装置包括喷漆机械臂、油漆箱、输漆管、输漆软管和辅助动力装置；所述的辅助动力装置与机械平台内部的控制单元和蓄电装置相连接；所述的缓存漆箱装配在辅助动力装置顶部；所述的喷漆机械臂包括旋转接头、喷漆关节ⅰ、喷漆关节ⅱ、喷漆关节、电机、电机、电机、喷头、喷嘴和导管；所述的喷漆关节和喷漆关节ⅰ之间通过喷漆关节联轴器ⅰ相连接，内部的电机控制喷漆关节ⅰ的旋转；所述的喷漆关节ⅰ和喷漆关节ⅱ之间通过喷漆关节联轴器ⅱ相连接，内部的电机控制喷漆关节ⅱ的旋转；所述的喷漆关节ⅱ和喷头之间通过喷漆关节联轴器ⅲ连接，电机控制喷头的旋转；所述的导管位于喷漆机械臂的内部；所述的输漆管和输漆软管连接在缓存漆箱的两侧；所述的油漆箱位于机械平台上方的靠近前端的位置；所述的空气泵位于机械平台的下方靠近前端的位置，可以用于平衡装置前后的重量。
8.上述的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法中，所述的定位装置包括头部图像扫描装置、中央定位装置和尾部辅助定位装置；图像扫描装置、中央的定位装置和尾部的辅助定位装置都与机械平台内部的控制单元相连接；所述的辅助定位装置包括喷头辅助定位器ⅰ和喷头辅助定位器ⅱ。
9.上述的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法中，所述的四足运动装置包括四条机械腿，每个机械腿都包括四个组件，机械腿关节ⅰ、机械腿关节ⅱ、机械腿关节ⅲ和机械腿关节ⅳ，以及四个电机，电机、电机和电机；所述的机械腿关节ⅰ与机械腿关节ⅱ之间安装有机械腿关节联轴器ⅰ；所述的机械腿关节ⅱ与机械腿关节ⅲ之间安装有机械腿关节联轴器ⅱ；所述的机械腿关节ⅲ与机械腿关节ⅳ之间安装有机械腿关节联轴器ⅲ；每个关节之间都是通过相对应的电机驱动，实现喷漆机械装置的运动和跨越障碍；所述的四个电机都通过内部引线与机械平台装载的蓄电池和控制单元相连接。
10.上述的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置及其工作方法中，所述的图像扫描装置采用的是图像识别技术，其头部的摄像头扫描出待喷漆风电管的内表面轮廓，将扫描出的图像传输到机械平台内部的控制单元进行数据处理；所述的喷头辅助定位器ⅰ和喷头辅助定位器ⅱ采用超声波定位，辅助定位喷嘴与风电塔筒内表面的距离，频率采用高频超声波。
11.一种仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的工作方法，具体操作如下：机械平台前进：装置开始作业的位置位于风电塔筒的一端，装置主体位于风电塔筒的内部，其行进方向朝向风电塔筒的另一端；当装置调整好初始位置时，头部的图像扫描装置开始对一定距离内的风电塔筒内表面进行图像扫描，扫描出待喷漆内表面的形状，将此形状的信息传递给控制单元；控制单元接受到信号后，控制电机ⅰ、电机ⅱ、电机ⅲ、电机ⅳ和四条机械腿的电机、电机和电机，使机械平台的上表面与地面平行；电机通过机械腿关节联轴器ⅰ的运动传递，控制机械腿关节ⅰ和机械腿关节ⅱ的相对运动；电机
通过机械腿关节联轴器ⅱ的运动传递，控制机械腿关节ⅱ和机械腿关节ⅲ的相对运动；电机通过机械腿关节联轴器ⅲ的运动传递，控制机械腿关节ⅲ和机械腿关节ⅳ的相对运动；控制单元通过上述方法控制四条机械腿的相互协调，使得装置整体前进移动。
12.旋转喷漆装置工作：当装置的位置调整好后，旋转喷漆装置开始工作；电机通过喷漆关节联轴器ⅰ的运动传递，控制喷漆关节ⅰ和喷漆关节的相对运动；电机通过喷漆关节联轴器ⅱ的运动传递，控制喷漆关节ⅰ和喷漆关节ⅱ的相对运动；电机通过喷漆关节联轴器ⅲ的运动传递，控制喷头与喷漆关节ⅱ的相对运动；通过控制不同的电机来控制喷漆机械臂到指定的位置；当装置开始工作时，喷头辅助定位器ⅰ和喷头辅助定位器ⅱ就开始工作，将距离信号传输给控制单元；控制单元接受到信号后，给相应的电机不同的信号，以此控制喷嘴到达待定的位置，并且保持待喷漆圆柱形表面与喷嘴有2mm-3mm的距离；当喷嘴和装置整体的位置调整到指定位置后，辅助动力装置和空气泵开始工作；辅助动力装置控制旋转接头以额定的速率进行圆周运动；空气泵给待喷的油漆提供动力，将油漆通过喷嘴喷出；当旋转一周后，辅助动力装置和空气泵进入待机状态；喷嘴开始的工作位置在风电塔筒的前端端面位置，当最外侧的一圈喷漆完毕后，控制单元、喷头辅助定位器ⅰ和喷头辅助定位器ⅱ通过上述的方法重新调整电机，使得喷嘴向里缩进0.1m，此间一直保持喷嘴与待喷漆圆柱形内表面保持2mm-3mm的距离，并且保持喷嘴与待喷圆柱形内表面的母线相平行；当喷嘴到达下一个指定的位置时，辅助动力装置和空气泵进入工作状态，重复上一次的工作。
13.机械平台越障工作：当装置前方遇到障碍时，图像扫描装置会扫描出路障的形状和位置，将信号传输给控制单元；控制单元接受到信号后，先控制电机ⅰ与一条机械腿的电机、电机和电机；电机ⅰ控制机械腿关节ⅰ的旋转；电机通过机械腿关节联轴器ⅰ控制机械腿关节ⅱ的旋转；电机通过机械腿关节联轴器ⅱ控制机械腿关节ⅲ的旋转；电机通过机械腿关节联轴器ⅲ控制机械腿关节ⅳ的旋转；通过上述的方法使得一条机械腿抬升，越过前方的障碍物；当此机械腿落下与风电塔筒内壁接触时，控制单元开始控制电机ⅲ和与其对应机械腿的电机，使得此机械腿抬升前进；当此机械腿落下与风电塔筒内壁接触时，控制单元开始控制电机ⅳ和与其对应机械腿的电机，使得此机械腿抬升前进；当此机械腿落下与风电塔筒内壁接触时，控制单元开始控制电机ⅱ和与其对应机械腿的电机，使得此机械腿抬升前进；以此来达到跨越障碍的目的；当机械装置越过障碍后，控制单元再一次控制电机，使得机械平台的上表面保持水平状态，并且，保持头部图像扫描装置的中心和定位装置的中心连线与待喷漆圆柱内表面的中心线重合。
14.当指定距离内的待喷漆圆柱形内表面喷漆完毕后，控制单元控制四条机械腿相对应的电机，使装置前进1.2m；图像扫描装置扫描出新的一段内表面的形状，将信号传递给控制单元；当装置在一次到达指定的位置后，控制单元控制四足运动装置，保持机械平台的上表面与地面水平，头部图像扫描装置的中心与定位装置的中心连线与新扫描的待喷漆圆柱形内表面的中心线重合；当装置整体的位置调整好之后，控制单元、喷头辅助定位器ⅰ和喷头辅助定位器ⅱ控制旋转喷漆装置到达新的位置；喷嘴新的工作位置联接上一次喷漆最后一圈的位置；辅助动力装置和空气泵重复之前的工作。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）本发明通过一个装置就可以完成风电塔筒管内壁的喷漆作业，极大的节约了人力资源，并且简化了人工作业的工程设施，减少了整体作业占用的体积，同时，本装置具有很高的便携性；2）本发明仿形的是动物的四组行走结构；此结构可以有效的越过风电塔筒内部的突起障碍，本装置头部的图像扫描装置可以扫描处装置前方的突起障碍，通过控制四条机械腿的相互调节以达到越障的目的；3）本发明配备的图像处理装置和定位装置可以扫描处待喷漆的表面形状，配合四条机械腿的抬高和降低，让装置整体处于水平；通过这种方法，本装置可以在形状变换较大的风电塔筒内表面进行喷漆作业；4）本发明的喷头采用雾化喷头，且有三个喷嘴并排分布，可以使喷出的油漆更加的均匀。
附图说明
16.图1为本发明的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的总体结构图。
17.图2为本发明的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的喷漆机械臂结构图。
18.图3为本发明的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的旋转喷漆装置的工作示意图。
19.图4为本发明的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的机械腿结构示意图。
20.图5为本发明的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的机械平台的内部示意图。
21.1—机械平台；2—油漆箱；3—空气泵；4—蓄电池；5—辅助动力装置；6—缓存漆箱；7—输漆管；8—支撑架；9—图像扫描装置；10—定位装置；11—旋转接头；12—喷漆关节ⅰ；13—喷漆关节ⅱ；14—喷头；15—喷头辅助定位器ⅰ；16—喷嘴；17—喷漆关节联轴器ⅰ；18—喷漆关节联轴器ⅱ；19—喷漆关节联轴器ⅲ；20—输漆软管；21—机械腿关节ⅰ；22—机械腿关节ⅱ；23—机械腿关节ⅲ；24—机械腿关节ⅳ；25—机械腿关节联轴器ⅰ；26—机械腿关节联轴器ⅱ；27—机械腿关节联轴器ⅲ；28—控制单元；29—电机ⅰ；30—电机ⅱ；31—电机ⅲ；32—电机ⅳ；33—喷漆关节；34—喷头辅助定位器ⅱ；35—保护管；36—电机；37—电机；38—电机；39—导管；40—电机；41—电机；42—电机。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
23.图1-5所示的是本发明的结构和工作示意图，其包括机械平台1、四足运动装置、旋转喷漆装置和定位装置。
24.所述的机械平台1包括空气泵3、蓄电池4、支撑架8、控制单元28、电机ⅰ29、电机ⅱ30、电机ⅲ31、电机ⅳ32和保护管35；所述的蓄电池4位于机械平台1的下方中央位置，负责电力的输出；所述的机械平台1内部装载有控制单元28、电机ⅰ29、电机ⅱ30、电机ⅲ31和电机ⅳ32；所述的电机ⅰ29、电机ⅱ30、电机ⅲ31和电机ⅳ32分别位于机械平台1内部的左右两
侧，每个电机与其相对应的机械腿关节ⅰ21相连接，控制其旋转活动；所述的控制单元28位于机械平台1的内部中央位置，与蓄电池4、定位装置10、图像扫描装置9、喷头辅助定位器ⅰ15、喷头辅助定位器ⅱ34和电机相连接，负责图像信号的处理、电机的控制；所述的蓄电池4与辅助动力装置5、定位装置10、图像扫描装置9、喷头辅助定位器ⅰ15、喷头辅助定位器ⅱ34和电机相连接，给装置提供电能；所述的支撑架8位于机械平台1的正上方，辅助装置整体的运输，也作为装置的保护措施；所述的保护管35与机械平台1的上表面相垂直，用于保护内部的电路设备；所述的空气泵3位于机械平台1的下方靠近前端的位置，与油漆箱2和蓄电池4相连接。
25.所述的四足运动装置包括四条机械腿；所述的机械腿包括机械腿关节ⅰ21、机械腿关节ⅱ22、机械腿关节ⅲ23、机械腿关节ⅳ24、机械腿关节联轴器ⅰ25、机械腿关节联轴器ⅱ26、机械腿关节联轴器ⅲ27、电机36、电机37和电机38；所述的机械腿关节ⅰ21和机械腿关节ⅱ22之间通过机械腿关节联轴器ⅰ25连接；所述的电机36装在机械腿关节ⅱ22内部，与机械腿关节联轴器ⅰ25相连接，控制机械腿关节ⅱ22的旋转运动；所述的机械腿关节ⅱ22和机械腿关节ⅲ23之间通过机械腿关节联轴器ⅱ26相连接；所述的电机37装在机械腿关节ⅲ23的内部，与机械腿关节联轴器ⅱ26相连接，控制机械腿关节ⅲ23的旋转运动；所述的机械腿关节ⅲ23和机械腿关节ⅳ24之间通过机械腿关节联轴器ⅲ27相连接；所述的电机38装在机械腿关节ⅲ23的内部，与机械腿关节联轴器ⅲ27相连接，控制机械腿关节ⅳ24的旋转运动；所述的四条机械腿位于装置整体的两侧，每侧各两条机械腿。
26.所述的定位装置包括图像扫描装置9、定位装置10、喷头辅助定位器ⅰ15和喷头辅助定位器ⅱ34；所述的图像扫描装置9的中心和定位装置10的中心连线与机械平台1的上表面平行；当装置作业时，图像扫描装置9的中心和定位装置10的中心连线与风电塔筒内圆柱的中心线相重合；所述的定位装置10在机械平台1的上表面中央的位置；所述的喷头辅助定位器ⅰ15和喷头辅助定位器ⅱ34位于喷头14的两侧，两点连线与喷嘴16相垂直。
27.所述的旋转喷漆装置包括油漆箱2、辅助动力装置5、缓存漆箱6、输漆管7、旋转接头11、喷漆关节ⅰ12、喷漆关节ⅱ13、喷漆关节33、喷头14、喷嘴16、喷漆关节联轴器ⅰ17、喷漆关节联轴器ⅱ18、喷漆关节联轴器ⅲ19、输漆软管20、导管39、电机40、电机41和电机42；所述的油漆箱2位于机械平台1的上方靠近前端的位置，内部储存待喷的油漆；所述的辅助动力装置5位于机械平台1的上表面靠近尾端的位置，控制旋转接头11的旋转运动；所述的输漆管7两端与油漆箱2和缓存漆箱6相连接，内部负责油漆的运送；所述的喷漆关节33与辅助动力装置5、旋转接头11和输漆软管20相连接，旋转接头11和喷漆关节33之间无相对运动；所述的输漆软管20一端与旋转接头11相连接，另一端与缓存漆箱6相连接，内部负责油漆的运送；所述的喷漆关节ⅰ12与喷漆关节33之间通过喷漆关节联轴器ⅰ17相连接；所述的电机40位于喷漆关节ⅰ12内部，与喷漆关节联轴器ⅰ17相连接，控制喷漆关节ⅰ12的旋转运动；所述的喷漆关节ⅱ13与喷漆关节ⅰ12之间通过喷漆关节联轴器ⅱ18相连接；所述的电机41位于喷漆关节ⅱ13内部，与喷漆关节联轴器ⅱ18相连接，控制喷漆关节ⅱ13的旋转运动；所述的喷头14与喷漆关节ⅱ13之间通过喷漆关节联轴器ⅲ19相连接；所述的电机42装配在喷漆关节ⅱ13的内部，与喷漆关节联轴器ⅲ19相连接，控制喷头14的旋转运动；所述的喷嘴16共有三个，并排装配在喷头14的中央位置；当装置进行喷漆作业
时，三个喷嘴16的连线与所扫描的圆柱形待喷表面的母线相平行；所述的导管39位于喷漆关节ⅰ12和喷漆关节ⅱ13的内部，两端分别与喷头14和旋转接头11相连接。
28.本发明的仿生四足运动的风电塔筒管内喷漆机械装置的工作方法，具体操作如下：机械平台前进：装置开始作业的位置位于风电塔筒的一端，装置主体位于风电塔筒的内部，其行进方向朝向风电塔筒的另一端；当装置调整好初始位置时，头部的图像扫描装置9开始对一定距离内的风电塔筒内表面进行图像扫描，扫描出待喷漆内表面的形状，将此形状的信息传递给控制单元28；控制单元28接受到信号后，控制电机ⅰ29、电机ⅱ30、电机ⅲ31、电机ⅳ32和四条机械腿的电机36、电机37和电机38，使机械平台1的上表面与地面平行；电机36通过机械腿关节联轴器ⅰ25的运动传递，控制机械腿关节ⅰ21和机械腿关节ⅱ22的相对运动；电机37通过机械腿关节联轴器ⅱ26的运动传递，控制机械腿关节ⅱ22和机械腿关节ⅲ23的相对运动；电机38通过机械腿关节联轴器ⅲ27的运动传递，控制机械腿关节ⅲ23和机械腿关节ⅳ24的相对运动；控制单元28通过上述方法控制四条机械腿的相互协调，使得装置整体前进移动。
29.旋转喷漆装置工作：当装置的位置调整好后，旋转喷漆装置开始工作；电机40通过喷漆关节联轴器ⅰ17的运动传递，控制喷漆关节ⅰ12和喷漆关节43的相对运动；电机41通过喷漆关节联轴器ⅱ18的运动传递，控制喷漆关节ⅰ12和喷漆关节ⅱ13的相对运动；电机42通过喷漆关节联轴器ⅲ19的运动传递，控制喷头14与喷漆关节ⅱ13的相对运动；通过控制不同的电机来控制喷漆机械臂到指定的位置；当装置开始工作时，喷头辅助定位器ⅰ15和喷头辅助定位器ⅱ34就开始工作，将距离信号传输给控制单元28；控制单元28接受到信号后，给相应的电机不同的信号，以此控制喷嘴16到达待定的位置，并且保持待喷漆圆柱形表面与喷嘴16有2mm-3mm的距离；当喷嘴16和装置整体的位置调整到指定位置后，辅助动力装置5和空气泵3开始工作；辅助动力装置5控制旋转接头11以额定的速率进行圆周运动；空气泵3给待喷的油漆提供动力，将油漆通过喷嘴16喷出；当旋转一周后，辅助动力装置5和空气泵3进入待机状态；喷嘴16开始的工作位置在风电塔筒的前端端面位置，当最外侧的一圈喷漆完毕后，控制单元28、喷头辅助定位器ⅰ15和喷头辅助定位器ⅱ34通过上述的方法重新调整电机，使得喷嘴16向里缩进0.1m，此间一直保持喷嘴16与待喷漆圆柱形内表面保持2mm-3mm的距离，并且保持喷嘴16与待喷圆柱形内表面的母线相平行；当喷嘴16到达下一个指定的位置时，辅助动力装置5和空气泵3进入工作状态，重复上一次的工作。
30.机械平台越障工作：当装置前方遇到障碍时，图像扫描装置会扫描出路障的形状和位置，将信号传输给控制单元28；控制单元28接受到信号后，先控制电机ⅰ29与一条机械腿的电机36、电机37和电机38；电机ⅰ29控制机械腿关节ⅰ21的旋转；电机36通过机械腿关节联轴器ⅰ25控制机械腿关节ⅱ22的旋转；电机37通过机械腿关节联轴器ⅱ26控制机械腿关节ⅲ23的旋转；电机38通过机械腿关节联轴器ⅲ27控制机械腿关节ⅳ24的旋转；通过上述的方法使得一条机械腿抬升，越过前方的障碍物；当此机械腿落下与风电塔筒内壁接触时，控制单元28开始控制电机ⅲ31和与其对应机械腿的电机，使得此机械腿抬升前进；当此机械腿落下与风电塔筒内壁接触时，控制单元28开始控制电机ⅳ32和与其对应机械腿的电机，使得此机械腿抬升前进；当此机械腿落下与风电塔筒内壁接触时，控制
单元28开始控制电机ⅱ30和与其对应机械腿的电机，使得此机械腿抬升前进；以此来达到跨越障碍的目的；当机械装置越过障碍后，控制单元28再一次控制电机，使得机械平台1的上表面保持水平状态，并且，保持头部图像扫描装置9的中心和定位装置10的中心连线与待喷漆圆柱内表面的中心线重合。
31.当指定距离内的待喷漆圆柱形内表面喷漆完毕后，控制单元28控制四条机械腿相对应的电机，使装置前进1.2m；图像扫描装置9扫描出新的一段内表面的形状，将信号传递给控制单元28；当装置在一次到达指定的位置后，控制单元28控制四足运动装置，保持机械平台1的上表面与地面水平，头部图像扫描装置9的中心与定位装置10的中心连线与新扫描的待喷漆圆柱形内表面的中心线重合；当装置整体的位置调整好之后，控制单元28、喷头辅助定位器ⅰ15和喷头辅助定位器ⅱ34控制旋转喷漆装置到达新的位置；喷嘴16新的工作位置联接上一次喷漆最后一圈的位置；辅助动力装置5和空气泵3重复之前的工作。