一种水下桥墩检测机器人的变体重构机构的制作方法

本发明涉及一种变体重构机构，具体涉及一种水下桥墩检测机器人的变体重构机构，属于水下工程检测。

背景技术：

1、目前，我国很多的港口工程、水运工程、桥梁工程都使用了墩柱结构。墩柱结构是结构的主要承重部分，直接承担上部结构传递的荷载，其质量直接关系到结构物使用的耐久性和营运的安全性。由于墩柱结构多置于水中工作，长期处于复杂的水文地质中，河水及其裹挟泥沙对水下墩柱的流水冲刷、侵蚀，使得桥墩基础容易产生各种缺陷，这些缺陷和病害会对桥梁的耐久性和承载能力形成较大的危害，严重时甚至可能危及使用安全。这些病害位置处于水下，常规检查时难以被发现，是桥梁结构的巨大安全隐患。因此，全面系统的了解和掌握该桥水下构件的状况，为该桥的养护、维修提供科学合理的技术资料和决策依据，从而确保桥梁结构的安全，对桥梁水下结构的检测至关重要。

2、传统的墩柱水下检测，目前主要还是采用潜水员人工摸测，并结合水下摄像方法对水下桥墩结构进行专项检测。但是，其缺点是对检测的环境要求比较高，水质比较清的环境下，利用水下摄像检测的效果还比较好；水质浑浊时，只能依靠潜水员水下摸探进行检测，检测速度慢，检测费用高，潜水员人身安全威胁较大，特别是在港口工程、海岸工程等存在海流和波浪的海洋环境，潜水员容易出现安全事故。

3、为了克服传统桥墩水下检测缺陷，近年来，水下机器人孕育而生，并代替潜水员实施水下桥墩的质量检测，但是目前水下机器人依然存在以下问题：第一，由于水下桥墩周边的水流情况更加复杂，不仅水流比较快，而且还会产生涡流，由于机器人的整体结构姿态是单一不变的，因此，受水流和涡流等因素影响，都会使机器人很难靠近桥墩周边，更加为后续检测作业增加难度系数，因此，还需要人为辅助支持，同样也会给工作人员带来不稳定的安全因素。第二，已有技术中的水下潜航器为单体航行器，在水中依靠推进器进行航行和悬停，由于受水流和自身推进器稳定性的影响，机体姿态很难长时间保持稳定，因而无法为检测设备提供很好的稳定平台，检测效果不理想。第三，常规单体潜航器由于航行方式的局限性，无法完成桥墩周身的全方位稳定精准检测，航行操作难度极大。另外近距或微距检测也几乎不可能，混水环境几乎无法操作。第四，常规单体潜行器体积受限，电池容量不大，无法长时间作业，另外长时间静态悬浮检测状态也需要推进器持续运行而保持机体平衡，更加加剧了电量损耗。第五，常规单体潜行器普遍负载很小，很难同时搭载多种检测设备，或者重型设备，检测类型比较受限和单一。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种能够在复杂水文地质情况下以展开姿态能够靠得上水下桥墩，并再靠上水下桥墩之后调整为合拢姿态环抱水下桥墩，为检测设备提供良好稳定平台的水下桥墩检测机器人的变体重构机构。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种水下桥墩检测机器人的变体重构机构，其创新点在于：包括多个结构相同且连为一体的水下执行单元体，每个水下执行单元体均包括第一框架体、第二框架体、第三框架体、第四框架体、第五框架体和姿态调整单元，

3、所述姿态调整单元包括转角电机、转角齿条、齿条座、角度传感器、导向滑条和导向滑条座，

4、所述第一框架体上设有两组呈上下布置的齿条座和导向滑条安装座，所述第二框架体和第五框架体上分别设有一组呈上下布置的齿条座和导向滑条安装座，每一个齿条座上均安装有转角电机，所述第三框架体和第四框架体两侧的外端分别设有呈上下布置的转角齿条和导向滑条，

5、所述第三框架体两侧外端的转角齿条分别与第一框架体上的一组齿条座和与其相邻的第五框架体上的齿条座滑动配合，且每个齿条座上的转角电机的动力输出轴与对应的转角齿条传动连接，所述第三框架体两侧外端的导向滑条分别与第一框架体上的一组导向滑条座和第五框架体上的导向滑条座滑动配合，

6、所述第四框架体两侧外端的转角齿条分别与第一框架体上的另一组齿条座和与其相邻的第二框架体上的齿条座滑动配合，且齿条座上的转角电机的动力输出轴与转角齿条传动连接，所述第四框架体两侧外端的导向滑条分别与第一框架体上的另一组导向滑条座和第二框架体上的导向滑条座滑动配合，

7、所述第一框架体两侧的内端分别与第三框架体一侧的内端以及第四框架体一侧的内端铰接连接，并在第一框架体两侧铰接支点的顶部分别设有一个角度传感器，所述第三框架体另一侧的内端与相邻的第五框架体一侧的内端铰接连接，且在该铰接支点的顶部同样设有一个角度传感器，所述第四框架体另一侧的内端与相邻的第二框架体一侧的内端铰接连接，且在该铰接支点的顶部同样设有一个角度传感器，

8、所述姿态调整单元的转角电机动作时，使转角齿条相对齿条座移动，导向滑条相对导向滑条座移动，所述水下执行单元体内侧的铰接支点发生转动，外侧可实现合拢和展开不同状态，实现水下执行单元体的变体重构。

9、在上述技术方案中，所述转角电机的动力输出轴上设有传动齿轮，且传动齿轮与转角齿条啮合。

10、在上述技术方案中，还包括用来保证水下执行单元体身形平衡的悬浮单元，所述悬浮单元包括浮力块和配重块，所述第一框架体、第二框架体、第三框架体、第四框架体和第五框架体各自的顶部分别设有浮力块，所述第一框架体、第二框架体、第四框架体和第五框架体上分别还设有配重块。

11、在上述技术方案中，所述第一框架体、第二框架体、第三框架体、第四框架体和第五框架体各自两侧的内端具有呈上下布置的连接耳，所述第一框架体两侧内端的连接耳分别通过对应的转轴与第三框架体一侧内端的连接耳以及第四框架体一侧内端的连接耳铰接连接，所述第三框架体另一侧内端的连接耳通过相应的转轴与相邻的第五框架体一侧内端的连接耳铰接连接，所述第四框架体另一侧内端的连接耳通过对应的转轴与相邻的第二框架体一侧内端的连接耳铰接连接。

12、在上述技术方案中，所述第一框架体上部设置的连接耳的顶部设有定位凹台，且该定位凹台内设有一个角度传感器；所述第三框架体上部设置的连接耳的顶部设有定位凹台，且该定位凹台内设有一个角度传感器；所述第四框架体上部设置的连接耳的顶部设有定位凹台，且该定位凹台内设有一个角度传感器。

13、在上述技术方案中，一个水下执行单元体的第五框架体的外端与相邻的另一个水下执行单元体的第二框架体的外端通过弧形连接板连为一体，且一个水下执行单元体的第五框架体的内端与相邻的另一个水下执行单元体的第二框架体的内端铰接连接。

14、在上述技术方案中，所述第二框架体和第五框架体各自两侧的内端具有呈上下布置的连接耳，一个水下执行单元体的第五框架体内端的连接耳通过转轴与相邻的另一个水下执行单元体的第二框架体内端的连接耳铰接连接。

15、在上述技术方案中，所述转角齿条包括连为一体的转角齿条固定座和弧形齿条，所述转角齿条固定座固定在对应的框架体上，所述弧形齿条插入齿条座的内孔中；所述导向滑条包括连为一体的导向滑条固定座和弧形滑条，所述导向滑条固定座固定在对应的框架体上，所述弧形滑条插入导向滑条座的内孔中；所述弧形齿条的弧度与弧形滑条的弧度相等。

16、在上述技术方案中，所述第三框架体上的导向滑条位于转角齿条的上方，所述第四框架体上的导向滑条位于转角齿条的上方。

17、本发明所具有的积极效果是：采用本发明的水下桥墩检测机器人的变体重构机构后，由于本发明包括多个结构相同且连为一体的水下执行单元体，每个水下执行单元体均包括第一框架体、第二框架体、第三框架体、第四框架体、第五框架体和姿态调整单元，

18、所述姿态调整单元包括转角电机、转角齿条、齿条座、角度传感器、导向滑条和导向滑条座，

19、所述第一框架体上设有两组呈上下布置的齿条座和导向滑条安装座，所述第二框架体和第五框架体上分别设有一组呈上下布置的齿条座和导向滑条安装座，每一个齿条座上均安装有转角电机，所述第三框架体和第四框架体两侧的外端分别设有呈上下布置的转角齿条和导向滑条，

20、所述第三框架体两侧外端的转角齿条分别与第一框架体上的一组齿条座和与其相邻的第五框架体上的齿条座滑动配合，且每个齿条座上的转角电机的动力输出轴与对应的转角齿条传动连接，所述第三框架体两侧外端的导向滑条分别与第一框架体上的一组导向滑条座和第五框架体上的导向滑条座滑动配合，

21、所述第四框架体两侧外端的转角齿条分别与第一框架体上的另一组齿条座和与其相邻的第二框架体上的齿条座滑动配合，且齿条座上的转角电机的动力输出轴与转角齿条传动连接，所述第四框架体两侧外端的导向滑条分别与第一框架体上的另一组导向滑条座和第二框架体上的导向滑条座滑动配合，

22、所述第一框架体两侧的内端分别与第三框架体一侧的内端以及第四框架体一侧的内端铰接连接，并在第一框架体两侧铰接支点的顶部分别设有一个角度传感器，所述第三框架体另一侧的内端与相邻的第五框架体一侧的内端铰接连接，且在该铰接支点的顶部同样设有一个角度传感器，所述第四框架体另一侧的内端与相邻的第二框架体一侧的内端铰接连接，且在该铰接支点的顶部同样设有一个角度传感器，

23、所述姿态调整单元的转角电机动作时，使转角齿条相对齿条座移动，导向滑条相对导向滑条座移动，所述水下执行单元体内侧的铰接支点发生转动，外侧可实现合拢和展开不同状态，实现水下执行单元体的变体重构；

24、本发明使用时，所述水下执行单元体整体呈展开姿态靠上水下桥墩，待水下执行单元体靠上水下桥墩后，实现合拢变体，具体的工作过程是：驱动转角电机动作，所述转角电机的动力输出轴带动转角齿条传动，使得转角齿条相对齿条座滑动，同时，所述导向滑条并相对导向滑条座滑动起到辅助合拢作用，使得相邻两个框架体的内端相对发生转动，外端在转角齿条和导向滑条的作用下由展开(延伸)状态变体为收拢状态，使得水下执行单元体能够环抱在水下桥墩上，若反向驱动转角电机，则水下执行单元体又能由收拢状态变体为展开状态，

25、因此，本发明能够在复杂水文地质情况下以展开姿态能够靠得上水下桥墩，并再靠上水下桥墩之后调整为合拢姿态环抱水下桥墩；

26、在水流情况更加复杂的环境中使用时，所述水下执行单元体最初整体呈打开舒展姿态，能够抵抗急流和涡流等外界不良因素，确保能够靠得上水下桥墩，在水下执行单元体航渡到水下桥墩的桩腿处时，能够变换姿态为环抱在桥墩外周的状态，方便后续检测作业，不会像已有技术中的水下机器人无法靠拢桥墩，也不需要额外配备工作人员人工辅助支持机器人靠近，也就不会再存在工作人员的人身安全问题。

27、同时，本发明的变体重构机构还具有的优点在于：第一，可作为搭载航行用的推进器，这样在航行过程中，可通过变体调整整体机形随时改变推进器推进方向(航渡方向)，从而能够保证本发明的变体重构机构可修正航行方向，保证航渡路线的精准性；第二，本发明是由多个框架体构成模块化组合，使得搭载平台的结构更加合理，而且便于快速定位装配，并能根据需要进行单体数量的增减，从而适应不同直径的桥墩；第三，本发明的水下执行单元体包含多个框架体，可以为多种检测设备提供固定平台，并且负载能力极强，以及有利于检测质量的提高；第四，本发明的水下执行单元体可使机体长时间稳定环抱在桥墩外周，为检测设备提供稳定平台，本发明的框架体与柱面爬行机构配合使用，可使机体在桥墩柱面稳定全方位检测，检测效果和精度极高；第五，本发明的水下执行单元体维持稳定状态需要的电能极少，有利于提高续航能力；第六，本发明的变体重构机构自身的框架体结构不仅强度能够保证，而且还为轻量化设计，本发明的姿态调整单元能够调整环抱力度和角度的控制。