專利名稱：船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人的制作方法
技術領域：
一種船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，是借助雙列履帶上固裝的永磁體塊吸附在船體表面上，并在遙控裝置的控制下實現(xiàn)水上、水下爬行和船體清刷作業(yè)。屬船體清洗裝置。
背景技術：
船體水下表面清刷技術始于六十年代。定期清刷船體浸水表面有利于改善船舶航行性能，延長船舶使用壽命；在船舶進塢前對船體水下表面進行清洗、除銹，可極大地縮短塢修時間，進而提高船塢利用率。
目前常用的船舶表面清刷設備有兩大類。一類是手持單刷或多刷機械，它是借助液壓或氣動馬達驅(qū)動不同質(zhì)地的摩擦盤或刷高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的負壓使之貼緊船體表面。全部清刷工作由潛水員手持進行。其典型設備是美國REMR公司生產(chǎn)的Whirl Away rotary abrading tool。另一類是遙控行走式清刷機械(機器人)，有輪式和履帶式之分；前者的典型設備是美國UltraStrip公司生產(chǎn)的M3500。它是借助磁性輪實現(xiàn)吸附和行走功能，動力源為電機，而清刷作業(yè)由高壓噴射水槍完成。但該裝置不能在水下工作，只能用于清刷船體或罐體的水上表面。
哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所沈為民等人在《南京航空航天大學學報》2000年8月第32卷第4期上發(fā)表的《多功能水冷壁排管爬壁機器人的研制》一文公開了一種履帶式爬壁機器人的結構形式，可用于電站鍋爐水冷壁排管向火側表面浮灰的清掃、結焦的清除、以及排管壁厚的自動檢測。實現(xiàn)機器人本體吸附和爬行的兩列履帶分別由單排鏈輪副與數(shù)十個永磁吸附塊組成。其特殊設計的永磁體磁路結構和外形使之只能適應于水冷壁排管的工作環(huán)境；而單排鏈傳動結構，常導致機器人轉(zhuǎn)彎時鏈條連接銷軸被剪斷以及鏈條與鏈輪脫節(jié)(掉鏈)。
清華大學機械工程系和中國科學院電子學研究所王軍波等人在《清華大學學報》(自然科學版)2003年第43卷第2期上發(fā)表的《爬壁機器人變磁力吸附單元的優(yōu)化設計》一文公開了一種變磁力吸附單元的磁路結構，其徑向磁化圓柱形永磁體位于長方形鐵軛中心的通孔中，鐵軛被隔磁氣隙分隔成為對稱的兩半，永磁體可以在孔中自由轉(zhuǎn)動；永磁體和外部的撥動回復機構相連接，從而實現(xiàn)磁吸力的調(diào)節(jié)。其不足在于結構復雜，可靠性偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人(簡稱為清刷機器人)。與前述的現(xiàn)有船體表面清刷機械(機器人)不同之處在于它的吸附和行走功能來自于由傳動鏈輪副和永磁吸附單元組成的雙條履帶；而與對比文獻中列舉的履帶式爬壁機器人不同之處在于每條履帶均采用雙排鏈輪副，并在內(nèi)、外支撐板底部固裝一條鏈條擋板，進而使機器人行走更為平穩(wěn)，有效地避免了轉(zhuǎn)彎時鏈條銷軸被剪斷和掉鏈等故障的發(fā)生；其特殊設計的永磁體吸附單元更適合用于船體表面；機器人本體上攜帶的三個呈等腰三角形分布的柔性旋轉(zhuǎn)刷以及其它水密措施使之適于水下作業(yè)。
船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人的主要結構包括一套組合式機架、兩條履帶、兩臺行走電機、三套可伸縮旋轉(zhuǎn)刷組件、三套防水電機和蝸輪蝸桿減速器、控制系統(tǒng)。其中，每條履帶分別由雙排鏈傳動副和固裝在鏈節(jié)上的數(shù)十套永磁吸附單元組成。所述雙排鏈傳動副是在主、從動軸上分別固裝雙排鏈輪，而雙排鏈條分別繞過對應的鏈輪閉合，并用螺栓拉緊裝置調(diào)解松緊度。所述的單套永磁吸附單元是由釹鐵硼永磁體、隔磁銅塊、長方形軛鐵、彎邊“∏”形蓋和硫化氯丁橡膠包層組成；即在兩塊N、S極倒置的釹鐵硼永磁體中間夾持一塊隔磁銅塊，內(nèi)側(靠鏈條側)吸附一塊長方體軛鐵，并用一個底部帶螺孔的彎邊“∏”形蓋罩住，以便與鏈條螺栓連接；組裝后的整體用硫化氯丁橡膠層包覆，以防海水接觸各個組件，起隔離、防止銹蝕的作用，同時在與船體表面接觸的過程中起緩沖、防止打滑的作用。
雙排鏈條是由2條單排鏈條共用加長的鏈節(jié)銷軸組成的，且每隔1節(jié)或2個鏈節(jié)改裝出一對可與磁吸附單元的彎邊“∏”形蓋底部螺栓連接的直角彎翼板。雙排鏈條上均勻鑲嵌的永磁吸附單元的數(shù)量滿足的條件是在行進過程中，與船體表面良好吸附的永磁吸附單元不少于7塊。
組合式機架是由兩個內(nèi)部各安裝一條履帶的框形箱體與矩形連接板螺栓連接而成。其中每個框形箱體又是借助數(shù)根帶有等距凸肩的螺栓將兩塊條狀支撐板連成一體后，再與矩形連接板兩側的凸緣螺栓連接。本發(fā)明的履帶式行走機構采用“后輪驅(qū)動”方式，兩根帶有雙排鏈輪的主動軸分別插裝在框形箱體后部的滑動軸承中。兩根帶有雙排鏈輪的從動軸分別插裝在框形箱體前部的滑動軸承中，且這兩個滑動軸承可在框形箱體兩側支撐板上的導軌槽中滑動，以便借助螺栓拉緊裝置調(diào)解鏈條的松緊度。為了防止機器人在轉(zhuǎn)彎時掉鏈，框形箱體兩側支撐板的底部分別固裝一條鏈條擋板。兩臺帶減速器的行走伺服電機分別借助端部法蘭盤密封在圓筒狀防水罩內(nèi)，防水罩又借助端部法蘭盤固裝在框形箱體內(nèi)側的支撐板上，伺服電機、防水罩、主動軸三者同軸線。
三個旋轉(zhuǎn)刷二前一后地位于機架的前部，且布置在一個等腰三角形的三個頂點上，前兩個的旋轉(zhuǎn)方向與后一個的旋轉(zhuǎn)方向相反，由三臺潛水電機單獨驅(qū)動。驅(qū)動前兩個旋轉(zhuǎn)刷的潛水電機軸頭朝前，驅(qū)動后一個旋轉(zhuǎn)刷的潛水電機軸頭朝后，固裝在機架的連接板上，并經(jīng)各自的蝸輪蝸桿減速器減速、換向后再借助可伸縮的刷桿軸與旋轉(zhuǎn)刷固連。三個旋轉(zhuǎn)刷的清刷平面與履帶的行走平面平行。
控制系統(tǒng)為二級計算機控制以保證機器人既可實現(xiàn)自主作業(yè)，又可進行人工操縱，從而提高它的實用性和可靠性。上位PC工控機能夠?qū)崿F(xiàn)人機界面交互，具有環(huán)境初始值輸入，作業(yè)任務指定，機器人狀態(tài)顯示，機器人及輔助系統(tǒng)的動作協(xié)調(diào)等項功能。它包括控制柜、CRT顯示器、動力源和卷揚裝置，且全部安裝在一臺可在船甲板上行走的運載小車上，其上還有清刷機器人的停放位置和供它爬上爬下的跳板，從而克服了由于清刷機器人履帶上具有的永磁力所帶來的搬運不便。220v交流動力源為清刷機器人行走和清刷作業(yè)提供動力；卷揚裝置隨著清刷機器人的上下行走及時收放保護纜繩(防其墜落)和控制電纜；顯示器借助安裝在清刷機器人本體上的攝像機實時顯示水下工作環(huán)境。下位機安裝在與組合式機架連接板固連的密閉控制箱中，它包括兩個驅(qū)動行走伺服電機運轉(zhuǎn)的驅(qū)動器、直流電源模塊、傾角傳感器和控制電路板。控制電路板以AT89C51單片機最小系統(tǒng)為核心，它根據(jù)上位機傳送的初始化參數(shù)和動作指令進行路徑規(guī)劃，驅(qū)動兩個交流伺服馬達，從而控制清刷機器人的運動；驅(qū)動潛水電機帶動旋轉(zhuǎn)刷完成清刷作業(yè)；獲得傾角傳感器的反饋信號，控制清刷機器人的姿態(tài)，以防它在凸凹不平的船體表面行走時，由于兩條履帶軌跡不同而出現(xiàn)的爬偏現(xiàn)象，確保行走路徑。所有線纜經(jīng)水密接頭引出。
當清刷機器人從運載小車沿所述跳板爬上船體待清刷表面時，先按從上至下的路徑移動；當?shù)竭_船體表面的底部時，旋轉(zhuǎn)180度，再從下至上移動。機器人的轉(zhuǎn)彎運動是靠兩條履帶的速度差來實現(xiàn)的。清刷機器人邊移動邊清刷，其移動時所覆蓋的面積即為清刷的面積。如此往復，完成清刷作業(yè)。


圖1船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人結構示意圖(俯視圖)圖2船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人結構示意圖(側視圖)圖3船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人框形箱體支撐板結構示意4船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人的永磁吸附單元結構示意圖
具體實施例方式
下面給出本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并結合附圖加以說明。
如圖1、圖2所示，一種船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，其主要結構包括一套組合式機架、兩條履帶、兩臺自帶減速器的行走伺服電機、三套旋轉(zhuǎn)刷組件、三臺防水電機和蝸輪蝸桿減速器、控制系統(tǒng)；其中，每條履帶分別由雙排鏈傳動副和固裝在鏈節(jié)上的數(shù)十套永磁吸附單元組成。所述雙排鏈傳動副是在主、從動軸21、23上分別固裝雙排鏈輪22、24，而雙排鏈條13分別繞過對應的鏈輪閉合，并用拉緊螺栓15調(diào)解其松緊度。如圖3所示，所述的單套永磁吸附單元14是由釹鐵硼永磁體141、隔磁銅塊142、長方形軛鐵143、彎邊“∏”形蓋144和硫化氯丁橡膠包層145組成；即在兩塊N、S極倒置的釹鐵硼永磁體141中間夾持一塊隔磁銅塊142，內(nèi)側(靠鏈條側)吸附一塊長方體軛鐵143，并用一個底部帶螺孔的彎邊“∏”形蓋144罩住，以便與鏈條兩側的直角彎翼板132螺栓連接；組裝后的整體用硫化氯丁橡膠層145包覆，以防海水接觸各個組件，起防止銹蝕的作用，同時又在它與船體表面接觸的過程中起緩沖、防止打滑的作用。
如圖3所示，雙排鏈條13是由2條單排鏈條131共用加長的鏈節(jié)銷軸133組成的，且每隔1節(jié)或2個鏈節(jié)改裝出一對可與磁吸附單元14彎邊“∏”形蓋144底部螺栓連接的直角彎翼板132。雙排鏈條13上均勻鑲嵌的永磁吸附單元14的數(shù)量滿足的條件是在行進過程中，與船體表面良好吸附的永磁吸附單元不少于7塊。
如圖1、圖2所示，組合式機架是由兩個內(nèi)部各安裝一條履帶的框形箱體與矩形連接板11螺栓連接而成。其中每個框形箱體又是借助數(shù)根帶有等距凸肩的螺栓13將兩塊條狀支撐板12連成一體后，再與矩形連接板11兩側的凸緣螺栓連接。本發(fā)明的履帶式行走機構采用“后輪驅(qū)動”方式，兩根帶有雙排鏈輪22的主動軸21分別插裝在所述框形箱體后部的滑動軸承中；兩根帶有雙排鏈輪24的從動軸23分別插裝在框形箱體前部的滑動軸承中，且這兩個滑動軸承可在框形箱體兩側支撐板12上的導軌槽中滑動，以便借助拉緊螺栓15調(diào)解鏈條13的松緊度。為了防止機器人在轉(zhuǎn)彎時掉鏈，框形箱體兩側支撐板12的底部分別固裝一條鏈條擋板。兩臺帶減速器的行走伺服電機31分別借助端部法蘭盤密封在圓筒狀防水罩32內(nèi)，而防水罩32又借助端部法蘭盤固裝在框形箱體內(nèi)側的支撐板12上，伺服電機31、防水罩32、主動軸21三者同軸線。
如圖1、圖2所示，三個旋轉(zhuǎn)刷44二前一后地位于機架的前部，且布置在一個等腰三角形的三個頂點上，前兩個的旋轉(zhuǎn)方向與后一個的旋轉(zhuǎn)方向相反，分別由三臺潛水電機41單獨驅(qū)動。驅(qū)動前兩個旋轉(zhuǎn)刷44的潛水電機41軸頭朝前，驅(qū)動后一個旋轉(zhuǎn)刷44的潛水電機41軸頭朝后，分別固裝在組合式機架的連接板11上，并經(jīng)各自的蝸輪蝸桿減速器42減速、換向后再借助可伸縮的刷桿軸43與旋轉(zhuǎn)刷44固連。三個旋轉(zhuǎn)刷44的清刷平面與履帶的行走平面平行。
控制系統(tǒng)為二級計算機控制，以保證機器人既可實現(xiàn)自主作業(yè)，又可進行人工操縱，從而提高它的實用性和可靠性。上位PC工控機能夠?qū)崿F(xiàn)人機界面交互，具有環(huán)境初始值輸入，作業(yè)任務指定，機器人狀態(tài)顯示，機器人及輔助系統(tǒng)的動作協(xié)調(diào)等項功能；它包括控制柜、CRT顯示器、動力源和卷揚裝置，且全部安裝在一臺可在船甲板上行走的運載小車上；其上還有清刷機器人的停放位置和供它爬上爬下的跳板，從而克服了由于清刷機器人履帶上具有的永遠磁力所帶來的搬運不便。220v交流動力源為清刷機器人行走和清刷作業(yè)提供動力；卷揚裝置隨著清刷機器人的上下行走及時收放保護纜繩(防其墜落)和控制電纜。顯示器借助安裝在清刷機器人本體上的攝像機實時顯示水下工作環(huán)境。下位機安裝在與組合式機架連接板固連的密閉控制箱5中，包括兩個驅(qū)動行走伺服電機運轉(zhuǎn)的驅(qū)動器、直流電源模塊、傾角傳感器和控制電路板?？刂齐娐钒逡訟T89C51單片機最小系統(tǒng)為核心，它根據(jù)上位機傳送的初始化參數(shù)和動作指令進行路徑規(guī)劃，驅(qū)動兩個行走伺服電機31，從而控制清刷機器人的運動；驅(qū)動潛水電機41帶動旋轉(zhuǎn)刷44完成清刷作業(yè)；獲得傾角傳感器的反饋信號，控制清刷機器人的姿態(tài)，以防它在凸凹不平的船體表面行走時，由于兩條履帶軌跡不同而出現(xiàn)的爬偏現(xiàn)象，確保行走路徑。所有線纜經(jīng)水密接頭引出。
當清刷機器人從運載小車沿所述跳板爬上船體待清刷表面時，先按從上至下的路徑移動；當?shù)竭_船體表面的底部時，旋轉(zhuǎn)180度，再從下至上移動。機器人的轉(zhuǎn)彎運動是靠兩條履帶的速度差來實現(xiàn)的。清刷機器人邊移動邊清刷，其移動時所覆蓋的面積即為清刷的面積。如此往復，完成清刷作業(yè)。
權利要求
1.一種船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，它包括機架、履帶、行走伺服電機、可伸縮旋轉(zhuǎn)刷組件、防水電機和蝸輪蝸桿減速器、控制系統(tǒng)；其特征在于每條履帶分別由雙排鏈傳動副和固裝在鏈節(jié)上的數(shù)十套永磁吸附單元組成；所述的雙排鏈傳動副是在主、從動軸(21、23)上分別固裝雙排鏈輪(22、24)，而雙排鏈條(13)分別繞過對應的鏈輪閉合，并用拉緊螺栓(15)調(diào)解其松緊度；雙排鏈條(13)是由2條單排鏈條(131)共用加長的鏈節(jié)銷軸(133)而成的，且每隔1節(jié)或2個鏈節(jié)改裝出一對可與永磁吸附單元(14)的彎邊“∏”形蓋(144)底部螺栓連接的直角彎翼板(132)。
2.如權利要求1所述的船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，其特征在于單套永磁吸附單元(14)是由釹鐵硼永磁體(141)、隔磁銅塊(142)、長方形軛鐵(143)、彎邊“∏”形蓋(144)和硫化氯丁橡膠包層(145)組成；即在兩塊N、S極倒置的釹鐵硼永磁體(141)中間夾持一塊隔磁銅塊(142)，靠鏈條側吸附一塊長方體軛鐵(143)，并用一個底部帶有螺孔的彎邊“∏”形蓋(144)罩住，以便與鏈條兩側的直角彎翼板(132)螺栓連接；組裝后的整體用硫化氯丁橡膠層(145)包覆。
3.如權利要求1所述的船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，其特征在于在行進過程中，一組雙排鏈條(13)上與船體表面良好吸附的永磁吸附單元(14)不少于7塊。
4.如權利要求1所述的船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，其特征在于組合式機架是由兩個內(nèi)部各安裝一條履帶的框形箱體與矩形連接板(11)螺栓連接而成；其中每個框形箱體又是借助4-6根帶有等距凸肩的螺栓(13)將兩塊條狀支撐板(12)連成一體后，再與矩形連接板(11)兩側的凸緣螺栓連接；框形箱體兩側支撐板(12)的底部分別固裝一條鏈條擋板。
5.如權利要求1所述的船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，其特征在于兩臺帶減速器的行走伺服電機(31)分別借助端部法蘭盤密封在圓筒狀防水罩(32)內(nèi)，防水罩(32)又借助端部法蘭盤固裝在框形箱體內(nèi)側的支撐板(12)上，伺服電機(31)、防水罩(32)、主動軸(21)三者同軸線。
6.如權利要求1所述的船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，其特征在于三個旋轉(zhuǎn)刷(44)二前一后地位于機架的前部，且布置在一個等腰三角形的三個頂點上，前兩個的旋轉(zhuǎn)方向與后一個的旋轉(zhuǎn)方向相反，由三臺潛水電機(41)單獨驅(qū)動；驅(qū)動前兩個旋轉(zhuǎn)刷(44)的潛水電機(41)軸頭朝前，驅(qū)動后一個旋轉(zhuǎn)刷(44)的潛水電機41軸頭朝后，分別固裝在機架的連接板(11)上，并經(jīng)各自的蝸輪蝸桿減速器(42)減速、換向后再借助可伸縮的刷桿軸(43)與旋轉(zhuǎn)刷(44)固連；三個旋轉(zhuǎn)刷(44)的清刷平面與履帶的行走平面平行。
全文摘要
一種船體表面清刷用永磁吸附雙履帶機器人，它是借助雙列履帶上固裝的永磁體塊吸附在船體表面上，并在遙控裝置的控制下實現(xiàn)水上、水下爬行和船體清刷作業(yè)。與現(xiàn)有船體表面清刷機械(機器人)不同之處在于它的吸附和行走功能來自于由傳動鏈輪副和永磁吸附單元組成的雙條履帶；而與現(xiàn)有履帶式爬壁機器人不同之處在于每條履帶均采用雙排鏈輪副，其特有的結構設計使機器人運行更為平穩(wěn)，有效地避免了轉(zhuǎn)彎時鏈條銷軸被剪斷和掉鏈等故障的發(fā)生；永磁體吸附單元更適合用于船體表面。機器人本體上攜帶的三個呈等腰三角形分布的可伸縮旋轉(zhuǎn)刷組件以及其它水密措施使之同時適于水下作業(yè)。
文檔編號B62D57/00GK1789062SQ200510127370
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權日2005年12月21日
發(fā)明者王立權, 孟慶鑫, 袁夫彩, 呂長生 申請人:哈爾濱工程大學