一种船用超高压水清洗轮式爬壁机器人

1.本发明涉及船舶清洗装置，尤其涉及一种船用超高压水清洗轮式爬壁机器人。


背景技术：

2.船舶除锈清洗是船舶工业中一项重要的业务，是造船和修船不可或缺的重要环节， 是船舶涂装前的首要步骤。另外由于船舶外壁长期沉浸在海水中，饱受海水的侵蚀，随 着船舶使用时间的增加，船舶外壁不可避免的会发生锈蚀，为了提高船舶的使用寿命和 增加使用安全性，当船舶外壁锈蚀到一定的程度时必须进行除锈清洗，并重新喷涂以保 护船舶外壁不受海水过快侵蚀。每年船舶外壁清洗除锈的工作量都非常大，因此研究一 种自动化高效除锈清洗方式是很有必要的。近年来随着移动机器人的快速发展，壁面爬 行机器人得到了各界的高度重视，应用于船舶工业的爬壁机器人大多数成熟运用于焊 接、除锈和喷漆等工作。现有的清洗机器人普遍存在结构复杂笨重难以满足船舶外壁曲 面清洁的要求。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明旨在提供一种用于船舶外壁曲面的超高压水清洗轮式爬壁机器 人。
4.技术方案：本发明所述的船用超高压水清洗轮式爬壁机器人，包括框架，框架前后 端安装有四个行走装置，前后底部安装有两个吸附装置，中心设有清洗装置；每个行走 装置包括车轮、驱动电机和减速器，驱动电机通过带有球头的连接轴与车轮活动连接。
5.四个行走装置主要作用是保证机器人的行走能力，车轮与驱动电机通过球头装置活 动连接，在船舶外壁曲面上，球头装置使机器人的四个车轮能够一直接触船舶壁面，不 出现悬空状态，保证机器人的行走能力。
6.优选地，设置在框架前端的两个行走装置之间还连接有前轮转向机构。机器人前端 两轮可以通过转向机构控制转动。
7.优选地，所述前轮转向机构包括转向电机、连杆，连杆上安装有齿条，齿条上啮合 有齿轮，齿轮和转向电机上的转向轴连接；所述连杆两端设有连接驱动电机的曲型连杆， 曲型连杆转角处设有转轴。通过转向轴带动连杆移动，连杆带动曲型连杆转动，然后带 动前轮左右转动，机器人从而实现转向运动，此装置能够降低驱动电机的转矩需求。
8.优选地，所述吸附装置包括若干组永磁吸附单元，永磁吸附单元为直线型halbach 阵列磁路。该磁路显著增强了磁铁吸附力，并且位于前后轮处的布置使磁力产生的力矩 更大，因此能够提高机器人附壁能力。
9.优选地，所述永磁吸附单元为瓦形结构，由五个永磁块组成，充磁方向依次为：上 n下s，左s右n，上s下n，左n右s，上n下s。永磁吸附单元所设计的瓦形结构 体积更小，增大了磁铁磁质比，且所需空间减小，与轮式行走方式契合，避免了结构上 的冲突。
10.优选地，所述清洗装置包括清洗盘，清洗盘为底部开口空腔，底部外缘附有软边， 顶部设有高压水的入水口和真空回收系统的连接口，空腔内设有带有喷头的高压水喷 盘。
入水口连接超高压水管，提供足够压强的高压水，连接口连接真空回收系统，将锈 渣污水经回收系统处理，不会造成二次返锈和污染，真空回收系统通过调节清洗盘内部 真空压强，可以使清洗盘内的真空吸附力与高压水射流冲击力相抵消；清洗盘内部有超 高压水射流喷头，将高压强的水流转变为高流速的水射流，对船舶壁面的锈层起到冲击、 剥蚀作用，进行除锈工作，工作时水流产生的反冲力使喷盘被动式旋转；软边使清洗盘 具有柔性，在船舶外壁曲面上紧密贴服，保持清洗盘内部的真空状态。
11.优选地，所述清洗装置可上下活动的连接在框架的安装板上。当机器人经过船舶表 面的焊缝、凸起等障碍物，清洗盘能够抬起越过障碍物。
12.优选地，所述框架由两侧连接板、前后连接钢架组成，支撑机器人整体结构。增强 机器人的结构强度，提高机器人负重能力。
13.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、本发明采用四轮驱动，采 用了适应曲面工作环境的车轮球头连接装置；2、设计了磁路瓦形吸附单元，增大了磁 铁磁质比，且所需空间减小，与轮式行走方式契合，避免了结构上的冲突；3、本发明 采用轮式行走，行走速度更快，工作效率提高；4、本发明设计了前轮转向系统，使机 器人转向灵活，所需驱动转矩减小；5、本发明采用超高压水射流清洗除锈方式，并利 用真空回收废水，更加清洁环保，噪音污染小。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；
15.图2为本发明的俯视图；
16.图3为前轮转向机构示意图；
17.图4为球头装置结构示意图；
18.图5为永磁吸附单元示意图；
19.图6-8为本发明受力分析图；
20.图9为本发明工作路径。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明作进一步说明。
22.本发明所述的船用超高压水清洗轮式爬壁机器人，包括框架1，所述框架1前后端 安装有四个行走装置2，前后底部安装有两个吸附装置3，中心设有清洗装置4；每个行 走装置2包括车轮21、驱动电机22和减速器23，驱动电机22通过带有球头24的连接 轴25与车轮21活动连接。
23.行走装置2由车轮21、驱动电机22、减速器23、连接轴25和固定架组成，驱动电 机22作用是为机器人提供动力，使其具有行走、越障能力，当四个驱动电机22同向同 速转动时，机器人前进或后退，当机器人左侧与右侧驱动电机22转向相同、但转速不 同机器人开始转向，若左侧转速大于右侧转速，向右转动，若右侧转速大于左侧转速， 向左转动，当左右驱动电机22转速相反，机器人转向运动；固定架的作用是将驱动电 机固定在机器人框架1上；连接轴25的作用是将驱动电机22与车轮21连接，从而驱 动机器人车轮转动，机器人运动。车轮21选用橡胶轮能有效提高机器人负载能力，机 器人前端两轮可以通过前轮转向机
构5控制转动，车轮21与连接轴25通过球头24连 接。在船舶外壁曲面上，球头24装置使机器人的四个车轮能够一直接触船舶壁面，不 出现悬空状态，保证机器人的行走能力。
24.前轮转向机构5包括转向电机51、连杆53，连杆53上安装有齿条，齿条上啮合有 齿轮，齿轮和转向电机51上的转向轴52连接；所述连杆53两端设有连接驱动电机22 的曲型连杆54，曲型连杆54转角处设有转轴55。通过转向轴52带动连杆53移动，连 杆53带动曲型连杆54转动，转向电机51由电机架固定在框架1上。当转向电机51带 动转轴顺时针转动，车轮向左转动，机器人开始右转；当转向电机51带动转轴逆时针 转动，车轮向右转动，机器人开始右转。
25.所述吸附装置3由六个永磁吸附单元31组成，为新型磁路瓦形吸附单元，分为两 组分别布置在前后轮之间的机器人框架下方，由螺钉与框架固定，永磁吸附单元为直线 型halbach阵列磁路，每个永磁吸附单元分为五个磁块，充磁方向依次为
↑→↓←↑
， 该磁路显著增强了磁铁吸附力，并且位于前后轮处的布置使磁力产生的力矩更大，因此 能够提高机器人附壁能力；永磁吸附单元31所设计的瓦形结构体积更小，增大了磁铁 磁质比，且所需空间减小，与轮式行走方式契合，避免了结构上的冲突。
26.所述清洗装置4由清洗盘41、连接弹簧、固定板、喷盘43和软边42组成，其中清 洗盘41是主要的工作装置，清洗盘41上方有超高压水入口44和回收接口45，超高压 水入口44连接超高压水管，提供足够压强的高压水，回收接口45连接真空回收系统， 将锈渣污水经回收系统处理，不会造成二次返锈和污染，真空回收系统通过调节清洗盘 内部真空压力，可以使清洗盘内的真空吸附力与高压水射流冲击力相抵消；清洗盘41 内部有超高压水射流喷盘，将高压强的水流转变为高流速的水射流，对船舶壁面的锈层 起到冲击、剥蚀作用，进行除锈工作，工作时水流产生的反冲力使喷头被动式旋转；清 洗盘与机器人本体框架1通过固定板和连接弹簧连接，固定板将清洗盘41固定，保证 其不会发生横向移动；连接弹簧的作用是使清洗盘41具有上下活动的能力，使得机器 人经过船舶表面的焊缝、凸起等障碍物，清洗盘能够抬起越过障碍物；软边42使清洗 盘具有柔性，在船舶外壁曲面上紧密贴服，保持清洗盘内部的真空状态。
27.如图6～8所示，当机器人在船舶壁面静止时，由于吸附力fm与重力g垂直于壁面 的分力，机器人受到壁面的支持力，产生静摩擦力ff，抵消重力g沿壁面向下的分力， 此时机器人不发生下滑；若机器人绕机器人后轮与壁面接触点c翻转时，此时需要前轮 的吸附单元的吸附力fm产生的力矩大于重力g产生的力矩，才能保证机器人不发生倾 覆。当爬壁机器人匀速前进时，需要使机器人驱动转矩大于静摩擦力产生的力矩和滚动 摩擦力产生的力矩。经过受力分析并仿真计算后，得到机器人附壁时不发生下滑和倾覆 的吸附单元吸附力fm与壁面倾角α的关系，以及匀速前进时爬壁机器人每个驱动电机所 需的驱动转矩m
t
随壁面倾斜角度α的关系。
28.为了保证机器人的附壁能力和驱动能力，对爬壁机器人作静力学与动力学分析。
29.(1)静力学分析
30.为避免下滑，应满足条件：
[0031][0032]
为避免倾覆，应满足条件：
[0033][0034]
(2)动力学分析
[0035]
为保证机器人在壁面上行走，应满足条件：
[0036][0037]
将本发明的机器人的各项参数(g＝2300n,μ＝0.3～0.5,l＝0.33m,h＝0.2m,r＝0.125m， μ
′
《0.01)代入公式中，并利用matlab软件仿真计算得出，永磁吸附单元吸附力和驱动电 机转矩矩与船体壁面倾斜角度的关系。
[0038]
轮式机器人下滑的最危险倾斜角度约为18
°
，每个永磁吸附单元吸附力最大约 1132n；倾覆的最危险倾斜角度约为60
°
，每块永磁吸附单元吸附力最大约449n。爬壁 机器人匀速前进时，单个驱动电机所需的最大输出扭矩在壁面倾角为0
°
时最大，约为 80.3n
·
m。
[0039]
本发明的爬壁机器人所用的永磁单元能够提供的吸附力为1913n，驱动电机的额定 转矩为1.27n
·
m，减速器减速比为100，满足附壁和驱动要求。
[0040]
如图7所示，轮式机器人下滑的最危险倾斜角度约为18
°
，每个永磁单元31吸附力 最大约1132n；倾覆的最危险倾斜角度约为60
°
，每块永磁单元吸附力最大约449n。如 图8所示，匀速上爬时单个电机所需的最大输出扭矩在壁面倾角为0
°
时最大，约为 80.3n
·
m。本发明的轮式爬壁机器人选用的永磁吸附单元吸附力为1913n，满足机器人 附壁要求；选用的驱动电机的额定转矩为1.27n
·
m，减速器减速比为100，满足机器人 驱动要求。
[0041]
如图9所示，爬壁机器人在船舶壁面的工作流程为：首先驱动机器人沿船舶壁面直 线向上运动，直至接近船舷时由转向机构带动前轮向右转动，使得机器人变轨，然后驱 动机器人直线向下后退，直至接近船底时再次由转向机构带动前轮向右转动，使得机器 人变轨，之后重复向上运动、变轨和向下运动、变轨，将整个船舶外壁清洗完毕。