CN105932609B - 一种浅水智能化埋管机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浅水智能化埋管机器人系统，包括履带底盘、动力装置、油管限位导向组件、浮力调节箱、姿态调节装置、挖壕装置、排泥装置、机械手、液压系统、探测系统、电气控制系统和集成控制台，履带底盘上方装设有浮力调节箱和姿态调节装置，浮力调节箱用于控制机器人系统在水中的浮力，姿态调节装置用于调节机器人系统在水中的姿态，履带底盘在姿态调节装置和浮力调节箱作用下，被调整到水底需埋设的油管或电缆正上方，履带底盘与动力装置的输出端相连，履带底盘在动力装置的驱动下在水底行走；本发明同现有技术相比，有效地提升了浅水海滩、陆地河道及池塘埋管、穿管的作业效率，且环境适应能力强、智能化程度高、挖壕回填效率好。

Description

一种浅水智能化埋管机器人系统

[技术领域]

本发明涉及浅水海滩、陆地河道及池塘水下油管或电缆的埋设及施工技术领域，具体地说是一种浅水智能化埋管机器人系统。

[背景技术]

海底输油(气)管道是海上油(气)田开发生产系统主要组成部分，也是连续地输送大量油(气)最快捷、最安全和最经济可靠的运输方式。目前，我国的海底管道的铺设方法，在外海作业主要采用铺管船法。对于水深小于2米～5米近岸海滩水域的浅水段又称登陆段或滩涂段，则要根据水文地质环境条件以及大型予制场地和机具的布置选择以下三种方法：漂浮法、底拖法和简易铺管船法。漂浮法是指通过在管道上绑扎一定数量的浮桶，使管道在水中处于漂浮状态，用牵引拖轮拖至铺设地点的施工方法。底拖法是指将大部分管道在水中处于与海床接触的状态，用拖轮拖动管道完成铺设的方法，为了减少管道与海床间的摩擦力，底拖法也需绑扎浮桶。简易铺管船法是指利用小的驳船改装成简易铺管船进行铺管的方法。

其中，海底管线登陆作业后为提高管线的安全程度，目前一般采取后冲埋的方式实施。其后冲埋的方式在海底水深2米～5米浅水段主要通过潜水员携带高压水枪的方式对管道实施后冲埋，使用潜水员后冲埋的作业方式主要特点是可以在浅水段区域根据实际水深情况组织工作，避免了大型船舶大型机械无法进入浅水段的问题，但也存在后冲埋深度不稳定、工作时间长、作业效率低等问题。国外也有利用简单后冲埋机械实施后冲埋的工作模式，但使用效果并不理想。

因此，针对浅水海滩挖壕、下管和回填作业难题，采用智能化埋管机器人，实现水深2米～5米浅水段的海底管道施工无人、智能化作业方式，显得尤为迫切。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种浅水智能化埋管机器人系统，有效地提升了浅水海滩、陆地河道及池塘埋管、穿管的作业效率，且环境适应能力强、智能化程度高、挖壕回填效率好，填补了国内浅水水域埋管机械的空白。

为实现上述目的设计一种浅水智能化埋管机器人系统，包括履带底盘1、动力装置2、油管限位导向组件4、浮力调节箱5、姿态调节装置6、挖壕装置7、排泥装置8、机械手9、液压系统10、探测系统11、电气控制系统12和集成控制台15，其中，所述履带底盘1左右对称设置，所述履带底盘1上方装设有浮力调节箱5和姿态调节装置6，所述浮力调节箱5用于控制机器人系统在水中的浮力，所述姿态调节装置6用于调节机器人系统在水中的姿态，所述履带底盘1在姿态调节装置6和浮力调节箱5作用下，被调整到水底需埋设的油管或电缆正上方，所述履带底盘1与动力装置2的输出端相连，所述履带底盘1在动力装置2的驱动下在水底行走；所述液压系统10用于提供液压动力，所述机械手9连接在液压系统10油缸的伸缩端，所述机械手9在液压系统10油缸伸缩作用下将油管或电缆提起，所述油管限位导向组件4用于引导和限制油管或电缆在履带底盘1中间位置向后滑动；所述挖壕装置7用于在水下地表挖出壕沟，所述挖壕装置7设置在履带底盘1内侧处，所述挖壕装置7与液压系统10相连，所述挖壕装置7上方设有排泥装置8，所述挖壕装置7挖出的土壤被排泥装置8向履带底盘1两侧排出；所述探测系统11用于探测油管或电缆走向，并发出油管或电缆走向信息，所述走向信息经集成控制台15处理后自动控制履带底盘1行走；所述探测系统11、液压系统10、集成控制台15、动力装置2、浮力调节箱5、姿态调节装置6、挖壕装置7、排泥装置8、机械手9分别与电气控制系统12相连。

作为优选，所述挖壕装置7包括挖壕马达16、双输出减速机17、收放油缸18、伸缩油缸19、切销链20及转动轴21，所述挖壕马达16、双输出减速机17位于切销链20中间位置处，所述切销链20在伸缩油缸19作用下移至油管或电缆正下方，所述收放油缸18带动切销链20向下伸出，所述挖壕马达16驱动双输出减速机17，所述双输出减速机17的输出端连接转动轴21，所述转动轴21带动切销链20切销土层。

作为优选，所述机械手9包括提升马达22、夹抓马达23、抓手24、大臂25及伸缩臂26，所述伸缩臂26安装在提升马达22伸缩端，所述伸缩臂26上连接有抓手24，所述抓手24与夹抓马达23输出端相连，所述伸缩臂26在提升马达22作用下伸至油管或电缆正上方，所述抓手24在夹抓马达23作用下张开后收缩以夹住油管或电缆。

进一步地，本发明还包括无线遥控系统13及空气置换装置3，所述无线遥控系统13包括无线接收机和无线发射机，所述空气置换装置3包括进气管和排气管，所述无线接收机的天线位于空气置换装置3的进气管、排气管上方，所述无线遥控系统13及空气置换装置3分别与电气控制系统12相连。

进一步地，本发明还包括水下视频系统14，所述水下视频系统14用于监控机器人系统水下状态，所述水下视频系统14与电气控制系统12相连。

作为优选，所述水下视频系统14包括水下摄像头、图像采集单元、视频传输单元、图像接收机及显示屏。

作为优选，所述姿态调节装置6包括水平浆、垂直浆和液压马达，所述水平浆、垂直浆在液压马达的驱动下调节机器人在水中的姿态，所述浮力调节箱5用于减轻姿态调节装置6垂直浆所需的提升力。

作为优选，所述探测系统11包括磁传感器组件和处理器，所述磁传感器组件用于探测油管或电缆走向信息，所述磁传感器组件的输出端连接处理器输入端，所述处理器输出端与集成控制台15相连。

作为优选，所述集成控制台15包括柜体、显示屏二、操作键及电脑主机。

本发明同现有技术相比，有效地提升了浅水海滩、陆地河道及池塘埋管、穿管的作业效率，该系统环境适应能力强、智能化程度高、挖壕回填效率好，填补了国内浅水水域埋管机械的空白，用途广泛，推广应用前景广阔，实现了油管或光(电)缆埋设智能化、机械化，从而达到高效、低成本地埋设油管或光(电)缆的目的，解决了小于5米的海滩或陆地河道及池塘等浅水水域，油管或光(电)缆埋设时采用潜水员后冲式作业方法效率低、劳动作业强度大、成本高等问题；此外，本发明通过无线遥控的方式，控制履带式机械，在浅水海滩、池塘等地域，进行挖壕、回填等作业，从而解决我国浅水水下埋管机械的空白，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是本发明中集成控制台的结构示意图；

图5是本发明中挖壕装置的结构示意图；

图6是本发明中机械手的结构示意图；

图7是图6的侧视图；

图中：1、履带底盘 2、动力装置 3、空气置换装置 4、油管限位导向组件 5、浮力调节箱 6、姿态调节装置 7、挖壕装置 8、排泥装置 9、机械手 10、液压系统 11、探测系统12、电气控制系统 13、无线遥控系统 14、水下视频系统 15、集成控制台 16、挖壕马达 17、双输出减速机 18、收放油缸 19、伸缩油缸 20、切销链 21、转动轴 22、提升马达 23、夹抓马达 24、抓手 25、大臂 26、伸缩臂。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

本发明用于在海底或陆地河道及池塘浅水区域(水深2～5米)进行管道、光(电)缆埋设和回填，实现水下挖坑、下管和填埋智能化作业。本发明由履带底盘1、动力装置2、空气置换装置3、油管限位导向组件4、浮力调节箱5、姿态调节装置6、挖壕装置7、排泥装置8、机械手9、液压系统10、探测系统11、电气控制系统12、无线遥控系统13、水下视频系统14和集成控制台15等组成，其中，履带底盘1左右对称设置，履带底盘1上方装设有浮力调节箱5和姿态调节装置6，浮力调节箱5用于控制机器人系统在水中的浮力，姿态调节装置6用于调节机器人系统在水中的姿态，履带底盘1在水中依靠姿态调节装置6和浮力调节箱5，将履带底盘1调整到水底已铺设好的油管或电缆上方且位于履带底盘1中间位置，履带底盘1与动力装置2的输出端相连，履带底盘1在动力装置2的驱动下在水底行走；液压系统10用于提供液压动力，机械手9连接在液压系统10油缸的伸缩端，机械手9在液压系统10油缸伸缩作用下，将水底已铺设好的油管或电缆提起到一定的高度，油管限位导向组件4用于引导和限制油管或电缆在履带底盘1中间位置向后滑动；挖壕装置7用于在水下地表挖出壕沟，挖壕装置7设置在履带底盘1内侧处，挖壕装置7与液压系统10相连，挖壕装置7上方设有排泥装置8，挖壕装置7在液压系统10的油缸作用下，移至油管或电缆正下方，进行挖壕作业，挖壕装置7挖出的土壤被排泥装置8向履带底盘1两侧排出；探测系统11用于探测油管或电缆走向，并发出油管或电缆走向信息，走向信息经集成控制台15处理后自动控制履带底盘1沿油管或电缆走向向前行驶，油管在重力作用下自动落入壕沟内；探测系统11、液压系统10、集成控制台15、动力装置2、浮力调节箱5、姿态调节装置6、挖壕装置7、排泥装置8、机械手9分别与电气控制系统12相连。

本发明中，挖壕装置7主要由挖壕马达16、双输出减速机17、收放油缸18、伸缩油缸19、切销链20、转动轴21等组成，用于在水下地表挖出深约2.5米、宽约45cm的沟槽；切销链20在伸缩油缸19作用下移至油管或电缆正下方，收放油缸18带动切销链20向下伸出，挖壕马达16驱动双输出减速机17，双输出减速机17的输出端连接转动轴21，转动轴21带动切销链20切销土层，挖壕装置7和排泥装置8配合工作，实现挖土、抛泥的一体化挖壕作业；挖壕马达16、双输出减速机17位于切销链20中间位置处，减少了挖壕装置7的结构尺寸，且使转动轴21受力更加均匀。工作时，挖壕装置在机械手将油管或光(电)缆提起后，在伸缩油缸作用下，移到到油管正下方，收放油缸缓慢伸出，接触土壤；挖壕装置的挖壕马达驱动双输出减速机，带动转动轴高速旋转，切销链快速切销土层，并将切削下来的土送到排泥装置内，排泥装置依靠离心力作用，将土输送到机器人两侧。

机械手9主要由提升马达22、夹抓马达23、抓手24、大臂25及伸缩臂26等组成，伸缩臂26安装在提升马达22伸缩端，伸缩臂26上连接有抓手24，抓手24与夹抓马达23输出端相连，伸缩臂26在提升马达22作用下伸至油管或电缆正上方，抓手24在夹抓马达23作用下张开后收缩以夹住油管或电缆。工作时，机械手伸缩臂在提升马达推动下，伸缩臂伸到水底油管或光(电)缆正上方，张开抓手，夹抓马达收缩夹住油管或光(电)缆，提升马达回收，伸缩臂提起油管或电缆。

本发明中，无线遥控系统13由无线接收机和无线发射机等组成，空气置换装置3包括进气管和排气管，无线接收机的天线位于空气置换装置3的进气管、排气管上方，从而避免的无线信号水中传播问题；水下视频系统14主要用于监控机器人水下状态，水下视频系统14主要由水下摄像头、图像采集单元、视频传输单元、图像接收机及显示屏等组成，无线遥控系统13、空气置换装置3、水下视频系统14分别与电气控制系统12相连，电气控制系统由各类电气元器件组成，用于控制各元器件动作。

本发明中，姿态调节装置6主要由水平浆、垂直浆和液压马达等组成，水平浆、垂直浆在液压马达的驱动下调节机器人在水中的姿态，以便于将机器人放置于需埋设的油管正上方；浮力调节箱5主要用于控制机器人在水中的浮力，以减轻用于减轻姿态调节装置6垂直浆所需的提升力。探测系统11由2个磁传感器组件、处理器和软件等组成，磁传感器组件用于探测油管或光(电)缆走向信息，磁传感器组件的输出端连接处理器输入端，处理器输出端与集成控制台15相连，油管或光(电)缆走向信息经集成控制台处理后自动控制履带底盘行走。集成控制台15主要用于对机器人的控制及水下作业状态的监控，其主要由柜体、显示屏二、操作键、电脑主机等组成。

本发明中，履带底盘采用沼泽使用的专用履带板，具有较强的软泥地面耙地防滑能力，以柴油机作为动力，全液压驱动；动力装置选用280KW/1800r·p·m柴油机；根据水下作业的需要，设计了空气置换装置，具备排气和进气功能，在特殊情况下，意外进水后空气置换装置阀门自动关闭，自动保护发动机。油管限位导向组件主要由滚珠、结构件等组成，履带底盘在水底行驶时引导和限制油管或光(电)缆在履带底盘中间位置向后滑动。液压系统由2个闭式子系统和1个开式子系统组成，用于给整个机器人提供液压动力。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：包括履带底盘(1)、动力装置(2)、油管限位导向组件(4)、浮力调节箱(5)、姿态调节装置(6)、挖壕装置(7)、排泥装置(8)、机械手(9)、液压系统(10)、探测系统(11)、电气控制系统(12)和集成控制台(15)，其中，

所述履带底盘(1)左右对称设置，所述履带底盘(1)上方装设有浮力调节箱(5)和姿态调节装置(6)，所述浮力调节箱(5)用于控制机器人系统在水中的浮力，所述姿态调节装置(6)用于调节机器人系统在水中的姿态，所述履带底盘(1)在姿态调节装置(6)和浮力调节箱(5)作用下，被调整到水底需埋设的油管或电缆正上方，所述履带底盘(1)与动力装置(2)的输出端相连，所述履带底盘(1)在动力装置(2)的驱动下在水底行走；

所述液压系统(10)用于提供液压动力，所述机械手(9)连接在液压系统(10)油缸的伸缩端，所述机械手(9)在液压系统(10)油缸伸缩作用下将油管或电缆提起，所述油管限位导向组件(4)用于引导和限制油管或电缆在履带底盘(1)中间位置向后滑动；

所述挖壕装置(7)用于在水下地表挖出壕沟，所述挖壕装置(7)设置在履带底盘(1)内侧处，所述挖壕装置(7)与液压系统(10)相连，所述挖壕装置(7)上方设有排泥装置(8)，所述挖壕装置(7)挖出的土壤被排泥装置(8)向履带底盘(1)两侧排出；

所述探测系统(11)用于探测油管或电缆走向，并发出油管或电缆走向信息，所述走向信息经集成控制台(15)处理后自动控制履带底盘(1)行走；

所述探测系统(11)、液压系统(10)、集成控制台(15)、动力装置(2)、浮力调节箱(5)、姿态调节装置(6)、挖壕装置(7)、排泥装置(8)、机械手(9)分别与电气控制系统(12)相连。

2.如权利要求1所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：所述挖壕装置(7)包括挖壕马达(16)、双输出减速机(17)、收放油缸(18)、伸缩油缸(19)、切销链(20)及转动轴(21)，所述挖壕马达(16)、双输出减速机(17)位于切销链(20)中间位置处，所述切销链(20)在伸缩油缸(19)作用下移至油管或电缆正下方，所述收放油缸(18)带动切销链(20)向下伸出，所述挖壕马达(16)驱动双输出减速机(17)，所述双输出减速机(17)的输出端连接转动轴(21)，所述转动轴(21)带动切销链(20)切销土层。

3.如权利要求2所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：所述机械手(9)包括提升马达(22)、夹抓马达(23)、抓手(24)、大臂(25)及伸缩臂(26)，所述伸缩臂(26)安装在提升马达(22)伸缩端，所述伸缩臂(26)上连接有抓手(24)，所述抓手(24)与夹抓马达(23)输出端相连，所述伸缩臂(26)在提升马达(22)作用下伸至油管或电缆正上方，所述抓手(24)在夹抓马达(23)作用下张开后收缩以夹住油管或电缆。

4.如权利要求2或3所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：还包括无线遥控系统(13)及空气置换装置(3)，所述无线遥控系统(13)包括无线接收机和无线发射机，所述空气置换装置(3)包括进气管和排气管，所述无线接收机的天线位于空气置换装置(3)的进气管、排气管上方，所述无线遥控系统(13)及空气置换装置(3)分别与电气控制系统(12)相连。

5.如权利要求4所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：还包括水下视频系统(14)，所述水下视频系统(14)用于监控机器人系统水下状态，所述水下视频系统(14)与电气控制系统(12)相连。

6.如权利要求5所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：所述水下视频系统(14)包括水下摄像头、图像采集单元、视频传输单元、图像接收机及显示屏。

7.如权利要求6所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：所述姿态调节装置(6)包括水平浆、垂直浆和液压马达，所述水平浆、垂直浆在液压马达的驱动下调节机器人在水中的姿态，所述浮力调节箱(5)用于减轻姿态调节装置(6)垂直浆所需的提升力。

8.如权利要求7所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：所述探测系统(11)包括磁传感器组件和处理器，所述磁传感器组件用于探测油管或电缆走向信息，所述磁传感器组件的输出端连接处理器输入端，所述处理器输出端与集成控制台(15)相连。

9.如权利要求8所述的浅水智能化埋管机器人系统，其特征在于：所述集成控制台(15)包括柜体、显示屏二、操作键及电脑主机。