CN106428484B - 一种海洋石油开发自适应多足水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种海洋石油开发自适应多足水下机器人，主要为了解决目前大多数水下机器人开展水下作业适用空间受到限制的问题。其特征在于：该装置由ROV本体、多足机构两大部分组成；多足机构有6条腿，每条腿有5个自由度，基节与本体连接处2个，大腿与基节连接处1个，小腿与大腿连接处1个，足部与小腿连接处1个；足底是吸盘式结构，吸盘转动90度可以用于轮式滚动，通过轮足转换适用不同工况。本装置可以依靠螺旋桨悬浮，在道路不平或遇到管线复杂处可以依靠多足在海底步行，道路平坦处可以依靠轮子在海底滚动前行，检测导管架时可以依靠吸盘吸附不同尺寸的管柱，从而提高了工作的稳定性和对环境的适应性，改善了水下机器人的运动性能和工作效率。

Description

一种海洋石油开发自适应多足水下机器人

技术领域：

本发明涉及一种应用于海洋石油开发中的水下机器人。

背景技术：

海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源,随着陆地资源的枯竭,海洋资源的开发利用对人类发展和社会进步的推动作用越趋明显。随着石油、天然气等海洋资源的开发从近海延伸到深海,有缆水下机器人因其安全、高效、作业深度大、能在水下长时间工作而日益成为开发海洋资源的重要工具。但在应用过程中也暴露出问题，由于ROV多数依赖于螺旋桨的驱动，遇到猛烈海浪和强劲暗涌的冲击时往往无能为力，难以正常工作，而且它们能够开展水下作业的地方也受到一定的限制，多数都是水中悬浮。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种基于ROV本体可多模式运动的多足水下机器人。该种装置根据工作需要可以依靠螺旋桨悬浮，也可以依靠多足在海底步行，还可以依靠轮子在海底滚动滑行，这种多模式的工作提高了工作的稳定性，而且可以适应不同的作业环境，对ROV在油田领域取得更为广泛的应用具有深远的意义。

本发明的技术方案是：该种海洋石油开发自适应多足水下机器人，包括一个ROV本体，所述ROV本体为整个水下机器人的载体，其独特之处在于：所述水下机器人具有多足机构；

所述多足机构包括腿部结构和足端结构；其中，腿部结构共有6条腿，分布在所述ROV本体的两侧；腿部结构靠与其连接的摆动液压缸与所述ROV本体连接；每条腿由基节、大腿和小腿三个关节组成，相邻关节之间采用铰接连接，运动靠液压缸驱动；基节、大腿、小腿和足端结构以及第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸构成了实现多足水下机器人海底运动的基本单元。其中，基节与大腿、大腿与小腿以及小腿与足端结构之间顺次利用三个铰接销串联起来构成腿部结构的基本框架，这些铰接销在肢体运动时充当转轴，是多足水下机器人实际的转动关节。所述第一、第二、第三、第四液压缸分别连接在本体与基节、基节与大腿、大腿与小腿、小腿与足端结构之间。

基节靠近机身；大腿和小腿的长度均长于所述基节；基节的中段与本体连接第一液压缸，以实现基节的中段平衡位置接近水平；基节的末段与大腿的末端连接有第二液压缸，以使得大腿的运动范围达到最大；大腿与小腿之间的第三液压缸连接在大腿的中部和小腿的中部。

足端结构包括相互连接的吸盘式的轮子、轮子连接架、第四液压缸、液压马达和液压马达安装架；其中，轮子的足面为吸盘状，第四液压缸连接在轮子连接架上部和液压马达安装架的吊耳上，通过所述第四液压缸的伸缩可使所述足端结构在竖直平面内旋转90°，从而使水下多足机器人在海底运动时其运动状态能够在行走和滚动之间转化，实现轮换功能；轮子连接架由连接架法兰盘和连接杆组成，连接杆上部分设有吊耳，用来和第四液压缸的耳环销轴连接，连接杆下部分是开孔的U型架，用来和液压马达安装架销轴连接，轮子连接架和液压马达安装架也通过销轴进行连接；第四液压缸的缸筒末端与液压马达安装架的吊耳通过销轴进行连接；液压马达安装在液压马达安装架内，吸盘式的轮子与液压马达相连；在足端结构处于轮换模式中时，轮子连接架始终保持固定不动，当第四液压缸伸长时，带动液压马达安装架绕第一销轴进行旋转，从而带动所连接的吸盘式的轮子随其旋转，旋转到吸盘式的轮子与地面垂直时，第四液压缸停止伸长，从而切换到了滚动前行模式；当第四液压缸收缩时，带动液压马达安装架绕第一销轴进行旋转，从而带动所连接的吸盘式的轮子随其旋转，当第四液压缸完全收回时，便切换到了水下行走模式，此时轮子面向地面；轮换模式中，当轮子面向着地面时可实现在水下行走；当轮子与地面垂直时可实现滚动前进。

所述第四液压缸采用可连续稳定伸缩的液压缸，以实现切换流畅；在足端结构与腿部结构之间连接有减震装置；减震装置包括上端盖和下端盖以及安装在两者之间的弹簧。其中，上端盖上方有上端盖法兰盘，用来和小腿下方的小腿连接法兰盘连接，从而实现减震装置和腿部结构的连接；下端盖下方有下端盖法兰盘，用来连接轮子连接架上端的连接架法兰盘，从而实现减震装置和足端结构的连接。

本发明具有如下有益效果：首先，当焊接用水下机器人采取本发明所述方案后，以ROV为载体对施工而言是非常有利的。因为目前ROV技术已经相对成熟，无论是在结构还是控制上。而且ROV有它独特的优点，机动灵活，水下工作时间长，减少了回收机器人的次数，相当于增加了工作效率。

其次，本发明所述方案给出的带有转换模式的足端结构和多足机构，有效的提高了整套装置的运动能力，可以实现多模式自适应运动。

另外，本发明所述方案的液压系统采用双联齿轮泵供油，把等量的油分别输入两个尺寸相同的液压缸，确保需要同步作业的两个液压缸动作同步，使作业更加平稳。

综上所述，本发明提供的这种多模式工作的水下机器人，可以提高工作的稳定性，适应不同的作业环境以及不同的管道直径，改善了水下机器人的运动性能，大大提高了水下机器人的工作效率。

附图说明：

图1是本发明海洋石油开发自适应多足水下机器人总装图。

图2是本发明ROV本体总体结构图。

图3是本发明ROV本体后视图。

图4是本发明ROV本体主视图

图5是本发明自适应多足水下机器人单条腿机构示意图。

图6是本发明自适应多足水下机器人摆动液压缸示意图。

图7是本发明自适应多足水下机器人腿部结构示意图。

图8是本发明自适应多足水下机器人摆动液压缸与腿的连接头示意图。

图9是本发明自适应多足水下机器人腿的基节示意图。

图10是本发明自适应多足水下机器人大腿示意图。

图11是本发明自适应多足水下机器人小腿示意图。

图12是本发明自适应多足水下机器人足端整体结构示意图。

图13是本发明自适应多足水下机器人轮子连接架示意图。

图14是本发明自适应多足水下机器人轮子装置整体结构示意图。

图15是本发明自适应多足水下机器人液压马达示意图。

图16是本发明自适应多足水下机器人液压马达安装框示意图。

图17是本发明自适应多足水下机器人吸盘式轮子示意图。

图18是本发明自适应多足水下机器人减震装置示意图。

图19是本发明自适应多足水下机器人减震装置的上端盖结构示意图。

图20是本发明自适应多足水下机器人减震装置的弹簧示意图。

图21是本发明自适应多足水下机器人减震装置的下端盖结构示意图。

图中1-ROV机器人，2-多足机构，3-载体框架，4-浮力模块，5-垂直推进器，6-水平推进器，7-五自由度机械手，8-七自由度机械手，9-照明摄像系统，10-电子舱，11-液压动力单元，12-腿部结构，13-足端结构，14-摆动液压缸，15-基节，16-大腿，17-小腿，18-液压缸，19-轮子，20-轮子连接架，21-液压马达，22-液压马达安装架，23-减震装置，24-减震装置上端盖，25-减震装置下端盖，26-减震装置弹簧,27-上端盖法兰盘,28-小腿连接法兰盘，29-下端盖法兰盘,30-连接架法兰盘,31-连接杆,32-连接杆上的吊耳，33-U型架,34-液压马达安装架吊耳，35-第一销轴。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图21所示，本种海洋石油开发自适应多足水下机器人，包括机体，以及为机体提供动力和控制信号的液压和电控系统，其中机体由ROV本体、多足机构两大部分组成。

所述ROV本体为整个系统的载体，在本发明应用时，采用通用的ROV本体即可。主要由所述ROV本体1为整个系统的载体，如图2所示，主要由载体框架3，浮力模块4，4个水平推进器6，2个垂直推进器5，照明摄像系统7，一个5自由度机械手9和一个7自由度机械手8、电子舱10、液压动力单元11组成。其中，载体框架3既是主要承重装置，也是主要搭载装置；浮力模块4通过螺栓连接安装在载体框架3的上方，为整套装置提供向上的浮力；6个推进器实现整套装置在水下6个自由度的运动；照明摄像系统9安装在载体框架3的前上方；两个机械手安装在载体框架3的前下方，其中5自由度机械手7主要实现定位功能和一些辅助功能，7自由度机械手8负责精细的操作工作。电子舱10安装在载体框架3的中间位置，主要为ROV提供电力。液压动力单元11安装在载体框架3底部，为ROV的4个水平推进器6和2个垂直推进器5以及两个不同自由度的机械手提供液压动力。

本发明的独特之处在于，给出了与ROV本体配合的多足机构2，如图5所示。

所述多足机构2，包括腿部结构12和足端结构13。其中腿部结构12共设计有6条腿，分布在ROV本体的两侧。与四足机器人相比，六足机器人具有更好的稳定性、更高的承载能力，且步态多样化，同时由于其冗余的结构可以使其在有一条腿踏空或者折断的情况下身体仍然保持稳定；相比于八足机器人，其具有结构简单控制容易的特点。因此六足机器人是复杂地形下移动作业的理想平台。腿部结构12靠与其连接的摆动液压缸14与ROV本体连接，每条腿由基节15、大腿16、小腿17三个关节组成，相邻关节之间采用铰接连接，运动靠液压缸驱动。腿和足是实现多足水下机器人海底运动的基本单元，每个单元主要包括：基节15、大腿16、小腿17、足端结构13以及第一、第二、第三、第四液压缸1801、1802、1803和1804。基节15与大腿16、大腿16与小腿17、小腿17与足端结构13之间顺次利用三个铰接销串联起来构成腿部结构的基本框架，这些铰接销在肢体运动时充当转轴，是多足水下机器人实际上的转动关节。第一、第二、第三、第四液压缸分别连接在本体与基节、基节与大腿、大腿与小腿、小腿与足端结构之间。

多足水下机器人的基节粗短，靠近机身；大腿和小腿较长。基节的中段与本体连接有第一液压缸1801，其平衡位置接近水平；基节15的的末段与大腿15的末端连接有第二液压缸1802，这样设计可使大腿16的运动范围达到最大，增加机构的灵活性；大腿16与小腿17之间的第三液压缸1803连接在大腿16的中部和小腿17的中部，结构紧凑简约。本种多足水下机器人腿部的液压缸有明确的分工：基节与主体连接的液压缸摆幅通常较小，是核心驱动器；基节与大腿之间和大腿与小腿之间的液压缸主要负责调整机身姿态，同时因其摆幅大，是机器人纵向迈步和增大步伐的主要机构，采用液压输出的方式控制，行动灵活。

足端结构13设计为多功能轮换模式，如图16所示。主要由吸盘式轮子19、连接轮子连接架20、第四液压缸1804、液压马达21、液压马达安装架22组成。轮子连接架20由连接架法兰盘30和连接杆31组成，连接杆31上部分设有吊耳32，用来和第四液压缸的耳环销轴连接，连接杆31下部分是开孔的U型架33，用来和液压马达安装架22销轴连接，轮子连接架20和液压马达安装架22也通过销轴进行连接；第四液压缸的缸筒末端与液压马达安装架的吊耳34通过销轴进行连接；液压马达21安装在液压马达安装架22内，吸盘式轮子19与液压马达21相连。

在轮换模式中连接轮子连接架20始终保持固定不动，当第四液压缸伸长时，带动液压马达安装架22绕其第一销轴35进行旋转，从而带动所连接的吸盘式的轮子随其旋转，旋转到吸盘式的轮子19与地面垂直时，第四液压缸停止伸长，从而切换到了滚动前行模式；当第四液压缸收缩时，带动液压马达安装架22绕其销轴进行旋转，从而带动所连接的吸盘式的轮子19随其旋转，当第四液压缸完全收回时，便切换到了水下行走模式，此时吸盘式的轮子19是面向地面的。足端结构13不同形式的切换通过第四液压缸1804来完成，第四液压缸1804的伸缩具有连续稳定性，能够使切换流畅。对于起伏程度较大、海底情况复杂的环境，易采用行走的方式，此时轮子19圆面与海底平行，行走过程具有稳定性，且停止时方便；对于较为平稳的海底环境，且需要长距离行走时，易采用轮子19滚动的方式前进，运行速度快。

足端结构13的足面采用吸盘状，一方面能够使运动或静止状态时水下多足机器人更加平稳，不易于发生侧翻；另一方面可以吸附管柱。

在足端结构13与腿部结构12之间有减震装置23,如图18所示，减震装置23包括上端盖24和下端盖25,以及安装在两者之间的弹簧26。其中，上端盖24上方有上端盖法兰盘27，用来和小腿下方的小腿连接法兰盘28连接，从而实现减震装置23和腿部结构12的连接；下端盖25下方有下端盖法兰盘29，用来连接轮子连接架20上端的连接架法兰盘30，从而实现减震装置23和足端结构13的连接。足端结构13上方的减震装置23能够使水下多足机器人在运动过程中产生的阻力降低，尤其是对于机器人行走过程中颠簸产生的振动有很好的减弱效果。水下设备在其运动过程中往往会由于振动而对工作造成不良影响，此减震装置的设计克服了多足机器人运动时受振动而影响其正常运行的缺点。

利用本装置可实现悬浮、步行、滚动前行和抱管吸附四项运动。其中，悬浮适用于一定深度的水下运动，以及下潜和上升过程；步行适用于装置已经下潜入海底后，海底路面变化比较复杂，或是海底管线复杂的情况；滚动前行适用于海底作业时比较平坦的环境；抱管吸附则为依靠足端吸盘结构吸附不同尺寸的油管。

Claims (1)

1.一种海洋石油开发自适应多足水下机器人，包括一个ROV本体(1)，所述ROV本体(1)为整个水下机器人的载体，其特征在于：所述水下机器人具有多足机构(2)；

所述多足机构(2)包括腿部结构(12)和足端结构(13)；其中，腿部结构(12)共有6条腿，分布在所述ROV本体的两侧；腿部结构(12)靠与其连接的摆动液压缸(14)与所述ROV本体连接；每条腿由基节(15)、大腿(16)和小腿(17)三个关节组成，相邻关节之间采用铰接连接，运动靠液压缸驱动；基节(15)、大腿(16)、小腿(17)和足端结构(13)以及第一液压缸(1801)、第二液压缸(1802)、第三液压缸(1803)和第四液压缸(1804)构成了实现多足水下机器人海底运动的基本单元，其中，基节(15)与大腿(16)、大腿(16)与小腿(17)以及小腿(17)与足端结构(13)之间顺次利用三个铰接销串联起来构成腿部结构的基本框架，这些铰接销在肢体运动时充当转轴，是多足水下机器人实际的转动关节；所述第一、第二、第三、第四液压缸分别连接在本体(1)与基节(15)、基节(15)与大腿(16)、大腿(16)与小腿(17)、小腿(17)与足端结构(13)之间；

基节(15)靠近机身；大腿(16)和小腿(17)的长度均长于所述基节；基节(15)的中段与本体连接第一液压缸，以实现基节(15)的中段平衡位置接近水平；基节(15)的末段与大腿(16 )的末端连接有第二液压缸，以使得大腿(16)的运动范围达到最大；大腿(16)与小腿(17)之间的第三液压缸连接在大腿(16)的中部和小腿(17)的中部；

足端结构(13)包括相互连接的吸盘式的轮子(19)、轮子连接架(20)、第四液压缸、液压马达(21)和液压马达安装架(22)；其中，轮子(19)的足面为吸盘状，第四液压缸连接在轮子连接架(20)上部和液压马达安装架(22)的吊耳(34)上，通过所述第四液压缸的伸缩可使所述足端结构在竖直平面内旋转90°，从而使水下多足机器人在海底运动时其运动状态能够在行走和滚动之间转化，实现轮换功能；轮子连接架(20)由连接架法兰盘(30)和连接杆(31)组成，连接杆(31)上部分设有吊耳(32)，用来和第四液压缸的耳环销轴连接，连接杆(31)下部分是开孔的U型架(33)，用来和液压马达安装架(22)销轴连接，轮子连接架(20)和液压马达安装架(22)也通过销轴进行连接；第四液压缸的缸筒末端与液压马达安装架的吊耳(34)通过销轴进行连接；液压马达(21)安装在液压马达安装架(22)内，吸盘式的轮子(19)与液压马达(21)相连；在足端结构(13)处于轮换模式中时，轮子连接架(20)始终保持固定不动，当第四液压缸伸长时，带动液压马达安装架(22)绕第一销轴(35)进行旋转，从而带动所连接的吸盘式的轮子(19)随其旋转，旋转到吸盘式的轮子(19)与地面垂直时，第四液压缸停止伸长，从而切换到了滚动前行模式；当第四液压缸收缩时，带动液压马达安装架(22)绕第一销轴(35)进行旋转，从而带动所连接的吸盘式的轮子(19)随其旋转，当第四液压缸完全收回时，便切换到了水下行走模式，此时轮子(19)面向地面；轮换模式中，当轮子(19)面向着地面时可实现在水下行走；当轮子(19)与地面垂直时可实现滚动前进；

所述第四液压缸采用可连续稳定伸缩的液压缸，以实现切换流畅；

在足端结构(13)与腿部结构(12)之间连接有减震装置(23)；减震装置(23)包括上端盖(24)和下端盖(25)以及安装在两者之间的弹簧(26)；其中，上端盖(24)上方有上端盖法兰盘(27)，用来和小腿(17)下方的小腿连接法兰盘(28)连接，从而实现减震装置(23)和腿部结构(12)的连接；下端盖(25)下方有下端盖法兰盘(29)，用来连接轮子连接架(20)上端的连接架法兰盘(30)，从而实现减震装置(23)和足端结构(13)的连接。