CN106625700A - 一种大型取水隧洞爬行监测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大型取水隧洞爬行监测机器人，放置于大型取水隧洞内，由水流驱动并沿水流方向前行，且通过缆绳与洞外恒张力绞车相连，实现前行距离及速度的反馈控制；包括主体结构；设置于主体结构上的电缆固定支架；与主体结构固连用于安装多个摄像机及LED灯的支撑模块；设置于主体结构上用于获取洞内海生物、沉沙、淤泥等环境信息的主浮筒模块和通过与摄像机及LED灯相连用于获取洞内部环境信息并实现信息存储的多个副浮筒模块；设置于支撑模块上实现自动伸缩适应洞内径变化的多个内径自适应模块。实施本发明，能够克服取水隧洞距离长、流速高对机器人的影响，实现监测数据实时传输等特点，解决长距离高流速环境下隧洞全面监测难题。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种大型取水隧洞爬行监测机器人。
背景技术
由于取水隧洞具有直径大、距离长、水流速度快等特点，容易存在导致隧洞阻塞以及相关设备损坏等潜在风险，因此为了保证相关设备的安全运行，须隧洞正常运行时对隧洞内可能形成的海生物、沉沙、淤泥及其它异物情况进行监测并跟踪，以便准确获取隧洞内一切相关数据信息，为海生物等异物可能带来的危害进行评估提供数据来源，为评估相关设备的安全运行提供数据参考，以及为下一步的实施措施（如清理、检修等）提供决策依据。
现有技术中，虽然已公开了申请公告号为CN201310019807.5，名称为一种水下监测机器人的发明专利，该水下监测机器人通过水平和垂直螺旋桨推进器进行水下运动，实现水下监测数据实时传递，但该水下监测机器人体积庞大，而且一旦监测距离长时需要较大的动力驱动，使得电缆的自重会对整个机械的运动造成影响；虽然还公开了申请公告号为CN201410135026.7，名称为一种微型管道机器人的发明专利，该微型管道机器人通过所携带的摄像机、LED灯、X光等传感器对管道进行视频检查或探伤，但主要针对直径1000mm以下的管道，且无法在无水条件下进行检测。
发明人发现，上述检测机器人都无法满足对大型取水隧洞海生物的监测需求，因此亟需一种用于大型取水隧洞海生物监测的机器人，能够克服取水隧洞距离长及流速高对机器人的影响，实现数据实时传递等特点。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种大型取水隧洞爬行监测机器人，能够克服取水隧洞距离长、流速高对机器人的影响，实现监测数据实时传输等特点，解决长距离高流速环境下的隧洞全面监测难题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种大型取水隧洞爬行监测机器人，所述爬行监测机器人放置于大型取水隧洞内，由所述大型取水隧洞内水流驱动沿水流方向前行，并通过缆绳与所述大型取水隧洞外的恒张力绞车相连，实现沿水流方向前行距离及速度的反馈控制；所述爬行监测机器人包括：
主体结构；
设置于所述主体结构上，用于固定所述缆绳的电缆固定支架；
与所述主体结构相固连，用于安装多个摄像机及LED灯的支撑模块；
设置于所述主体结构上，用于通过内置声纳扫描获取所述大型取水隧洞内海生物、沉沙及淤泥相关环境信息的主浮筒模块；
设置于所述主体结构上，且通过与所述多个摄像机及LED灯相连，用于获取所述大型取水隧洞内部环境信息并实现信息存储的多个副浮筒模块；
设置于所述支撑模块上，且可实现自动伸缩适应所述大型取水隧洞内径变化的多个内径自适应模块。
其中，所述主体结构由两组呈对称结构布置的同心圆环组成，所述两组同心圆环均包括通过连接筋相固连的内环和外环；其中，
所述两组同心圆环的内环的连接筋上分别设有用于固定所述主浮筒模块两端的安装位，使得所述主浮筒模块安装后实现所述两组同心圆环的内环之间相固定；
所述两组同心圆环的内环与外环之间的连接筋上均设有多个用于固定对应副浮筒模块两端的安装位，使得所述多个副浮筒模块安装后实现所述两组同心圆环的外环之间相固定。
其中，所述两组同心圆环的内环与外环的纵向剖面均呈月牙状。
其中，所述支撑模块由两个呈对称结构布置的大圆环组成，且所述两个大圆环之间通过连接筋相固连；其中，每一大圆环环内均对应有一组所述主体结构的同心圆环，且所述每一大圆环还均通过连接筋与对应同心圆环的外环相固连。
其中，所述主浮筒模块呈中间为圆柱状且两端为锥状的结构，且所述主浮筒模块内部设有依序连接的剖面扫描声纳、用于获取感知所述大型取水隧洞内部环境信息及爬行监测机器人运动信息的感知子模块、用于信息存储的第一存储子模块、用于电池供电的第一电源子模块以及用于根据所述感知模块感知的环境信息，控制所述大型取水隧洞内部环境信息采集及处理的控制子模块；其中，所述剖面扫描声纳安装于所述主浮筒模块背离所述电缆固定支架一侧的锥端上。。
其中，所述感知子模块包括用于感知爬行监测机器人运动实时速度的速度传感器、用于感知爬行监测机器人运动时加速度的加速度传感器、用于感知爬行监测机器人在所述大型取水隧洞内实时姿态变化情况的姿态传感器和用于感知所述主浮筒模块密封性能的泄漏探测传感器。
其中，每一副浮筒模块均呈中间为圆柱状且两端为锥状的结构，且所述每一副浮筒模块均与两个摄像头及两个LED灯相连，并均包括依序连接的用于控制摄像头采集所述大型取水隧洞内部环境信息的录像机、用于存储信息的第二存储子模块和用于内部供电及外接的摄像头和LED灯供电的第二电源子模块。
其中，所述多个内径自适应模块呈规律性的固定于所述支撑模块大圆环的环外侧壁上，且每一内径自适应模块均包括两个分别固定于所述两个大圆环外侧壁上的伸缩机构；其中，
每一伸缩机构均包括主杆、副杆、支撑杆、第一伸缩轴、第二伸缩轴、滚动轮和滚动轴；其中，所述主杆的一端与相应的大圆环外侧壁相固定，另一端安装有一端在所述主杆内部滑动配合的第一伸缩轴；所述副杆的一端固定于所述主杆靠近背离所述大圆环一端的侧壁上，另一端安装有一端在所述副杆内部滑动配合的第二伸缩轴；所述支撑杆的一端通过所述滚动轴与所述滚动轮相连，另一端与所述第二伸缩轴的另一端相铰接；所述第一伸缩轴的另一端与所述支撑杆一中间部位相铰接。
其中，所述主体结构两组同心圆环的内环与外环，以及所述支撑模块的两个大圆环均由钛合金材料制作而成；且所述主浮筒模块的外壳和所述多个副浮筒模块的外壳均由低密度树脂材料制作而成。
其中，所述缆绳为钢丝铠装电缆，其内部含有两根光纤。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的爬行监测机器人放置于大型取水隧洞内，通过大型取水隧洞内水流速度驱动沿水流方向前行，从而实现了爬行监测机器人长距离监测下的动力来源问题，保证了超长大型取水隧洞的全距离监测，并通过缆绳与大型取水隧洞外的恒张力绞车相连，实现沿水流方向前行距离及速度的反向控制，从而保证了爬行监测机器人的高抗流速性，因此克服了取水隧洞距离长及水流速度快对爬行监测机器人的影响；
2、本发明的爬行监测机器人采用电缆固定支架固定缆绳与大型取水隧洞外的恒张力绞车相连，提高了缆绳的使用寿命和爬行监测机器人工作的安全性；
3、本发明的爬行监测机器人通过主浮筒模块内置声纳扫描获取大型取水隧洞内海生物信息，并通过多个副浮筒模块获取大型取水隧洞内部环境信息并实现信息存储，从而实现数据实时获取及传递，且采用模块化设计，具有安装调试方便等特点；
4、本发明的爬行监测机器人通过多个内径自适应模块实现自动伸缩适应大型取水隧洞内径变化，从而确保爬行监测机器人在大型取水隧洞内高流速下姿态的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的大型取水隧洞爬行监测机器人的立体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的大型取水隧洞爬行监测机器人的侧视平面结构示意图；
图3为图1和图2中内环的纵向剖视截面图；
图4为图1和图2中主浮筒模块的横向剖视立体图；
图5为图1和图2中一个副浮筒模块的横向剖视立体图；
图6为图1和图2中一个内径自适应模块内一伸缩机构的平面结构示意图；
图7为图1和图2中缆绳的剖截面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，为本发明实施例中，提供的一种大型取水隧洞爬行监测机器人，该爬行监测机器人放置于大型取水隧洞（未图示）内，由大型取水隧洞内水流速度驱动沿水流方向前行，并通过缆绳L与大型取水隧洞外的恒张力绞车（未图示）相连，实现沿水流方向前行距离及速度的反馈控制；该爬行监测机器人包括：
主体结构1；
设置于主体结构1上，用于固定缆绳L的电缆固定支架11；
与主体结构1相固连，用于安装多个摄像机K及LED灯的支撑模块2；
设置于主体结构1上，用于通过内置声纳扫描获取大型取水隧洞内海生物、沉沙及淤泥相关环境信息的主浮筒模块3；
设置于主体结构1上，且通过与多个摄像机及LED灯相连，用于获取大型取水隧洞内部环境信息并实现信息存储的多个副浮筒模块4；
设置于支撑模块2上，且可实现自动伸缩适应大型取水隧洞内径变化的多个内径自适应模块5。
可以理解的是，爬行监测机器人采用水力驱动前行，并采用有缆形式实现前行距离及速度的反馈控制，且进一步通过主浮筒模块3和多个副浮筒模块4携带声纳、摄像头及LED灯进行信息采集，从而使得爬行监测机器人实现了长距离监测下的动力来源问题，保证了超长大型取水隧洞的全距离监测，克服了取水隧洞距离长及水流速度快对爬行监测机器人的影响。
在本发明实施例中，主体结构1由两组呈对称结构布置的同心圆环组成，两组同心圆环均包括通过连接筋M相固连的内环12和外环13；其中，
两组同心圆环的内环12的连接筋M上分别设有用于固定主浮筒模块3两端的安装位，使得主浮筒模块3安装后实现两组同心圆环的内环12之间相固定；
两组同心圆环的内环12与外环13之间的连接筋M上均设有多个用于固定对应副浮筒模块4两端的安装位，使得多个副浮筒模块4安装后实现两组同心圆环的外环13之间相固定，从而使得两组同心圆环形成一个整体。
在本发明实施例中，支撑模块2由两个呈对称结构布置的大圆环21组成，且两个大圆环21均由钛合金材料制作而成，二者之间通过连接筋M相固连；其中，每一大圆环21环内均对应有一组主体结构1的同心圆环，且每一大圆环21还均通过连接筋M与对应同心圆环的外环13相固连。
更进一步的，如图3所示，两组同心圆环的内环12与外环13的纵向剖面均呈月牙状，且均由钛合金材料制作而成，降低了主体结构1重量，并起到引流作用，以减少隧洞流量损失。
在一个实施例中，两组同心圆环的内环12中心直径均为2000mm，外环13中心直径均为2475mm，且内环12与外环13的纵向剖面最大厚度为30mm，支撑模块2的两个大圆环21中心直径均为5200mm。
更进一步的，如图4所示，主浮筒模块3呈中间为圆柱状且两端为锥状的结构，可以起到引流作用，以减少隧洞水头损失，同时主浮筒模块3的外壳由低密度树脂制作而成，降低重量，增大浮力。
主浮筒模块3内部设有依序连接的剖面扫描声纳31、用于获取感知大型取水隧洞内部环境信息及爬行监测机器人运动信息的感知子模块32、用于信息存储的第一存储子模块33、用于电池供电的第一电源子模块34以及用于根据感知模块32感知的环境信息，控制大型取水隧洞内部环境信息采集及处理的控制子模块35；
其中，剖面扫描声纳31安装于主浮筒模块3背离电缆固定支架11一侧的锥端上，以便于更好的采集并显示出高分辨率的大型取水隧洞内壁轮廓图像。在一个实施例中，剖面扫描声纳31采用加拿大的Imagenex 831型轮廓剖面声纳。
其中，感知子模块32包括用于感知爬行监测机器人运动实时速度的速度传感器、用于感知爬行监测机器人运动时加速度的加速度传感器、用于感知爬行监测机器人在所述大型取水隧洞内实时姿态变化情况的姿态传感器和用于感知主浮筒模块3密封性能的泄漏探测传感器，为爬行监测机器人的运行及数据采集提供决策依据。在一个实施例中，速度传感器采用DVL速度检测传感器。
更进一步的，如图5所示，每一副浮筒模块4均呈中间为圆柱状且两端为锥状的结构，可以起到引流作用，以减少隧洞流量损失，同时每一副浮筒模块4的外壳均由钛合金材料制作而成，降低重量。
每一副浮筒模块4均与两个摄像头及两个LED灯相连，并均包括依序连接的用于控制摄像头采集大型取水隧洞内部环境信息的录像机41、用于存储信息的第二存储子模块42和用于内部供电及外接的摄像头和LED灯供电的第二电源子模块43。
更进一步的，多个内径自适应模块5呈规律性的固定于支撑模块2大圆环21的环外侧壁上，且每一内径自适应模块5均包括两个分别固定于两个大圆环21环外侧壁上的伸缩机构51；其中，
如图6所示，每一伸缩机构51均包括主杆511、副杆512、支撑杆513、第一伸缩轴514、第二伸缩轴515、滚动轮516和滚动轴517；其中，主杆511的一端与相应的大圆环21环外侧壁相固定，另一端安装有一端在主杆511内部滑动配合的第一伸缩轴514；副杆512的一端固定于主杆51靠近背离大圆环21一端的侧壁上，另一端安装有一端在副杆512内部滑动配合的第二伸缩轴515；支撑杆513的一端通过滚动轴517与滚动轮516相连，另一端与第二伸缩轴515的另一端相铰接；第一伸缩轴514的另一端与支撑杆513的一中间部位相铰接，从而使得伸缩机构51可以根据大型取水隧洞内径大小的变化调整伸缩长度；当然伸缩机构51的所有部件都可以采用钛合金材料制作而成。
更进一步的，如图7所示，该缆绳L为钢丝铠装电缆，其内部含有两根光纤M，实现爬行监测机器人主浮筒模块3及每一副浮筒模块4的数据均传输到岸上操控系统。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的爬行监测机器人放置于大型取水隧洞内，通过大型取水隧洞内水流速度驱动沿水流方向前行，从而实现了爬行监测机器人长距离监测下的动力来源问题，保证了超长大型取水隧洞的全距离监测，并通过缆绳与大型取水隧洞外的恒张力绞车相连，实现沿水流方向前行距离及速度的反馈控制，从而保证了爬行监测机器人的高抗流速性，因此克服了取水隧洞距离长及水流速度快对爬行监测机器人的影响；
2、本发明的爬行监测机器人采用电缆固定支架固定缆绳与大型取水隧洞外的恒张力绞车相连，提高了缆绳的使用寿命和爬行监测机器人工作的安全性；
3、本发明的爬行监测机器人通过主浮筒模块内置声纳扫描获取大型取水隧洞内海生物信息，并通过多个副浮筒模块获取大型取水隧洞内部环境信息并实现信息存储，从而实现数据实时获取及传递，且采用模块化设计，具有安装调试方便等特点；
4、本发明的爬行监测机器人通过多个内径自适应模块实现自动伸缩适应大型取水隧洞内径变化，从而确保爬行监测机器人在大型取水隧洞内高流速下姿态的稳定性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述爬行监测机器人放置于大型取水隧洞内，由所述大型取水隧洞内水流驱动并沿水流方向前行，且通过缆绳与所述大型取水隧洞外的恒张力绞车相连，实现沿水流方向前行距离及速度的反馈控制；所述爬行监测机器人包括：
主体结构（1）；
设置于所述主体结构（1）上，用于固定所述缆绳的电缆固定支架（11）；
与所述主体结构（1）相固连，用于安装多个摄像机及LED灯的支撑模块（2）；
设置于所述主体结构（1）上，用于通过内置声纳扫描获取所述大型取水隧洞内海生物、沉沙及淤泥相关环境信息的主浮筒模块（3）；
设置于所述主体结构（1）上，且通过与所述多个摄像机及LED灯相连，用于获取所述大型取水隧洞内部环境信息并实现信息存储的多个副浮筒模块（4）；
设置于所述支撑模块（2）上，且可实现自动伸缩适应所述大型取水隧洞内径变化的多个内径自适应模块（5）。
2.如权利要求1所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述主体结构（1）由两组呈对称结构布置的同心圆环组成，所述两组同心圆环均包括通过连接筋相固连的内环（12）和外环（13）；其中，
所述两组同心圆环的内环（12）的连接筋上分别设有用于固定所述主浮筒模块（3）两端的安装位，使得所述主浮筒模块（3）安装后实现所述两组同心圆环的内环（12）之间相固定；
所述两组同心圆环的内环（12）与外环（13）之间的连接筋上均设有多个用于固定对应副浮筒模块（4）两端的安装位，使得所述多个副浮筒模块（4）安装后实现所述两组同心圆环的外环（13）之间相固定。
3.如权利要求2所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述两组同心圆环的内环（12）与外环（13）的纵向剖面均呈月牙状。
4.如权利要求3所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述支撑模块（2）由两个呈对称结构布置的大圆环（21）组成，且所述两个大圆环（21）之间通过连接筋相固连；其中，每一大圆环（21）环内均对应有一组所述主体结构（1）的同心圆环，且所述每一大圆环（21）还均通过连接筋与对应同心圆环的外环（13）相固连。
5.如权利要求4所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述主浮筒模块（3）呈中间为圆柱状且两端为锥状的结构，且所述主浮筒模块（3）内部设有依序连接的剖面扫描声纳（31）、用于获取感知所述大型取水隧洞内部环境信息及爬行监测机器人运动信息的感知子模块（32）、用于信息存储的第一存储子模块（33）、用于电池供电的第一电源子模块（34）以及用于根据所述感知模块（32）感知的环境信息，控制所述大型取水隧洞内部环境信息采集及处理的控制子模块（35）；其中，所述剖面扫描声纳（31）安装于所述主浮筒模块（3）背离所述电缆固定支架（11）一侧的锥端上。
6.如权利要求5所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述感知子模块（32）包括用于感知爬行监测机器人运动实时速度的速度传感器、用于感知爬行监测机器人运动时加速度的加速度传感器、用于感知爬行监测机器人在所述大型取水隧洞内实时姿态变化情况的姿态传感器和用于感知所述主浮筒模块（3）密封性能的泄漏探测传感器。
7.如权利要求6所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，每一副浮筒模块（4）均呈中间为圆柱状且两端为锥状的结构，且所述每一副浮筒模块（4）均与两个摄像头及两个LED灯相连，并均包括依序连接的用于控制摄像头采集所述大型取水隧洞内部环境信息的录像机（41）、用于存储信息的第二存储子模块（42）和用于内部供电及外接的摄像头和LED灯供电的第二电源子模块（43）。
8.如权利要求7所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述多个内径自适应模块（5）呈规律性的固定于所述支撑模块（2）大圆环（21）的环外侧壁上，且每一内径自适应模块（5）均包括两个分别固定于所述两个大圆环（21）环外侧壁上的伸缩机构（51）；其中，
每一伸缩机构（51）均包括主杆（511）、副杆（512）、支撑杆（513）、第一伸缩轴（514）、第二伸缩轴（515）、滚动轮（516）和滚动轴（517）；其中，所述主杆（511）的一端与相应的大圆环（21）环外侧壁相固定，另一端安装有一端在所述主杆（511）内部滑动配合的第一伸缩轴（514）；所述副杆（512）的一端固定于所述主杆（511）靠近背离所述大圆环（21）一端的侧壁上，另一端安装有一端在所述副杆（512）内部滑动配合的第二伸缩轴（515）；所述支撑杆（513）的一端通过所述滚动轴（517）与所述滚动轮（516）相连，另一端与所述第二伸缩轴（515）的另一端相铰接；所述第一伸缩轴（514）的另一端与所述支撑杆（513）的一中间部位相铰接。
9.如权利要求8所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述主体结构（1）两组同心圆环的内环（12）与外环（13），以及所述支撑模块（2）的两个大圆环（21）均由钛合金材料制作而成；且所述主浮筒模块（3）的外壳和所述多个副浮筒模块（4）的外壳均由低密度树脂材料制作而成。
10.如权利要求9所述的大型取水隧洞爬行监测机器人，其特征在于，所述缆绳为钢丝铠装电缆，其内部含有两根光纤。
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