CN109577402A - 履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，采用履带底盘行进和左右摆动绞吸的方式，能够适应渠道淤积和涵洞淤塞等不同环境，实现无害化连续移动快速清淤。包括：平台框架、以及设置在所述平台框架上的履带底盘、左右摆动绞吸机构、清淤机构、泵送机构和控制单元；所述履带底盘作为所述清淤机器人的行走机构，设置在所述平台框架底部；所述履带底盘在所述控制单元的控制下行走；左右摆动绞吸机构和清淤机构为清淤机器人的执行部分。泵送机构与设置在所述罩体顶部的吸泥砂管相连，泵送机构用于将绞吸头绞吸的淤泥泵送到设定位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种清淤机器人。
背景技术
由于国内很多明渠的总干渠投入运行以来，沿线用水户依赖程度逐渐加深，供水保证率要求高，在今后的运行中，明渠的总干渠输水的希望值是不间断供水。然而，与其他明渠一样，这些明渠总干渠在其运行期间，不可避免在输水渠道及与之交叉的排洪建筑物内形成大量的淤积物，影响供水及危及总干渠安全。为保证不间断供水及总干渠安全，并减轻清淤过程中的二次污染，有必要研究一种水下清淤机器人。
结合明渠总干渠运行要求及现场条件，水下清淤机器人应能适应渠道淤积和涵洞淤塞等不同环境，淤积物清理等功能，实现无害化连续可移动快速清淤。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，能够实现水下无害化连续移动快速清淤。
所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人包括：平台框架、以及设置在所述平台框架上的履带底盘、左右摆动绞吸机构、清淤机构、泵送机构和控制单元；
所述履带底盘作为所述清淤机器人的行走机构，设置在所述平台框架底部；所述履带底盘在所述控制单元的控制下行走；
所述左右摆动绞吸机构设置在所述平台框架前端，包括：旋转底座、安装座、伸缩臂和绞吸头；所述旋转底座设置在所述平台框架上，用于带动左右摆动绞吸机构在设定角度范围内左右摆动；所述安装座固定在旋转底座上，所述伸缩臂的一端与所述安装座销接，另一端连接绞吸头；所述绞吸头包括：罩体、螺旋绞吸头和马达B；所述罩体为底部开口，左右两边均设置有缺口的空心结构，所述螺旋绞吸头设置在所述罩体内部，所述螺旋绞吸头在固定在所述马达B的驱动下绕竖直方向转动；所述马达B固定在所述罩体上；
所述泵送机构与设置在所述罩体顶部的吸泥砂管相连，所述泵送机构用于将所述绞吸头搅吸的淤泥泵送到设定位置；
所述清淤机构包括：机械臂和收集筐，通过所述左右摆动绞吸机构进行清淤前，从所述安装座上拆除伸缩臂和绞吸头，在所述安装座上安装机械臂；所述收集筐设置在所述平台框架顶部；所述机械臂在所述控制单元的控制在设定位置完成拾取动作，并将拾取物放入所述收集筐内。
进一步的：还包括防撞导向装置，所述防撞导向装置包括对称设置在所述平台框架左右两侧的防撞轮组，每侧的防撞轮组包括两个以上位于同一竖直面内的防撞轮，所述防撞轮的轴线沿竖直方向。
进一步的：还包括视觉单元，所述视觉单元用于实时获取清淤机器人所在环境的图像，并通过光电复合电缆传输至地面的上位机。所述视觉单元包括：前置声纳、前置照明/摄像单元、后置前照明/摄像单元和后置后照明/摄像单元；其中所述前置声纳设置在平台框架前端中部，在所述平台框架上前端的左右两侧各设置一个镜头朝向前方的前置照明/摄像单元，在所述平台框架后端的中间位置分别设置镜头朝向前方的后置前照明/摄像单元和镜头朝向后方的后置后照明/摄像单元。
有益效果：
(1)该清淤机器人采用履带底盘行进和左右摆动绞吸的方式，能够适应渠道淤积和涵洞淤塞等不同环境，实现无害化连续移动快速清淤。采用左右摆动绞吸机构进行淤泥的收集和泵送，完成清淤工作，清淤效果好；绞吸收集淤泥，扰动小，不造成二级污染。
(2)设置清淤机构，能够在吸淤泥前实现水下石块和树枝等较大杂物的拾取，使得吸淤效率更高。
(3)设置防撞导向装置不仅能够防止清淤机器人整车撞坏涵洞内的墙壁，还能够实现定轨道淤泥的清理和障碍的清除。
(4)清淤机构中的机械臂能够与高压水枪或铲刮板等工具相配合，清除涵洞内壁四周出现的贝壳等附着生物。
附图说明
图1该清淤机器人的系统组成框图；
图2为该清淤机器人的整体结构示意图；
图3为该清淤机器人履带底盘的结构示意图；
图4为该清淤机器人左右摆动绞吸机构的结构示意图；
图5为带马达的绞吸头的结构示意图；
图6为设置清淤机构的清淤机器人的结构示意图；
图7为视觉单元的结构示意图；
图8为防撞导向装置的结构示意图。
其中：1-履带底盘、4-收集筐、5-泵送机构、6-左右摆动绞吸机构、7-清淤机构、8-防撞导向装置、9-平台框架、10-视觉单元、11-履带轮毂、12-履带、13-马达A、14-减速机、16-支撑机构、17-旋转底座、18-安装座、19-支撑油缸、20-伸缩臂、21-绞吸头、22-罩体、23-螺旋绞吸头、24-吸泥砂管、25-马达B、26-滚轮、27-收集篓、33-防撞轮、39-前置声纳、40-前置照明摄像单元、41-后置前照明/摄像单元、42-后置后照明/摄像单元、46-支撑架、47-防撞轮、48-旋转轴
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例中提供一种履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，能够实现水下无害化连续移动快速清淤。
如图1和图2所示，该清淤机器人包括：平台框架9、以及设置在平台框架9上的履带底盘1、左右摆动绞吸机构6、清淤机构7、泵送机构、控制单元和视觉单元。其中履带底盘1为该清淤机器人的行走平台，左右摆动绞吸机构6和清淤机构7为清淤机器人的执行部分。
如图3所示，该清淤机器人采用履带底盘1作为行走机构，履带底盘1包括：履带轮毂11、履带12、马达A13和减速机14；平台框架9为整个机器人的支撑结构，其顶部设置有收集筐4，底部两端各设置一个履带轮毂11，履带轮毂11上设置耐磨橡胶履带12，每个履带轮毂11对应一个马达A13作为动力单元，马达A13的动力通过减速机14传递至履带轮毂11，从而为清淤机器的行走提供动力。
该清淤机器人采用左右摆动绞吸机构6吸淤泥，如图4所示，左右摆动绞吸机构6设置在平台框架9前端中心位置，包括：旋转底座17、安装座18、支撑油缸19、伸缩臂20和带马达的绞吸头21。在台框架9前端中心位置设置有支座，旋转底座17安装在该支座上，旋转底座17用于带动左右摆动绞吸机构6在设定角度范围内转动，实现左右摆动；安装座18一端固定在旋转底座17上，另一端与伸缩臂20的一端通过销轴连接，伸缩臂20能够绕该销轴转动，实现上下摆动。伸缩臂20的另一端铰接绞吸头21。支撑油缸19的缸体端固定在安装座18上，活塞杆端与伸缩臂20相连，左右摆动绞吸机构正常工作时，支撑油缸19处于自由伸缩状态，通过支撑油缸19实现自由浮动，能够达到减振的效果；维修时，通过支撑油缸19将绞吸头21支起，便于维修更换绞吸头21。
带马达的绞吸头21的结构如图5所示，包括：罩体22、螺旋绞吸头23、吸泥砂管24、马达25和滚轮26。罩体22为底部开口，左右两边均设置有缺口的空心柱形结构，罩体22内部设置螺旋绞吸头23，螺旋绞吸头23由固定在罩体22顶部的马达25驱动绕竖直方向转动。罩体22底部沿圆周方向设置有四个滚轮26，使绞吸头21左右摆动绞吸淤泥时能够在地面滚动，减小摩擦阻力。
泵送机构主要由潜水电机和吸污泵组成，用于实现淤泥从水下到地面的泵送，设置在罩体22顶部的吸泥砂管24通过管路与泵送机构相连。
左右摆动绞吸机构的工作原理为：设置有罩体22的绞吸头21负责搅动和收集淤泥，罩体22顶部设置有抽吸淤泥的管道(即吸泥砂管24)，绞吸头21搅拌后的污泥通过吸泥砂管24进入设置在平台框架9上的泵送机构5，通过泵送机构5将淤泥泵送到地面。
由于涵洞中除淤泥外，还会存在石块和树枝，在该清淤机器人前端平台框架的左右两侧还设置有收集篓27，收集篓27前端开口，清淤机器人前行过程中，收集篓27如同撮箕一样收集石块和树枝；等涵洞的淤泥收集和泵送结束后，收集篓27前端开口上扬，避免石块和树枝滑出篓子，通过收集篓27将石块和树枝直接带回地面。
当左右摆动绞吸机构6完成渠道的清淤前或清淤偶，可以将左右摆动绞吸机构6拆除，在安装座18上安装清淤机构7，再到渠道进行大石块的拾取。如图6所示，清淤机构7为五轴机械臂，五轴机械臂的一端与安装座18相连，通过旋转底座17带动机械臂绕竖直方向转动，实现机械臂在周向不同位置操作。机械臂在控制单元的控制下实现水下石块和树枝的拾取，旋转底座17负责整个机械臂的旋转，从而拾取前方的石块和树枝后，向后旋转到设置在平台框架9上的收集筐4里面，最后由清淤机器人带回到地面。
如图7所示，视觉单元包括：安装在平台框架9上的前置声纳39、前置照明摄像单元40、后置前照明/摄像单元41和后置后照明/摄像单元42。其中前置声纳39设置在平台框架9前端中部，在平台框架9上收集筐4前端的左右两侧各设置一个镜头朝向前方的前置照明摄像单元40，平台框架9上收集筐4后端的中间位置分别设置后置前照明/摄像单元41和后置后照明/摄像单元42，其中后置前照明/摄像单元41的镜头朝向前方，后置后照明/摄像单元42的镜头朝向后方。视觉单元中的用于将通过照明/摄像单元采集水下的图像以及通过声纳探测得到的图像轮廓，通过清淤机器人尾端的光电复合电缆传输到地面的上位机，通过上位机的多屏幕显示器显示在屏幕上，便于地面人员根据图像操控上位机的操纵杆和数据处理系统联合向下位机(即清淤机器人的控制单元)发出指令，指导清淤机器人水下执行机构(左右摆动绞吸机构和清淤机构)工作。
控制单元包括液压控制单元和电控单元，液压控制单元用于控制该清淤机器人上的液压部分，本方案中，履带底盘1中的马达A13、绞吸头21中的马达B25均为液压马达，五轴机械臂也采用液压动力源，由此，履带底盘1、绞吸头21、五轴机械臂、支撑油缸19以及泵吸机构均受控于液压控制单元；清淤机器人上的电子元器件均受控于电控单元。
该清淤机器人有两种应用环境，具体如下：
第一种：人工河道是明渠，笔直的，水流顺流而下，水流截面为倒梯形，水质较清澈；个别时候也要经过横在河道的桥梁或者暗洞。要求水下设备不可将河道两边的岸堤或桥墩碰坏，更不能将涵洞的四面墙壁碰坏，需要水下设备实现河道淤泥的清理和障碍(石头或树枝，编织物)的清除。
第二种：人工河道本身是横穿明渠下方，且在明渠之下的倒梯形涵洞，且是满水状态下，水流截面是正方形，通常称为穿渠涵洞，河水浑浊。穿渠涵洞自身内部所有尺寸(如洞长，倒梯形坡度，坡度俯视长度，纵坡面样貌和所有相关尺寸)预知。要求水下设备不可将倒梯形涵洞四面墙壁碰坏，需要水下设备实现涵洞淤泥的清理和障碍(石头或树枝，编织物)的清除。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，为防止水下清淤机器人整车撞坏涵洞内的墙壁，在平台框9上设置有防撞导向装置，如图7所示，防撞导向装置：包括对称设置在平台框架9左右两侧的胶轮组，每侧的胶轮组包括四个在竖直面内呈矩形分布的橡胶轮作为防撞轮47，防撞轮47的轴线沿竖直方向，具体安装方式为：支撑架46的一端与平台框架9相连，另一端通过轴承与旋转轴48相连，防撞轮47通过轴承套装在与旋转轴48外部。
防撞导向装置的主要作用是当履带底盘1跑偏时，可以防止水下清淤机器人整车撞坏涵洞内的墙壁；同时清淤机器人在行进时可以一侧或两紧贴涵洞墙面顺着墙边行驶，实现定轨道淤泥的清理和障碍的清除。如针对3米的涵洞，假设设计车身1.5米宽，可以直接将防撞导向装置两边各设计为0.7米宽，由此，水下清淤机器人可以直接依靠两边的各四个胶轮顺着涵洞前行，实现定轨道淤泥的清理和障碍的清除。对于大于3米小于等于6米的涵洞，可以让一边的四个胶轮贴墙，顺着墙边行驶，完成定距离的清淤后，再让另外一边的四个胶轮也贴墙顺着墙边行驶，完成另外一半的定距离的清淤。由此通过两次的进出涵洞，就可以完成涵洞的定距离清淤工作。
实施例3：
在上述实施例1和实施例2的基础上，增加清洗系统，所述清洗系统包括机械臂、绑缚在机械臂上的高压水枪以及设置在地面与高压水枪通过水管相连的高压清洗泵。
清洗系统的功能如下：
(1)由于现有涵洞均具有内倒角，清淤机器人很难用清淤机构将其完全清干净，当在完成涵洞主要清淤工作后，在五轴机械臂上绑缚高压水枪，实现对涵洞左右两边内倒角处淤泥的冲洗清理，将其冲洗到涵洞的中央，然后再通过清淤机器人的左右摆动绞吸机构进行收集，通过泵送机构进行泵送，将涵洞内残留的淤泥泵送到地面的泥水分离设备中。
(2)当涵洞内壁附着有贝壳类的生物时，由于附着力不强，涵洞两侧面和顶部可以通过高压水枪冲洗的方式将贝壳类的附着物直接冲洗清理后，再由清淤机器人的左右摆动绞吸机构进行收集，通过泵送机构进行泵送，完成涵洞内的清淤工作。
(3)由于清淤机器人是一机两用，即在渠道里使用，又要在涵洞里使用，因此，当清淤机器人从涵洞里使用完毕后，通过高压水枪对清淤机器人进行冲水清洗后，再到明渠里进行淤泥的收集和泵送。
实施例4：
在上述实施例1和实施例2的基础上，由于目前部分地区的涵洞内壁四周出现附着的贝壳生物，附着力不强，直径在10-60毫米之间。针对这种特殊淤积物，水下清淤机器人衍生出铲刮系统，具体为，在清淤机器人的五轴机械臂的末端安装铲刮板，通过五轴机械臂在旋转底座17的带动下旋转，使得五轴机械臂垂直涵洞的侧壁，通过安装在其前端的铲刮板，再通过五轴机械臂的前伸实现对涵洞两侧内壁的贝壳等附着物的铲刮，最后通过清淤机器人的左右摆动绞吸机构进行淤泥和贝壳收集，通过泵送机构进行泵送，完成涵洞内的清淤工作。涵洞顶端的贝壳生物还是需要依靠上述实施例3中高压水枪的冲洗，将贝壳附着生物冲洗下来，再通过清淤机器人清理。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：包括：平台框架(9)、以及设置在所述平台框架(9)上的履带底盘(1)、左右摆动绞吸机构(6)、清淤机构(7)、泵送机构(5)和控制单元；
所述履带底盘(1)作为所述清淤机器人的行走机构，设置在所述平台框架(9)底部；所述履带底盘(1)在所述控制单元的控制下行走；
所述左右摆动绞吸机构(6)设置在所述平台框架(9)前端，包括：旋转底座(17)、安装座(18)、伸缩臂(20)和绞吸头(21)；所述旋转底座(17)设置在所述平台框架(9)上，用于带动左右摆动绞吸机构(6)在设定角度范围内左右摆动；所述安装座(18)固定在旋转底座(17)上，所述伸缩臂(20)的一端与所述安装座(18)销接，另一端连接绞吸头(21)；所述绞吸头(21)包括：罩体(22)、螺旋绞吸头(23)和马达B(25)；所述罩体(22)为底部开口，左右两边均设置有缺口的空心结构，所述螺旋绞吸头(23)设置在所述罩体(22)内部，所述螺旋绞吸头(23)在固定在所述马达B(25)的驱动下绕竖直方向转动；所述马达B(25)固定在所述罩体(22)上；
所述泵送机构(5)与设置在所述罩体(22)顶部的吸泥砂管(24)相连，所述泵送机构(5)用于将所述绞吸头(21)绞吸的淤泥泵送到设定位置；
所述清淤机构(7)包括：机械臂和收集筐(4)，通过所述左右摆动绞吸机构(6)进行清淤前，从所述安装座(18)上拆除伸缩臂(20)和绞吸头(21)，在所述安装座(18)上安装机械臂；所述收集筐(4)设置在所述平台框架(9)顶部；所述机械臂在所述控制单元的控制在设定位置完成拾取动作，并将拾取物放入所述收集筐(4)内。
2.如权利要求1所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：还包括防撞导向装置，所述防撞导向装置包括对称设置在所述平台框架(9)左右两侧的防撞轮组，每侧的防撞轮组包括两个以上位于同一竖直面内的防撞轮(47)，所述防撞轮(47)的轴线沿竖直方向。
3.如权利要求1所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：还包括视觉单元，所述视觉单元用于实时获取清淤机器人所在环境的图像，并通过光电复合电缆传输至地面的上位机。
4.如权利要求3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：所述视觉单元包括：前置声纳(39)、前置照明/摄像单元(40)、后置前照明/摄像单元(41)和后置后照明/摄像单元(42)；其中所述前置声纳(39)设置在平台框架(9)前端中部，在所述平台框架(9)上前端的左右两侧各设置一个镜头朝向前方的前置照明/摄像单元(40)，在所述平台框架(9)后端的中间位置分别设置镜头朝向前方的后置前照明/摄像单元(41)和镜头朝向后方的后置后照明/摄像单元(42)。
5.如权利要求1、2或3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：所述履带底盘(1)包括：履带轮毂(11)、履带(12)和马达A(13)；所述平台框架(9)底部两端各设置一个履带轮毂(11)，履带轮毂(11)上设置橡胶履带(12)，每个所述履带轮毂(11)对应一个马达A(13)作为动力单元。
6.如权利要求1、2或3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：在所述平台框架(9)的左右两侧均设置有收集篓(27)。
7.如权利要求1、2或3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：所述左右摆动绞吸机构(6)还包括支撑油缸(19)，所述支撑油缸(19)的缸体端固定在所述安装座(18)上，活塞杆端与所述伸缩臂(20)相连，所述左右摆动绞吸机构工作时，所述支撑油缸(19)处于自由伸缩状态。
8.如权利要求1、2或3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：在所述绞吸头(21)中罩体(22)左右两边的缺口处均设置有可开闭的门，绞吸头(21)左右摆动绞吸淤泥过程中，当所述绞吸头(21)向左摆动时，左侧缺口处的门打开，右侧缺口处的门关闭；当所述绞吸头(21)向右摆动时，右侧缺口处的门打开，左侧缺口处的门关闭。
9.如权利要求1、2或3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：在所述机械臂(45)上连接高压水枪，所述高压水枪通过水管与地面的高压清洗泵相连，形成清洗系统，用于对淤泥以及墙面附着物进行的冲洗清理。
10.如权利要求1、2或3所述的履带底盘前端左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：在所述机械臂(45)的末端安装铲刮板，形成铲刮系统，用于铲刮侧壁附着物。
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