CN110244373A - 门槽检测系统和专用水下机器人 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种针对插板门门槽的检测的门槽检测系统和门槽检测专用水下机器人。该系统包括门槽检测专用水下机器人、控制单元和起吊机构。该控制单元采用水密线缆传输电力和控制信号以实现对门槽检测专用水下机器人的控制。起吊机构进行起吊作业，实现机器人的上升和下降。该门槽检测专用水下机器人包括：主框架；左右、前后卡紧装置，用于使该机器人在门槽内定位和移动；可移动工作平台，其能够搭载水下摄像装置、声纳、机械手、清扫器等外部设备，用于完成门槽的检测和表面海洋附着物的清扫作业。该系统和机器人利用门槽抵消水流在主框架上的作用力，具有抗流能力强、安全可靠和便于操作的优点。

Description

门槽检测系统和专用水下机器人

技术领域

本公开涉及水利、水电、内河运输工程领域，具体地，涉及一种门槽检测系统和专用水下机器人。

背景技术

在水利、水电和内河运输等工程领域，普遍存在着用于封闭水道的坞门结构。现有坞门结构中有很大一部分是采用重力式插板门的构造。重力式插板门通常依靠外部吊车进行吊放作业。如本领域所知，两侧的门槽，直接影响重力式插板门的收、放作业。若门槽上附着有海洋生物，或因其他原因有所损坏，则有可能导致插板门在放下过程中卡死。一旦卡死，则很难再起吊回收。若强行作业，则很可能导致其损坏。故此，在下放插板门之前，需要采取很多手段对门槽的情况进行检查。另外，在门槽最下端的水平位置，存在有水平密封条。该密封条将直接影响插板门放下之后的水密封效果。若其上沉积有泥沙，或有所损坏，则水密封失效，必须进行检修方可恢复功能。因此，对水平密封条的检查，也是插板门下放前的必要检查工作。

在现有技术中，插板门门槽的检查，主要是采用两种手段。传统方法是采用潜水员下水进行检查。最近几年来，也有采用水下机器人进行检测的案例。潜水员的缺陷在于，使用人工作业，存在严重安全隐患，尤其是在存在较强来流速度的情况下。对于中国的大中型水库来说，门槽最下端水平位置水深普遍超过50米，潜水员在此作业极为危险，并且长期以后对健康有潜在威胁。并且在遇到浑浊水域时，潜水员仅能采用用手触摸门槽的方式进行检查，效率过低。采用水下机器人虽然避免了人员损失的风险，但是，传统的飞行型水下机器人，难以在0.5m/s以上的来流速度中保持稳定。若为爬行型水下机器人，其仅能检查水平部分，例如水平密封槽，对于垂直门槽无法开展检查作业。

因此，本领域中急需开发一种抗流能力强、安全可靠的重力式插板门的门槽检测方式。

发明内容

基于以上问题，本公开提供了一种门槽检测系统和专用水下机器人，其抗流能力强，可以承受10 m/s的来流（长江洪峰速度一般不超过3.6 m/s），作业安全程度高，并且能够选择性地搭载水下摄像头、成像声纳等装置以更好地完成检测作业。

根据本公开的第一方面，提出了一种门槽检测专用水下机器人的具体结构。

根据本公开的第二方面，提供了一种门槽检测专用水下机器人的水平左右（平行于插板门的平面即垂直于水流的方向）卡紧和移动方式。

根据本公开的第三方面，提供了一种门槽检测专用水下机器人的水平前后（垂直于插板门的平面即平行于水流的方向）卡紧和移动方式。

根据本公开的第四方面，提供了一种门槽检测专用水下机器人实现上升、下降的方式。

根据本公开的第五方面，提供了一种门槽检测系统。

附图说明

为了能详细理解本公开的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。然而应该注意，附图仅解说了本公开的某些典型方面，故不应被认为限定其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。

在附图中：

图1(a)、图1(b)为现有技术中常见的重力式插板门的示意图，其中图1(a)为俯视图，而图1(b)为侧视图；

图2为现有技术中门槽检测的示意图；

图3为根据本公开的某些方面的门槽检测专用水下机器人的结构示意图；

图4为根据本公开的某些方面的图3中的门槽检测专用水下机器人的左右、前后卡紧装置的正视图；

图5(a)、图5(b)为根据本公开的某些方面的图4中的门槽检测专用水下机器人的左右、前后卡紧装置详细示意图，其中图5(a)为左右、前后卡紧装置的正视图，而图5(b)为其侧视图；

图6为根据本公开的某些方面的图3中的门槽检测专用水下机器人的前后卡紧装置受力示意图；

图7为根据本公开的某些方面的图3中的门槽检测专用水下机器人的上升、下降实现方式的示意图。

具体实施方式

为了使本公开实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本公开的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本公开的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，除非特别声明，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在水利、水电和内河运输等工程领域，普遍存在着用于封闭水道的坞门结构。现有坞门结构中有很大一部分是采用重力式插板门的构造。重力式插板门通常依靠外部起吊装置进行吊放作业。如图1(a)和图1(b)中所示，该重力式插板门1在内凹的门槽2内移动，门槽最下端水平位置处有密封条3。重力式插板门可以被吊车直接起吊至岸上，进行详细检查。但是，内凹的门槽2以及最下端水平位置处的密封条3，属于坞门结构的一部分，不可能被拆卸下来进行检查。此外，它们长期浸泡在水中，因此必须要定期进行水下作业以对其进行安全检查。本领域中常用的检测方式有两种，分别是潜水员水下作业201和水下机器人作业202，如图2中所示。以上两种方式的共同缺陷在于，在外部有明显水流的情况下，无论潜水员还是水下机器人，在作业时均“漂浮”在水中，这样在水流作用下会发生明显的位移。当水流强度超过一定限度，会对潜水员的生命安全造成严重威胁。而对于水下机器人而言，即使将推进器推力全开，也无法克服水阻力。针对现有技术中的上述问题，本公开的实施例提供了一种用于门槽检测的系统以及专用水下机器人，其抗流能力强，作业安全程度高，并且能够选择性地搭载水下摄像头、成像声纳等装置以更好地完成检测作业。

该门槽检测系统包括门槽检测专用水下机器人、控制单元和起吊装置。该控制单元采用水密线缆传输电力和控制信号以实现对门槽检测专用水下机器人的控制。起吊装置在控制单元的控制下进行起吊作业，实现机器人的整体上升和下降。水密线缆外部配备有加强层，能有效防止线缆磨损，其用于同时传输针对门槽检测专用水下机器人的电力和控制信号。

图3示出了根据本公开的某些方面的门槽检测专用水下机器人的结构。图4示出了图3中的门槽检测专用水下机器人的左右、前后卡紧装置的正视图。如图3所示，该门槽检测专用水下机器人10包括：

主框架101和其它部件。其它部件包括左右卡紧装置102（图3中未示出）、前后卡紧装置103、可移动式工作平台104、吊环105，它们均附连于主框架101。主框架101通过左右卡紧装置102、前后卡紧装置103被嵌于门槽中以方便移动。主框架为“回”字型结构，其包括：上部横梁、左右竖直柱体、以及下部平行导轨。上部横梁包括但不限于工字钢，其采用减轻孔，一方面降低了结构的总重量，另一方面，水流可通过减轻孔顺利流过，从而进一步降低了水流的流动载荷。左右竖直柱体包括但不限于焊接或铆接的形式的一根或多根方钢。下部平行导轨包括但不限于相互平行的两根长条导轨。该导轨可由圆形、方形、菱形、工字型、槽道型钢管以及本领域公知的任何其它截面形式的钢管构成。由此，主框架101具有流动载荷小、结构强度高的特点。一般来说，将沿插板门门槽平面水平方向定义为主框架的宽度方向，而将沿插板门门槽平面竖直方向定义为其高度方向。主框架101的宽度等同于插板门门槽宽度减去门槽检测专用水下机器人左右卡紧装置102的厚度。主框架的宽高比限制在一定程度，从而保证主框架能够经由门槽移动而不会发生左右不平衡导致卡死的情况。通常来说，其宽高比介于3.0至0.25之间。

左右卡紧装置102、前后卡紧装置103用于将主框架固定在门槽上。一般来说，将垂直于重力式插板的门表面即平行于水流的方向定义为前后，而将平行于插板门的表面即垂直于水流的方向定义为左右。

可移动式工作平台104上有至少两个水密罐体和一个水密接插盒。水密罐体之一为配电舱109，用于将从岸上传输的电力进行降压、整流处理，供移动式工作平台使用。另一个为电子舱110，用于将从岸上传输的信号进行处理，实现对移动时工作平台的控制。水密接插盒用于为水密摄像机、声纳、机械手、机械清扫等外部设备提供多个水密接插件，从而为这些外部设备提供电力输入和控制信号输入。水密摄像机、声纳、机械手、机械清扫装置可被布置在可移动式工作平台104下表面。可移动式工作平台下表面还有一个保护支架111，其形式为“凹”型，也可采用H型，用于保护外部设备免于损坏。

利用门槽检测专用水下机器人主框架101内侧布置4个定滑轮112，两个靠近主框架上部左右对称分布，两个靠近平行导轨中心高度呈左右对称分布。钢丝绳或链条构成“回”字形状。置于移动式工作平台104上的水密电机连接其中一个定滑轮，可选择但是不限于靠近上部的定滑轮。

该门槽检测专用机器人由岸上的控制单元106来控制。该控制单元106采用水密线缆107传输电力和控制信号以实现对门槽检测专用水下机器人的控制。水密线缆107外部配备有加强层，能有效防止线缆磨损，其用于同时传输针对门槽检测专用水下机器人的电力和控制信号。

图5(a)和图5(b)示出了根据本公开的某些方面的门槽检测专用水下机器人的左右卡紧装置102、前后卡紧装置103的示意图，其中图5(a)为正视图，而图5(b)为侧视图。如图5(a)中所示，左右卡紧装置102、前后卡紧装置103呈X型框架布置，其包括对称分布于框架外侧的行走轮108。行走轮分布于门槽上部和下部，一个X型框架的行走轮的数量至少为4只。只要满足左右对称分布、上下分布，其它数量的行走轮也是可以实现的。

定义行走轮直径为D，X型框架上旋转轴之间长度为L_BC，所述门槽的内宽度为B_wide，所述X型框架两杆之间夹角为a，则满足：

B_wide=k₂(L_BCcosa+D)

其中，k₂为门槽的结构因子，其数值取决于门槽的内宽度的加工误差，范围在0.97~0.99之间。

图6示出了根据本公开的某些方面的门槽检测专用水下机器人的前后卡紧装置103的受力示意图。水流作用力f2作用于主框架，该作用力被传递至前后卡紧装置103，最终被传递给门槽结构本身，与门槽的反作用力f1相互抵消。因此，门槽检测专用水下机器人，不因水流作用力发生前后、左右窜动，成为一个水下稳定的平台。利用该平台安装水下摄像机、声纳等设备，可以取得良好的观测、测量效果。可移动式工作平台采用钢丝绳或链条牵引实现沿平行导轨移动，其动力来源于水密电机。

图7示出了根据本公开的某些方面的门槽检测专用水下机器人的上升、下降实现方式的示意图。在现有重力式插板门系统设计中，已经包含外部起吊装置。门槽检测专用水下机器人的主框架上部有不少于两个吊环105。如图7中所示，根据本公开的实施例的系统能够利用现有的外部起吊装置，借助于吊环105，采用钢丝绳或铁链或吊索来实现该机器人的上升和下降，从而节省了设置其它专门起吊装置的需要。门槽检测专用水下机器人的整体上升速度等同于外部起吊装置吊钩移动速度；下降过程遵循相同过程。相反，现有的水下机器人，需要提供单独的电动机或起吊装置以实现其升降。

定义行走轮直径为D，将行走轮圆心到门槽检测专用水下机器人主框架距离定义为L，将门槽左右两侧竖直面之间距离定义为B，将门槽检测专用水下机器人主框架宽度定义为b，则满足下式：

B=k₁（b+2L+D）

其中，k₁为门槽结构因子，其数值取决于门槽竖直立面加工误差，一般取0.96~0.99。

在满足上式的前提下，门槽检测专用水下机器人能够在门槽内左右卡紧，而不会发生左右窜动。并且行走轮与门槽竖垂直面之间为滚动摩擦，其摩擦力较小，从而可以保证行走轮带动门槽检测专用水下机器人在前后、左右方向顺利移动。

根据本公开的实施例，当门槽检测专用水下机器人受到水流冲击时，所产生的水作用力被传递至门槽前后卡紧装置，依次通过主框架到X型框架行走轮组，进而到达行走轮、门槽内立面，从而将流体作用力传递给门槽结构。这样，门槽检测专用水下机器人，将不会因为水流作用影响而发生前后方向窜动。

本领域内的技术人员将理解，本公开的实施例提供了针对门槽检测专用水下机器人的方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本公开的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本公开范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种门槽检测专用水下机器人，其特征在于，包括：

主框架；

左右卡紧装置，用于在左右方向上将所述主框架固定于重力式插板门上的所述门槽；

前后卡紧装置，用于在前后方向上将所述主框架固定于所述门槽；

可移动式工作平台，用于承载外部设备。

2.如权利要求1所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，进一步包括两个或更多个吊环，外部起吊装置在控制单元的控制下，经由所述吊环实现对所述门槽检测专用水下机器人的上升和下降，其中所述起吊装置还用于起吊所述插板门。

3.如权利要求1或2所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述主框架为回型结构，其包括上部横梁、左右竖直柱体、以及下部平行导轨。

4.权利要求3所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述主框架内布置有4个定滑轮，两个靠近所述主框架的上部左右对称分布，两个靠近所述平行导轨中心呈左右对称分布。

5.如权利要求3所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述上部横梁包括工字钢且具有减轻孔，所述左右竖直柱体包括多根方钢，所述下部平行导轨包括两根平行的长条导轨。

6.如权利要求1或2所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，将沿所述插板门的平面的水平方向的尺寸定义为所述主框架的宽度，而将沿所述插板门的平面的竖直方向的尺寸定义为所述主框架的高度，则所述主框架宽高比介于3.0至0.25之间。

7.如权利要求1或2所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述左右卡紧装置包括对称分布于所述主框架外侧上部和下部的行走轮，所述行走轮沿垂直于所述插板门的平面的方向旋转。

8.如权利要求7所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述行走轮的直径为D，所述行走轮的圆心到所述主框架的距离为L，所述门槽左右两侧竖直立面之间的距离为B，所述主框架的宽度为b，则满足：

B=k₁（b+2L+D）

其中，k₁为所述门槽的结构因子，其数值取决于所述门槽的竖直立面的加工误差，范围在0.96~0.99之间。

9.如权利要求1或2所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述前后卡紧装置包括对称分布于所述主框架外侧上部和下部的X型框架的行走轮，所述X型框架的角度可调，所述行走轮沿平行于插板门平面的方向旋转。

10.如权利要求9所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述行走轮的直径为D，所述X型框架上旋转轴之间长度为L_BC，所述门槽的内宽度为B_wide，所述X型框架两杆之间夹角为a，则满足：

B_wide=k₂(L_BCcosa+D)

其中，k₂为所述门槽的结构因子，其数值取决于所述门槽的内宽度的加工误差，范围在0.97~0.99之间。

11.如权利要求9所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述X型框架的行走轮的数量至少为4。

12.如权利要求3所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述可移动式工作平台在所述平行导轨上移动，水流作用力经由所述平行导轨、所述左右竖直柱体和所述前后卡紧装置被传递至所述门槽，从而所述可移动式工作平台不发生前后窜动。

13.如权利要求1所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述外部设备包括水密摄像机、声纳、机械手、机械清扫装置，其被布置于所述可移动式工作平台的下表面。

14.如权利要求1或2所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述可移动式工作平台的下表面有保护支架，其为凹型或H型，用于保护所述外部设备。

15.如权利要求4所述的门槽检测专用水下机器人，其特征在于，所述可移动式工作平台上的水密电机经由缆线连接至所述定滑轮之一，以致动所述可移动式工作平台。

16.一种用于门槽检测的系统，包括：

如前述权利要求中任一项所述的门槽检测专用水下机器人；

控制单元，用于提供电力和控制信号以实现对所述门槽检测专用水下机器人的控制；以及

起吊装置，用于在所述控制单元的控制下，通过所述门槽检测专用水下机器人的吊环实现对所述门槽检测专用水下机器人上升和下降，

其中所述起吊装置还用于起吊所述插板门。