CN110905027A - 一种用于水下疏浚作业的清淤机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，包括主体框架、支腿、支腿液压缸、腹部支撑板、腹部液压缸、前臂衍架、旋转架、垂荡液压缸、摆动液压缸、铲泥板、泥浆泵、软管、绞吸机构、浮力调节机构，利用自身的四个支腿和腹部支撑板完成行走动作；可在水底直接对淤泥进行清理；本发明可以在更加复杂的地形工作。腹部支撑板支撑状态下支腿向前摆动，支腿支撑状态下支腿液压缸使机器人重心向前移动，这种周期性的运动使机器人完成行走动作；通过控制垂荡液压缸和摆动液压缸活塞杆的伸缩长度，清淤框架可以在一定角度范围内转动，增大了绞吸机构的工作范围；浮力调节结构通过控制压载水舱内水的体积以改变机器人的重量使机器人在水中下沉或上浮。

Description

一种用于水下疏浚作业的清淤机器人

技术领域

本发明涉及一种应用于湖泊、城乡河道、以及养殖鱼塘的疏浚作业的水下机器人，尤其涉及一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，属于特种机器人领域。

背景技术

湖泊、城乡河道、以及养殖鱼塘的水底存在大量的淤泥，淤泥不但影响水质而且会造成鱼类的大量死亡。目前用于疏浚作业的主要装备有水上清淤船和水下清淤设备。水上清淤船通过固定在船上的泥浆泵和一端与泥浆泵相连另一端固定在水底的软管抽取淤泥，但是水上清淤船自身具有很大的局限性，且对水下淤泥清理不彻底。目前水下清淤设备主要为履带式清淤车，其可以清理水上清淤船不能到达区域的淤泥，并且清理效果好于水上清淤船。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，适用于水深0～10m的湖泊、城乡河道、以及养殖鱼塘的疏浚作业。

本发明的目的是这样实现的：包括主体框架、铰接在主体框架下端四个角上的四个支腿、铰接在每个支腿下端的脚、铰接在每个支腿与主体框架之间的四个支腿液压缸、设置在主体框架下端中心位置的腹部液压缸、与腹部液压缸的活塞杆连接的支撑柱、设置在支撑柱下端的腹部支撑板、铰接在主体框架一端的旋转架、设置在旋转架与主体框架下端之间的垂荡液压缸、设置在旋转架上的前臂衍架、对称设置在旋转架与前臂衍架中间位置的两侧之间的摆动液压缸、设置在前臂衍架上的铲泥板和泥浆泵、设置在前臂衍架端部的绞吸机构，泥浆泵位于铲泥板前方，绞吸机构与泥浆泵之间通过吸水管连接，泥浆泵的出口端设置有排水管，液压及控制系统置于密封壳内并固定在主体框架的中间，为清淤机器人提供动力。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述绞吸机构包括与前臂衍架端部固连的绞吸外壳、设置在绞吸外壳内的绞吸架、设置在绞吸架中间位置的吸嘴、设置在绞吸架两端的两个滚筒，每个滚筒内设置有液压马达，液压马达的输出端通过联轴器与铰刀轴连接，铰刀轴上设置有铰刀，铰刀在绞吸外壳外部，吸嘴通过吸水管与泥浆泵连接。

2.在主体框架上端的四个角上设置有四个压载水舱，每个压载水舱的顶部设置有一进水口、排气阀和进气阀，每个压载水舱的内侧设置有一高压气瓶，每个压载水舱外侧下方设置有一通水阀，高压气瓶上设置有调整气压的减压阀，减压阀和对应的进气阀之间设置有进气管，压载水舱吸水时将排气阀和通水阀同时开启。

3.液压控制系统包括密封壳、设置在密封壳内的密封壳底板、设置在密封底板上的电机、液压泵、蓄能器、控制箱、油箱、液压阀箱，电机与液压泵通过联轴器相连，控制箱控制机器人的电子元件的同时并为其提供所需电压，液压泵通过油管获得油箱中的液压油，此液压油流经油管和液压阀箱中的相应液压阀后为机器人的液压缸及液压马达提供动力，回流液压油通过油管回到油箱中，蓄能器通过油管与液压阀箱中的液压阀相连。

4.在主体框架上端设置有吊架，吊架上设置有三个吊耳，吊耳通过绳索与母船吊机连接。

5.在腹部支撑板与连建筑之间设置有三个支撑腿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的清淤机器人是一种不同于履带式清淤车的水下清淤设备，其利用自身的四个支腿和腹部支撑板完成行走动作；该机器人除了可以完成疏浚作业外，还能够在水中下沉或者上浮，该机器人可以在水底直接对淤泥进行清理；相较于履带式清淤车，清淤机器人可以在更加复杂的地形工作。腹部支撑板支撑状态下支腿向前摆动，支腿支撑状态下支腿液压缸使机器人重心向前移动，这种周期性的运动使机器人完成行走动作；通过控制垂荡液压缸和摆动液压缸活塞杆的伸缩长度，清淤框架可以在一定角度范围内转动，这也增大了绞吸机构的工作范围；浮力调节结构通过控制压载水舱内水的体积以改变机器人的重量使机器人在水中下沉或上浮。

附图说明

图1是用于水下疏浚作业的清淤机器人主视图；

图2是用于水下疏浚作业的清淤机器人正等轴测图；

图3是用于水下疏浚作业的清淤机器人绞吸机构图；

图4是用于水下疏浚作业的清淤机器人液压及控制系统图；

图中：主体框架1、支腿液压缸2、支腿3、销轴4、限位块5、脚6、腹部支撑板7、支撑腿8、支撑柱9、连接件10、腹部液压缸11、垂荡液压缸12、旋转架13、摆动液压缸14、前臂衍架15、铲泥板16、泥浆泵17、排水管18、吸水管19、绞吸机构20、压载水舱21、高压气瓶22、管箍23、液压及控制系统24、吊架25、进气管26、排气阀27、进气阀28、减压阀29、进水口30、通水阀31、摆动液压缸32

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的机器人的工作范围为水下0～10m。机器人规格为(长x宽x高)： 6000×2500×2400mm，自重为1500kg，其主要材料为316L不锈钢，以减弱水对机器人的腐蚀。是一种适用于水深0～10m的湖泊、城乡河道、以及养殖鱼塘的疏浚作业。

结合图1至图4，本发明的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人由主体框架1、支腿液压缸2、支腿3、销轴4、限位块5、脚6、腹部支撑板7、支撑腿8、支撑柱9、连接件10、腹部液压缸11、垂荡液压缸12、旋转架13、摆动液压缸14、前臂衍架15、铲泥板16、泥浆泵 17、排水管18、吸水管19、绞吸机构20、压载水舱21、高压气瓶22、管箍23、液压及控制系统24、吊架25、进气管26、排气阀27、进气阀28、减压阀29、进水口30、通水阀31、摆动液压缸32组成。

主体框架1是此清淤机器人各个组件及零件的安装中心。机器人的四个支腿3对称安装在主体框架1的四个角，支腿3的下端通过销轴4与支腿液压缸2铰接，支腿液压缸2的尾部铰接在主体框架1上，通过控制支腿液压缸2活塞杆的伸缩长度改变支腿3的水平位置和机器人重心；脚6铰接在支腿3的最下端，固定在脚6上的两个限位块5保证脚6与地面的安全接触角度以防止机器人倾覆；支撑柱9将腹部支撑板7和腹部液压缸11的活塞杆固定在一起，通过控制腹部液压缸11改变机器人的支撑方式；三个支撑腿8的两端分别与固定在支撑柱9上的连接件10和腹部支撑板7固连，确保腹部支撑板7支撑时更加平稳。前臂衍架 15通过旋转架13铰接在主体框架1的前端；为增大前臂衍架15上的绞吸机构20工作范围，两端分别铰接在主体框架1和旋转架13上的垂荡液压缸12负责调整前臂衍架15的垂荡角度，两端分别与旋转架13和前臂衍架15相连的摆动液压缸14和摆动液压缸32负责调整前臂衍架15的水平角度。绞吸机构20在泥浆泵17的作用下，通过绞吸机构20和泥浆泵17之间的吸水管19将泥浆吸至泥浆泵17中，再通过泥浆泵17另一侧的排水管18将泥浆排出；固定在前臂衍架15中部的铲泥板16负责清理绞吸机构20未能吸出的淤泥。清淤机器人在水中的升降运动通过控制固定在主体框架1四个角上的压载水舱21中水的体积实现；压载水舱21 的顶部装有排气阀27和进气阀28并设有一进水口30，为压载水舱21提供气源的高压气瓶 22通过管箍23安装在压载水舱21的内侧；高压气瓶22中的高压气转移时需要安装在高压气瓶22上的减压阀29调整其气压，然后通过接在减压阀29和进气阀28之间的进气管26进入压载水舱21中；压载水舱21吸水时要将排气阀27和压载水舱21的外侧下方的通水阀31 同时开启，以确保吸水时不受压载水舱21内外的气体压差影响。液压及控制系统24置于密封壳内并固定在主体框架1的中间，为清淤机器人提供动力；清淤机器人不能直接行走至工作地点时，固定在主体框架1两侧的吊架25的三个吊耳通过绳索与母船吊机相连，通过操纵母船吊机完成机器人的释放及回收。

绞吸机构：绞吸外壳20-1的上、下外壳将绞吸机构20连接在前臂衍架15上，绞吸外壳内的绞吸架20-7将绞吸机构20的各零件连接在一起，固定在绞吸架20-7的中间的吸嘴20-8 通过吸水管19与泥浆泵17相连，两个滚筒20-10通过连接件20-9安装在绞吸架20-7的两侧；绞吸机构20工作时，滚筒20-10内的液压马达20-2通过联轴器20-3带着绞刀轴20-5旋转，绞刀轴20-5上的绞刀20-6将淤泥搅拌成泥浆，同时绞刀轴20-5上的圆锥滚子轴承20-4对绞刀轴20-5进行轴向和径向固定。

液压及控制系统：液压及控制系统24的主要元件都安装在密封壳底板24-1上，电机24-2 与液压泵24-4通过联轴器24-3相连，控制箱24-13控制机器人的电子元件的同时并为其提供所需电压；液压泵24-4通过油管24-8获得油箱24-9中的液压油，此液压油流经油管24-10 和液压阀箱24-11中的相应液压阀后为机器人的液压缸及液压马达提供动力，回流液压油通过油管24-12回到油箱24-9中；蓄能器24-5通过夹紧件24-6固定，并通过油管24-7与液压阀箱24-11中的液压阀相连，起到储能和缓解冲击的作用。

工作原理：用于水下疏浚作业的清淤机器人的操作过程分为机器人入水、水下行走、疏浚作业、机器人返程四个步骤。当清淤机器人因地形因素不能直接行走至水下时，需借助母船吊机下水和回收，并提出如下作业方案：

(1)机器人入水母船吊机通过绳索与吊架25上的吊耳相连并将清淤机器人从船上吊起，然后将其转移至水面上释放，压载水舱21预先通过进水口30装满水，这使机器人可以立刻下沉；为防止下沉速度过大，进气阀28和通水阀31开启，压载水舱21中气压增加将水排出以减小机器人重量，如果压载水舱21中的水过少，排气阀27和通水阀31开启，水进入压载水舱21中使机器人下沉；机器人平稳落地后，关闭相应阀门。

(2)水下行走机器人的行走过程是以下四个周期性动作的合成。首先机器人下沉至水底后的初始支撑状态为支腿支撑，此时主体框架1前方的两个支腿液压缸2的活塞杆收缩，后方的两个支腿液压缸2的活塞杆伸长，机器人重心向前移动；然后腹部液压缸11的活塞杆伸长，因支撑柱9将腹部液压缸11的活塞杆和腹部支撑板7连接在一起，机器人的支撑状态由支腿支撑变为腹部支撑；接着主体框架1前方的两个支腿液压缸2的活塞杆伸长，后方的两个支腿液压缸2的活塞杆收缩，支腿3与机器人重心的相对位置被重新调整，机器人转弯时需要主体框架1内侧的两个支腿液压缸2活塞杆的变化长度小于外侧；最后腹部液压缸11 的活塞杆缩短，重新变为支腿支撑状态。

(3)疏浚作业机器人行走至作业地点后绞吸机构20开始工作。首先，垂荡液压缸12的活塞杆缩短使前臂衍架15向下摆动直至绞吸机构20与淤泥接触；然后，摆动液压缸14和摆动液压缸32的活塞杆长度同时变化使前臂衍架15在-30°～30°范围内左右摆动，绞刀轴20-5上的绞刀20-6在液压马达20-2的驱动下将淤泥搅拌成泥浆，前臂衍架15上的泥浆泵17借助吸嘴20-8将泥浆吸出再通过排水管18将其转移至陆地。

(4)机器人返程疏浚作业结束后，清淤机器人开启进气阀28和通水阀31，压载水舱21中的水被排出同时机器人上浮，机器人上浮至水面后关闭进气阀28和通水阀31；母船吊机利用绳索将机器人从水面中吊起并转移至船上以回收清淤机器人。

用于水下疏浚作业的清淤机器人主要应用于湖泊、城乡河道、以及养殖鱼塘的疏浚作业，适用水深为0～10m。此设计的实施例清淤机器人借助母船吊机疏浚水深8m的湖泊，如图1～图4所示，清淤机器人的设计参数为：规格(长×宽×高)：6000×2500×2400mm；重量： 1500kg；支腿液压缸2规格：内径

活塞杆直径d＝50mm，行程600mm，额定压力16MPa；支腿3长度为1000mm；销轴4规格：长度149mm，直径

腹部液压缸11 规格：内径

活塞杆直径56mm，行程250mm，推力96kN；垂荡液压缸12规格：内径

活塞杆直径50mm，行程400mm，额定压力16MPa；摆动液压缸14和摆动液压缸32规格：内径

活塞杆直径40mm，行程500mm，额定压力16MPa；泥浆泵17 规格：扬程36m，流量80m3/h，功率18.5kW；排水管18及吸水管19内径

液压马达20-2规格：转速范围15～630r/min，额定压力25MPa，额定转矩1483N·m；圆锥滚子轴承20-4规格：内径d＝150mm，外径D＝270mm，宽度B＝45mm；滚筒20-10规格：外径

长度550mm；压载水舱21的容积为0.366m3，四个压载水舱21装满水可使清淤机器人增重 1500kg。

Claims (10)

1.一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：包括主体框架、铰接在主体框架下端四个角上的四个支腿、铰接在每个支腿下端的脚、铰接在每个支腿与主体框架之间的四个支腿液压缸、设置在主体框架下端中心位置的腹部液压缸、与腹部液压缸的活塞杆连接的支撑柱、设置在支撑柱下端的腹部支撑板、铰接在主体框架一端的旋转架、设置在旋转架与主体框架下端之间的垂荡液压缸、设置在旋转架上的前臂衍架、对称设置在旋转架与前臂衍架中间位置的两侧之间的摆动液压缸、设置在前臂衍架上的铲泥板和泥浆泵、设置在前臂衍架端部的绞吸机构，泥浆泵位于铲泥板前方，绞吸机构与泥浆泵之间通过吸水管连接，泥浆泵的出口端设置有排水管，液压及控制系统置于密封壳内并固定在主体框架的中间，为清淤机器人提供动力。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：所述绞吸机构包括与前臂衍架端部固连的绞吸外壳、设置在绞吸外壳内的绞吸架、设置在绞吸架中间位置的吸嘴、设置在绞吸架两端的两个滚筒，每个滚筒内设置有液压马达，液压马达的输出端通过联轴器与铰刀轴连接，铰刀轴上设置有铰刀，铰刀在绞吸外壳外部，吸嘴通过吸水管与泥浆泵连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：在主体框架上端的四个角上设置有四个压载水舱，每个压载水舱的顶部设置有一进水口、排气阀和进气阀，每个压载水舱的内侧设置有一高压气瓶，每个压载水舱外侧下方设置有一通水阀，高压气瓶上设置有调整气压的减压阀，减压阀和对应的进气阀之间设置有进气管，压载水舱吸水时将排气阀和通水阀同时开启。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：液压控制系统包括密封壳、设置在密封壳内的密封壳底板、设置在密封底板上的电机、液压泵、蓄能器、控制箱、油箱、液压阀箱，电机与液压泵通过联轴器相连，控制箱控制机器人的电子元件的同时并为其提供所需电压，液压泵通过油管获得油箱中的液压油，此液压油流经油管和液压阀箱中的相应液压阀后为机器人的液压缸及液压马达提供动力，回流液压油通过油管回到油箱中，蓄能器通过油管与液压阀箱中的液压阀相连。

5.根据权利要求3所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：液压控制系统包括密封壳、设置在密封壳内的密封壳底板、设置在密封底板上的电机、液压泵、蓄能器、控制箱、油箱、液压阀箱，电机与液压泵通过联轴器相连，控制箱控制机器人的电子元件的同时并为其提供所需电压，液压泵通过油管获得油箱中的液压油，此液压油流经油管和液压阀箱中的相应液压阀后为机器人的液压缸及液压马达提供动力，回流液压油通过油管回到油箱中，蓄能器通过油管与液压阀箱中的液压阀相连。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：在主体框架上端设置有吊架，吊架上设置有三个吊耳，吊耳通过绳索与母船吊机连接。

7.根据权利要求3所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：在主体框架上端设置有吊架，吊架上设置有三个吊耳，吊耳通过绳索与母船吊机连接。

8.根据权利要求4所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：在主体框架上端设置有吊架，吊架上设置有三个吊耳，吊耳通过绳索与母船吊机连接。

9.根据权利要求5所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：在主体框架上端设置有吊架，吊架上设置有三个吊耳，吊耳通过绳索与母船吊机连接。

10.根据权利要求9所述的一种用于水下疏浚作业的清淤机器人，其特征在于：在腹部支撑板与连建筑之间设置有三个支撑腿。

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