CN111806658A - 一种长距离输水隧洞水下巡检机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离输水隧洞水下巡检机器人及方法，包括主体、前测距头、后测距头、排水孔、回收仓、驱动轮、转向轴、前视窗、轨道、定位吸盘、吸盘支腿、探测头；所述的前测距头、后测距头固定在主体顶部，驱动轮、转向轴固定在主体两侧，轨道、定位吸盘、吸盘支腿、探测头位于主体下部，前视窗位于主体前部；本发明能够在输水隧洞内对结构破损目标定位和高精度测量，实现长距离、自动化的巡检作业。

Description

一种长距离输水隧洞水下巡检机器人及方法

技术领域

本发明涉及长距离输水隧洞的巡查管理领域，尤其是针对长距离输水隧洞内部结构的表面缺陷进行巡检的一种水下自动机器人。

背景技术

随着现代科学技术的进步，对工程建筑的监测和检测从人工逐渐实现了自动化，各种自动化机械设备具有轻便、自动、智能的特点，工作效率高、费用低，同时能够替代人工在一些危险的环境中进行工作，避免了作业人员面临的危险。

输水隧洞通常深埋于地下，长度几公里到十几公里，在其开挖施工期，人能够进入隧洞内部进行巡查和检查，但是在正常运行时段，隧洞内部有水流，必须停止通水，否则人员难以进入进行现场巡查、测试、检查。

在这些危险区域需要采用自动机器人或自动设备代替人的工作，现有的检查机器人大部分设备需要电缆连接机器人，用于长达几十公里的隧洞，电缆成本高、布放回收难度大；在地下隧洞这个密闭空间内，设备对发现的缺陷也难以实现缺陷相对于整个工程结构的定位，此外，大部分机器人无固定装置，受水流影响晃动，对缺陷的近距离测量精度低。

为此，需要一种无需供电、能够自动定位和高精度测量的巡检机器人，实现长距离、自动化的巡检作业目标。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种长距离输水隧洞水下巡检机器人及方法，能够在隧洞墙壁爬行、水下运动、自动充电、破损目标定位、高精度测量，自动巡检的目标。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，包括主体、前测距头、后测距头、排水孔、回收仓、驱动轮、转向轴、前视窗、轨道、定位吸盘、吸盘支腿、探测头；所述的前测距头、后测距头固定在主体顶部，驱动轮、转向轴固定在主体两侧，轨道、定位吸盘、吸盘支腿、探测头位于主体下部，前视窗位于主体前部；

所述的主体内部有锂电池、充电口、发电机和集成电路，所述集成电路能自动控制水下巡检机器人的运行及近距离通过无线网络进行人工控制，所述的锂电池能通过外部充电，也能通过水流驱动驱动轮，带动发电机充电；

所述的驱动轮共4个，内部均设有一个螺旋桨，通过转向轴连接在主体上；转向轴可沿轴向转动，使驱动轮开口呈现上下方向和水流方向；驱动轮开口呈上下方向时，螺旋桨通过顺时针和逆时针转动，可使所述水下巡检机器人实现6个自由度活动；驱动轮开口呈水流方向时，螺旋桨通过顺时针和逆时针转动，可使所述水下巡检机器人前进和后退；所述的转向轴和驱动轮可回收到回收仓内；

所述的定位吸盘共2个，通过吸盘支腿和主体连接，定位吸盘能够吸附在水下混凝土、金属或陶瓷结构的不平整壁面上，实现水下巡检机器人的固定；吸盘支腿可沿轨道移动，结合2个定位吸盘的吸附作用，实现水下机器人的行走；

所述的前测距头、后测距头设有红外线测距装置，两个水下巡检机器人组合，可实现长距离输水隧洞内的自动定位和空间测距；

所述的前视窗位为弧形曲面，内部设置高清摄像头、声呐、热成像仪，用于对长距离输水隧洞内水体和隧洞墙壁的探测和巡检。

作为优选，定位吸盘为柔性硅胶材料，外圈为盘边，内芯为盘核，中间一圈为空腔，空腔壁上设有气孔，气孔穿过定位吸盘、吸盘支腿、主体，与主体顶部的排水孔相连；吸盘支腿能够伸缩和旋转；

定位吸盘与隧洞墙壁的吸附过程为，定位吸盘贴近隧洞墙壁，气孔喷水，吸盘支腿旋转带动定位吸盘旋转，利用旋转水流冲刷隧洞墙壁附着的污物；之后，吸盘支腿伸长使定位吸盘贴紧隧洞墙壁，气孔吸水并将水通过排水孔排出，实现定位吸盘与隧洞墙壁的吸附固定。

作为优选，定位吸盘交替吸附在隧洞墙壁上，同时定位吸盘沿轨道移动和旋转，实现水下巡检机器人的爬行和旋转。

作为优选，锂电池可实现水下充电，主体控制驱动轮开口向水流方向，螺旋桨受水流作用旋转驱动发电机给锂电池充电；同时通过定位吸盘的爬行和转向轴的旋转调整，使驱动轮位于水下流速最大的水流层，使驱动轮开口与最大流速平行，获得水流的最大动能。

作为优选，后测距头、前测距头能够发射激光，通过两台水下巡检机器人实现水平角、垂直角、距离的测量。

作为优选，探测头能够在水下巡检机器人的爬行过程中实现隧洞墙壁破损的搜索，在水下巡检机器人吸附固定状态下对隧洞墙壁破损的高精度测量。

一种长距离输水隧洞水下巡检机器人的方法，其特征在于，包括以下方法：

方法一，布放，将所述水下巡检机器人吸附在墙壁或斜坡，水下巡检机器人通过人工控制爬行近入水中；

方法二，姿态调整，水下巡检机器人通过调整4个螺旋桨顺时针和逆时针转动，实现6自由度的姿态调整；

方法三，前进后退，水下巡检机器人通过调整4个驱动轮的方向，实现水中运动和大范围的目标巡检；

方法四，爬行搜索，对识别得到的隧洞墙壁破损目标，水下巡检机器人将驱动轮收入回收仓，定位吸盘交替吸附在隧洞墙壁上，同时定位吸盘沿轨道移动，能够实现水下巡检机器人的爬行，近距离达到破损目标；

方法五，固定状态测量缺陷，水下巡检机器人将主体移动到破损目标上，2个定位吸盘同时固定主体，探测头开始对破损目标进行高精度测量；

方法六，固定状态充电，通过驱动轮的转动识别水流流速，水下巡检机器人能够爬行到流速较大的水流层，2个定位吸盘同时固定主体，调整驱动轮的方向，实现充电；

方法七，固定状态测距，前、后两台水下巡检机器人配合，后一台水下巡检机器人的前测距头与前一台水下巡检机器人的后测距头为一组进行测距；后一台水下巡检机器人向前运行超越前一台后水下巡检机器人，重复测距过程，实现水下定位测距。

方法八，回收，水下巡检机器人接近出口，通过前视窗识别洞口位置；到达洞口，通过无线网络连接，由人工控制通过爬行实现回收。

本发明取得以下有益效果：

四个驱动轮能够通过顺时针和逆时针的转动，实现水下巡检机器人在水中的6自由度姿态调整，使本发明能够自由的在水中调整巡检视角、便捷的接近隧洞墙壁；转向轴能够转动，调整个驱动轮向水流方向，便于水下巡检机器人的运动和利用水流发电充电；驱动轮能够回收，便于水下巡检机器人固定状态作业时减小阻力；2个定位吸盘和轨道组合，便于水下巡检机器人的爬行和固定，从而实现水下巡检机器人固定状态的充电、测距、测量缺陷等功能，最终实现无需供电、自动定位和高精度测量的巡检作业目标。

附图说明

图1 为本发明一实施例巡检布置示意图。

图2为本发明顶部结构关系示意图。

图3为本发明底部结构关系示意图。

图4 为本发明姿态调整状态驱动轮位置示意图。

图5 为定位吸盘剖面示意图。

图中符号说明：

包括主体1，前测距头2，后测距头3，排水孔4，回收仓5，驱动轮6，转向轴7，前视窗8，轨道9，定位吸盘10，吸盘支腿11，探测头12，螺旋桨13，盘边14，盘核15，气孔16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1到图5所示，该发明包括2套水下巡检机器人，进口在上游，连接渠道，出口在下游，出口为垂直竖井。

将两台设备贴于进口斜坡墙壁上，两台设备通过人工无线控制爬行进入水中，呈现一前一后分布。

前一台设备调整姿态，通过前视窗8对周边隧洞墙壁扫描，并连接后一台设备获得定位信息，作为巡检数据存储；若判断隧洞墙壁无缺陷，后一台设备向下游运动超越前台一设备，重复扫描过程，两台设备依次往复运行。若发现墙壁缺陷，前一台设备下沉进入隧洞底部，回收驱动轮6，沿隧洞墙壁爬行，靠近缺陷部位，进入固定状态并通过探测头12进行高精度测量，同时与后一台设备通讯获得定位信息，作为缺陷数据存储。

当设备电力低于30%时，两台设备静默吸附在隧洞墙壁上，并调整驱动轮6方向，获得最大水流动能，进行充电。

定位吸盘10吸附在隧洞墙壁之前，利用旋转水流冲刷隧洞墙壁附着的污物，以提高吸附牢固性。定位吸盘10的盘边14和盘核15形成的吸附结构确保了定位吸盘10能够在一定弧度和粗糙面上具有足够的吸附力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，包括主体（1）、前测距头（2）、前测距头（3）、排水孔（4）、回收仓（5）、驱动轮（6）、转向轴（7）、前视窗（8）、轨道（9）、定位吸盘（10）、吸盘支腿（11）、探测头（12）；所述的前测距头（2）、后测距头（3）固定在主体（1）顶部，驱动轮（6）、转向轴（7）固定在主体（1）两侧，轨道（9）、定位吸盘（10）、吸盘支腿（11）、探测头（12）位于主体（1）下部，前视窗（8）位于主体（1）前部；

所述的主体（1）内部有锂电池、充电口、发电机和集成电路，所述集成电路能自动控制水下巡检机器人的运行及近距离通过无线网络进行人工控制，所述的锂电池能通过外部充电，也能通过水流驱动驱动轮（6）带动发电机充电；

所述的驱动轮（6）共4个，内部均设有一个螺旋桨（13），通过转向轴（7）连接在主体（1）上；转向轴（7）可沿轴向转动，使驱动轮（6）开口呈现上下方向和水流方向；驱动轮（6）开口呈上下方向时，螺旋桨（13）通过顺时针和逆时针转动，可使所述水下巡检机器人实现6个自由度活动；驱动轮（6）开口呈水流方向时，螺旋桨（13）通过顺时针和逆时针转动，可使所述水下巡检机器人前进和后退；所述的转向轴（7）和驱动轮（6）可回收到回收仓（5）内；

所述的定位吸盘（10）共2个，通过吸盘支腿（11）和主体（1）连接，定位吸盘（10）能够吸附在水下混凝土、金属或陶瓷结构的不平整壁面上，实现水下巡检机器人的固定；吸盘支腿（11）可沿轨道（9）移动，结合2个定位吸盘（10）的吸附作用，实现水下机器人的行走；

所述的前测距头（2）、前测距头（3）设有红外线测距装置，两个水下巡检机器人组合，可实现长距离输水隧洞内的自动定位和空间测距；

所述的前视窗（8）位为弧形曲面，内部设置高清摄像头、声呐、热成像仪，用于对长距离输水隧洞内水体和隧洞墙壁的探测和巡检。

2.根据权利要求1所述的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，其特征在于，所述的定位吸盘（10）为柔性硅胶材料，外圈为盘边（14），内芯为盘核（15），中间一圈为空腔，空腔壁上设有气孔（16），气孔（16）穿过定位吸盘（10）、吸盘支腿（11）、主体（1），与主体（1）顶部的排水孔（4）相连；吸盘支腿（11）能够伸缩和旋转；

定位吸盘（10）与隧洞墙壁的吸附过程为，定位吸盘（10）贴近隧洞墙壁，气孔（16）喷水，吸盘支腿（11）旋转带动定位吸盘（10）旋转，利用旋转水流冲刷隧洞墙壁附着的污物；之后，吸盘支腿（11）伸长使定位吸盘（10）贴紧隧洞墙壁，气孔（16）吸水并将水通过排水孔（4）排出，实现定位吸盘（10）与隧洞墙壁的吸附固定。

3.根据权利要求2所述的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，其特征在于，所述的定位吸盘（10）交替吸附在隧洞墙壁上，同时定位吸盘（10）沿轨道（9）移动和旋转，实现水下巡检机器人的爬行和旋转。

4.根据权利要求3所述的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，其特征在于，所述的锂电池可实现水下充电，主体（1）控制驱动轮（6）开口向水流方向，螺旋桨（13）受水流作用旋转驱动发电机给锂电池充电；同时通过定位吸盘（10）的爬行和转向轴（7）的旋转调整，使驱动轮（6）位于水下流速最大的水流层，使驱动轮（6）开口与最大流速平行，获得水流的最大动能。

5.根据权利要求4所述的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，其特征在于，所述的前测距头（3）、前测距头（2）能够发射激光，通过两台水下巡检机器人实现水平角、垂直角、距离的测量。

6.根据权利要求5所述的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人，其特征在于，所述的探测头（12）能够在水下巡检机器人的爬行过程中实现隧洞墙壁破损的搜索，在水下巡检机器人吸附固定状态下对隧洞墙壁破损的高精度测量。

7.如权利要求1~6中任一项所述的一种长距离输水隧洞水下巡检机器人的方法，其特征在于，包括以下方法：

方法一，布放，将所述水下巡检机器人吸附在墙壁或斜坡，水下巡检机器人通过人工控制爬行近入水中；

方法二，姿态调整，水下巡检机器人通过调整4个螺旋桨（13）顺时针和逆时针转动，实现6自由度的姿态调整；

方法三，前进后退，水下巡检机器人通过调整4个驱动轮（6）的方向，实现水中运动和大范围的目标巡检；

方法四，爬行搜索，对识别得到的隧洞墙壁破损目标，水下巡检机器人将驱动轮（6）收入回收仓（5），定位吸盘（10）交替吸附在隧洞墙壁上，同时定位吸盘（10）沿轨道（9）移动，能够实现水下巡检机器人的爬行，近距离达到破损目标；

方法五，固定状态测量缺陷，水下巡检机器人将主体（1）移动到破损目标上，2个定位吸盘（10）同时固定主体（1），探测头（12）开始对破损目标进行高精度测量；

方法六，固定状态充电，通过驱动轮（6）的转动识别水流流速，水下巡检机器人能够爬行到流速较大的水流层，2个定位吸盘（10）同时固定主体（1），调整驱动轮（6）的方向，实现充电；

方法七，固定状态测距，前、后两台水下巡检机器人配合，后一台水下巡检机器人的前测距头（2）与前一台水下巡检机器人的前测距头（3）为一组进行测距；后一台水下巡检机器人向前运行超越前一台后水下巡检机器人，重复测距过程，实现水下定位测距；

方法八，回收，水下巡检机器人接近出口，通过前视窗（8）识别洞口位置；到达洞口，通过无线网络连接，由人工控制通过爬行实现回收。

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