CN113089752A - 一种水下清淤机器人 - Google Patents

Abstract

本发明是一种水下清淤机器人，至少包括平台框架、清淤机构、控制单元和视觉及探测单元，其特征在于所述机器人还包括滚筒式底盘，所述滚筒式底盘作为机器人的行走机构，其中：滚筒式底盘由两个中空且密封的螺旋滚筒、驱动装置以及底盘框架组成；所述底盘框架下方支撑有两个螺旋滚筒，所述驱动装置设置在底盘框架上方；所述两个螺旋滚筒对称设置，螺旋滚筒上设置有螺旋扇叶，且所述螺旋扇叶呈对称设置，使本发明能够进行转弯、横向移动等动作。本发明采用滚筒式底盘替代传统的履带式行走机构，不仅重量大大减轻，而且行动方便，能够轻松地在小范围内进行转弯、横向移动，更加机动、灵活。

Description

一种水下清淤机器人

技术领域

本发明属于清淤设备的技术领域，特别涉及一种能够进行水下清淤的机器人装置。

背景技术

在水中，不管是自然水域，还是下水管道、涵洞、沟渠，又或者是工业水处理池、鱼塘等等，都会出现淤积情况，所以清淤的需求应运而生。目前的清淤方式是把水抽干，直接在无水的情况下，用挖掘机或清淤机进行清淤工作，这种工作方式工程量既大又繁琐，而且还会使清淤目标在较长一段时间内不能进行工作生产，造成了一定的经济损失，所以这种工作方式生产效率低，劳动强度大，经济成本高。

专利CN 212052943 U公开了一种潜水清淤机器人，包括车架总成，所述车架总成内底部设有内底板，所述内底板的底部螺钉固定有下层油箱，所述下层油箱两侧均设有履带底盘总成，所述内底板的顶部一侧并位于所述车架总成内一侧安装有上层油箱，所述上层油箱的上方设有液压动力单元总成，所述内底板顶部两侧均安装有压差补偿器，所述压差补偿器之间安装有泥浆泵总成，所述泥浆泵总成且远离所述液压动力单元总成一侧安装有吸泥管，所述吸泥管且远离所述泥浆泵总成一端设有耙吸单元总成，所述耙吸单元总成且对应所述车架总成的一侧两端均设有上层大臂连杆和下层大臂连杆。该专利采用耙吸式作业方式清污，能适应潜水作业需求。

但是，该专利采用的履带式底盘，诚然履带式底盘在开阔区域可以满足操作要求，但是在管道、涵洞、沟渠等等一些相对狭小空间内，转弯、横向移动则稍显不足。

其次，该专利仅仅考虑了质地细小的淤泥，但是其中混合的石块、树枝等等大块杂物将无能为力，其他专利也涉及了大块杂物收集装置，但是其公开的装置结构复杂，收集效率底下，难以满足高效、持续作业要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种水下清淤机器人，该机器人首先通过行走机构的变化，改善机器人的水下行走方式，使得机器人在狭小空间内能够进行转弯、横向移动等动作，便于进行清淤行动。

本发明的另一目的在于提供一种水下清淤机器人，该机器人通过清淤结构的改变，增加了清淤方式，能够有效地清除石块、布料、树枝等大重量的杂物和杂物团，增加清淤速度和效率，以满足高效、持续的作用需求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种水下清淤机器人，至少包括平台框架、清淤机构、控制单元和视觉及探测单元，其特征在于所述机器人还包括滚筒式底盘，所述滚筒式底盘作为机器人的行走机构，其中：

滚筒式底盘由两个中空且密封的螺旋滚筒、驱动装置以及底盘框架组成；所述底盘框架下方支撑有两个螺旋滚筒，所述驱动装置设置在底盘框架上方，并从底盘框架与螺旋滚筒的连接部对螺旋滚筒进行驱动；所述两个螺旋滚筒对称设置，螺旋滚筒上设置有螺旋扇叶，且所述螺旋扇叶呈对称设置，即两个螺旋滚筒上螺旋扇叶呈反方向设置，这样螺旋滚筒做到非同向旋转，如两个滚筒同向转动时，机器人能够横向移动，一个转动，一个不动时，机器人可以转弯，使本发明能够进行转弯、横向移动等动作。本发明采用滚筒式底盘替代传统的履带式行走机构，不仅重量大大减轻，而且行动方便，能够轻松地在小范围内进行转弯、横向移动，更加机动、灵活。

所述螺旋扇叶为突出的螺纹，以能够对机器人的行走进行支撑。

所述螺旋滚筒内部中空，以具有一定的浮力，便于机器人行走。螺旋滚筒中空结构，可作为浮力调整箱使用，通过其端部的气管和水管在其中注入或排除水，进而调整机身的浮力。图中气管和水管均与车身固连，不随滚筒转动，从而保证水管一直在下端，气管在上端，通过水管注水时滚筒内的空气沿气管排出，同理排水时空气沿气管进入滚筒。在车体抓地力不够时可在滚筒中注入适量的水，以增加设备重量从而获得更大的抓地力，使设备更好的工作；在淤泥较软且厚或者管壁或地面脆弱时，可抽出其中的水以减轻设备总重，以获得较大的浮力从而减轻对地面的压力，以免深陷淤泥或破坏管壁或地面。

进一步，所述驱动装置为液压驱动机构，其包括有液压马达、变速箱，所述液压马达输出动力给变速箱，由变速箱控制调整输出功率和转速，变速箱输出动力给螺旋滚筒。

更进一步，所述螺旋滚筒为椭圆形的筒体，筒体的外端具有轴，对应的，底盘框架向下伸出有四个悬臂，两个悬臂为一对，支撑有两个螺旋滚筒；所述轴穿过悬臂连接变速箱，变速箱可以控制螺旋滚筒的转速、转向，以达到驱动机器人行走的目的。

更进一步，所述螺旋滚筒两端具有转轴，转轴架设于底盘框架向下伸出的悬臂上，且与悬臂通过油封进行密封，以避免水进入到变速箱中。

所述平台框架是设备的主体框架骨骼，下连接滚筒式底盘，框架内部可以固定安装液压站，控制设备舱和清淤机构。

所述清淤机构包括有绞吸机构和泵送机构，所述平台框架支撑有泵送机构，且其两侧固定绞吸机构的支臂，通过支臂向前伸出有绞吸机构。

所述泵送机构是液压动力渣浆泵，其作用为将绞吸机构抽吸的淤泥泵送到地面以进行进一步处理。

进一步，绞吸机构对应设置有收集箱，所述收集箱设置在平台框架上，以便于容纳具有一定重量或体积的杂物或杂物团。

进一步，所述平台框架的顶部安装收集箱和视觉及探测单元，通常视觉及探测单元为摄像单元、声呐探测单元的任意一种或组合。收集箱设置在机体顶部，可以装载绞吸机构不能清理的大块石头、树枝、尼龙编织袋等大块杂物或柔性杂物，将其收集起来在作业完成时一次性运回地面。

本发明的有益效果在于：

本发明通过滚筒式底盘驱动机器人行动，下方螺旋滚筒或同向或反向转动，可以实现车体的前后左右运动或转弯，特别是在狭小的管道或涵洞中，车身可以在不转弯的情况下做到横向移动，极大地增强了设备的机动性和灵活性。

本发明由于采用上述结构，具有结构简单、操作机动灵活、清淤能力高、拾取能力强、设备成本低、工作效率高等优点。

附图说明

图1是本发明所实现的正面结构示意图。

图2是图1中A的局部放大图。

图3是本发明所实现的仰视角度的立体图。

图4是本发明所实现滚筒式底盘的立体结构图。

图5是本发明所实现的绞吸机构的俯视图。

图6是本发明所实现淤泥收集罩的结构示意图。

图7是本发明所实现抽吸淤泥的结构示意图。

图8是本发明所实现照明灯及摄像头的结构示意图。

图9是本发明所实现滚筒式底盘的前轴结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1-4，为本发明所实现的水下清淤机器人，包括有绞吸机构1、平台框架6、收集箱5、控制单元(设置在平台框架6内，图中未示)、滚筒式底盘9和视觉及探测单元4，所述滚筒式底盘9作为机器人的行走机构，也是本发明的核心，其中：

滚筒式底盘9由两个中空且密封的螺旋滚筒92、驱动装置93以及底盘框架91组成；结合图2、图3、图4所示，所述底盘框架91向下伸出有四个悬臂911，两个悬臂911为一对，支撑有两个螺旋滚筒92。所述两个螺旋滚筒92对称设置，螺旋滚筒92又主要由筒体921和螺旋扇叶922构成，其中，筒体921上设置有螺旋扇叶922，且所述两个筒体921上的螺旋扇叶922呈对称设置，就是说两个螺旋滚筒92上螺旋扇叶922的旋转方向呈相反的方向设置，且两个螺旋滚筒92独立控制，以能够使螺旋滚筒92非同步旋转，当其中一个左转，一个右转时，能够使机器人向前或向后行使，当其中一个转动，一个不动时，机器人能够转弯，当两个滚筒同向转动时，机器人能够横向移动，如此操作，使本发明能够进行转弯、横向移动等动作。本发明采用滚筒式底盘替代传统的履带式行走机构，从基本的行走方式对机器人进行了改变，不仅重量大大减轻，而且行动方便，能够轻松地在小范围内进行转弯、横向移动，更加机动、灵活。

所述驱动装置93为液压马达组件，设置在底盘框架91的后侧，并从底盘框架91与螺旋滚筒92的连接部对螺旋滚筒92进行驱动；具体地说，液压马达组件93包括有液压马达931、变速箱932，液压马达931输出动力给变速箱932，由变速箱932提供给螺旋滚筒92动力。结合图2所示，筒体921的外端具有轴923，该轴穿过悬臂911(悬臂911处设有轴承912，同时一油封94设置在轴承912外侧，以进行密封，防止水进入变速箱932)，连接变速箱932，这样，变速箱932可以控制螺旋滚筒92的转速、转向，以达到驱动机器人行走的目的。

通常，为了更好的具有行动力，螺旋扇叶922为突出的具有一点厚度的螺纹，以具有一定的强度和厚度，能够对机器人的行走进行强有力的支撑和行走。

滚筒式底盘9上部设置平台框架6，平台框架6为一个封闭式的箱体，其中装设有泵送机构15、控制单元和液压站。其中，所述泵送机构15主体是液压动力渣浆泵，其作用为将淤泥传输管3抽吸的淤泥泵送到地面以进行进一步处理。控制单元为整个设备的大脑和神经中枢，可根据程序指令进行各项操作，包括对支臂的控制、马达的控制，螺旋滚筒的控制等；也可以与陆地进行通讯，根据人们的实际指令完成整个清淤工作。程序通常是根据对液压马达、泵送机构15、摄像头41等在控制指令而设计，在此为现有技术，不再赘述。

其中，液压站是机器人上液压系统的动力源泉，为机器人上液压动力元器件提供适当压力和流量的液压油，使其按照控制器的要求实现相应的动作。上述泵送机构、控制单元和液压站均可以通过现有技术实现，在此不再赘述。

平台框架6的上部设置有收集箱5，收集箱5用来装载绞吸机构不能清理的大块石头、树枝、尼龙编织袋等大块杂物或柔性杂物，将其收集起来在作业完成时一次性运回地面。清淤过程中，淤泥中的大块杂物(石块、塑料、衣服等)被拦污格栅拦截后存留在淤泥收集罩11内，等杂物积存到一定程度后可通过升降支臂2调整将淤泥收集罩11移动到收集箱5上方，再转动淤泥收集罩11进而将杂物倒入收集箱5。

其中，淤泥收集罩11的移动是通过升降支臂2来实现，具体地说，是通过液压杆7对支臂2的升降控制来实现，平台框架6内的液压站连接到液压杆7，并控制液压杆7的升降，液压杆7分成两段，均安装在呈弯折状的支臂2下方，以对支臂2进行支撑，支臂2则连接到淤泥收集罩11的两侧，对淤泥收集罩11进行升举，以使石块等大体积的物体可移动收集到收集箱5中。

对于淤泥的清理，主要采用绞吸机构1，绞吸机构为现有机构。图1结合图5、图6所示，绞吸机构1包括淤泥收集罩11、双向绞龙12、绞龙驱动马达(图中未示)、升降液压缸7、升降支臂2、拦污格栅板13和泵送机构15。淤泥收集罩安装在一对两级的升降支臂上，在升降支臂、液压缸和淤泥收集罩上的翻转机构共同作用下实现下探、上扬、回收和翻转等动作，淤泥收集罩为簸箕形，如图7所示，车体带动其前进，将淤泥铲入收集罩内，然后进行一定角度向上偏转，以防淤泥散落和便于抽吸。

结合图4所示，双向绞龙12的结构如专利申请202020027630.9所描述的那样，在此不再赘述，其作用是将淤泥收集罩收集的淤泥搅拌打散，并将淤泥向设置在淤泥收集罩中部的抽吸装置集合，以便于抽吸。绞龙马达(图中未示)通常设置在淤泥收集罩一侧，利用液压动力带动双向绞龙12旋转；泵送机构15则安装于机器人的平台框架6内，其作用是将淤泥收集罩收集的淤泥，在双向绞龙打散并归结后经过淤泥传输管3抽吸到泵送机构15中，然后经输淤管8输送到外部。

升降用的液压缸7和支臂2是淤泥收集罩11的运动机构，通过其配合使淤泥收集罩11实现下探、上扬、回收和翻转等动作。

在其它的方式中，绞吸机构1还可以具有角度传感器，角度传感器设置在升降支臂和淤泥收集罩上，可以感知其偏转角度和目前姿态，并将信号传输到地面控制端，地面控制端可以信号传输的参数，将机器的当前姿态和运动轨迹以动画的形式直观的显示在操作屏幕上，以便于操作人员更好的了解机器现在状态以及进行下一步动作。

结合图5、图6所示，双向绞龙12的前部设置有拦污格栅板13，以分割大体积的物品，如石块、杂物等，拦污格栅板13设置在淤泥收集罩内底部中间的抽吸口14前，目的是将淤泥中的大块杂质，如较大的石块、金属、铁丝、树枝、尼龙编织袋和所料袋灯泵送机构不能吸收的杂质过滤掉，以免阻塞管路；；淤泥收集罩1所收集的淤泥最终都通过抽吸口14进入到淤泥传输管3输出，一般情况下，抽吸口14设置有拦污隔板，以避免大块的东西进入到淤泥传输管3，破坏管道及后续处理设备。

为了保证清淤的过程在可控范围内，平台框架6和收集箱5上还设置有视觉及探测单元包括摄像单元、声呐探测单元，如图7所示，其中，摄像单元通常采用照明灯及摄像头4组成，通过照明灯及摄像头4在各个角度拍摄的画面进行拼接组合，通常情况下，收集箱5由于位于最上部，其前后都可以设置照明灯及摄像头4，这样可以采集全方位的数据，形成全局视频和前方绞吸作业特写视频，根据需要显示在操控屏幕上；为了全方位的采用数据，图7所示，收集箱5的前壁上设置两个照明灯及摄像头4，收集箱5后方的平台框架6设置一个照明灯及摄像头4，同时每个支臂2上也设置一个照明灯及摄像头4。这样，能够采集多角度的数据，便于实现对机器人的控制。

对于照明灯及摄像头4，其设置在收集箱5的结构如图8所示，包括有摄像头41、照明灯42、支撑柱43及固定板44。其中，固定板44固定在收集箱5前壁上，向前伸出，伸出部位具有支撑柱43，支撑柱43支撑有一个摄像头41和位于摄像头两侧的照明灯42，照明灯42进行照明，以便于摄像头41拍摄。

设置在平台框架6和支臂2上的照明灯及摄像头4，基本结构与设置在收集箱5上的相同，但是出于设置的位置，可以不设置固定板，直接通过支撑柱对摄像头和照明灯进行支撑。

同时，在其它的实现方式中，还可以设置声纳探测单元，声纳探测单元主要用与探测前方浑水中的淤泥深度和厚度，给操作人员作为参考，通常设置在平台框架6的一侧，因其为常规设置，图中未示。

工作时，本发明的机器人通过液压马达931驱动螺旋滚筒92旋转，其中两个螺旋滚筒92的非同步旋转可以使机器人前后运动；当淤泥收集罩11下放，接触到地面上的淤泥时，泵送机构15工作，将淤泥通过淤泥收集罩11的抽吸口14，抽吸到淤泥传输管3，然后经输淤管8输送到外部。

遇到体积及重量较大的石块、塑料、衣物等杂物，则可以通过液压杆7控制支臂2抬起，支臂2带动淤泥收集罩11移动到收集箱5的上方，转动淤泥收集罩11，使石块、塑料、衣物等杂物落入到收集箱5内。这样能够比较彻底的对淤泥进行清理，从而提高清理效果和效率。

图9所示，为另一个方式中，螺旋滚筒可进行充水的结构示意图。此时，所述螺旋滚筒的筒体921内部中空，使螺旋滚筒92可作为浮力调整箱使用。具体地说，螺旋滚筒92的前端为前轴924，前轴924穿过悬臂911，悬臂911上设置有盖体913，有气管95和水管97从盖体913穿过，并处插入到筒体921内，其中，气管95的插入端连接有浮漂，以在灌水时，气管95始终保持在液面以上。前轴924的外侧设有前轴套99，前轴套99的两侧都设有密封圈98，以对前轴98进行密封。

这样，通过螺旋滚筒92前端部的气管95和水管97在其中注入或排除水，进而调整机身的浮力。图中，气管95和水管97均与车身固连，不随螺旋滚筒92转动，从而保证水管97一直在下端，气管95在上端，通过水管97注水时滚筒内的空气沿气管95排出。同理，排水时空气沿气管95进入筒体921内。在车体抓地力不够时可向螺旋滚筒92中注入适量的水，以增加设备重量从而获得更大的抓地力，使设备更好的工作；在淤泥较软且厚或者管壁或地面脆弱时，可抽出其中的水以减轻设备总重，以获得较大的浮力从而减轻对地面的压力，以免深陷淤泥或破坏管壁或地面。

总之，本发明通过滚筒式底盘驱动机器人行动，下方螺旋滚筒或同向或反向转动，可以实现车体的前后左右运动或转弯，特别是在狭小的管道或涵洞中，车身可以在不转弯的情况下做到横向移动，极大地增强了设备的机动性和灵活性。

该机器人通过多种淤泥处理方式，增加了清淤方式，能够有效地清除石块、布料、树枝等大重量的杂物和杂物团，增加清淤速度和效率，以满足高效、持续的作用需求。

本发明由于采用上述结构，具有结构简单、操作机动灵活、清淤能力高、拾取能力强、设备成本低、工作效率高等优点。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下清淤机器人，至少包括平台框架、清淤机构、控制单元和视觉及探测单元，其特征在于所述机器人还包括滚筒式底盘，所述滚筒式底盘作为机器人的行走机构，其中：

滚筒式底盘由两个中空且密封的螺旋滚筒、驱动装置以及底盘框架组成；所述底盘框架下方支撑有两个螺旋滚筒，所述驱动装置设置在底盘框架上方，并从底盘框架与螺旋滚筒的连接部对螺旋滚筒进行驱动；所述两个螺旋滚筒对称设置，螺旋滚筒上设置有螺旋扇叶，且所述螺旋扇叶呈对称设置。

2.如权利要求1所述的水下清淤机器人，其特征在于所述螺旋扇叶为突出的螺纹，以能够对机器人的行走进行支撑。

3.如权利要求1所述的水下清淤机器人，其特征在于所述螺旋滚筒内部中空，以具有一定的浮力，便于机器人行走。

4.如权利要求1所述的水下清淤机器人，其特征在于所述驱动装置为液压驱动机构，其包括有液压马达、变速箱，所述液压马达输出动力给变速箱，由变速箱控制调整输出功率和转速，变速箱输出动力给螺旋滚筒。

5.如权利要求4所述的水下清淤机器人，其特征在于所述螺旋滚筒为椭圆形的筒体，筒体的外端具有轴，对应的，底盘框架向下伸出有四个悬臂，两个悬臂为一对，支撑有两个螺旋滚筒；所述轴穿过悬臂连接变速箱，变速箱可以控制螺旋滚筒的转速、转向。

6.如权利要求1所述的水下清淤机器人，其特征在于所述平台框架是设备的主体框架骨骼，下连接滚筒式底盘，框架内部可以固定安装液压站，控制设备舱和清淤机构。

7.如权利要求1所述的水下清淤机器人，其特征在于所述清淤机构包括有绞吸机构和泵送机构，所述平台框架支撑有泵送机构，且其两侧固定绞吸机构的支臂，通过支臂向前伸出有绞吸机构。

8.如权利要求7所述的水下清淤机器人，其特征在于所述泵送机构是液压动力渣浆泵，其作用为将抽吸装置抽吸的淤泥泵送到地面以进行进一步处理。

9.如权利要求7所述的水下清淤机器人，其特征在于绞吸机构对应设置有收集箱，所述收集箱设置在平台框架上，以便于容纳具有一定重量或体积的杂物或杂物团。

10.如权利要求9所述的水下清淤机器人，其特征在于所述平台框架的顶部安装收集箱和视觉及探测单元，通常视觉及探测单元为摄像单元、声呐探测单元的任意一种或组合。

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