CN114408137A - 一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，包括履带行进模块、机器人框架和电驱推进器模块，履带行进模块通过可调式连杆柔性连接于机器人框架的两侧，电驱推进器模块包括水平推进器以及竖直推进器，机器人框架的前侧安装有作业工具模块以及与作业工具模块配合的机械手模块，机器人框架的后侧安装有用于驱动履带行进模块运动的液压系统模块。本发明水下机器人通过搭载的不同作业工具模块和机械手模块对水下结构物表面上附着的异物进行清理、打磨、缺陷探伤和修复，能够替换现有的人工水下清洁操作，因此极大地提高了清洁效率，采用优异的水动力结构和电液双驱动力，让机器人在各类水下生产系统的介入作业也能发挥作用。

Description

一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人及系统

技术领域

本发明涉及水下作业机器人技术领域，具体涉及一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人及系统。

背景技术

我国海洋油气资源开发、海上风电、桥梁等大型海洋工程构筑物的生产建设如火如荼，大型海洋工程结构物损伤检测与修复等全寿命服役安全问题面临巨大挑战。水下结构在波浪作用下长期不间断颠簸、台风等恶劣天气影响、甲板大载荷生产作业条件下，结构容易因疲劳产生焊缝裂纹等缺陷。当前主流的探伤监测主要用水下超声检测法来检测船体及钢结构海上平台的腐蚀情况，欧美海洋先进国家在进行水下超声检测时，一般至少需要2名工作人员协同作业，一名潜水员负责水下具体的检测操作，另一名人员则需要在中控室随时监控水下状态，校准检测系统，解析反馈的信号并指导潜水员操纵探头等。该探伤检测方法需要花费较长的时间和支出不菲的费用，更重要的是海洋构筑物水线遍布海生物，仅依靠潜水员无法做到实时检查，这样的结构缺损严重威胁平台自身和生产相关人员的安全。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人及系统。

本发明的目的可以通过以下所述技术方案来实现：一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，包括履带行进模块、机器人框架和电驱推进器模块，履带行进模块通过可调式连杆柔性连接于机器人框架的两侧，机器人框架的上侧设置有浮力模块，浮力模块中部设置有起吊点，电驱推进器模块包括设置于机器人框架四个对角位置的水平推进器以及设置于浮力模块上的竖直推进器，机器人框架的前侧安装有作业工具模块以及与作业工具模块配合的机械手模块，机器人框架的后侧安装有用于驱动履带行进模块和作业工具模块运动的液压系统模块，机器人框架内安装有水下电气控制系统，水下电气控制系统用于控制水下机器人进行水下工程作业。

作为上述技术方案的进一步描述，浮力模块通过螺栓或双头螺柱与机器人框架连接，且浮力模块的本体上预埋连接件，机器人框架上设置有浮力模块安装板和支架。

作为上述技术方案的进一步描述，浮力模块由复合泡沫塑料制成，且浮力模块的表面喷涂有保护层。

作为上述技术方案的进一步描述，作业工具模块包括工具撬、清洗刷、高压水射流、无损探伤仪、打磨工具和水下焊枪。

作为上述技术方案的进一步描述，履带行进模块包括履带梁、履带链轮、履带链条、随动轮、履带板、惰轮以及驱动单元，驱动单元包括集成变量柱塞液压马达和驻车制动器的水下一体化齿轮箱。

作为上述技术方案的进一步描述，机器人框架的前侧还安装有监视系统模块，监视系统模块包括固定式照明灯、固定式高清摄像头、云台和视觉传感器。

作为上述技术方案的进一步描述，机器人框架的下侧安装有导航定位系统模块，导航定位系统模块包括声纳、DVL多普勒仪、深度传感器和超短基线。

作为上述技术方案的进一步描述，液压系统模块包括液压动力源、集中控制阀箱、压力补偿器、液压马达和多路大流量控制阀组。

作为上述技术方案的进一步描述，水下电气控制系统包括脐带缆终端、水下电子仓和布置于集中控制阀箱内的传感器和监测仪器。

本发明还提供一种多功能作业级水下机器人系统，包括一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人、水面平台以及设置于水面平台上的控制台和脐带缆绞车，脐带缆绞车与水下机器人通过脐带缆连接，水下机器人与控制台通信连接，控制台用于控制水下机器人进行水下工程作业。

与现有技术比，本发明的有益效果：

1、本发明提供一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人适用于多场景的水下作业，通过机器人框架搭载的作业工具模块和机械手模块可实现水下结构物表面上附着的异物进行清理、打磨、探伤和修复；对铺设或埋敷与海底的管缆执行巡检作业；对各类水下生产系统开展介入作业。通过创新的结构设计、推进器布局并辅以推力分配控制，实现水下机器人的横倾、纵摇以及定深、定高，尤其是翻身姿态的实现。从而满足水下不同形貌结构物上的可靠作业。具体的竖直推进器产生的压力紧贴结构物表面，在此之后，可以通过水平推进器和履带行进模块沿结构物表面自由移动，实现机器人的转移，从而实现对整个区域的清洁、打磨、探伤和修复，提高水下机器人的机动性和清洁、修复效果。

2、本发明提供一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人优异的水动力结构和电液双驱动力，也非常适用于海底电缆和管线的快速检测；通过水下液压系统模块驱动的履带行进模块，让机器人在各类水下生产系统的介入作业也能发挥作用，尤其是浅海海域。

发综上所述，本发明提供的电液混动型履带式多功能作业级水下机器人能够替换现有的人工水下作业，因此极大地提高了水下作业的效率，也大大降低了水下施工的成本。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明电液混动型履带式多功能作业级水下机器人的结构示意图。

图2为本发明电液混动型履带式多功能作业级水下机器人的另一结构示意图。

图3为本发明电液混动型履带式多功能作业级水下机器人底部的结构示意图。

图4为本发明实施例中监视系统模块的组成示意图。

图5为本发明实施例中导航定位系统模块的组成示意图。

图6为本发明实施例中液压系统模块的组成示意图。

图7为本发明实施例中作业工具模块的组成示意图。

图8为本发明多功能作业级水下机器人系统中水下机器人的布放回收示意图。

图9为本发明多功能作业级水下机器人系统中水下机器人在水下多模式移动转场示意图。

图中所示标号表示为：1、履带行进模块；2、机器人框架；3、浮力模块；4、起吊点；5、水下电气控制系统；6、监视系统模块；6.1、固定式照明灯；6.2、固定式高清摄像头；6.3、云台；6.4、视觉传感器；7、导航定位系统模块；7.1、声纳；7.2、DVL多普勒仪；7.3、深度传感器；7.4、超短基线；8、水平推进器；9、液压系统模块；9.1、液压动力源；9.2、集中控制阀箱；9.3、压力补偿器；9.4、液压马达；9.5、多路大流量控制阀组；10、机械手模块；11、作业工具模块；11.1、工具撬；11.2、清洗刷；11.3、高压水射流；11.4、无损探伤仪；12、竖直推进器。

具体实施方式

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至图7所示，本发明的结构为：一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，包括履带行进模块1、机器人框架2和电驱推进器模块，履带行进模块1通过可调式连杆柔性连接于机器人框架2的两侧，机器人框架2的上侧设置有浮力模块3，浮力模块3中部设置有起吊点4，电驱推进器模块包括设置于机器人框架2四个对角位置的水平推进器8以及设置于浮力模块3上的竖直推进器12，机器人框架2的前侧安装有作业工具模块11以及与作业工具模块11配合的机械手模块10，机器人框架2的后侧安装有用于驱动履带行进模块1运动的液压系统模块9，机器人框架2内安装有水下电气控制系统5，水下电气控制系统5用于控制水下机器人进行水下工程作业。本发明的电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，上部采用浮力模块3，下部采用开架式框架结构，机器人框架2的两侧连接履带行进模块，通过机器人框架2搭载的作业工具模块11和机械手模块10对水下结构物表面上附着的异物进行清理，通过竖直推进器12产生的压力紧贴结构物表面，在此之后，可以通过水平推进器8和履带行进模块1沿结构物表面自由移动，实现机器人的转移，从而实现对整个区域的清洁，提高水下机器人的机动性和清洁效果。

具体的，如图1所示，浮力模块3通过螺栓或双头螺柱与机器人框架2连接，且浮力模块3的本体上预埋连接件，机器人框架2上设置有浮力模块安装板和支架，使安装简单、可靠，拆卸方便。进一步的，浮力模块3和机器人框架2相结合，构成水下机器人的上表面，为了减小起吊状态下框架结构变形对浮力模块3的影响，除了在浮力模块3之间留有一定的间隙外，还采取适当加大浮力模块3安装螺栓孔的直径和增加橡胶垫圈等措施。

进一步的，浮力模块3由复合泡沫塑料制成，且浮力模块3的表面喷涂有保护层，浮力模块3由复合泡沫塑料组成，此类复合泡沫塑料由封闭微球铸造到环氧树脂外壳中。为了防止浮力模块3与其他物体发生碰撞而损坏，浮力模块3的表面喷涂聚亚胺醋保护层，能够有效保护浮力材料不受损坏。

具体的，如图7所示，作业工具模块11包括工具撬11.1、清洗刷11.2、高压水射流11.3和无损探伤仪11.4，进一步的，作业工具模块11还包括打磨工具和水下焊枪，水下机器人作业时，先用预先挂载于机械手模块10上的高压水射流11.3对结构物表面的附着物进行初步清理；然后机械手模块10取出放于底盘的清洗刷11.2做进一步清刷；待清刷完毕后，使搭载平台静止并用底部的无损探伤仪11.4通过推进扫描的方式对结构物进行缺陷检测；若存在缺陷，则在用机械手模块10在水下切换为打磨工具对待焊部位进行打磨后，使用水下焊枪进行焊接。

具体的，如图1所示，履带行进模块1包括履带梁、履带链轮、履带链条、随动轮、履带板、惰轮以及驱动单元，驱动单元包括集成变量柱塞液压马达和驻车制动器的水下一体化齿轮箱，可以实现高扭矩、低转速下的良好控制，同时也能实现高速行驶。

具体的，如图1、图4所示，机器人框架2的前侧还安装有监视系统模块6，监视系统模块6包括固定式照明灯6.1、固定式高清摄像头6.2、云台6.3和视觉传感器6.4，固定式照明灯6.1、固定式高清摄像头6.2和视觉传感器6.4均安装在云台6.3上，云台6.3是监控系统中常用于安装、固定摄像头的支撑设备，并由云台6.3来控制摄像头或其它设备的转动方向，通过固定式高清摄像头6.2和视觉传感器6.4进行全方位观察，利用固定式照明灯6.1提供照明，便于清晰地在水中进行观察。

如图3、图5所示，机器人框架2的下侧安装有导航定位系统模块7，导航定位系统模块7包括声纳7.1、DVL多普勒仪7.2、深度传感器7.3和超短基线7.4，通过导航定位系统模块7实现机器人水下位置的控制，确保机器人的运行安全。

如图6所示，液压系统模块9包括集成泵控制的液压动力源9.1、集中控制阀箱9.2、压力补偿器9.3、液压马达9.4和多路大流量控制阀组9.5。

进一步的，水下电气控制系统5包括脐带缆终端、水下电子仓和布置于集中控制阀箱9.2内的传感器和监测仪器。

如图8、图9所示，本发明还提供一种多功能作业级水下机器人系统，包括水下机器人、水面平台以及设置于水面平台上的控制台和脐带缆绞车，脐带缆绞车与水下机器人通过脐带缆连接，水下机器人与控制台通信连接，控制台用于控制水下机器人进行水下工程作业，水下机器人通过脐带缆绞车从水面平台(船或浮式平台)上进行布放，潜入水下后，通过水平推进器8行驶到预定工作地点，在竖直推进器12产生的力矩作用下，调整自身姿态使其翻转90度，保持垂向，然后由竖直推进器12产生的压力紧贴结构物表面，在此之后，可以通过水平推进器8和履带行进模块1沿结构物表面自由移动。

水下机器人作业时，先用预先挂载于机械手模块10上的高压水射流11.3对结构物表面的附着物进行初步清理；然后机械手模块10取出放于底盘的清洗刷11.2做进一步清刷；待清刷完毕后，使搭载平台静止并用底部的无损探伤仪11.4通过推进扫描的方式对结构物进行缺陷检测；若存在缺陷，则在用机械手模块10在水下切换为打磨工具对待焊部位进行打磨后，使用水下焊枪进行焊接。整个作业流程通过水面的控制台进行操控，如有需要，可以启动自主循迹功能。

具体使用时，本发明电液混动型履带式多功能作业级水下机器人的总体结构采用高强度铝合金，整机采用不锈钢紧固件，可拆卸式侧边防护板，方便维修并进行器件更换，特制配重托盘，配重调节简单方便，采用高强度耐腐性框架，全部管线带有标记便于识别，水下机器人采用顶部单点起吊，起吊点4位置具有可调节功能，前部具有便捷固定点，用于前部作业工具模块搭载。采用牢固的全宽度防撞栏，带有D型橡胶条，显著降低冲击力。从浮力模块3到各类设备都设计圆角保护，配备后视固定式高清摄像头，防止线缆拉扯。综合考虑行驶速度、水深、自重对动力系统影响稳定性、机动性等多方面因素，设计了两种共存的驱动方案：

(1)电驱推进器模块，该功能是基于水下机器人在入水以后和出水之前，需要在浮游状态下行驶，并调整自身姿态，同时，本装备对机动性要求很高，故而采用8台推进器，均挂载于主体框架上，其中水平推进器4个，呈45度角矢量布置，并安装于机器人的四个对角靠边缘位置；竖直推进器4个，位置相对居中均布；8台推进器均为伺服直流电机驱动，相比交流电机驱动，在启动时对系统的电流冲击较小，同时便于实现灵活控制。

(2)履带行进模块，履带行进模块通过可调式连杆柔性连接于机器人框架底部位置，行进功能通过液压马达驱动履带的方式，具有很强的灵活性，可跟随规划路径随时自主调整行进方向，保证检测和清理的稳定效率；不易出现打滑，行驶平稳，航向保持稳定。同时，该方案还具有档位切换与无级变速，设置高低档位两档，即大扭矩低转速和高转速小扭矩，并可通过比例阀控制液压马达实现无级变速。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：包括履带行进模块(1)、机器人框架(2)和电驱推进器模块，所述履带行进模块(1)通过可调式连杆柔性连接于所述机器人框架(2)的两侧，所述机器人框架(2)的上侧设置有浮力模块(3)，所述浮力模块(3)中部设置有起吊点(4)，所述电驱推进器模块包括设置于所述机器人框架(2)四个对角位置的水平推进器(8)以及设置于所述浮力模块(3)上的竖直推进器(12)，所述机器人框架(2)的前侧安装有作业工具模块(11)以及与所述作业工具模块(11)配合的机械手模块(10)，所述机器人框架(2)的后侧安装有用于驱动所述履带行进模块(1)和作业工具模块(11)运动的液压系统模块(9)，所述机器人框架(2)内安装有水下电气控制系统(5)，所述水下电气控制系统(5)用于控制所述水下机器人进行水下工程作业。

2.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述浮力模块(3)通过螺栓或双头螺柱与机器人框架(2)连接，且所述浮力模块(3)的本体上预埋连接件，所述机器人框架(2)上设置有浮力模块安装板和支架。

3.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述浮力模块(3)由复合泡沫塑料制成，且所述浮力模块(3)的表面喷涂有保护层。

4.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述作业工具模块(11)包括工具撬(11.1)、清洗刷(11.2)、高压水射流(11.3)、无损探伤仪(11.4)、打磨工具和水下焊枪。

5.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述履带行进模块(1)包括履带梁、履带链轮、履带链条、随动轮、履带板、惰轮以及驱动单元，所述驱动单元包括集成变量柱塞液压马达和驻车制动器的水下一体化齿轮箱。

6.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述机器人框架(2)的前侧还安装有监视系统模块(6)，所述监视系统模块(6)包括固定式照明灯(6.1)、固定式高清摄像头(6.2)、云台(6.3)和视觉传感器(6.4)。

7.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述机器人框架(2)的下侧安装有导航定位系统模块(7)，所述导航定位系统模块(7)包括声纳(7.1)、DVL多普勒仪(7.2)、深度传感器(7.3)和超短基线(7.4)。

8.根据权利要求1所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述液压系统模块(9)包括液压动力源(9.1)、集中控制阀箱(9.2)、压力补偿器(9.3)、液压马达(9.4)和多路大流量控制阀组(9.5)。

9.根据权利要求8所述的一种电液混动型履带式多功能作业级水下机器人，其特征在于：所述水下电气控制系统(5)包括脐带缆终端、水下电子仓和布置于所述集中控制阀箱(9.2)内的传感器和监测仪器。

10.一种多功能作业级水下机器人系统，其特征在于：包括如权利要求1至9任意一项所述的水下机器人、水面平台以及设置于所述水面平台上的控制台和脐带缆绞车，所述脐带缆绞车与所述水下机器人通过脐带缆连接，所述水下机器人与所述控制台通信连接，所述控制台用于控制所述水下机器人进行水下工程作业。

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