CN115184569B - 一种用于河道区域水质检测的水下机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于河道区域水质检测的水下机器人，包括：机器人本体，机器人本体上设置有潜水动力系统；淤泥取样机构，淤泥取样机构通过伸缩组件转动连接在机器人本体的底部；分层检测机构，机器人本体的顶部转动连接有伸缩收卷装置，分层检测机构间隔设置在伸缩收卷装置上；漂浮物取样机构，漂浮物取样机构位于伸缩收卷装置的顶部，且漂浮物取样机构分区域转动取样。以上描述中可以看出，通过机器人本体位于河道的水中移动，伸缩收卷装置在位于第二设定位置时，使分层检测机构对河道当中不同深度的水层进行检测，同时伸缩收卷装置具备较高的稳定性，抗击河道中水流冲击；同时对河道底部的淤泥以及水中的漂浮物进行取样检测。

Description

一种用于河道区域水质检测的水下机器人

技术领域：

本发明涉及实质检测技术领域，特别涉及用于河道区域水质检测的水下机器人。

背景技术：

水质监测，是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水及各种各样的工业排水等，水质监测范围非常广泛，包括经常性的地表及地下水监测、监视性的生产和生活过程监测以及应急性的事故监测。水质监测可以为环境管理提供数据和资料，可以为评价江河水质状况提供依据。

然而在河道水质检测方面，传统的人工取样检测方式费时费力，检测数据不精准，检测范围受限，不同区域的河道中央水质、河道底部、河道上漂浮物等物质无法进行取样分析。为此，现有水质检测中应用水下机器人代替人工取样检测。

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人，水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人也成为开发海洋的重要工具，无人遥控潜水器主要有：有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种，现实生活中一些河道水下操作也需要使用到水下机器。

但现有的水下机器人应用在河道水质监测过程中，其应用层受限，检测水质层次单一，单次检测区域较小，尤其对河道底部淤泥、河道中的漂浮物(藻类、细菌、以及高分子有机物等)无法同时进行取样，造成检测水质过程中，划分多个步骤对同一区域进行水质检测、分层检测、底部取样、漂浮物取样等一系列操作，河道水质检测十分不便，费时费力。

发明内容：

鉴于此，有必要设计一种能够克服以上问题的用于河道区域水质检测的水下机器人，对河道当中的水质进行分层检测、并同时可对区域内的河道进行取样操作。

本申请提供一种用于河道区域水质检测的水下机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体上设置有潜水动力系统；

淤泥取样机构，所述淤泥取样机构通过伸缩组件转动连接在所述机器人本体的底部；

分层检测机构，所述机器人本体的顶部连接有可位于在第一设定位置和第二设定位置的伸缩收卷装置，所述分层检测机构间隔设置在所述伸缩收卷装置上；

漂浮物取样机构，所述漂浮物取样机构位于所述伸缩收卷装置的顶部，且所述漂浮物取样机构分区域转动取样；

其中，所述伸缩收卷装置上具有柔性形变的气动管道和磁流变液管道；

所述机器人本体上设置有用于驱动所述伸缩收卷装置由所述第一设定位置向所述第二设定位置方向延伸的供气系统和电磁发生装置；所述供气系统与所述气动管道连通，所述电磁发生装置与所述磁流变液管道电性连接；

所述伸缩收卷装置位于所述第一设定位置时，所述气动管道和所述磁流变液管道均收卷限位于所述机器人本体的顶部；

所述伸缩收卷装置位于所述第二设定位置时，所述气动管道和所述磁流变液管道均与所述机器人本体相互垂直，所述分层检测机构沿所述伸缩收卷装置的高度方向间隔排列检测。

优选的，所述机器人本体的底部设置有多个支撑件，每个支撑件上均装配有碗扣式支撑。

优选的，所述淤泥取样机构包括：第一防护壳体、转动连接在所述第一防护壳体内部的第一驱动轮；

所述第一驱动轮上周向设置有多个第一承载槽，且所述第一防护壳体上开设有可与任意一个第一承载槽相配合的第一让位孔。

优选的，任意相邻的两个第一承载槽之间设置有尖形的隔板，且每个所述第一承载槽的内部均密布有多个凹陷。

优选的，所述气动管道和所述磁流变液管道均位于同一柔性管体上；

所述机器人本体上转动连接有收纳轮，所述柔性管体可收卷至所述收纳轮上。

优选的，所述收纳轮的轴心装配有回力扭簧。

优选的，所述伸缩收卷装置还包括：弹性气袋；

所述弹性气袋设置在所述柔性管体的顶部且与所述气动管道连通。

优选的，所述弹性气袋的顶部设置有安装板，所述安装板上装配有所述漂浮物取样机构。

优选的，所述漂浮物取样机构包括：固定装配在所述安装板上的第二防护壳体，以及转动连接在所述第二防护壳体内部的第二驱动轮；其中，

所述第二驱动轮上周向开设有多个第二承载槽，所述第二防护壳体上开设有与任意一个第二承载槽相配合的第二让位孔。

优选的，所述水下机器人还包括有控制单元，所述控制单元在所述伸缩收卷装置位于所述第二设定位置时，控制所述电磁发生装置释放磁场使所述磁流变液管道具备支撑力。

本发明中，通过机器人本体位于河道的水中移动，伸缩收卷装置在位于第二设定位置时，使分层检测机构对河道当中不同深度的水层进行检测，同时伸缩收卷装置具备较高的稳定性，抗击河道中水流冲击；同时对河道底部的淤泥以及水中的漂浮物进行取样检测，单次检测区域较大；并在水下机器人移动后再次重复检测，减少人为干预，操作简单便捷，检测数据可靠，并且取样根据区域进行分离，获取精准的水质数据。

附图说明：

附图1是本发明提供的用于河道区域水质检测的水下机器人的第一状态示意图；

附图2是本发明提供的用于河道区域水质检测的水下机器人的第二状态示意图；

附图3是本发明提供的第一驱动轮的结构示意图；

附图4是本发明提供的柔性管体的结构示意图；

附图5是本发明提供的弹性气袋的结构示意图；

附图6是本发明提供的第二驱动轮的结构示意图。

图中：

机器人本体-100；

动力单元-110；

支撑件-120、碗扣式支撑-121；

储水舱机构-130；

供电单元-140、GPS模块-141、天线-142、摄像头组件-143、前照灯-144；

第一防护壳体-150、伸缩组件-151、第一驱动轮-152、第一承载槽-153、隔板 -154、凹陷-155；

供气系统-160；

电磁发生装置-170；

收纳轮-180、回力扭簧-181、弹性气袋-182、安装板-183、气动管道-184、磁流变液管道-185、水质监测模块-186；

第二防护壳体-190、第二驱动轮-191、第二承载槽-192。

具体实施方式：

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本说明书实施例中涉及的技术载体，例如可以包括近场通信(Near FieldCommunication，NFC)、WIFI、3G/4G/5G等。

为方便理解本申请实施例提供的河道区域水质检测的水下机器人，首先说明一下其应用场景，现有的水下机器人应用在河道水质监测过程中，其应用层受限，检测水质层次单一，单次检测区域较小，尤其对河道底部淤泥、河道中的漂浮物(藻类、细菌、以及高分子有机物等)无法同时进行取样，造成检测水质过程中，划分多个步骤对同一区域进行水质检测、分层检测、底部取样、漂浮物取样等一系列操作，河道水质检测十分不便，费时费力。鉴于此，本申请的用于河道区域水质检测的水下机器人，对河道当中的水质进行分层检测、并同时可对区域内的河道进行取样操作。

参考图1，图1示出了本申请实施例提供的用于河道区域水质检测的水下机器人的第一状态示意图，本申请实施例提供的河道区域水质检测的水下机器人包括：机器人本体100；该机器人本体100优选采用自航式水下机器人，该机器人本体100上设置有潜水动力系统，从而通过潜水动力系统保证机器人本体100在河道水中的下潜深度以及检测区域。

该潜水动力系统包括有动力单元110以及多个储水舱机构130，动力单元110为机器人本体100前进提供动力，多个储水舱机构130在机器人本体 100要下沉时就打开储水仓机构，往储水舱中注水，使机器人本体100重量不断增加，直到机器人本体100的重量大于它的排水量，这时机器人本体100 就会下潜；机器人本体100要上浮时，就利用压力往外排水，降低机器人本体100的重量，使它的重量小于它的排水量，机器人本体100自然就能上浮。

同时，本申请中的机器人本体100采用遥控无线进行操作，在机器人本体100上设置有天线142用于接收无线信号，同时机器人本体100上安装有 GPS模块141，用于对机器人本体100进行定位。

此外，为了保证机器人本体100在河道的水中移动可视化，在机器人本体100的前端安装有摄像头组件143，便于操控机器人本体100移动，同时可对河道当中水质的浑浊度进行可视化了解。另外，为了辅助机器人本体100 移动，在机器人本体100位于摄像头组件143的两侧装配有前照灯144，使机器人本体100移动可视化更高。

当然，需要具体说明的，水下机器人为现有机器人领域中较为常见的设备，其中由供电单元140向各个电气部件进行供电，并由遥控无线进行控制，均为本领域技术人员公知的控制技术，在此不做过多赘述；另外，应理解为，本申请中的机器人本体100并非局限为河道当中的水质检测，同样可对湖泊、海洋等领域进行水质检测，在此仅对河道水质检测方案进行详细描述。

继续参阅图1，由图1中可以看出，本申请中的机器人本体100在水中移动过程中减小与水的阻力，从而减小耗电量。

河道当中的淤泥在厌氧条件下分解产生大量的还原性有害物质(氨、硫化氢)等，病菌容易繁殖，造成河道当中的鱼虾体抵抗力弱，易得病。但适量的淤泥对于水体的供肥、保肥具有一定的调节作用。为此，机器人本体100上设置有淤泥取样机构，淤泥取样机构通过伸缩组件151转动连接在机器人本体100的底部。

通过设定有的污泥取样机构能够对检测区域河道当中的淤泥进行采样处理，并且不同的检测区域进行隔离化取样，便于后期取样后判断河道淤泥是否进行干预化处理。

具体的，机器人本体100的底部设置有多个支撑件120，每个支撑件120 上均装配有碗扣式支撑121。在机器人本体100下潜到碗口式支撑与河道底部接触的位置后，支撑机器人本体100位于一定高度，此时的淤泥取样机构在伸缩组件151的伸缩驱动状态下，与河道底部的淤泥进行接触，并在淤泥取样机构当中的第一驱动轮152转动状态下对河道当中的淤泥进行取样保存。

结合图3中所示，该淤泥取样机构包括：第一防护壳体150；伸缩组件 151倾斜连接在第一防护壳体150的两侧，并且在第一防护壳体150的底部开设有用于取样的第一让位孔。

第一防护壳体150的内部转动连接有第一驱动轮152，第一驱动轮152 采用电力驱动旋转，并且第一驱动轮152上周向设置有多个第一承载槽153，且第一防护壳体150上开设的第一让位孔可与任意一个第一承载槽153相配合。第一驱动轮152在旋转状态下将需取样的淤泥携带至外露在第一让位孔的第一承载槽153当中，并在继续旋转过程中交由第一防护壳体150内部进行保存，从而在对另一区域的河道进行淤泥检测取样时，进行隔离划分。

同时为了方便淤泥取样，在任意相邻的两个第一承载槽153之间设置有尖形的隔板154，且每个第一承载槽153的内部均密布有多个凹陷155。由此可以看出，在伸缩组件151的延伸状态下，带动第一防护壳体150与河道底部的淤泥过盈接触，在第一驱动轮152的转动下，使淤泥进入第一承载槽 153中，多个凹陷155增大取样摩擦力，使淤泥取样量较大。

另外，由图1中可以看出，本申请中的分层检测机构在机器人本体100 处于水中移动状态下处于收卷状态，从而保证机器人本体100移动过程中不与河道当中的水产生较大阻力。

机器人本体100的顶部连接有可位于在第一设定位置和第二设定位置的伸缩收卷装置，分层检测机构间隔设置在伸缩收卷装置上。图1为伸缩收卷装置位于第一设定位置。由此可以看出，在伸缩收卷装置位于第一设定位置时，为机器人本体100最小阻力在河道当中移动，便于遥控操作在不同河道区域进行水质检测。

参考图2，图2为用于河道区域水质检测的水下机器人的第二状态示意图。可以看出在河道水质检测方面，本申请中采用分层进行采样，采样数据精准，不同的浮游生物对水质的影响进行针对话的处理方案。

同时在分层检测方案当中，为了规避河道中水流的冲击，造成的不易检测的问题，本申请中采用磁流变液在受到磁场干扰后形成高粘度、低流动性的宾汉流体(Bingham)，从而在分层检测水质过程中层次定位分明精准。

具体的，伸缩收卷装置上具有柔性形变的气动管道184和磁流变液管道 185。伸缩收卷装置位于第二设定位置时，气动管道184和磁流变液管道185 均与机器人本体100相互垂直，分层检测机构沿伸缩收卷装置的高度方向间隔排列检测。结合图4中所示，气动管道184和磁流变液管道185均位于同一柔性管体上；该柔性管体具有外层的磁流变液管道185和内层的气动管道 184。在气动管道184内部充入气体后，柔性管体由收卷状态形成直线上升状态，其直线上升状态与机器人本体100相互垂直；并在柔性管体呈竖直状态时，为了避免水流冲击造成的柔性管体弯曲变形的情况发生，采用产生磁场使外层的磁流变液实现高粘度、低流性的支撑力。

为此，机器人本体100上设置有用于驱动伸缩收卷装置由第一设定位置向第二设定位置方向延伸的供气系统160和电磁发生装置170；供气系统160 与气动管道184连通，电磁发生装置170与磁流变液管道185电性连接；该供气系统160采用氧气发生器等设备，用于在气动管道184内部充入气体使柔性管体向上延伸。水下机器人还包括有控制单元，控制单元在伸缩收卷装置位于第二设定位置时，控制电磁发生装置170释放磁场使磁流变液管道185 具备支撑力。从而在需进行水质检测时，电磁发生装置170产生磁场，使磁流变液管道185内部的磁流变液形成支撑，确保分层检测的位置精准。

该分层取样机构沿柔性管体的长度方向间隔设置，具体采用多个水质监测模块186，多个水质监测模块186设置在柔性管体的外壁，在收卷过程中不会造成损坏，在检测过程中多河道当中的多层水质进行检测，得出针对性的检测数据，并将检测数据传输至河道边的人工操作平台进行显示。

结合图1和图2中所示，机器人本体100上转动连接有收纳轮180，柔性管体可收卷至收纳轮180上。并且收纳轮180的轴心装配有回力扭簧181。由此可以看出，在柔性管体上的气动管道184充入气体后，柔性管体由收卷状态变为向上延伸状态，此时的回力扭簧181储存弹性势能；并在供气系统 160停止供气后，气动管道184内部的气体逐渐排出，电磁发生装置170停止产生磁场，磁流变液管道185内部的磁流变液重新恢复低粘度的牛顿流体特性，使其收卷至收纳轮180上。

另外，如图5中所示，本申请中的水下机器人还包括有漂浮物取样机构，漂浮物取样机构位于伸缩收卷装置的顶部，且漂浮物取样机构分区域转动取样。从而通过设有的漂浮物取样机构能够对河道当中的藻类、细菌、以及高分子有机物等进行取样，取样区域同样进行划分式保存，保证较高隔离取样效果。

具体的，伸缩收卷装置还包括：弹性气袋182；该弹性气袋182采用橡胶材质的袋体，弹性气袋182设置在柔性管体的顶部且与气动管道184连通。通过与气动管道184连通保证在弹性袋体受到气体膨胀后起到导向漂浮的作用，用于引导柔性管体垂直上升。

弹性气袋182的顶部设置有安装板183，安装板183上装配有漂浮物取样机构。在弹性气袋182位于河道水位表面后，漂浮物取样机构对河道水位表面上的漂浮物进行取样。需要具体说明的，在弹性气袋182和柔性袋体内部充入气体使其上升过程中，并未带动机器人本体100上升，机器人本体100 的下潜深度以及动力大于上升的浮力，从而保证机器人本体100在停留在河道当中任意水位，进行水质检测。

结合图6中所示，漂浮物取样机构包括：固定装配在安装板183上的第二防护壳体190，以及转动连接在第二防护壳体190内部的第二驱动轮191；第二驱动轮191上周向开设有多个第二承载槽192，第二防护壳体190上开设有与任意一个第二承载槽192相配合的第二让位孔。由此可以看出，第二驱动轮191在旋转过程中使采样区域的漂浮物进入第二承载槽192当中，并在第二驱动轮191不断旋转的过程中，将取样的第二承载槽192收纳至第二防护壳体190当中；收纳完成后进行下一区域的水质检测。在本申请中可以看出，在淤泥以及漂浮物取样过程中，进行区分化收集，在水质检测工作完成或多个第一承载槽153或第二承载槽192收满后，遥控机器人本体100到河道边将样品取出，针对不同区域的取样标记，例如在多个第一承载槽153 和第二承载槽192上进行标号，从而使对应检测区域内部的淤泥样本和漂浮物样本不产生错乱，均为本领域技术人员公知的技术，在此不做过多赘述。

本发明中，通过机器人本体100位于河道的水中移动，伸缩收卷装置在位于第二设定位置时，使分层检测机构对河道当中不同深度的水层进行检测，同时伸缩收卷装置具备较高的稳定性，抗击河道中水流冲击；同时对河道底部的淤泥以及水中的漂浮物进行取样检测，单次检测区域较大；并在水下机器人移动后再次重复检测，减少人为干预，操作简单便捷，检测数据可靠，并且取样根据区域进行分离，获取精准的水质数据。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，包括：

机器人本体，所述机器人本体上设置有潜水动力系统；

淤泥取样机构，所述淤泥取样机构通过伸缩组件转动连接在所述机器人本体的底部；

分层检测机构，所述机器人本体的顶部连接有可位于在第一设定位置和第二设定位置的伸缩收卷装置，所述分层检测机构间隔设置在所述伸缩收卷装置上；漂浮物取样机构，所述漂浮物取样机构位于所述伸缩收卷装置的顶部，且所述漂浮物取样机构分区域转动取样；

其中，所述伸缩收卷装置上具有柔性形变的气动管道和磁流变液管道，所述气动管道和所述磁流变液管道均位于同一柔性管体上；

所述机器人本体上设置有用于驱动所述伸缩收卷装置由所述第一设定位置向所述第二设定位置方向延伸的供气系统和电磁发生装置；所述供气系统与所述气动管道连通，所述电磁发生装置与所述磁流变液管道电性连接；

所述伸缩收卷装置位于所述第一设定位置时，所述气动管道和所述磁流变液管道均收卷限位于所述机器人本体的顶部；

所述伸缩收卷装置位于所述第二设定位置时，所述气动管道和所述磁流变液管道均与所述机器人本体相互垂直，所述分层检测机构沿所述伸缩收卷装置的高度方向间隔排列检测；

所述水下机器人还包括有控制单元，所述控制单元在所述伸缩收卷装置位于所述第二设定位置时，控制所述电磁发生装置释放磁场使所述磁流变液管道具备支撑力。

2.如权利要求1所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体的底部设置有多个支撑件，每个支撑件上均装配有碗扣式支撑。

3.如权利要求1所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述淤泥取样机构包括：第一防护壳体、转动连接在所述第一防护壳体内部的第一驱动轮；

所述第一驱动轮上周向设置有多个第一承载槽，且所述第一防护壳体上开设有可与任意一个第一承载槽相配合的第一让位孔。

4.如权利要求3所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，任意相邻的两个第一承载槽之间设置有尖形的隔板，且每个所述第一承载槽的内部均密布有多个凹陷。

5.如权利要求1所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述机器人本体上转动连接有收纳轮，所述柔性管体可收卷至所述收纳轮上。

6.如权利要求5所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述收纳轮的轴心装配有回力扭簧。

7.如权利要求5所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述伸缩收卷装置还包括：弹性气袋；

所述弹性气袋设置在所述柔性管体的顶部且与所述气动管道连通。

8.如权利要求7所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述弹性气袋的顶部设置有安装板，所述安装板上装配有所述漂浮物取样机构。

9.如权利要求8所述的用于河道区域水质检测的水下机器人，其特征在于，所述漂浮物取样机构包括：固定装配在所述安装板上的第二防护壳体，以及转动连接在所述第二防护壳体内部的第二驱动轮；其中，

所述第二驱动轮上周向开设有多个第二承载槽，所述第二防护壳体上开设有与任意一个第二承载槽相配合的第二让位孔。