CN116135691A - 一种双模式水下结构清理检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模式水下结构清理检测机器人，涉及海洋工程装备技术领域，解决了常见对导管架等海洋结构物表面的适应能力有限，难以适应小直径大曲率管桩的问题，其技术方案要点是，包括：浮力体；底部夹持装置，其转动式设置于浮力体上，底部夹持器上设有第一底部滑动副；底部夹持动作机构，其数量与底部夹持器相匹配，其固定端设置于浮力体上，其活动端连接于底部夹持器上；本发明通过在能够开合的底部夹持器上设置滑轮副，以通过底部夹持器的开合以对不同直径管桩进行适配，再在此基础上借助滑轮副的滑动属性，以实现本方案能够沿着管桩的外表面流畅的滑动，使本方案具有更广的作业范围。

Description

一种双模式水下结构清理检测机器人

技术领域

本发明涉及海洋工程装备技术领域，特别涉及一种双模式水下结构清理检测机器人。

背景技术

目前大部分海洋工程装备和海上风电水下结构的检测都由潜水员完成，人工作业效率低、风险大，成本较高、作业窗口时间短、作业难度大、易受季节影响。现有的海工装备结构检测ROV多为中大型ROV携带清洗检测工具进行作业，需要配备专用母船，作业成本高。本发明采用一种双模式ROV系统，ROV系统包括浮游ROV、爬壁底盘系统、双机械手系统部分组成，ROV可在平台或运维船上通过普通吊机布放，可实现海工结构物的表面清理和结构检测。

现有技术的主要缺点包括：1、对导管架等海洋结构物表面的适应能力有限，难以适应小直径大曲率管桩；2、越障能力差，难以绕过结构物表面的牺牲阳极等结构附件；3、缺乏有效的吸附方案，爬壁作业机器人多采用磁吸附实现表面定位，容易因为吸附距离变化而失效，例如现有的推力吸附式机器人的移动轮与载体框架固定，灵活性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种双模式水下结构清理检测机器人，本发明通过在能够开合的底部夹持器上设置滑轮副，以通过底部夹持器的开合以对不同直径管桩进行适配，再在此基础上借助滑轮副的滑动属性，以实现本方案能够沿着管桩的外表面流畅的滑动，进而适配海洋中的大部分管桩尺寸，使本方案具有更广的作业范围。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种双模式水下结构清理检测机器人，包括：

浮力体，其能够在水中运动；

底部夹持装置，其转动式设置于浮力体上，其具有至少一对底部夹持器，底部夹持器上设有第一底部滑动副；

底部夹持动作机构，其数量与底部夹持器相匹配，其固定端设置于浮力体上，其活动端连接于底部夹持器上，其能够驱动底部夹持器互相靠近或远离。

具体地，本发明通过在能够开合的底部夹持器上设置滑轮副，以通过底部夹持器的开合以对不同直径管桩进行适配，再在此基础上借助滑轮副的滑动属性，以实现本方案能够沿着管桩的外表面流畅的滑动，进而适配海洋中的大部分管桩尺寸，使本方案具有更广的作业范围。

其次，由于本方案能够借助底部夹持器的开合以及浮力体的动力，既能够实现在管桩外表面的夹持，以取代传统磁性吸附的夹持方式，以能够轻易地绕过管桩表面的障碍物，进而提高水下机器人的越障能力。

第一底部滑动副采用轻质结构，使本方案能够通过采用轻量化设计，以安装在小型运维船上，由普通吊机完成布放和回收作业，有效降低水下清理检测对作业支持母船的性能需求，进而降低水下清理检测的成本。

相比现有发明内容采用底部磁吸附式水下双模式机器人，所设计的浮游爬壁双模式水下清理检测机器人通过具有艏部夹持器和底部夹持器的轻量化底盘系统实现横梁、立柱和倾斜支柱的吸附锁定，不需要具备大倾角调整能力，具有更强的作业稳定性。

在一些具体实施方式中，第一底部滑动副包括：

第一底部延伸架体，其可装拆式设置于浮力体上；

第一底部滑轮，其转动式设置于第一底部延伸架体上。

由此，本方案提供了一种第一底部滑动副的具体结构构造，优选地，第一底部滑轮采用轻质滑轮，以进一步实现本方案的轻量化结构构造。

在一些具体实施方式中，第一底部延伸架体包括依次连接的第一连接部、第二连接部、第三连接部，第一连接部开设有与底部夹持器相匹配的第一开口，第二连接部使第一连接部与第三连接部之间形成第一间距；第一底部滑轮位于第三连接部上。

由此，本方案提供了一种第一底部延伸架体的具体结构构造，第一开口能够方便第一连接部与底部夹持器之间形成夹持，然后采用紧固件螺纹穿设于第一连接部和底部夹持器上，使两者形成可装拆式连接，第一间距能够方便紧固件上的螺母进行安装。

在一些具体实施方式中，包括第二底部滚轮副，其数量至少为一个且可装拆式设置于浮力体上，其滚动方向与第一底部滑动副相同。

由此，第二底部滚轮副能够进行辅助导向滑行，以进一步提高本方案在管桩外表面的滑动流畅度。

在一些具体实施方式中，包括：

艏部夹持装置，其与底部夹持装置的轴向相垂直，其转动式设置于浮力体上，其具有至少一对艏部夹持器，艏部夹持器上设有第一艏部滑动副；

艏部夹持动作机构，其数量与艏部夹持器相匹配，其固定端设置于浮力体上，其活动端连接于艏部夹持器上，其能够驱动艏部夹持器互相靠近或远离。

由此，艏部夹持装置和艏部夹持动作机构位于底部夹持装置和底部夹持动作机构的另一个方向上，因此本方案具有在两个不同方向上的可移动范围，相对于现有传统的磁吸水下机器人，本方案通过具有艏部夹持器和底部夹持器的轻量化底盘系统实现管桩（例如横梁、立柱和倾斜支柱）的吸附锁定，本方案不需要具备大倾角调整能力，且具有更强的作业稳定性。

在一些具体实施方式中，所述浮力体包括：

结构框架，其能够在水中运动；

主框架，其嵌入式于所述结构框架内，所述底部夹持装置、所述底部夹持动作机构、所述艏部夹持装置、所述艏部夹持动作机构位于所述主框架上；

浮力块，其嵌入式设置于所述结构框架内。

由此，本方案提供了一种浮力体的具体结构构造，优选地，主框架采用轻量化的结构材质。

在一些具体实施方式中，所述主框架包括：

艏部框架，其嵌入式插接于所述主框架的前部，所述艏部夹持装置、所述艏部夹持动作机构位于所述艏部框架上；

底盘框架，其与所述艏部框架连接且相垂直，所述底部夹持装置、所述底部夹持动作机构位于所述底盘框架上；

所述浮力体夹持于所述底盘框架与所述结构框架之间。由此，本方案具体提供了一种能够适配位于两个不同滑动方向的框架结构，其能够使底部夹持装置、艏部夹持装置同时位于两个不同的滑动方向。

在一些具体实施方式中，所述艏部框架具有嵌入架体，所述结构框架开设有与所述嵌入架体相匹配的嵌入凹槽，所述嵌入架体插接于所述嵌入凹槽内。

由此，本方案提供了一种艏部框架嵌入式插接于结构框架的具体实施方式，本方案的轻量化底盘系统通过轻量化的底盘框架的艏部与结构框架的艏部配合，艏部框架能够准确地插入结构框架中，并通过螺栓完成连接固定，以构成一种双模式水下结构清理检测机器人的轻量化底盘系统。

在一些具体实施方式中，包括第二艏部滚轮副，其数量至少为一个且可装拆式设置于浮力体上，其滚动方向与第一艏部滑动副相同。

由此，第二艏部滚轮副能够进行辅助导向滑行，以进一步提高本方案在管桩外表面的滑动流畅度。

在一些具体实施方式中，底部夹持装置包括第一夹持连接件，底部夹持器数量至少为四个，位于同一侧的底部夹持器通过第一夹持连接件连接成一体。

由此，第一夹持连接件能够使位于同一侧的底部夹持器在张合动作过程中保持一致，以及增加同一侧底部夹持器的结构刚性。

在一些具体实施方式中，浮力体包括设置于主框架上的推进器，推进器能够沿着垂向或水平方向运动，主框架上设有机械手、变压器舱、控制舱、传感器组件。

由此，其中主框架为本方案在水中的浮游和沿着管桩进行爬壁运动的主要载体，其次，机械手通过法兰和螺栓固定在浮力体的艏部，工作人员可通过遥控操作机械手以分别实现清理和检测功能。浮力体包括为一种双模式水下结构清理检测机器人提供浮力的上部浮力材料和底部浮力材料，通过上部浮力材料和底部浮力材料可适当降低一种双模式水下结构清理检测机器人的浮心高度，为机器人提供更高的灵活性。传感器组件、控制舱和变压器舱通过主框架上的结构件进行固定，安装有一种双模式水下结构清理检测机器人动力和控制系统，在变压器舱处通过脐带缆接收动力和控制信号，并回传作业观测数据。因此，在本方案轻量化底盘系统的情况下，一种双模式水下结构清理检测机器人仍可以作为常规遥控水下机器人完成浮游航行和观测任务。

综上，本发明通过在能够开合的底部夹持器上设置滑轮副，以通过底部夹持器的开合以对不同直径管桩进行适配，再在此基础上借助滑轮副的滑动属性，以实现本方案能够沿着管桩的外表面流畅的滑动，进而适配海洋中的大部分管桩尺寸，使本方案具有更广的作业范围。

附图说明

图1是一种双模式水下结构清理检测机器人在竖向布置的管桩上移动的位置关系示意图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是图3中B处的放大图；

图5是本发明的另一视角的结构示意图；

图6是本发明中第一底部滑动副的结构示意图；

图7是本发明中主框架的结构示意图；

图8是一种双模式水下结构清理检测机器人在横向布置的管桩上移动的位置关系示意图；

图9是图8中C处的放大图。

附图标记：1、浮力体；10、结构框架；10a、嵌入凹槽；11、主框架；111、艏部框架；111a、嵌入架体；112、底盘框架；12、浮力块；121、上部浮力材料；122、底部浮力材料；2、底部夹持装置；21、底部夹持器；22、第一底部滑动副；221、第一底部延伸架体；221a、第一连接部；221b、第二连接部；221c、第三连接部；221d、第一开口；222、第一底部滑轮；23、第二底部滚轮副；24、第一夹持连接件；3、底部夹持动作机构；4、艏部夹持装置；41、艏部夹持器；42、第一艏部滑动副；43、第二艏部滚轮副；5、艏部夹持动作机构；6、管桩；71、机械手；72、控制舱；73、推进器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种双模式水下结构清理检测机器人，如图1至图9所示，一种双模式水下结构清理检测机器人包括：浮力体1、底部夹持装置2、底部夹持动作机构3、艏部夹持装置4、艏部夹持动作机构5，具体如下：

浮力体1，其能够在水中运动；

底部夹持装置2，其转动式设置于浮力体1上，其具有至少一对底部夹持器21，底部夹持器21上设有第一底部滑动副22；底部夹持装置2包括第一夹持连接件24，底部夹持器21数量至少为四个，位于同一侧的底部夹持器21通过第一夹持连接件24连接成一体。第一夹持连接件24能够使位于同一侧的底部夹持器21在张合动作过程中保持一致，以及增加同一侧底部夹持器21的结构刚性。

底部夹持动作机构3，其数量与底部夹持器21相匹配，其固定端设置于浮力体1上，其活动端连接于底部夹持器21上，其能够驱动底部夹持器21互相靠近或远离。

第一底部滑动副22采用轻质结构，使本方案能够通过采用轻量化设计，以安装在小型运维船上，由普通吊机完成布放和回收作业，有效降低水下清理检测对作业支持母船的性能需求，进而降低水下清理检测的成本。

如图3所示，第一底部滑动副22包括：第一底部延伸架体221、第一底部滑轮222，具体地：

第一底部延伸架体221，其可装拆式设置于浮力体1上；

第一底部滑轮222，其转动式设置于第一底部延伸架体221上。

本方案提供了一种第一底部滑动副22的具体结构构造，优选地，第一底部滑轮222采用轻质滑轮，以进一步实现本方案的轻量化结构构造。

如图6所示，第一底部延伸架体221包括依次连接的第一连接部221a、第二连接部221b、第三连接部221c，第一连接部221a开设有与底部夹持器21相匹配的第一开口221d，第二连接部221b使第一连接部221a与第三连接部221c之间形成第一间距；第一底部滑轮222位于第三连接部221c上。

本方案提供了一种第一底部延伸架体221的具体结构构造，第一开口221d能够方便第一连接部221a与底部夹持器21之间形成夹持，然后采用紧固件螺纹穿设于第一连接部221a和底部夹持器21上，使两者形成可装拆式连接，第一间距能够方便紧固件上的螺母进行安装。

包括第二底部滚轮副23，其数量至少为一个且可装拆式设置于浮力体1上，其滚动方向与第一底部滑动副22相同。

第二底部滚轮副23能够进行辅助导向滑行，以进一步提高本方案在管桩6外表面的滑动流畅度。

如图4所示，艏部夹持装置4，其与底部夹持装置2的轴向相垂直，其转动式设置于浮力体1上，其具有至少一对艏部夹持器41，艏部夹持器41上设有第一艏部滑动副42；在本实施例中，第一艏部滑动副42的结构与第一底部滑轮222副相同。

艏部夹持动作机构5，其数量与艏部夹持器41相匹配，其固定端设置于浮力体1上，其活动端连接于艏部夹持器41上，其能够驱动艏部夹持器41互相靠近或远离。

艏部夹持装置4和艏部夹持动作机构5位于底部夹持装置2和底部夹持动作机构3的另一个方向上，因此本方案具有在两个不同方向上的可移动范围，相对于现有传统的磁吸水下机器人，本方案通过具有艏部夹持器41和底部夹持器21的轻量化底盘系统实现管桩6（例如横梁、立柱和倾斜支柱）的吸附锁定，本方案不需要具备大倾角调整能力，且具有更强的作业稳定性。

优选地，浮力体1包括：结构框架10、主框架11，具体如下：

结构框架10，其能够在水中运动；

主框架11，其嵌入式于结构框架10内，底部夹持装置2、底部夹持动作机构3、艏部夹持装置4、艏部夹持动作机构5位于主框架11上；

浮力块12，其嵌入式设置于结构框架10内。

由此，本方案提供了一种浮力体1的具体结构构造，优选地，主框架11采用轻量化的结构材质。

主框架11包括：艏部框架111、底盘框架112，具体如下：

艏部框架111，其嵌入式插接于主框架11的前部，艏部夹持装置4、艏部夹持动作机构5位于艏部框架111上；

底盘框架112，其与艏部框架111连接且相垂直，底部夹持装置2、底部夹持动作机构3位于底盘框架112上；

浮力块12夹持于底盘框架112与结构框架10之间。由此，本方案具体提供了一种能够适配位于两个不同滑动方向的框架结构，其能够使底部夹持装置2、艏部夹持装置4同时位于两个不同的滑动方向。

如图7所示，艏部框架111具有嵌入架体111a，结构框架10开设有与嵌入架体111a相匹配的嵌入凹槽10a，嵌入架体111a插接于嵌入凹槽10a内。由此，本方案提供了一种艏部框架111嵌入式插接于结构框架10的具体实施方式，本方案的轻量化底盘系统通过轻量化的底盘框架112的艏部与结构框架10的艏部配合，艏部框架111能够准确地插入结构框架10中，并通过螺栓完成连接固定，以构成一种双模式水下结构清理检测机器人的轻量化底盘系统。

在本实施例中包括第二艏部滚轮副43，其数量至少为一个且可装拆式设置于浮力体1上，其滚动方向与第一艏部滑动副42相同。具体地，本实施例的第二艏部滚轮副43为两个且分别位于主框架11的艏部和尾部。第二艏部滚轮副43能够进行辅助导向滑行，以进一步提高本方案在管桩6外表面的滑动流畅度。

浮力体1包括设置于主框架11上的推进器73，推进器73能够沿着垂向或水平方向运动，主框架11上设有机械手71、变压器舱、控制舱72、传感器组件。

其中主框架11为本方案在水中的浮游和沿着管桩6进行爬壁运动的主要载体，其次，机械手71通过法兰和螺栓固定在浮力体1的艏部，工作人员可通过遥控操作机械手71以分别实现清理和检测功能。浮力体1包括为一种双模式水下结构清理检测机器人提供浮力的上部浮力材料121和底部浮力材料122，通过上部浮力材料121和底部浮力材料122可适当降低一种双模式水下结构清理检测机器人的浮心高度，为机器人提供更高的灵活性。传感器组件、控制舱72和变压器舱通过主框架11上的结构件进行固定，安装有一种双模式水下结构清理检测机器人动力和控制系统，在变压器舱处通过脐带缆接收动力和控制信号，并回传作业观测数据。因此，在本方案轻量化底盘系统的情况下，一种双模式水下结构清理检测机器人仍可以作为常规遥控水下机器人完成浮游航行和观测任务。

在本实施例中，底部夹持动作机构3和艏部夹持动作机构5均为直线伸缩装置，优选为直线伸缩气缸。

具体作业模式：

第一种模式，如图8和图9所示，当需要沿着水平布置的管桩6运动时，控制底部夹持动作机构3的伸缩量，使两个底部夹持器21互相远离以调节底部夹持装置2的开合度，直至两个第一底部滑轮222与管桩6的外侧壁相匹配贴合，由于第二底部滚轮副23亦抵接于管桩6的外侧壁，此时两个第一底部滑动副22、第二底部滚轮副23三者形成三点接触；然后借助浮力体1中的推进器73的水平方向动力可使得本方案压紧贴合于管桩6的外侧壁，同理借助浮力体1中推进器73的竖直方向动力时，可使得本方案整体能够沿着管桩6的外侧壁前进，此时可与机械手71相配合以完成清理或维修动作。

第二种模式，如图1和图2所示，当需要沿着竖直布置的管桩6运动时，控制艏部夹持动作机构5的伸缩量，使两个艏部夹持器41互相远离以调节艏部夹持装置4的开合度，直至两个第一艏部滑动副42与管桩6的外侧壁相匹配贴合，由于第二艏部滚轮副43亦抵接于管桩6的外侧壁，此时两个第一艏部滑动副42、第二艏部滚轮副43三者形成三点接触；然后借助浮力体1中的推进器73的竖直方向动力可使得本方案压紧贴合于管桩6的外侧壁，同理借助浮力体1中推进器73的竖直方向动力时，可使得本方案整体能够沿着管桩6的外侧壁前进，此时可与机械手71相配合以完成清理或维修动作。

有益效果：

一种双模式水下结构清理检测机器人通过调节底部夹持装置2中的同一对底部夹持器21、艏部夹持装置4中的同一对艏部夹持器41的开合度，以适应海洋结构物中不同直径的管桩6表面。

相比现有发明内容采用底部磁吸附式水下双模式机器人，所设计的浮游爬壁双模式水下清理检测机器人通过具有艏部夹持器41和底部夹持器21的轻量化底盘系统实现对管桩6（例如横梁、立柱和倾斜支柱）的吸附锁定，不需要具备大倾角调整能力，具有更强的作业稳定性。

本发明通过在能够开合的底部夹持器21上设置滑轮副，以通过底部夹持器21的开合以对不同直径管桩6进行适配，再在此基础上借助滑轮副的滑动属性，以实现本方案能够沿着管桩6的外表面流畅的滑动，进而适配海洋中的大部分管桩6尺寸，使本方案具有更广的作业范围。由于本方案能够借助底部夹持器21的开合以及浮力体1的动力，既能够实现在管桩6外表面的夹持，以取代传统磁性吸附的夹持方式，以能够轻易地绕过管桩6表面的障碍物，进而提高水下机器人的越障能力。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，包括：

浮力体，其能够在水运动；

底部夹持装置，其转动式设置于所述浮力体上，其具有至少一对底部夹持器，所述底部夹持器上设有第一底部滑动副；

底部夹持动作机构，其数量与所述底部夹持器相匹配，其固定端设置于所述浮力体上，其活动端连接于所述底部夹持器上，其能够驱动所述底部夹持器互相靠近或远离；

还包括：

艏部夹持装置，其与所述底部夹持装置的轴向相垂直，其转动式设置于所述浮力体上，其具有至少一对艏部夹持器，所述艏部夹持器上设有第一艏部滑动副；

艏部夹持动作机构，其数量与所述艏部夹持器相匹配，其固定端设置于所述浮力体上，其活动端连接于所述艏部夹持器上，其能够驱动所述艏部夹持器互相靠近或远离；

所述第一底部滑动副包括：

第一底部延伸架体，其可装拆式设置于所述浮力体上；

第一底部滑轮，其转动式设置于所述第一底部延伸架体上。

2.根据权利要求1所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，所述第一底部延伸架体包括依次连接的第一连接部、第二连接部、第三连接部，所述第一连接部开设有与所述底部夹持器相匹配的第一开口，所述第二连接部使所述第一连接部与所述第三连接部之间形成第一间距；所述第一底部滑轮位于所述第三连接部上。

3.根据权利要求1所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，包括第二底部滚轮副，其数量至少为一个且可装拆式设置于所述浮力体上，其滚动方向与所述第一底部滑动副相同。

4.根据权利要求1所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，所述浮力体包括：

结构框架，其能够在水中运动；

主框架，其嵌入式于所述结构框架内，所述底部夹持装置、所述底部夹持动作机构、所述艏部夹持装置、所述艏部夹持动作机构位于所述主框架上；

浮力块，其嵌入式设置于所述结构框架内。

5.根据权利要求4所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，所述主框架包括：

艏部框架，其嵌入式插接于所述主框架的前部，所述艏部夹持装置、所述艏部夹持动作机构位于所述艏部框架上；

底盘框架，其与所述艏部框架连接且相垂直，所述底部夹持装置、所述底部夹持动作机构位于所述底盘框架上；

所述浮力块夹持于所述底盘框架与所述结构框架之间。

6.根据权利要求5所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，所述艏部框架具有嵌入架体，所述结构框架开设有与所述嵌入架体相匹配的嵌入凹槽，所述嵌入架体插接于所述嵌入凹槽内。

7.根据权利要求4所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，包括第二艏部滚轮副，其数量至少为一个且可装拆式设置于所述浮力体上，其滚动方向与所述第一艏部滑动副相同。

8.根据权利要求1所述的一种双模式水下结构清理检测机器人，其特征在于，所述底部夹持装置包括第一夹持连接件，所述底部夹持器数量至少为四个，位于同一侧的所述底部夹持器通过所述第一夹持连接件连接成一体。

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