CN117465636A - 一种水下结构物表面缺陷检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，公开了一种水下结构物表面缺陷检测机器人，包括壳体、所述壳体底部以及侧边共形设计且贴合于对应壳体内壁的骨架、浮标、止荡装置以及自脱钩装置；所述止荡装置包括设置于浮标下部的上止荡机构和设置于机器人顶部的止荡底座，所述上止荡机构与止荡底座为匹配设置；所述自脱钩装置包括相互匹配设置的活动部和固定部，所述固定部在浮力作用下松开活动部，使得活动部与固定部分离，在没有浮力的情况下，固定部能够锁紧活动部。本发明的有益效果为提供了一种适应水下多种坝面工况的高稳性、仿生流线构型缺陷检测机器人，能够抗流抗扰，实现缺陷的精细化检测。

Description

一种水下结构物表面缺陷检测机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，涉及一种水下结构物表面缺陷检测机器人，具体涉及一种适应水下多工况的高稳性仿生构型缺陷检测机器人。

背景技术

水工建筑物由于长期受环境侵蚀、材料老化和载荷的长期作用，存在空蚀、冲蚀、溶蚀、冻融等病害，导致结构损伤积累和抗力衰减，可能引发灾难性的后果。各种缺陷往往始发或显露于结构表面，其中最严重的是裂缝问题，比如大坝的裂缝是大坝出现结构性危险的明显信号。因此，大坝检测作为发现和查明大坝病害与隐患的重要手段，也是评价大坝安全性态和补强加固处理的关键依据。

水电站水下作业环境具有工作深度大、缺陷分布广、检修时间长、乱流紊流复杂、水体能见度差等显著特点，潜水员探查的风险高、效率低、覆盖面小、手段有限。水下机器人逐渐从海洋环境探测领域转移到水工检测领域。当前国内外已研制出多款面向船体检测的水下机器人，但面向大坝工作的水下检测机器人较少。工程实践表明，大坝水下检测工作中有复杂流速流态干扰、复杂结构定位辨识、水下漂浮物缠绕、浮泥扰动和季节性浑水、特殊狭小空间以及多工况稳定切换等问题亟待解决。

因此，需要一种轻量化、高稳性、适应水下多工况的缺陷检测水下机器人。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种适应水下多工况的高稳性仿生构型缺陷检测机器人，能够抗流抗扰，实现缺陷的精细化检测。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水下结构物表面缺陷检测机器人，所述机器人为正浮力设置，包括壳体、所述壳体底部以及侧边共形设计且贴合于对应壳体内壁的骨架、浮标、止荡装置以及自脱钩装置；所述止荡装置包括设置于浮标下部的上止荡机构和设置于机器人顶部的止荡底座，所述上止荡机构与止荡底座为匹配设置；所述自脱钩装置包括相互匹配设置的活动部和固定部，所述固定部在浮力作用下松开活动部，使得活动部与固定部分离，在没有浮力的情况下，固定部能够锁紧活动部；在布放和回收机器人的过程中，所述固定部的上部与一端固定在岸站且用于布放和回收机器人的承重钢索的另一端连接，所述活动部的下部与设置于机器人的顶部的挂架固定连接；在布放成功后，所述自脱钩装置的固定部通过承重钢索被岸站收回；回收时，所述固定部顺着脐带缆进入浮标内与活动部对接后组合成整个自脱钩装置。

进一步地，本发明的自脱钩装置为中国专利申请CN109733985A公开的一种水下机器人自动上、解锁的吊放锁扣装置及操作方法中的锁扣装置，具体为：所述自脱钩装置的固定部套装于活动部的外部，所述活动部为吊放头，吊放头中心设置为通孔，用于供脐带缆穿过，吊放头下部与机器人固定连接，当到达布放点时，吊放头自固定部脱离而向下与机器人一起向水底运行。所述自脱钩装置的固定部包括设置于上部并与承重钢索连接的挂环、设置于挂环下部的浮力圈，设置于浮力圈下部的吊架，设置于吊架与浮力圈之间的固定卡爪，固定卡爪的设计和原理与中国专利申请CN109733985A一致，不再赘述。

进一步地，本发明的自脱钩装置在中国专利申请CN109733985A的基础上进行了一点改进，具体为：所述固定部的侧边设置有吊架开槽板和卡扣，所述吊架开槽板的设置作为将脐带缆自固定部内取出和将脐带缆放入固定部内的出入口，所述卡扣用于将吊架开槽板固定于固定部上。

自脱钩装置的固定卡爪与浮力圈相连接，未入水时浮力圈自然下压，固定卡爪向内部伸出，与安放在吊架内部的吊放头的上部卡死，从而将吊放头与吊架固定连接。当机器人逐渐入水时，自脱钩装置上的浮力圈逐渐上浮，带动固定卡爪向外移动，至完全入水时，固定卡爪与吊放头分离，完成机器人的释放。

止荡底座嵌入机器人顶部的浮力块中，根部以螺栓固定。在吊放机器人出入水时，仅靠吊架与挂架的接触会发生摇摆晃动，对机器人的设备产生不利影响，故而，通过本发明的止荡底座与浮标上的上止荡机构匹配，减少自身晃荡，提高设备的安全性能。

进一步地，所述浮标用于辅助水下机器人的布放、回收以及定位和对水面进行监测，包括浮标本体和浮球，浮标本体为U型开口结构，U型开口结构的底部设置有与浮球外形结构相匹配的夹持槽，夹持槽的上设置有限制部，限制部用于防止浮球向上或向下运动而脱离浮球本体，但浮球在浮标本体内能够前后移动，即自U型开口处进出浮球本体内；浮球本体通过缆绳与浮球连接；浮球中心为通孔结构，通孔内设置有容纳自脱钩装置的容纳腔，通孔还用于供岸站与水下机器人连接的脐带缆穿过。

进一步地，本发明的机器人还包括设置于壳体外部的探测模块、设置于机器人面部的作业模块、应急自救模块以及设置壳体内的动力模块和电控模块；所述探测模块、作业模块、动力模块以及应急自救模块分别与电控模块通信连接，所述电控模块还通过脐带缆与水面岸站通信连接；所述探测模块包括声学探测设备和光学探测设备，用于探测水下环境和水下结构物表面情况；所述作业模块包括机械手，用于开展作业；所述动力模块包括推进器，用于实现机器人的运动；所述应急自救模块包括应急上浮装置、应急抛载装置以及应急自救控制罐，用于当机器人在水下发生故障后，机器人依靠应急自救模块能够上浮至水面；所述电控模块包括配电舱、控制舱以及电源舱，用于为机器人的各工作进行供电、配电以及接收其它模块传输过来的数据、将接收到的数据传输至水面岸站，接收水面岸站的指令并控制其它模块的运作。

进一步地，所述骨架包括若干层水平设置的横骨架和竖向设置的纵骨架。

所述横骨架包括自下而上依次设置的电控层横骨架、第一动力层横骨架、第二动力层横骨架以及探测层横骨架；所述纵骨架包括设置于机器人背部的背部纵骨架、设置于机器人侧边的侧方纵骨架以及设置于机器人面部的面部纵骨架。

进一步地，所述每层横骨架为以一定宽度的型材十字形交叉布置，所述纵骨架有5根，一根背部纵骨架、两根对称设置的侧方纵骨架以及两根镜像设置的面部纵骨架。优选地，所述骨架的型材为工字钢和T字形钛合金型材。

进一步地，所述壳体内壁与骨架采用螺纹方式固定连接。

进一步地，还包括浮力块，所述浮力块设置于机器人的顶部。

再进一步地，所述浮力块设置于探测层横骨架上部，浮力块的下部与壳体上部对接，浮力块与壳体共形设置。所述浮力块内部根据设备布置、浮力分配等因素进行不规则设计，确保浮心处于正中位置。

进一步地，所述机器人的外型为仿生流线型的构型，比如海马，一种在海洋中保持竖直形态移动与保持良好稳性的生物，其流线构型为所述机器人构型的参考构型。优选地，所述壳体为钛合金壳体。

进一步地，所述声学探测设备包括设置于机器人顶部的USBL信标和上扫声呐、设置于机器人侧边的侧扫声纳以及设置于机器人面部的前视多波束声纳和深度计；所述浮标上设置有超短基线定位系统，所述USBL信标与超短基线定位系统形成水声定位基阵，用于探测机器人相对浮标的距离和方位以及浮标本身的位置，进而得到机器人的位置；所述上扫声呐、侧扫声纳以及前视多波束声纳分别用于机器人工作面上部环境、侧面环境、以及工作面中下部分环境探测；所述深度计用于监测机器人所处水下位置深度；所述USBL信标、上扫声呐、侧扫声纳、前视多波束声纳以及深度计分别与控制舱通信连接，用于将探测的数据发送至控制舱。

进一步地，所述机器人背部还设置有高度计，所述高度计与控制舱通信连接，用于测量机器人与水下建筑物等固体之间的距离，使水下机器人处于安全距离从而对其起到保护作用。

进一步地，所述光学探测设备包括设置于机器人顶部的激光扫描仪、若干设置于机器人背部和面部的云台摄像头以及若干设置于机器人上部和下部的LED灯；所述激光扫描仪用于快速获取水下物体表面的可视化三维数据，实现水下3D成像；所述云台摄像头用于拍摄水下环境和待测物；所述LED灯用于为机器人提供照明；所述激光扫描仪、云台摄像头、LED灯分别与电源舱连接；所述激光扫描仪和云台摄像头分别于控制舱通信连接，用于将采集的数据发送至控制舱。

进一步地，所述云台摄像头上套设有防水设置的玻璃罩，云台摄像头固定于玻璃罩内部，在机器人贴近坝面近距离检测时，玻璃罩可以起到排开水体的作用，可有效降低浑水环境下可视程度低的问题。

优选地，所述云台摄像头有4个，在机器人面部和背部的上下各布置一个云台摄像头。

进一步地，所述推进器包括水平推进器、垂直推进器以及侧面推进器；所述水平推进器设置于机器人中部，用于实现机器人水平方向的运动，所述垂直推进器设置于机器人两侧，用于实现机器人垂直方向的运动，所述侧面推进器设置于机器人上部的两侧，用于实现机器人低抖动频率下水平方向的运动。

进一步地，所述侧面推进器包括相互垂直设置的第一侧面推进器和第二侧面推进器，所述第一侧面推进器用于实现机器人水平纵向的姿态调整，所述第二侧面推进器用于实现机器人水平横向的姿态调整。

进一步地，所述侧面推进器为微推，相较于水平推进器和垂直推进器这2种主推进器，其微推尺寸更小，工作时扰动更小，用于作业时轻微调节机器人运动方向，给予机器人较小转向力，实现机器人姿态调整，维持机器人作业时的稳定性。本发明的侧面推进器的使用工况如下：机器人面向大坝面开展作业时，关闭水平主推进器，通过吸附器使机器人固定在坝面上，启动微推以抵抗近坝面水下扰流，辅助调节机器人运动方向，实现机器人姿态调整，减小运动扰动，维持机器人作业时的稳定性。

进一步地，所述水平推进器有4个，呈矢量布置；所述垂直推进器有2个，分别设置垂直布置与机器人的两侧。

进一步地，所述垂直推进器的周边设置有垂推保护罩，所述垂推保护罩固定设置于壳体上，用于保护垂直推进器。

进一步地，所述水平推进器通过抱箍固定于骨架上，采用螺栓连接。

进一步地，所述机械手包括一端与骨架连接的大臂和与大臂另一端连接的小臂，所述机械手有2只，对称设置于机器人的面部，所述壳体上设置有两个槽道，所述机械手的大臂在非工作状态时能够收进入壳体的槽道内，机械手的小臂与壳体共形。

进一步地，所述机械手的大臂固定设置于电控层横骨架，所述机械手在开展作业时，最大伸长可达750mm。

进一步地，所述电控模块设置于机器人的下部，这样能够显著提高机器人的稳心高度；所述配电舱用于根据各模块的供电需求进行配电；所述电源舱用于配电舱的配电方案为各模块供电；所述控制舱用于接收各模块传输过来的数据、将接收到的数据传输至水面岸站以及接收水面岸站的指令来控制其它模块的运作。

进一步地，所述电控模块还包括驱动罐，所述驱动罐用于放置控制各推进器与机械手的电机运行的驱动控制器；所述驱动控制器与推进器和机械手的电机以及控制舱通信连接，用于接收机器人的控制舱发出的指令信号，传输并实现各驱动设备的运行。所述驱动设备包括水平推进器、垂直推进器、侧面推进器以及机械手。

进一步地，当机器人在进行坝体检测作业时，受到水下复杂环境的影响，可能会导致水下机器人出现缠绕、断缆、供电及通讯异常等故障时，所述应急上浮装置设置于机器人的顶部，包括应急浮标和第一释放机构，用于当机器人发生故障后，通过释放应急浮标脱离机器人本体，迅速上浮至水面，引导工作人员发现并搜寻到机器人；所述应急抛载装置设置于机器人下部，包括压载和第二释放机构，用于当机器人发生故障后，能够自动完成压载的丢弃，使得机器人能够依靠自身的浮力上浮至水面进行他救； 所述应急自救控制罐包括控制器，此控制器分别与应急上浮装置和应急抛载装置通信连接，用于接收控制舱传输来的主动指令或者供配电信息、通信连接信号、深度数据，并判断机器人是否存在供电中断、通信信号中断、长时间延迟、超出最大压力以及最大深度的异常情况，根据异常情况作出应急决策，并将应急决策对应的动作指令传输至应急上浮装置和或应急抛载装置。

所述应急决策为：默认优先将启动应急抛载装置，先释放压载使机器人上浮，若在预设时间内机器人未到达水面后，则启动应急上浮装置，释放应急浮标，工作人员可通过浮标位置与脐带缆完成对机器人的搜救。

进一步地，所述应急浮标设置于应急上浮装置的顶部，通过绳子与第一释放机构连接，所述第一释放机构能够约束绳子和释放绳子，通过释放绳子，使得应急浮标上浮至水面，通过约束绳子，使得应急浮标固定于浮力块的顶部。

进一步地，所述第一释放机构包括释放电机、被所述释放电机驱动转动的齿轮、与所述齿轮啮合传动的齿条、连接杆以及连接环；所述连接杆的一端与齿条固定连接，另一端为自由端，连接杆与连接环为匹配设置，连接杆的自由端串有连接环，所述连接环上缠有与应急浮标连接的绳子。当应急上浮装置收到释放应急浮标的指令时，释放电机启动，齿轮的转动带动齿条水平移动，例如齿条水平向右移动，带动连接杆水平向右移动，串在连接杆左端的连接环与连接杆分离，与连接杆断开连接的连接环在应急上浮装置内处于自由状态，由于应急浮标的浮力作用与绳子的牵引力，缠在连接环上的绳子获得自由释放，最终应急浮标上浮至水面。

进一步地，所述压载预设为铅砂或铁砂等颗粒物，存储于第二释放机构中，第二释放机构底部设有释放孔，以齿轮啮合方式驱动其底部释放孔开合，使压载通过释放孔完成抛载。采用铁砂或铅砂作为压载，当被抛弃后，不会在水底对大坝建筑物造成次生影响。

进一步地，针对大型水电站水下坝体抵近观察检测的任务需求，设计具有吸附功能的智能子机，还包括设置于机器人底部的子机模块，所述子机模块与电控模块通信连接，所述子机模块包括绞车和与绞车通过缆绳连接的AUV子机，所述绞车设置于骨架上，用于对AUV子机进行收放，所述AUV子机作为机器人的子机，工作时，浮游远离机器人，与机器人形成子母机的工作模式，实现复杂水下环境水下机器人多机协同作业。

进一步地，所述AUV子机包括子机框架，设置于子机框架上的子机壳体、设置于前部的云台摄像头和吸附器、设置于后部的2个子机水平推进器、设置于子机框架内的子机侧向推进器以及设置于子机壳体顶部的子机垂直推进器、设置于子机壳体上顶部的水密连接器以及子机设备箱，所述子机设备箱用于子机电控设备的存放；所述吸附器用于吸附在窄小凹槽壁面上，便于AUV子机近距离检测。

再进一步地，所述AUV子机上的云台摄像头上套设有子机玻璃罩，与机器人上的玻璃罩作用一致。

进一步地，本发明还包括轮式壁面爬行机构，轮式壁面爬行机构为与机器人的外形相匹配的框架结构，其底部、前侧以及底部与前侧的连接面皆设置有轮子；使用时，机器人放置于轮式壁面爬行机构内。

本发明的检测机器人提出了AB面的工作模式， AB面分别为机器人正面与背面，两面都为工作面，A面较窄，该面在距离坝面一定距离时进行前进、上下运动的阻力较小，检测范围大、机动性强，对坝面开展初检时使用A面工作；B面较钝，该面在近距离靠近坝面时具有更好的结构兼容性，方便机械手近距离作业，对坝面开展精检时使用B面工作。

与现有技术相比，本发明提供了一种水下结构物表面缺陷检测机器人，具备以下有益效果：

（1）本发明的检测机器人主要针对大型水电站水下坝体水平面、直立面和斜坡面等多种工况和复杂特殊空间检测要求，提出了一种轻量化、高稳性、适应水下多工况的缺陷检测水下机器人，能够抗流抗扰，实现缺陷的精细化检测。

（2）本发明的检测机器人提出了AB面的工作模式，实现机器人检测效率的有效提升。

（3）本发明的检测机器人采用可重构并联矢量推进机构，完善水动力布局，优化机器人水动力性能、推进动力及多自由度抗流能力，还具备全姿态六自由度的有效推力以及低功耗、低自重的优点；另，采用主推微推结合推进方式，在稳定机器人本体的同时还可以保证尽可能的减小水流扰动，减轻沉底淤泥的浮扬情况，搭配包裹云台摄像头的有机玻璃罩设计，有效增加水下可视能力，实现浑水条件下的精细检测。

（4）本发明的检测机器人采用模块化机械结构的设计，满足现场快速拆装的需求，使机器人具有面向不同类型任务的工作能力；基于各模块所需实现的功能，实现各单元模块的轻量化；优化机械结构布局，提高稳心高度，实现机器人本体的高稳性设计。

（5）本发明的检测机器人设置了具有吸附功能的智能子机，满足了坝体水下近距离观察的需求，“子母式”协同作业模式扩大了机器人水下检测范围，实现水下检测区域全覆盖。

附图说明

图1为本发明检测机器人的立体结构示意图；

图2为本发明检测机器人的右视结构示意图；

图3为本发明检测机器人的后视结构示意图；

图4为本发明检测机器人的前视结构示意图；

图5为本发明检测机器人的俯视结构示意图；

图6为本发明检测机器人的仰视结构示意图；

图7为本发明检测机器人中的自脱钩装置的结构示意图；

图8为本发明检测机器人中AUV子机的结构示意图；

图9为本发明检测机器人的内部透视结构示意图；

图10为本发明检测机器人的骨架结构示意图；

图11为本发明检测机器人的主推矢量布置示意图；

图12为本发明检测机器人的微推布置示意图一；

图13为本发明检测机器人的微推布置示意图二；

图14为本发明检测机器人中轮式壁面爬行机构的结构示意图；

图15为本发明检测机器人中可拆装吸附机构的结构示意图；

图16为本发明的检测机器人与动力浮标的一体吊放的示意图；

图17为本发明的检测机器人与动力浮标的一体化水下检测作业模式图；。

图中附图标记的含义：

1-机器人；2-自脱钩装置；3-激光扫描仪；4-应急上浮装置；5-上扫声呐；6-浮力块；7-USBL信标；8-云台摄像头；9-LED灯；10-垂直推进器；11-骨架；111-电控层横骨架；112-第一动力层横骨架；113-第二动力层横骨架；114-探测层横骨架；115-背部纵骨架；116-侧方纵骨架；117-面部纵骨架；12-壳体；13-高度计；14-侧扫声纳；15-AUV子机；16-止荡底座；17-第一侧面推进器；18-垂推保护罩；19-玻璃罩；20-第二侧面推进器；21-水平推进器；22-支柱；23-机械手；24-前视多波束声纳；25-深度计；26-应急抛载装置；27-挂环；28-吊架开槽板；29-浮力圈；30-固定卡爪；31-吊放头；32-吊架；33-挂架；34-水密连接器；35-子机壳体；36-子机玻璃罩；37-吸附器；38-子机垂直推进器；39-子机框架；40-子机设备箱；41-子机水平推进器；42-子机侧向推进器；43-绞车；44-应急自救控制罐；45-电源舱；46-驱动罐；47-控制舱；100-脐带缆；101-浮标；102-浮球。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，本发明提出的水下结构物表面缺陷检测机器人，机器人1为正浮力设置，包括壳体12、壳体12底部以及侧边共形设计且贴合于对应壳体12内壁的骨架11、浮标101、止荡装置以及自脱钩装置2；止荡装置包括设置于浮标101下部的上止荡机构和设置于机器人1顶部的止荡底座16，上止荡机构与止荡底座16为匹配设置；自脱钩装置2包括相互匹配设置的活动部和固定部，固定部在浮力作用下松开活动部，使得活动部与固定部分离，在没有浮力的情况下，固定部能够锁紧活动部；在布放和回收机器人1的过程中，固定部的上部与一端固定在岸站且用于布放和回收机器人1的承重钢索的另一端连接，活动部的下部与设置于机器人1的顶部的挂架33固定连接；在布放成功后，自脱钩装置2的固定部通过承重钢索被岸站收回；回收时，固定部顺着脐带缆100进入浮标101内与活动部对接后组合成整个自脱钩装置2。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图7所示，本发明的自脱钩装置2为中国专利申请CN109733985A公开的一种水下机器人1自动上、解锁的吊放锁扣装置及操作方法中的锁扣装置，具体为：自脱钩装置2的固定部套装于活动部的外部，活动部为吊放头31，吊放头31中心设置为通孔，用于供脐带缆100穿过，吊放头31下部与机器人1固定连接，当到达布放点时，吊放头31自固定部脱离而向下与机器人1一起向水底运行。自脱钩装置2的固定部包括设置于上部并与承重钢索连接的挂环27、设置于挂环27下部的浮力圈29，设置于浮力圈29下部的吊架32，设置于吊架32与浮力圈29之间的固定卡爪30，固定卡爪30的设计和原理与中国专利申请CN109733985A一致，不再赘述。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图7所示，本发明的自脱钩装置2在中国专利申请CN109733985A的基础上进行了一点改进，具体为：固定部的侧边设置有吊架32开槽板28和卡扣，吊架32开槽板28的设置作为将脐带缆100自固定部内取出和将脐带缆100放入固定部内的出入口，卡扣用于将吊架32开槽板28固定于固定部上。

自脱钩装置2的固定卡爪30与浮力圈29相连接，未入水时浮力圈29自然下压，固定卡爪30向内部伸出，与安放在吊架32内部的吊放头31的上部卡死，从而将吊放头31与吊架32固定连接。当机器人1逐渐入水时，自脱钩装置2上的浮力圈29逐渐上浮，带动固定卡爪30向外移动，至完全入水时，固定卡爪30与吊放头31分离，完成机器人1的释放。

如图2所示，止荡底座16嵌入机器人1顶部的浮力块6中，根部以螺栓固定。在吊放机器人1出入水时，仅靠吊架32与挂架33的接触会发生摇摆晃动，对机器人1的设备产生不利影响，故而，通过本发明的止荡底座16与浮标101上的上止荡机构匹配，减少自身晃荡，提高设备的安全性能。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图16和图17所示，浮标101用于辅助水下机器人1的布放、回收以及定位和对水面进行监测，包括浮标101本体和浮球102，浮标101本体为U型开口结构，U型开口结构的底部设置有与浮球102外形结构相匹配的夹持槽，夹持槽的上设置有限制部，限制部用于防止浮球102向上或向下运动而脱离浮球102本体，但浮球102在浮标101本体内能够前后移动，即自U型开口处进出浮球102本体内；浮球102本体通过缆绳与浮球102连接；浮球102中心为通孔结构，通孔内设置有容纳自脱钩装置2的容纳腔，通孔还用于供岸站与水下机器人1连接的脐带缆100穿过。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图9所示，本发明的机器人1还包括设置于壳体12外部的探测模块、设置于机器人1面部的作业模块、应急自救模块以及设置壳体12内的动力模块和电控模块；探测模块、作业模块、动力模块以及应急自救模块分别与电控模块通信连接，电控模块还通过脐带缆100与水面岸站通信连接；探测模块包括声学探测设备和光学探测设备，用于探测水下环境和水下结构物表面情况；作业模块包括机械手23，用于开展作业；动力模块包括推进器，用于实现机器人1的运动；应急自救模块包括应急上浮装置4、应急抛载装置26以及应急自救控制罐44，用于当机器人1在水下发生故障后，机器人1依靠应急自救模块能够上浮至水面；电控模块包括配电舱、控制舱47以及电源舱45，用于为机器人1的各工作进行供电、配电以及接收其它模块传输过来的数据、将接收到的数据传输至水面岸站，接收水面岸站的指令并控制其它模块的运作。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图10所示，骨架11包括若干层水平设置的横骨架和竖向设置的纵骨架。

横骨架包括自下而上依次设置的电控层横骨架111、第一动力层横骨架112、第二动力层横骨架113以及探测层横骨架114；纵骨架11包括设置于机器人1背部的背部纵骨架115、设置于机器人1侧边的侧方纵骨架116以及设置于机器人1面部的面部纵骨架117。

在本实施例的一种具体实施方式中，每层横骨架为以一定宽度的型材十字形交叉布置，纵骨架有5根，一根背部纵骨架115、两根对称设置的侧方纵骨架116以及两根镜像设置的面部纵骨架117。优选地，骨架11的型材为工字钢和T字形钛合金型材。

在本实施例的一种具体实施方式中，由于第一动力层横骨架112上方放置机器人的主推进器，本发明的机器人还包括支柱22，支柱22有若干根，均布竖向设置于第一动力层横骨架112和第二动力层横骨架113之间，用于提高骨架11的刚度和承载能力。

在本实施例的一种具体实施方式中，壳体12内壁与骨架11采用螺纹方式固定连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，还包括浮力块6，浮力块6设置于机器人1的顶部。

在本实施例的一种具体实施方式中，浮力块6设置于探测层横骨架114上部，浮力块6的下部与壳体12上部对接，浮力块6与壳体12共形设置。浮力块6内部根据设备布置、浮力分配等因素进行不规则设计，确保浮心处于正中位置。

在本实施例的一种具体实施方式中，机器人1的外型为仿生流线型的构型，比如海马，一种在海洋中保持竖直形态移动与保持良好稳性的生物，其流线构型为机器人1构型的参考构型。优选地，壳体12为钛合金壳体12。

在本实施例的一种具体实施方式中，声学探测设备包括设置于机器人1顶部的USBL信标7和上扫声呐5、设置于机器人1侧边的侧扫声纳14以及设置于机器人1面部的前视多波束声纳24和深度计25；浮标101上设置有超短基线定位系统，USBL信标7与超短基线定位系统形成水声定位基阵，用于探测机器人1相对浮标101的距离和方位以及浮标101本身的位置，进而得到机器人1的位置；上扫声呐5、侧扫声纳14以及前视多波束声纳24分别用于机器人1工作面上部环境、侧面环境、以及工作面中下部分环境探测；深度计25用于监测机器人1所处水下位置深度；USBL信标7、上扫声呐5、侧扫声纳14、前视多波束声纳24以及深度计25分别与控制舱47通信连接，用于将探测的数据发送至控制舱47。

在本实施例的一种具体实施方式中，机器人1背部还设置有高度计13，高度计13与控制舱47通信连接，用于测量机器人1与水下建筑物等固体之间的距离，使水下机器人1处于安全距离从而对其起到保护作用。

在本实施例的一种具体实施方式中，光学探测设备包括设置于机器人1顶部的激光扫描仪3、若干设置于机器人1背部和面部的云台摄像头8以及若干设置于机器人1上部和下部的LED灯9；激光扫描仪3用于快速获取水下物体表面的可视化三维数据，实现水下3D成像；云台摄像头8用于拍摄水下环境和待测物；LED灯9用于为机器人1提供照明；激光扫描仪3、云台摄像头8、LED灯9分别与电源舱45连接；激光扫描仪3和云台摄像头8分别于控制舱47通信连接，用于将采集的数据发送至控制舱47。

在本实施例的一种具体实施方式中，云台摄像头8上套设有防水设置的玻璃罩19，云台摄像头8固定于玻璃罩19内部，在机器人1贴近坝面近距离检测时，玻璃罩19可以起到排开水体的作用，可有效降低浑水环境下可视程度低的问题。

优选地，云台摄像头8有4个，在机器人1面部和背部的上下各布置一个云台摄像头8。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图11至图13所示，推进器包括水平推进器21、垂直推进器10以及侧面推进器；水平推进器21设置于机器人1中部，用于实现机器人1水平方向的运动，垂直推进器10设置于机器人1两侧，用于实现机器人1垂直方向的运动，侧面推进器设置于机器人1上部的两侧，用于实现机器人1低抖动频率下水平方向的运动。

在本实施例的一种具体实施方式中，侧面推进器包括相互垂直设置的第一侧面推进器17和第二侧面推进器20，第一侧面推进器17用于实现机器人1水平纵向的姿态调整，第二侧面推进器20用于实现机器人1水平横向的姿态调整。

在本实施例的一种具体实施方式中，侧面推进器为微推，相较于水平推进器21和垂直推进器10这2种主推进器，其微推尺寸更小，工作时扰动更小，用于作业时轻微调节机器人1运动方向，给予机器人1较小转向力，实现机器人1姿态调整，维持机器人1作业时的稳定性。本发明的侧面推进器的使用工况如下：机器人1面向大坝面开展作业时，关闭水平主推进器，通过吸附器37使机器人1固定在坝面上，启动微推以抵抗近坝面水下扰流，辅助调节机器人1运动方向，实现机器人1姿态调整，减小运动扰动，维持机器人1作业时的稳定性。

在本实施例的一种具体实施方式中，水平推进器21有4个，呈矢量布置；垂直推进器10有2个，分别设置垂直布置与机器人1的两侧。

在本实施例的一种具体实施方式中，垂直推进器10的周边设置有垂推保护罩18，垂推保护罩18固定设置于壳体12上，用于保护垂直推进器10。

在本实施例的一种具体实施方式中，水平推进器21通过抱箍固定于骨架11上，采用螺栓连接。

在本实施例的一种具体实施方式中，机械手23包括一端与骨架11连接的大臂和与大臂另一端连接的小臂，机械手23有2只，对称设置于机器人1的面部，壳体12上设置有两个槽道，机械手23的大臂在非工作状态时能够收进入壳体12的槽道内，机械手23的小臂与壳体12共形。

在本实施例的一种具体实施方式中，机械手23的大臂固定设置于电控层横骨架111，机械手23在开展作业时，最大伸长可达750mm。

在本实施例的一种具体实施方式中，电控模块设置于机器人1的下部，这样能够显著提高机器人1的稳心高度；配电舱用于根据各模块的供电需求进行配电；电源舱45用于配电舱的配电方案为各模块供电；控制舱47用于接收各模块传输过来的数据、将接收到的数据传输至水面岸站以及接收水面岸站的指令来控制其它模块的运作。

在本实施例的一种具体实施方式中，电控模块还包括驱动罐46，驱动罐46用于放置控制各推进器与机械手23的电机运行的驱动控制器；驱动控制器与推进器和机械手23的电机以及控制舱47通信连接，用于接收机器人1的控制舱47发出的指令信号，传输并实现各驱动设备的运行。驱动设备包括水平推进器21、垂直推进器10、侧面推进器以及机械手23。

在本实施例的一种具体实施方式中，当机器人1在进行坝体检测作业时，受到水下复杂环境的影响，可能会导致水下机器人1出现缠绕、断缆、供电及通讯异常等故障时，应急上浮装置4设置于机器人1的顶部，包括应急浮标和第一释放机构，用于当机器人1发生故障后，通过释放应急浮标脱离机器人1本体，迅速上浮至水面，引导工作人员发现并搜寻到机器人1；应急抛载装置26设置于机器人1下部，包括压载和第二释放机构，用于当机器人1发生故障后，能够自动完成压载的丢弃，使得机器人1能够依靠自身的浮力上浮至水面进行他救； 应急自救控制罐44包括控制器，此控制器分别与应急上浮装置4和应急抛载装置26通信连接，用于接收控制舱47传输来的主动指令或者供配电信息、通信连接信号、深度数据，并判断机器人1是否存在供电中断、通信信号中断、长时间延迟、超出最大压力以及最大深度的异常情况，根据异常情况作出应急决策，并将应急决策对应的动作指令传输至应急上浮装置4和或应急抛载装置26。

应急决策为：默认优先将启动应急抛载装置26，先释放压载使机器人1上浮，若在预设时间内机器人1未到达水面后，则启动应急上浮装置4，释放应急浮标，工作人员可通过浮标101位置与脐带缆100完成对机器人1的搜救。

在本实施例的一种具体实施方式中，应急浮标设置于应急上浮装置4的顶部，通过绳子与第一释放机构连接，第一释放机构能够约束绳子和释放绳子，通过释放绳子，使得应急浮标上浮至水面，通过约束绳子，使得应急浮标固定于浮力块6的顶部。

在本实施例的一种具体实施方式中，第一释放机构包括释放电机、被释放电机驱动转动的齿轮、与齿轮啮合传动的齿条、连接杆以及连接环；连接杆的一端与齿条固定连接，另一端为自由端，连接杆与连接环为匹配设置，连接杆的自由端串有连接环，连接环上缠有与应急浮标连接的绳子。当应急上浮装置4收到释放应急浮标的指令时，释放电机启动，齿轮的转动带动齿条水平移动，例如齿条水平向右移动，带动连接杆水平向右移动，串在连接杆左端的连接环与连接杆分离，与连接杆断开连接的连接环在应急上浮装置4内处于自由状态，由于应急浮标的浮力作用与绳子的牵引力，缠在连接环上的绳子获得自由释放，最终应急浮标上浮至水面。

在本实施例的一种具体实施方式中，压载预设为铅砂或铁砂等颗粒物，存储于第二释放机构中，第二释放机构底部设有释放孔，以齿轮啮合方式驱动其底部释放孔开合，使压载通过释放孔完成抛载。采用铁砂或铅砂作为压载，当被抛弃后，不会在水底对大坝建筑物造成次生影响。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图1、图3、图8以及图15所示，针对大型水电站水下坝体抵近观察检测的任务需求，设计具有吸附功能的智能子机，本发明的机器人1还包括设置于机器人1底部的子机模块，子机模块与电控模块通信连接，子机模块包括绞车43和与绞车43通过缆绳连接的AUV子机15，绞车43设置于骨架11上，用于对AUV子机15进行收放，AUV子机15作为机器人1的子机，工作时，浮游远离机器人1，与机器人1形成子母机的工作模式，实现复杂水下环境水下机器人1多机协同作业。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图8和图15所示，AUV子机15包括子机框架39，设置于子机框架39内的子机壳体35、设置于前部的云台摄像头8和吸附器37、设置于后部的2个子机水平推进器41、设置于子机框架39内的子机侧向推进器42以及设置于子机壳体35顶部的子机垂直推进器38、设置于子机壳体35上顶部的水密连接器34以及子机设备箱40，子机设备箱40用于子机电控设备的存放；吸附器37用于吸附在窄小凹槽壁面上，便于AUV子机15近距离检测。

在本实施例的一种具体实施方式中，AUV子机15上的云台摄像头8上套设有子机玻璃罩36，与机器人1上的玻璃罩19作用一致。

本发明的检测机器人1提出了AB面的工作模式， AB面分别为机器人1正面与背面，两面都为工作面，A面较窄，该面在距离坝面一定距离时进行前进、上下运动的阻力较小，检测范围大、机动性强，对坝面开展初检时使用A面工作；B面较钝，该面在近距离靠近坝面时具有更好的结构兼容性，方便机械手23近距离作业，对坝面开展精检时使用B面工作。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图14所示，本发明还包括轮式壁面爬行机构，轮式壁面爬行机构为与机器人1的外形相匹配的框架结构，其底部、前侧以及底部与前侧的连接面皆设置有轮子，在机器人1检修过程中，通过轮式壁面爬行机构上装的轮子，能够水底的大坝上行走。使用时，机器人1置于轮式壁面爬行机构内，一是为了防撞，保护机器人1；二是轮式壁面爬行机构上装有轮子的三个面（即轮式壁面爬行机构的底部、前侧以及底部与前侧的连接面）与大坝的3个壁面一一对应接触，能够更好的检测大坝壁面。

在本实施例的一种具体实施方式中，轮式壁面爬行机构设有轮子的3个面之间的夹角可以调节，这样能够适应更多大坝壁面。

本发明的布放和回收流程如下：

如图7、图16以及图17所示，当进行机器人1布放时，水面岸站上吊放装置通过承重钢索与放置在浮球102内的自脱钩装置2建立连接，同时脐带缆100一齐穿过其中，承重钢索一并吊起浮标101和机器人1，浮标本体通过止荡装置由机器人1的本体承重，此时，三位一体，实现一体化吊放。当机器人1进入水下，且满足浮标本体悬浮条件时，随着机器人1的不断下潜，浮球102满足自身浮力要求，在浮球102内的自脱钩装置2也因浮力作用活动部与固定部脱离而使机器人1与浮球102脱离，此时浮球102通过缆绳由浮标本体的浮标绞车拉扯。随后，水面岸站通过承重钢索将自脱钩装置2回收至水面岸站，这样是为了机器人1在工作过程中，防止脐带缆100被束缚和限制在自脱钩装置2内造成脐带缆100的损伤，对机器人1的工作造成不良影响。自脱钩装置2被回收到水面岸站后，工作人员打开固定部上的卡扣（图7中未标记），将吊架开槽板28取下，使得脐带缆100脱离固定部。

而在机器人1的下潜过程中，脐带缆100带动浮球102运动，且满足浮球102和机器人1始终在同一铅垂线上，浮标101通过收放浮标绞车的缆绳与浮球102建立连接，观测水面波浪情况，同时进行水面定位信息输送。

当进行机器人回收时，水面岸站工作人员将脐带缆100放入自脱钩装置2的固定部内，合上吊架开槽板28，关闭卡扣，自脱钩装置2的固定部带着承重钢索顺着脐带缆100到达浮球102的上部，然后由于脐带缆100一直处于一个绷直状态，回收过程中自脱钩装置2的固定部经由重力滑入浮球100的通孔内，等待机器人1与浮标本体复现三位一体，固定部与活动部对接，固定部锁住活动部，实现回收。

回收时，浮标101通过自身的浮标绞车回收缆绳，借由自身动力系统将浮球102纳入其U型口中，直至浮标绞车收紧。同时，水面岸面通过机器人1的脐带缆100将带有承重钢索的自脱钩装置2的固定部滑动进浮球102的通孔内，在缓慢回收脐带缆100的过程中，配合浮标101的位置调整，实现机器人上的止荡底座16和浮标本体下部的上止荡机构进行点对点承重连接，此时，复现三位一体，实现一体化回收，需要说明的是：复现三位一体时，浮球102处于浮标本体内，自脱钩装置2的固定部处于没有浮力作用下，自脱钩装置2的固定部与作为活动部的吊放头31上下位置对齐时，吊放头31上部顶开固定卡爪30，固定部锁住活动部，实现回收。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：包括壳体、所述壳体底部以及侧边共形设计且贴合于对应壳体内壁的骨架、浮标、止荡装置以及自脱钩装置；所述止荡装置包括设置于浮标下部的上止荡机构和设置于机器人顶部的止荡底座，所述上止荡机构与止荡底座为匹配设置；所述自脱钩装置包括相互匹配设置的活动部和固定部，所述固定部在浮力作用下松开活动部，使得活动部与固定部分离，在没有浮力的情况下，固定部能够锁紧活动部；在布放和回收机器人的过程中，所述固定部的上部与一端固定在岸站且用于布放和回收机器人的承重钢索的另一端连接，所述活动部的下部与设置于机器人的顶部的挂架固定连接；在布放成功后，所述自脱钩装置的固定部通过承重钢索被岸站收回；回收时，所述固定部顺着脐带缆进入浮标内与活动部对接后组合成整个自脱钩装置。

2.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：还包括设置于壳体外部的探测模块、设置于机器人面部的作业模块、应急自救模块以及设置壳体内的动力模块和电控模块；所述探测模块、作业模块、动力模块以及应急自救模块分别与电控模块通信连接，所述电控模块还通过脐带缆与水面岸站通信连接；所述探测模块包括声学探测设备和光学探测设备，用于探测水下环境和水下结构物表面情况；所述作业模块包括机械手，用于开展作业；所述动力模块包括推进器，用于实现机器人的运动；所述应急自救模块包括应急上浮装置、应急抛载装置以及应急自救控制罐，用于当机器人在水下发生故障后，机器人依靠应急自救模块能够上浮至水面；所述电控模块包括配电舱、控制舱以及电源舱，用于为机器人的各工作进行供电、配电以及接收其它模块传输过来的数据、将接收到的数据传输至水面岸站，接收水面岸站的指令并控制其它模块的运作。

3.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述骨架包括若干层水平设置的横骨架和竖向设置的纵骨架。

4.根据权利要求3所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述横骨架包括自下而上依次设置的电控层横骨架、第一动力层横骨架、第二动力层横骨架以及探测层横骨架；所述纵骨架包括设置于机器人背部的背部纵骨架、设置于机器人侧边的侧方纵骨架以及设置于机器人面部的面部纵骨架。

5.根据权利要求2所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述声学探测设备包括设置于机器人顶部的USBL信标和上扫声呐、设置于机器人侧边的侧扫声纳以及设置于机器人面部的前视多波束声纳和深度计；所述浮标上设置有超短基线定位系统，所述USBL信标与超短基线定位系统形成水声定位基阵，用于探测机器人相对浮标的距离和方位以及浮标本身的位置，进而得到机器人的位置；所述上扫声呐、侧扫声纳以及前视多波束声纳分别用于机器人工作面上部环境、侧面环境、以及工作面中下部分环境探测；所述深度计用于监测机器人所处水下位置深度；所述USBL信标、上扫声呐、侧扫声纳、前视多波束声纳以及深度计分别与控制舱通信连接，用于将探测的数据发送至控制舱。

6.根据权利要求2所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述光学探测设备包括设置于机器人顶部的激光扫描仪、若干设置于机器人背部和面部的云台摄像头以及若干设置于机器人上部和下部的LED灯；所述激光扫描仪用于快速获取水下物体表面的可视化三维数据；所述云台摄像头用于拍摄水下环境和待测物；所述LED灯用于为机器人提供照明；所述激光扫描仪、云台摄像头、LED灯分别与电源舱连接；所述激光扫描仪和云台摄像头分别于控制舱通信连接，用于将采集的数据发送至控制舱。

7.根据权利要求2所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述推进器包括水平推进器、垂直推进器以及侧面推进器；所述水平推进器设置于机器人中部，用于实现机器人水平方向的运动；所述垂直推进器设置于机器人两侧，用于实现机器人垂直方向的运动；所述侧面推进器设置于机器人上部的两侧，也用于实现机器人水平方向的运动。

8.根据权利要求2所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述机械手包括一端与骨架连接的大臂和与大臂另一端连接的小臂，所述机械手有2只，对称设置于机器人的面部，所述壳体上设置有两个槽道，所述机械手的大臂在非工作状态时能够收进入壳体的槽道内，机械手的小臂与壳体共形。

9.根据权利要求2所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：所述应急上浮装置设置于机器人的顶部，用于当机器人发生故障后，通过释放浮标脱离机器人本体，迅速上浮至水面，引导工作人员发现并搜寻到机器人；所述应急抛载装置设置于机器人下部用于当机器人发生故障后，能够自动完成压载的丢弃，使得机器人能够依靠自身的浮力上浮至水面进行他救；所述应急自救控制罐分别与应急上浮装置和应急抛载装置通信连接，用于接收控制舱传输来的主动指令或者供配电信息、通信连接信号、深度数据，并判断机器人是否存在供电中断、通信信号中断、长时间延迟、超出最大压力或最大深度的异常情况，根据异常情况作出应急决策，并将应急决策对应的动作指令传输至应急上浮装置和或应急抛载装置。

10.根据权利要求2所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：还包括设置于机器人底部的子机模块，所述子机模块与电控模块通信连接，所述子机模块包括绞车和与绞车通过缆绳连接的AUV子机，所述绞车设置于骨架上，用于对AUV子机进行收放，所述AUV子机作为机器人的子机，工作时，浮游远离机器人，与机器人形成子母机的工作模式。

11.根据权利要求1所述的一种水下结构物表面缺陷检测机器人，其特征在于：还包括轮式壁面爬行机构，轮式壁面爬行机构为与机器人的外形相匹配的框架结构，其底部、前侧以及底部与前侧的连接面皆设置有轮子；使用时，机器人放置于轮式壁面爬行机构内。