CN215483497U - 一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，属于污水厂底泥清理领域。该机器人包括：作业单元、车体单元、储泥单元以及升降单元；作业单元包括铲斗、铲刀和吸入管道；铲刀位于铲斗内部，铲斗两侧封闭且后端开孔与吸入管道相连；铲斗安装于车体单元上，以将底泥导入吸入管道；车体单元和储泥单元通过排入管道连接，且排入管道与车体单元和储泥单元中的至少一个为可开合地连接；排入管道前端与吸入管道导通，工作时作为淤泥从吸入管道排入储泥单元的通道；升降单元用于车体单元和储泥单元的升降。本实用新型能够解决现有技术不适用于污水厂底泥清理或局限性大、操作不灵活、占地面积大、容易损坏地下管网等技术问题。

Description

一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人

技术领域

本实用新型属于污水厂底泥清理领域，更具体地，涉及一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人。

背景技术

污水厂在工作的过程中需要水在集水池中沉淀，之后沉淀后的水通过管道流入接下来的步骤，但是沉淀之后的污泥则会留在集水池中，时间长久以来，污泥会越来越多，甚至集水池中的污泥可达数米厚。

一般在集水池污泥过厚之后，污水厂会采取停止工作进行检修的办法来清理集水池中的污泥。但是这样会导致工作效率变高。如果不想停机清淤，一般存在水下工作法与水上工作法两种。水下作业一般通过机器人作业，机器人抽取水下淤泥到机器人内部，之后上浮，机器人与污泥分离，然后再次下潜。每次工作循环机器人都需要上浮，作业效率较低。而水上作业法则是通过污泥船在水面上直接抽取污泥，但是船只的体型过大，同时船只摇臂的长度有限，作业水深有限,并不能适用于污水厂清淤。

此外上述两种清淤设备还存在以下的问题：

1.不具有在水中升降的功能，即机器人的工作环境很苛刻，需要集水池边上较为平缓的坡度，但是大部分集水池并没有这种工作条件；

2.常用的污泥船与机器人设备体型巨大，集水池环境较小，且水底管网较多，作业不够精细，容易损坏地下管网；

3.水下环境复杂，但是现有设备成像设备较少，或者不存在，而且由于设备本身预设工作环境原因，不需要进行成像，因此在集水池中容易损坏；

4.两种设备针对环境多为自然流域，并非集水池中。因此工作效率与质量受到很大约束；

5.两种设备结构笨重，运动也不够灵敏，水下机器人一般只有一个挡位，而且巨大的机体导致运动十分不灵活；

6.两种设备没有探测系统，无法感知淤泥的清理情况。也无法感知环境周围的障碍物与底部的管网，极易损坏底部管网或者与集水池壁碰撞；

7.两者功率普遍很大，容易造成浪费。

基于上述原因,市面上流行的污水厂清淤机器人主要是以固定式或移动式桁架等主体框架配合搭载可移动/可升降刮刀，将淤泥刮至水池边缘，再在边缘抽取的方式进行清理。但是，受限于设备自身强度、架设占地、驱动难度、刮刀强度及运动范围等因素，该类型的设备仅适用于深度浅、面积小的集水池，局限性较大，操作不够灵活，并且占地面积大、架设成本高。

因此，亟需一种适用范围广、操作灵活、占地面积小、安全性好的污水厂底泥清理设备。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种适用于污水厂底泥清理的机器人，其目的在于，解决现有技术不适用于污水厂底泥清理或局限性大、操作不灵活、占地面积大、容易损坏地下管网等技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，包括：

作业单元、车体单元、储泥单元以及升降单元；

作业单元包括铲斗、铲刀和吸入管道；铲刀位于铲斗内部，铲斗两侧封闭且后端开孔与吸入管道相连；铲斗安装于车体单元上，以将底泥导入吸入管道；

车体单元和储泥单元通过排入管道连接，且排入管道与车体单元和储泥单元中的至少一个为可开合地连接；排入管道前端与吸入管道导通，工作时作为淤泥从吸入管道排入储泥单元的通道；

升降单元用于车体单元和储泥单元的升降；

执行清理工作时，车体单元和储泥单元通过排入管道连接，使排入管道的前端与吸入管道连通、后端与储泥单元连通，车体单元带动作业单元移动并通过将底泥通过吸入管道和排入管道导入储泥单元；

转移底泥时，排入管道与车体单元和/或储泥单元分离，通过升降单元将储泥单元升起。

进一步地,车体单元与储泥单元还通过可开合连接件连接。

进一步地,可开合连接件为詹式钩、机械爪、弹簧锁扣或磁吸式螺纹接头。

进一步地,磁吸式螺纹接头包括接头电机、连接杆、固定环、活动环；接头电机和固定环分别安装于车体单元与储泥单元上；连接杆一端连接接头电机的输出轴，另一端和活动环上分别设有相互匹配的螺杆和螺母；固定环与活动环连接；

螺杆和螺母为磁体，或者，连接杆为导磁材料，由电磁装置的通断控制磁性，活动环上设置的螺杆或螺母为铁磁材料；

当车体单元和储泥单元需要钩挂时，车体单元带动连接杆靠近活动环，通过磁吸附使螺杆和螺母对准，接头电机正转带动连接杆正转使螺杆和螺母完成对接；当车体单元和储泥单元需要脱钩时，接头电机反转带动连接杆反转使螺杆和螺母分离。

进一步地,排入管道与车体单元和储泥单元中的至少一个通过快速接头或磁吸式接头可开合地连接。

进一步地,车体单元包括拖车车体、滑板和过滤后板；滑板设于拖车车体底部；拖车车体的至少一个侧面设为过滤板，用于排水并将底泥过滤留在拖车车体内部。

进一步地,排入管道为可伸缩管道或可收放管道。

总体而言，本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本实用新型的水下作业机器人通过可分离的车体单元与储泥单元联合作业的方式，只需通过升降单元运送储泥单元即可实现污泥的转移，使得车体单元可以在水下长期连续作业，不仅大大简化了整个设备的构造，无需污泥船和斜坡改造也无需大型桁架构造，而且无需为车体单元设计复杂的浮潜系统，有利于实现车体的小型化设计；并且，通过铲斗与内部的铲刀实现淤泥的收集，相比于传统的刮刀，大大降低了对水底管网的威胁。因此，本实用新型广泛适用于各种深浅、面积不同的集水池，并且操作灵活、占地面积小、架设成本低，具有极高的应用前景。

2、设计用于连接车体单元与储泥单元的可开合连接件，则可以大幅降低排入管道的设计要求，既可以由车体单元直接拖挂储泥单元进行清淤和收集作业，也不影响储泥单元的分离与独立升降。

3、采用磁吸式螺纹接头，在水下环境中视觉受限的情况下，利用磁吸附自动对准可以大大降低连接难度，提高设备可靠性及工作效率。配合螺纹连接使得连接更为稳固，而固定环和活动环的连接使得车体单元在牵引储泥单元时还能自由转向，工作更为灵活。

4、滑板可以防止拖车车体陷入底泥，其利用雪橇原理，相比于传统的轮式机构更不容易与水底管网发生磕碰，并且移动阻力小，有利于减少车体单元的负载，实现节能；将拖车车体后侧面设为过滤后板，则能使水通过过滤后板流走，污泥拖车车体内部，提升车体容量，进而提高作业效率、减少升降次数。

5、将排入管道设为可伸缩管道或可收放管道，能够大大提升车体单元的运动灵活性，当车体单元拖挂储泥单元一同运动时更易实现自由转向；而当车体单元单独运动时，可伸缩管道或可收放管道则可以大幅提升车体单元的活动范围，此时储泥单元则可以直接在升降单元处原地待命。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例的底泥清理机器人的立体图。

图2是本实用新型优选实施例的底泥清理机器人履带结构图。

图3是本实用新型优选实施例的污泥清理机器人的前视图。

图4是本实用新型优选实施例的污泥清理机器人的左视图。

图5是本实用新型优选实施例的污泥清理机器人的上视图。

图6是本实用新型优选实施例的污泥清理机器人的工作流程示意图。

图7是本实用新型优选实施例的磁吸式螺纹接头对接流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1.铲斗，2.铲刀，3.车体铲斗连杆，4.吸入管道，5.上部车壳，6.下部车体，7.声纳组件，8.摄像头，9.履带，10.驱动齿轮，11.支重轮与侧面板连杆，12.支重轮，13.车体与履带连杆，15.履带侧面板，14/16.小型支重轮，17.侧面板车体连接件，18.排入管道，19.可开合连接件，20.拖车车体，21.滑板，22.过滤板，23.电梯箱，24.连杆，25.钩爪，26.升降杆，27.连接杆，28.固定环，29.活动环，30.螺母。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～3所示，在本实施例中水下作业机器人应用在污水厂集水池中作业，作业单元001包括铲斗1、铲刀2、车体铲斗连杆3和吸入管道4。铲斗1的封闭式结构可以帮助铲刀2扬起的泥水飞散，铲刀2的螺旋结构从两侧向中间旋转的方式可以使底泥约束在铲斗1中部，方便收集底泥，从而提高作业的效率。铲刀2的螺旋绞吸形式还可以更好的扬起泥水混合物，从而增加作业的效率。

同时参见图2，车体单元的主体部分采用履带车形式，包括履带9、驱动齿轮10、支重轮与侧面板连杆11、支重轮12、车体与履带连杆13、小型支重轮14/16、履带侧面板15以及侧面板车体连接件17。

其中，双排支重轮的设计可以加大履带的宽度，从而增加履带与底泥的接触面积进而提高底泥的承载能力防止机器人陷入泥重，支重轮与侧面板连杆11和履带侧面板15相连时增加了弹簧缓震结构，在这种情况下，可以大大的增加车体的稳定性。

底部大量的支重轮12.可以使履带与齿轮更好的啮合，用来承受机器人的重量，防止履带的侧滑。

机器人通过双排的支重轮，使每个轮子上分担的中立较小，压力更加均匀，从而提高装置的机动能力。

参见图3，声纳7组件与摄像头7的位置高于机器人的作业单元001，这样可以更好的进行环境探测。

参见图1、4、5，优选地，下部车体6通过可开合连接件19(本实施例优选为磁吸式螺纹接头)与拖车相连，该磁吸式螺纹接头可以自动的开合，同时在车体单元002的背部设有定位装置(优选为基于摄像头的视觉识别定位装置)，可以识别并定位拖车上磁吸式螺纹接头的位置，自行调整自己的位置，使磁吸式螺纹接头可以正确的闭合。

优选地，排入管道18是可伸缩的管道，在下部车体6与拖车车体20分离时，排入管道18收缩，同时可开合连接件19张开，电梯箱23开始运作，拖车车体20便被运输到水面上进行清理或者直接更换。然后空载的拖车车体20回到水下，车体单元002通过定位装置(或者作业人员的遥控控制)调整自身姿态实现对位，然后可开合连接件19闭合，排入管道18伸出与拖车车体20上部的开孔通过磁吸接头或快速接头结合。

拖车车体20下部的滑板21结构类似雪橇的原理，与普通的轮式结构相比，滑板式结构可以增大与底泥的接触面积，这样可以让拖车在水下运动时更加的顺畅，避免拖车陷入底泥中，同时可以减少机器人的负荷。

本实用新型的升降单元004具体结构形式不限，可以采用简单的缆绳吊装机构，也可以采用水下升降电梯、升降架等。作为一个示意性的说明，如图1、4、6所示，本示例中用于运输拖车的电梯，包括电梯箱23、连杆24、钩爪25和升降杆26。优选地，可以在升降平台(例如吊装板、电梯厢等)上设置导槽配合滑板21实现储泥单元003的导向定位，一方面在升降过程中拖车车体20更稳固，另一方面可以使得拖车车体20一直处于一个相对固定的位置，更方便与车体单元001的定位对齐，从而便于互连。

优选地，下部车体6上设有帮助照明的潜水灯。

优选地，下部车体6与拖车车体20通过排入管道18连接，由作业单元001吸入的污水混合物通过排入管道18流入拖车车体20中，然后拖车车体20后部存在设有小孔的过滤板22，水通过过滤板22流走，污泥则被过滤留在拖车车体20内部。

优选地，排入管道18可以伸缩或可以收放，常见的可以是波纹软管、橡胶软管等。

优选地，车体后部装有用于定位的定位装置，可以识别可开合连接件19的位置从而自动调节机器人的位姿，例如可以是基于视觉定位的定位装置，通过识别预先设置在拖车车体20的标志物，以此为基准进行位姿调整实现可开合连接件19的对齐，便于后续连接钩挂。

优选地，可以在下部车体6上搭载WiFi发射器，手机端可以通过app与其通信，从而控制污水厂底泥清理机器人的运动或者接收及查看各个车载设备传输过来的数据。

优选地，下部车体6上还设有压力传感器，用于探测水下压力。

优选地，拖车车体20内部设有余量传感器，在拖车储存的污泥快要集满时会触发警报。余量传感器可以是压力传感器(设于底部)、距离传感器(设于顶部)等。

优选地，驱动齿轮10可以设置多个动力挡位，从而便于根据实际工况调节机器人的移动速度，例如清淤过程中可以中速行驶，在工作位置与升降平台004之间往返时可以快速行驶，在下部车体6与拖车车体20及排入管道18对位重连的过程中则可以低速或超低速行驶。

下面对本实用新型的工作方法进行进一步说明。

参见图6，图6是机器人作业的流程图示意，其工作方法包括以下步骤：

S1、机器人与拖车连接，同时通过电梯送入水下。

S2、机器人启动，潜水灯开启，通过摄像头传回水底环境视频信号。

S3、作业人员控制机器人的开始运动，通过控制电机的正转、反转，以及驱动齿轮的朝向和挡位，从而实现机器人的前进后退与转弯，直到到达作业区域。

S4、机器人作业单元开始运转，前部刀铲刀通过两边向中间旋转，将扬起的底泥汇聚到中间，同时管道处开始产生吸力，将污泥混合物吸入车体，通过管道一直吸入到拖车中。优选地，混合物通过拖车后部滤板，水流出滤板，污泥则储存在拖车中。

S5、在污泥集满之后，控制机器人返回电梯，机器人与拖车连接断开，同时相连管道收缩，拖车随电梯回到水面，之后将拖车清空。

S6、拖车沿电梯返回水下，机器人通过定位装置调整位置。之后钩爪闭合，管道伸出连接拖车。开始新的工作循环。

S7、通过声纳回传的环境数据，可以判断污泥的清理情况。从而决定是否继续工作。

S8、工作结束，机器人与拖车一同跟随电梯返回。

优选地，如图7所示，在本实施例中，当可开合连接件19为磁吸式螺纹接头时，连接原理与脱钩重连方法如下：

(a)机器人在进行作业之后回到原位，进行脱钩准备。

(b)拖车与车体单元的磁吸式螺纹接头通过两圆环状物体(固定环28和活动环29)相连，便于拖车跟随车体单元移动。

本实施例中，车体单元与拖车的连接处位于靠近车体单元一侧的连接杆27上，通过螺纹连接。连接杆27上设置螺纹，活动环28上则设置螺母30。接头电机可以控制连接杆27的旋进与旋出。

(c)车体单元内部的接头电机反转，连接杆27旋出脱离螺母30，可开合连接件脱钩。

(d)在车体单元完成对新拖车的标定与定位之后，车体单元内部的电磁装置通电使连接杆27充磁，吸引螺母30使其自动与连接杆27端部的螺纹对正，然后接头电机正转，连接杆27缓慢旋进。

(e)在连接杆27接触到螺母30之后，接头电机继续运转，直至连接杆27与螺母30完成连接。

总体而言，本实用新型提供了一种专业适用于污水厂的底泥清理机器人，通过小型机器人(即作业单元001+车体单元002)底部作业的方法来清理水下污泥。同时通过升降单元004的升降结构来保证车体单元002和储泥单元003的升降，无需现有技术中的运输船体或者坡度即可进行升降操作，且无需为车体设置复杂的浮潜系统，因此可以做到车体的小型化，进一步提升作业灵活性。而车体单元002和储泥单元003相连，储泥单元003储存清理的污泥，从而每次清理只需储泥单元003返回水面，车体单元002可以继续留在水下，配备多个储泥单元003即可实现水下的连续作业。同时，可以通过声纳检测周围污泥状况，迅速找到污泥最多的地点，来进行清淤。声纳在水下具有比摄像头更广的探测范围，可以有效地避开障碍物，防止破环水池底部管线。小型化的机器人还可以进一步减少使用的功率，减少能源浪费。同时，为机器人移动设置多个挡位，可以通过手机程序进行控制，使得工作模式可以自由切换，灵活适应不同场景及不同清淤需求。

关于作业单元方面：

作业单元001的铲刀2在扬起泥水的同时可以通过铲斗1的外壳使泥水约束在铲斗1内部，同时两侧铲刀2从外向内旋转可以使扬起的底泥约束在中部，因此在吸入时可以防止泥水的逸散，具有更好的清理效果。而使用的螺旋绞吸式铲刀2相比于传统的升降平移式刮刀，工作过程更为平缓，并且铲刀2位于铲斗1内部可以有效防止伤害底部管线。

关于车体结构方面：

车体结构呈流线型可以更好的在水下行走。前后两端设置的摄像头可以让操作者可以更加直观的观察周围环境与拖车的状态。前部的声纳装置可以提前检测周边环境，防止遇到障碍物，同时还可以进一步用于判断清淤状况。

关于履带结构方面：

两排支重轮的结构可以加大履带的宽度从而增加机器人在水中运动的平稳性。支重轮与侧板连接的弹簧可以有效地增加机器人的减震性能，保证机器人在水下环境中平稳的运行。驱动齿轮分为多个动力挡位，可以让机器人以不同的速度在水下移动。

关于拖车部分：

拖车下部的滑板结构可以很好的减少水下的阻力，从而减少机器人的负荷。拖车后部的滤板可以分离污水混合物，只使需要清理的污泥留存在拖车内部。

关于工作方式的部分：

机器人与拖车分离可以大大增加机器人的工作效率，通过机器人配备多个拖车的办法可以让机器人连续不间断的在水下工作。同时更加小型化的设备可以更好的适用于集水池的环境中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于，包括：

作业单元(001)、车体单元(002)、储泥单元(003)以及升降单元(004)；

作业单元(001)包括铲斗(1)、铲刀(2)和吸入管道(4)；铲刀(2)位于铲斗(1)内部，铲斗(1)两侧封闭且后端开孔与吸入管道(4)相连；铲斗(1)安装于车体单元(002)上，以将底泥导入吸入管道(4)；

车体单元(002)和储泥单元(003)通过排入管道(18)连接，且排入管道(18)与车体单元(002)和储泥单元(003)中的至少一个为可开合地连接；排入管道(18)前端与吸入管道(4)导通，工作时作为淤泥从吸入管道(4)排入储泥单元(003)的通道；

升降单元(004)用于车体单元(002)和储泥单元(003)的升降；

执行清理工作时，车体单元(002)和储泥单元(003)通过排入管道(18)连接，使排入管道(18)的前端与吸入管道(4)连通、后端与储泥单元(003)连通，车体单元(002)带动作业单元(001)移动并通过将底泥通过吸入管道(4)和排入管道(18)导入储泥单元(003)；

转移底泥时，排入管道(18)与车体单元(002)和/或储泥单元(003)分离，通过升降单元(004)将储泥单元(003)升起。

2.如权利要求1所述的一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于,车体单元(002)与储泥单元(003)还通过可开合连接件(19)连接。

3.如权利要求2所述的一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于,可开合连接件(19)为詹式钩、机械爪、弹簧锁扣或磁吸式螺纹接头。

4.如权利要求3所述的一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于,磁吸式螺纹接头包括接头电机、连接杆(27)、固定环(28)、活动环(29)；接头电机和固定环(28)分别安装于车体单元(002)与储泥单元(003)上；连接杆(27)一端连接接头电机的输出轴，另一端和活动环(29)上分别设有相互匹配的螺杆和螺母(30)；固定环(28)与活动环(29)连接；

螺杆和螺母为磁体，或者，连接杆(27)为导磁材料，由电磁装置的通断控制磁性，活动环(29)上设置的螺杆或螺母(30)为铁磁材料；

当车体单元(002)和储泥单元(003)需要钩挂时，车体单元(002)带动连接杆(27)靠近活动环(29)，通过磁吸附使螺杆和螺母(30)对准，接头电机正转带动连接杆(27)正转使螺杆和螺母(30)完成对接；当车体单元(002)和储泥单元(003)需要脱钩时，接头电机反转带动连接杆(27)反转使螺杆和螺母(30)分离。

5.如权利要求1所述的一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于,排入管道(18)与车体单元(002)和储泥单元(003)中的至少一个通过快速接头或磁吸式接头可开合地连接。

6.如权利要求1所述的一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于,车体单元(002)包括拖车车体(20)、滑板(21)和过滤板(22)；滑板(21)设于拖车车体(20)底部；拖车车体(20)的至少一个侧面设为过滤板(22)，用于排水并将底泥过滤留在拖车车体(20)内部。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种用于污水厂底泥清理的水下作业机器人，其特征在于，排入管道(18)为可伸缩管道或可收放管道。

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