CN217597104U - 一种水下三维多功能施工作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，涉及一种水下三维多功能施工作业机器人，主体结构包括：机器人本体、监控系统、水上液压站和脐带系统；机器人本体能够利用履带行走机构在水底自由移动和原地转弯，在机械手上可以安装多种水下作业工具以完成多种施工作业；在履带行走机构不动的情况下，机械手在转盘、机械大臂、机械小臂的带动下，可以在上下、左右、前后的三维空间内灵活地移动位置；其稳定性好、结构坚固、动力强大、使用寿命长，适合于水下工程的施工作业；其制作简单，操作方便，作业效率高，成本低，市场前景广阔。

Description

一种水下三维多功能施工作业机器人

技术领域：

本实用新型属于水下机器人技术领域，具体涉及一种水下三维多功能施工作业机器人，在水下能够进行三维多功能施工。

背景技术：

水下机器人分为：拖曳式水下机器人(TUV)、有缆遥控式水下机器人(ROV)、无人无缆水下机器人(UUV)、智能水下机器人(AUV)四大类。前两种水下机器人均带缆，由母船上的人工控制；后两种水下机器均无人无缆，能够自主航行，分别由预编程控制和智能式控制。

有缆遥控式水下机器人(ROV)分为观察型和作业型两类。目前国内外的作业型ROV主要用于科学考察和海洋石油项目，这类ROV结构复杂，价格昂贵。

我国已建成的水库有八万四千多座，每年都有很多水库需要在水下进行修补加固。目前水库大坝修补加固工程的施工主要靠潜水员完成，但潜水员在水下的工作时间较短，作业效率不高，在安全方面也存在一些隐患，因此有必要采用水下机器人完成修补加固工程的水下施工作业。目前国内外作业型水下机器人多以科学考察和海洋石油项目为目的而设计，而且价格昂贵，不适合用于水库大坝的水下修补加固工程。因此有必要研发适合于水库大坝水下修补加固工程特点的施工作业型水下机器人。

实用新型内容：

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点，提供一种在水下能够进行三维多功能施工作业的机器人，以适用于水库大坝修补加固等工程的水下施工。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种水下三维多功能施工作业机器人，其主体结构包括：机器人本体、监控系统、水上液压站和脐带系统；脐带系统包括脐带；脐带包括液压管、信号电缆和供电电缆；机器人本体通过脐带的液压管与水上液压站连接，机器人本体通过脐带的信号电缆与监控系统连接，机器人本体通过供电电缆与水上电源连接；所述机器人本体包括履带行走机构、底座、转盘、配重、大臂基础、机械大臂、机械小臂、机械手、双作用千斤顶a、双作用千斤顶b和双作用千斤顶c，所述履带行走机构的顶部与底座固定连接；所述转盘位于底座顶部，转盘与底座通过螺栓连接，转盘的一侧固定安装有配重，转盘的另一侧通过螺栓固定安装大臂基础；大臂基础一侧与转盘固定连接，另一侧与机械大臂铰接；机械大臂整体呈倒L形，机械大臂的两端分别与大臂基础和机械小臂铰接；机械小臂的两端分别与机械大臂和机械手铰接；所述机械手包括机械手构件a和液压工具，机械手构件a与机械小臂铰接，机械手构件a与液压工具之间通过卡具连接；双作用千斤顶a的缸体端与大臂基础铰接，双作用千斤顶a的活塞杆端与机械大臂的中部下方铰接；双作用千斤顶b的缸体端与机械大臂的中部上方铰接，双作用千斤顶b的活塞杆端与机械小臂铰接；双作用千斤顶c的缸体端与机械小臂铰接，双作用千斤顶的活塞杆端与机械手铰接。

本实用新型所述机械手构件a的端部安装有超声波测距仪。

本实用新型所述机器人本体还包括水下照明系统和摄像头装置，水下照明系统包括强光照明灯b和强光照明灯c；摄像头装置包括摄像头b和摄像头c；强光照明灯b安装在转盘与大臂基础连接的一侧上；摄像头b安装在大臂基础的前端上；强光照明灯c和摄像头c安装在机械大臂的中部下方。

本实用新型所述转盘的顶部还设置有电子罗盘和水位计。

本实用新型所述监控系统包括主控电脑，主控电脑位于水工建筑物顶部。

本实用新型所述脐带系统还包括脐带收放装置和脐带浮球；脐带的一端卷绕在脐带收放装置上，另一端与机器人本体连接；所述脐带浮球位于机器人本体转盘的正上方，将靠近机器人本体部位的脐带和与机器人本体连接的钢缆收紧；脐带浮球的下方上还安装有强光照明灯a和摄像头a。

本实用新型与现有技术相比，有益效果是：

(1)本实用新型水下机器人能够利用履带行走机构在水底自由移动和原地转弯；

(2)在履带行走机构不动的情况下，机械手在转盘、机械大臂、机械小臂的带动下，可以在上下、左右、前后的三维空间内灵活地移动位置；机械手自身可以转动；其功能类似于人体的腰、胳膊和手；

(3)在机械手上可以安装多种水下作业工具，以此可以完成：水下检查、水下清淤、拦污栅清理、水下除锈、水下清除结构物上的水生物或附着物、混凝土凿毛、混凝土凿除、混凝土切割、钢结构切割、混凝土钻孔、应急堵漏、水下涂装等方面施工作业；

(4)通过监控系统，操作者可以实时观察机器人在水下的作业状况，可以同步指挥机器人的水下作业；主控电脑可以实时显示水下机器人的位置和所处的水深，可以显示机器人在水下的运动轨迹；主控电脑还能够实时显示机械手到作业面的距离；

(5)本实用新型水下机器人稳定性好、结构坚固、动力强大、使用寿命长，适合于水下工程的施工作业；其制作简单，操作方便，作业效率高，成本低，市场前景广阔。

附图说明：

图1是本实用新型涉及的水下三维多功能施工作业机器人整体结构原理示意图。

图2是本实用新型涉及的机器人本体结构原理示意图。

图3是本实用新型涉及的浮球部位脐带、钢缆位置示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及一种水下三维多功能施工作业机器人，其主体结构包括：机器人本体1、监控系统2、水上液压站3和脐带系统4；脐带系统包括脐带41；脐带41包括液压管、信号电缆和供电电缆；机器人本体1通过脐带41的液压管与水上液压站3连接，机器人本体1通过脐带41的信号电缆与监控系统2连接，机器人本体1通过供电电缆与水上电源连接。

所述机器人本体1包括履带行走机构11、底座12、转盘13、配重14、大臂基础15、机械大臂16、机械小臂17、机械手18、双作用千斤顶a151、双作用千斤顶b161和双作用千斤顶c171，机器人本体1主要采用钢结构制作；所述履带行走机构11的顶部与底座12固定连接；所述转盘13位于底座12顶部，转盘13与底座12通过螺栓连接，转盘13可360°水平旋转；转盘13的一侧固定安装有配重14，转盘13的另一侧通过螺栓固定安装大臂基础15；大臂基础 15一侧与转盘固定连接，另一侧与机械大臂16铰接；机械大臂16整体呈倒L 形，机械大臂16的两端分别与大臂基础15和机械小臂17铰接；机械小臂17 的两端分别与机械大臂16和机械手18铰接；所述机械手18包括机械手构件a181 和液压工具182，机械手构件a181与机械小臂17铰接，机械手构件a181与液压工具182之间通过卡具连接，在机械手构件a的端部安装有超声波测距仪 24；双作用千斤顶a151的缸体端与大臂基础15铰接，双作用千斤顶a151的活塞杆端与机械大臂16的中部下方铰接，双作用千斤顶a151的活塞杆伸长时，机械大臂16抬起；双作用千斤顶a151的活塞杆回缩时，机械大臂16放下；双作用千斤顶b161的缸体端与机械大臂16的中部上方铰接，双作用千斤顶b161 的活塞杆端与机械小臂17铰接，双作用千斤顶b161的活塞杆伸长时，机械小臂放下；双作用千斤顶b161的活塞杆回缩时，机械小臂抬起；双作用千斤顶c171 的缸体端与机械小臂17铰接，双作用千斤顶c171的活塞杆端与机械手18铰接；双作用千斤顶c171的活塞杆伸长时，机械手18顺时针转动；双作用千斤顶c171的活塞杆回缩时，机械手18逆时针转动。

所述机器人本体1还包括水下照明系统和摄像头装置，水下照明系统包括强光照明灯b252和强光照明灯c253；摄像头装置包括摄像头b262和摄像头c263；强光照明灯b252安装在转盘13与大臂基础15连接的一侧上，强光照明灯b252 能够提供近距离水平照明；摄像头b262安装在大臂基础15的前端上，摄像头 b262能够进行近距离水平摄像；通过摄像头b262传输到主控电脑上的摄像信息，操控人员可以实时从水平视角近距离观察机械手的水下作业状况；强光照明灯 c253和摄像头c263安装在机械大臂的中部下方，强光照明灯c253能够为作业部位提供近距离斜上方照明，摄像头c263能够为作业部位进行近距离斜上方摄像；通过摄像头c263传输到主控电脑上的图像信息，操控人员可以实时近距离从斜上方俯瞰机械手的作业状况。

所述转盘13的顶部还设置有电子罗盘22和水位计23，电子罗盘22用于实时监测机器人本体1的方位和姿态；水位计23用于实时监测机器人本体1所处的水深。

所述超声波测距仪24的信号电缆与水面以上的主控电脑相连，操控人员可以通过主控电脑实时读取机械手到作业面的距离。

所述监控系统2包括主控电脑21，主控电脑21位于水工建筑物顶部，其通过脐带41中的信号电缆与安装在机器人本体1上的监控设备相连，以此获取水下监控的信息，并在主控电脑21的屏幕上显示；水面以上的操作者根据主控电脑21显示的水下监控信息，通过监控系统2，指挥机器人完成各种水下施工作业；所述监控设备包括电子罗盘22、水位计23、超声波测距仪24、水下照明灯 a251、强光照明灯b252、强光照明灯c253、摄像头a261、摄像头b262和摄像头c263。

所述水上液压站3设于水工建筑物的顶部，水上液压站3通过脐带41中的液压管为机器人本体1中的液压设备提供动力；水工建筑物顶面的电源通过脐带41中的供电电缆为机器人本体1中的用电器供电。

所述脐带系统包括脐带41、脐带收放装置42和脐带浮球43；脐带41的一端卷绕在脐带收放装置42上，另一端与机器人本体1连接；所述脐带浮球43 用于将靠近机器人本体1部位的脐带和与机器人本体1连接的钢缆5收紧，并使此部位的脐带及钢缆始终位于机器人转盘的正上方，以防脐带或钢缆影响机器人的移动或作业；脐带浮球43的下方上还安装有强光照明灯a251和摄像头 a261，强光照明灯a251能够提供远距离大范围水下照明，摄像头a261能够进行远距离大范围水下摄像；通过摄像头a261传输到主控电脑上的摄像信息，操控人员可以实时掌控机器人水下作业的全貌。

为便于脐带41在水中移动，在脐带41中设有轻质材料，使单位长度脐带的重量等于脐带在水中的浮力；利用脐带收放装置42收放脐带；利用作业船上的起重设备通过钢缆5提放机器人本体1。机器人在进行水下作业时，应将脐带 41和钢缆5适当放松；当机器人的水下作业地点距水工建筑物较近时，可使用水工建筑物顶部的起重设备提放机器人本体1，可以省掉作业船；当机器人的水下作业地点距水工建筑物较远时，可将水上液压站3、主控电脑21、脐带收放装置42、电源等全部设施放在作业船上。

本实施例所述机械手构件a181为三角结构，三角结构由三个长方体结构铰接构成，在机械手构件a181上可以安装多种液压工具，以此可以进行多种水下作业；例如：需要进行水下钻孔时，可利用卡具将液压钻安装在机械手构件a 上，需要进行水下切割时，可利用卡具将液压金刚石链锯安装在机械手构件a 上。

本实施例所述水下机器人本体1的各液压设备的管路上设有电磁阀，利用电磁阀的启闭来运行或关闭液压设备；将水下机器人本体1所有液压管路上电磁阀的启闭电路集成在一起；电磁阀的启闭电路的控制电路通过信号电缆与主控电脑21相连，操控人员利用主控电脑21来运行或关闭液压设备；将水下机器人本体的电磁阀启闭电路、电器元件、控制电路设于密封舱内；密封舱设于转盘13的内部，电缆进出密封舱的部位均做密封处理；机器人本体1的所有电器、元件、电缆、接线均满足水下绝缘的要求。

本实施例所述水上液压站3，用于为水下机器人本体1上所有的液压设备及所携带的液压工具提供动力。

本实施例所述履带行走机构11，用于水下机器人本体1的前后移动及转弯。

本实施例所述转盘，用于带动机械大臂16转动。

所述配重14用于抵消机械大臂16、机械小臂17和机械手18在作业时所产生的倾覆力矩。

所述大臂基础15，用于支撑机械大臂16，通过控制双作用千斤顶a151使机械大臂16抬起或放下。

所述机械大臂16，用于连接和支撑机械小臂17，通过控制双作用千斤顶 b161能够使机械小臂17抬起或放下。

所述机械小臂17，用于连接和支撑机械手18，通过控制双作用千斤顶c171 可以带动机械手18转动。

所述机械手18，用于携带水下作业工具，可以完成水下施工作业。

所述主控电脑21，用于显示机器人水下作业的状况，用于指挥和控制机器人进行水下施工作业。

所述转数计数器，用于记录履带行走机构驱动轮的转数，以此计算机器人本体1移动的距离。

所述成像声纳，用于在水浑的情况下拍摄机器人水下作业的状况。

所述机械手构件a能够安装多种液压工具。

所述液压工具，用于水下作业，例如：在机械手构件a上安装液压钻后，机器人可以进行水下钻孔。

所述液压管，用于为机器人本体上的液压设备和液压工具传递液压动力。

所述信号电缆，用于传递摄像头、声纳、水位计、电子罗盘、测距仪等监控设备的信号。

所述供电电缆，用于为水下照明、摄像头、成像声纳、水位计、电磁阀、测距仪等提供电源。

本实施例所述水下三维多功能施工作水下机器人的工作流程如下：

(1)安装调试：

为了便于运输，该水下机器人的机械臂等部件是可拆装的；到达工程项目的施工地点后，对机器人进行组装；根据作业项目的具体需要，在机械手构件 a181上安装相应的液压工具182，例如：如果需要水下钻孔，则可在机械手构件a上安装液压钻；首先组装机器人的骨架，然后在机器人的骨架上安装液压设备、电子罗盘、水位计、摄像头装置、水下照明系统、传感器等装备；安装工作全部完成后，进行系统调试；

(2)水上运输：

当水下作业地点距水工建筑物较远时，可利用吊机将机器人本体1、水上液压站3、脐带系统4等吊放到作业船上的适当位置，作业船需具有足够的承载能力和足够的抗倾覆能力；利用作业船将机器人本体1运至作业地点；当水下作业地点距水工建筑物较近时，可将水上液压站3等设备放在水工建筑物的顶部，可利用陆地上的吊机通过钢缆5将机器人本体1吊放入水；

(3)入水前的定位：

利用全站仪或RTK定位系统确定水下机器人的入水位置；精心设计吊索，使吊索的中心位置即为水下机器人本体1转盘13中心的位置；将吊索的平面位置坐标输入主控电脑，作为机器人本体1在水下运动的起始点；

(4)入水前的检查：

在机器人本体1入水前，需对水下作业点的环境状况进行检查；使用流速仪测量作业点周围的流速；检查作业水域的能见度，如果能见度较好，则使用摄像头检查水底的状况，尤其要注意检查水下建筑物的状况和水底淤泥的状况；如果能见度较差，则使用成像声纳进行探测，将机器人本体1上的摄像头用成像声纳替代，并取消机器人本体1上所有的水下照明灯；

(5)入水前的准备：

根据检查结果，进行机器人本体1入水前的准备；如果水底存在淤泥，则使用排泥泵等方式，将淤泥清除；如果环境的流速太大，则应采取措施，防止钢缆5与脐带41的绞缠，并应测量和计算在水流作用下机器人本体1到达底部时的实际位置相对于入水前已测定位置的偏移量，据此修正机器人本体1水下运动起始点的位置；

(6)机器人入水：

使用作业船上的吊机通过钢缆将机器人本体1吊放入水；在吊放机器人过程中，脐带收放装置同步布放脐带；在入水过程中，应通过机器人配备的摄像头观察周围水体的状况，利用机器人配备的水位计23测量机器人所处的水深；在接近水底时，应放缓下放的速度，应仔细观察水底的地形地貌及障碍物等环境状况；利用安装在脐带浮球43上的摄像头a261随时观察机器人的状态。

(7)机器人对作业环境进行处理：

利用机器人本体1所配备的摄像装置对作业环境进行更详细地检查，对影响水下作业的障碍物进行清理，对作业环境中残留的淤泥进行彻底清除，以创造能见度良好的水下作业环境；

(8)水下作业：

操作者利用监控系统控制机器人本体1进行水下作业；机器人本体1利用安装在机械手构件a181上的液压工具182来完成水下作业；以水下钻孔为例，说明水下作业方法：利用卡具将液压钻固定在机械手构件a181上；此时的液压钻的开关处于常开状态，利用液压管路上电磁阀的启闭来实现液压钻的启闭；利用转盘13的转动、机械大臂16和机械小臂17的组合运动，可以调整液压钻的位置、高度；利用机械手构件a181的转动，可以调整液压钻钻杆的角度；利用安装在机械手构件a181端部的超声波测距仪24，可以实时测量机械手构件 a181端部至作业面的距离,主控电脑21据此可以实时推算钻孔深度；操作者通过主控电脑21显示的水下视频及相关数据，能够实时掌握水下机器人本体1的作业状况；操作者通过主控电脑21可以指挥机器人完成水下钻孔作业。

(9)定位方法：

机器人在作业时的定位可采用如下方式：利用电子罗盘22实时确定机器人的运动方向，利用履带驱动轮计数器实时记录机器人运动的距离，利用机器人入水时转盘13中心点的坐标作为机器人水下移动起始点的坐标；这些数据被录入主控电脑，主控电脑以此生成机器人在水下移动的轨迹，据此可以实时确定作业点的位置；机器人在作业过程中的移位方式：宜直进、直退，需要向旁边移动时，宜先原地900转弯，然后再直进、直退，这种方式有利于作业时的精确定位；

(10)机器人出水：

机器人本体1完成水下作业后，可使用船上的吊机将其吊出水面；在起吊前，需控制机器人本体1回到原先入水时的位置；然后关闭所有液压设备；吊机提升钢缆，脐带收放装置同步回收脐带；最后将脐带浮球及机器人本体1提出水面，并放至船上适当部位；在机器人本体1出水过程中，应防止发生碰撞，以免损坏机器人本体1上所配置的各种仪器、设备。

Claims (6)

1.一种水下三维多功能施工作业机器人，其特征在于，主体结构包括：机器人本体、监控系统、水上液压站和脐带系统；脐带系统包括脐带；脐带包括液压管、信号电缆和供电电缆；机器人本体通过脐带的液压管与水上液压站连接，机器人本体通过脐带的信号电缆与监控系统连接，机器人本体通过供电电缆与水上电源连接；

所述机器人本体包括履带行走机构、底座、转盘、配重、大臂基础、机械大臂、机械小臂、机械手、双作用千斤顶a、双作用千斤顶b和双作用千斤顶c，所述履带行走机构的顶部与底座固定连接；所述转盘位于底座顶部，转盘与底座通过螺栓连接，转盘的一侧固定安装有配重，转盘的另一侧通过螺栓固定安装大臂基础；大臂基础一侧与转盘固定连接，另一侧与机械大臂铰接；机械大臂整体呈倒L形，机械大臂的两端分别与大臂基础和机械小臂铰接；机械小臂的两端分别与机械大臂和机械手铰接；所述机械手包括机械手构件a和液压工具，机械手构件a与机械小臂铰接，机械手构件a与液压工具之间通过卡具连接；双作用千斤顶a的缸体端与大臂基础铰接，双作用千斤顶a的活塞杆端与机械大臂的中部下方铰接；双作用千斤顶b的缸体端与机械大臂的中部上方铰接，双作用千斤顶b的活塞杆端与机械小臂铰接；双作用千斤顶c的缸体端与机械小臂铰接，双作用千斤顶的活塞杆端与机械手铰接。

2.根据权利要求1所述的水下三维多功能施工作业机器人，其特征在于，在机械手构件a的端部安装有超声波测距仪。

3.根据权利要求1所述的水下三维多功能施工作业机器人，其特征在于，所述机器人本体还包括水下照明系统和摄像头装置，水下照明系统包括强光照明灯b和强光照明灯c；摄像头装置包括摄像头b和摄像头c；强光照明灯b安装在转盘与大臂基础连接的一侧上；摄像头b安装在大臂基础的前端上；强光照明灯c和摄像头c安装在机械大臂的中部下方。

4.根据权利要求1所述的水下三维多功能施工作业机器人，其特征在于，所述转盘的顶部还设置有电子罗盘和水位计。

5.根据权利要求1所述的水下三维多功能施工作业机器人，其特征在于，所述监控系统包括主控电脑，主控电脑位于水工建筑物顶部。

6.根据权利要求1所述的水下三维多功能施工作业机器人，其特征在于，所述脐带系统还包括脐带收放装置和脐带浮球；脐带的一端卷绕在脐带收放装置上，另一端与机器人本体连接；所述脐带浮球位于机器人本体转盘的正上方，将靠近机器人本体部位的脐带和与机器人本体连接的钢缆收紧；脐带浮球的下方上还安装有强光照明灯a和摄像头a。

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