具备轨迹纠正功能的螺旋桨驱动左右摆动绞吸式清淤机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种清淤机器人。

背景技术：

由于国内很多明渠的总干渠投入运行以来，沿线用水户依赖程度逐渐加深，供水保证率要求高，在今后的运行中，明渠的总干渠输水的希望值是不间断供水。然而，与其他明渠一样，这些明渠总干渠在其运行期间，不可避免在输水渠道及与之交叉的排洪建筑物内形成大量的淤积物，影响供水及危及总干渠安全。为保证不间断供水及总干渠安全，并减轻清淤过程中的二次污染，有必要研究一种水下清淤机器人

结合明渠总干渠运行要求及现场条件，水下清淤机器人应能适应渠道淤积和涵洞倒虹吸淤塞等不同环境，具备淤积物清理等功能，实现无害化连续可移动快速清淤。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种具备轨迹纠正功能的螺旋桨驱动左右摆动绞吸式清淤机器人，能够实现水下无害化连续移动快速清淤。

所述的具备轨迹纠正功能的螺旋桨驱动左右摆动绞吸式清淤机器人，其特征在于：包括：平台框架、船体、螺旋桨推进器、左右摆动绞吸机构、清淤机构、泵送机构、轨迹纠正单元和控制单元；

所述船体作为所述清淤机器人的行走机构，设置在所述平台框架底部；所述螺旋桨推进器在所述控制单元的控制下为船体前行提供动力；所述船体内部设置有浮箱；

所述左右摆动绞吸机构设置在所述船体前端，包括：旋转底座、安装座、伸缩臂和绞吸头；所述旋转底座设置在所述船体上，用于带动左右摆动绞吸机构在设定角度范围内左右摆动；所述安装座固定在旋转底座上，所述伸缩臂的一端与所述安装座销接，另一端连接绞吸头；所述绞吸头包括：罩体、螺旋绞吸头和马达；所述罩体为底部开口，左右两边均设置有缺口的空心结构，所述螺旋绞吸头设置在所述罩体内部，所述螺旋绞吸头在固定在所述马达的驱动下绕竖直方向转动；所述马达固定在所述罩体上；

所述泵送机构设置在所述船体上，与设置在所述罩体顶部的吸泥砂管相连，所述泵送机构用于将所述绞吸头绞吸的淤泥泵送到地面；

所述清淤机构包括机械臂和收集筐，当所述左右摆动绞吸机构完成清淤后，从所述安装座上拆除伸缩臂和绞吸头，在所述安装座上安装机械臂；所述收集筐设置在所述平台框架顶部；所述机械臂在所述控制单元的控制在设定位置完成拾取动作，并将拾取物放入所述收集筐内；所述旋转底座和机械臂均受控于所述控制单元；

所述控制单元接收上位机的控制指令，控制所述螺旋桨推进器、左右摆动绞吸机构和清淤机构工作；

所述轨迹纠正单元包括：四个拖杆；在所述平台框架横向两侧的同一水平面上各设置一根与涵洞两侧壁面平行的纵梁，每根纵梁的前后两端各设置一个绞轴，每个绞轴内部安装一个角度传感器，在每个绞轴处安装一根拖杆，所述拖杆一端铰接在绞轴上，另一端向斜后方延伸后与对应侧的涵洞侧壁接触；初始时，位于同侧的两根拖杆与涵洞侧壁的夹角为相同的设定值；所述角度传感器实时监测其所在位置拖杆与涵洞侧壁的夹角，并发送给所述控制单元；

当监测到位于同侧的两根拖杆与涵洞侧壁的夹角的差值超出所述控制单元内预设的差值范围时，所述控制单元控制履带底盘纠正所述清淤机器人的行进方向，直至位于同侧的两根拖杆与涵洞侧壁的夹角的差值在预设的差值范围内。

进一步的，还包括设置在所述平台框架前端中间位置安装测高仪以及设置在所述平台框架上的姿态传感器；

当所述清淤机器人用在纵向截面为倒梯形的涵洞时，所述姿态传感器实时监测清淤机器人的姿态并发送给上位机，依据所述姿态传感器所监测的姿态数据能够获知所述清淤机器人当前处于涵洞进口下斜坡段、平面段或涵洞出口上斜坡段；当所述清淤机器人处于平面段时，所述测高仪实时测量所述清淤机器人所在位置到涵洞出口上斜坡的距离，并发送给上位机，所述上位机结合已知的涵洞的总长获得所述水下清淤机器人距离涵洞入口的距离。

进一步的，还包括防撞导向装置，所述防撞导向装置包括对称设置在所述平台框架左右两侧的防撞轮组，每侧的防撞轮组包括两个以上位于同一竖直面内的防撞轮，所述防撞轮的轴线沿竖直方向。

进一步的，还包括视觉单元，所述视觉单元用于实时获取清淤机器人所在环境的图像，并通过光电复合电缆传输至地面的上位机；所述视觉单元包括：前置声纳、前置照明摄像单元、后置前照明/摄像单元和后置后照明/摄像单元；其中所述前置声纳设置在平台框架前端中部，在所述平台框架上前端的左右两侧各设置一个镜头朝向前方的前置照明/摄像单元，在所述平台框架后端的中间位置分别设置镜头朝向前方的后置前照明/摄像单元和镜头朝向后方的后置后照明/摄像单元。

有益效果：

(1)该清淤机器人采用螺旋桨驱动船体行进和左右摆动绞吸的方式进行淤泥的收集和泵送，能够实现水下无害化连续移动快速清淤；由于具备轨迹纠正单元，能够防止清淤机器人，使清淤机器人能够可靠的进行淤泥的清理和障碍的清除。

(2)设置清淤机构，能够在吸淤泥前实现水下石块和树枝等较大杂物的拾取，使得吸淤效率更高。

(3)设置防撞导向装置不仅能够防止清淤机器人整车撞坏涵洞内的墙壁，还能够实现定轨道淤泥的清理和障碍的清除。

(4)清淤机构中的机械臂能够与高压水枪或铲刮板等工具相配合，清除涵洞内壁四周出现的贝壳等附着生物。

附图说明

图1该清淤机器人的组成示意图；

图2为该清淤机器人的整体结构示意图；

图3为该清淤机器人船体的结构示意图；

图4为该清淤机器人左右摆动绞吸机构的结构示意图；

图5为带马达的绞吸头的结构示意图；

图6为清淤机构的结构示意图；

图7为防撞导向装置的结构示意图；

图8为视觉单元的结构示意图；

图9为轨迹纠正单元的结构示意图。

其中：1-船体，2-螺旋桨推进器，3-泵送机构，4-左右摆动绞吸机构，5-防撞导向装置，6-收集框，7-清淤机构，8-视觉单元，9-平台框架、13-船板、14-浮箱、15-行走轮、16-支撑机构、17-旋转底座、18-安装座、19-支撑油缸、20-伸缩臂、21-绞吸头、22-罩体、23-螺旋绞吸头、24-吸泥砂管、25-马达、26-滚轮、27-收集篓、39-前置声纳、40-前置照明摄像单元、41-后置前照明/摄像单元、42-后置后照明/摄像单元、46-支撑架、47-防撞轮、48-旋转轴、57-拖杆、58-角度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例中提供一种螺旋桨驱动潜艇式左右摆动绞吸式清淤机器人，能够实现水下无害化连续移动快速清淤。

如图1和图2所示，该清淤机器人包括平台框架9、船体1、螺旋桨推进器2、左右摆动绞吸机构4、清淤机构7、防撞导向装置5、泵送机构3、控制单元和视觉单元。其中船体1、螺旋桨推进器以及防撞导向装置组成行走平台系统，左右摆动绞吸机构4和清淤机构7为执行部分。

如图3所示，该清淤机器人采用船体1作为行走机构，船体1尾部安装螺旋桨推进器2，螺旋桨推进器2为船体1前行提供动力，即船体1在螺旋桨推进器2作用下沿着涵洞向前行进。也可在船体1的尾部和首部同时安装螺旋桨推进器2，实现清淤机器人在两个方向的行进。船体1包括：船板13、浮箱14、行走轮15和支撑机构16。船体1内部左右两侧各设置一个浮箱14，使该船体能够像潜艇一样上浮和下潜；且每侧的一个浮箱分割成前后两个独立的子浮箱，且左右两个前子浮箱相通的，两个后子浮箱相通，两个前子浮箱共用一个给排水机构，两个后子浮箱共用一个给排水机构。其作用为能够保证船体1的前倾和水平还有上扬，由此使该清淤机器人可以模仿轿车行走在下降通道和上升通道，当然，也可以行驶在水平通道。该功能通过浮箱内置的给排水机构实现，即当要船体1走下坡时，只要通过给排水机构给位于前方的左右两个子浮箱多充水，保证船体1后面的左右浮箱适当的少充水，通过船体1上设置在的姿态传感器(姿态传感器实时监测船体的姿态，并将监测的姿态数据上传给岸上的上位机)的倾角的显示，再结合给排水机构注入前后箱体的水的重量的不同，可以调整船体1向下倾斜的角度，使其与下坡的坡度一致，即使得船体与下坡的坡度与水平面的夹角相同，也就是船体1与下坡的坡度是平行的。同样也可以调整船体呈水平或上扬。

船体1下方左右两侧各设置两个支撑轮15，每侧的两个支撑轮15前后布置，每个支撑轮15下都装有压力传感器，对浮箱14进行充放水时，实时监测各压力传感器，当每个压力传感器的压力为零时，表明此时船体1与地面不接触，处于漂浮状态，此时驱动船体向前行驶，能够有效减小与地面的摩擦。

在船体1左右两侧各设置两个支撑机构16，支撑机构16为伸缩油缸，且其缸体端与船体相连，船体1处于行驶状态时，支撑机构16收缩，当船体1停下来进行清淤作业的时候，由于船体1浮箱内灌满水，加上船体和其上机械部件的重量合计水中重量较大，容易导致船体1左右摆动，此时，将支撑机构16伸出，直接支撑到对应侧的涵洞墙面上，由此保证船体1不会左右摆动，利于清淤作业。

该清淤机器人采用左右摆动绞吸机构吸淤泥，如图4所示，左右摆动绞吸机构设置在船体1前端中心位置，包括：旋转底座17、安装座18、支撑油缸19、伸缩臂20和带马达的绞吸头21。其中旋转底座17设置在船体1上，用于带动左右摆动绞吸机构在设定角度范围内转动，实现左右摆动；安装座18一端固定在旋转底座17上，另一端与伸缩臂20的一端通过销轴连接，伸缩臂20能够绕该销轴转动，实现上下摆动。伸缩臂20的另一端铰接绞吸头21。支撑油缸19的缸体端固定在安装座18上，活塞杆端斜下上倾斜后与伸缩臂20相连，左右摆动绞吸机构正常工作时，支撑油缸19处于自由伸缩状态，通过支撑油缸19实现自由浮动，能够达到减振的效果；维修时，通过支撑油缸19将绞吸头21支起，便于维修更换绞吸头21。

带马达的绞吸头21的结构如图5所示，包括：罩体22、螺旋绞吸头23、吸泥砂管24、马达25和滚轮26。罩体22为底部开口，左右两边均设置有缺口的空心柱形结构，罩体22内部设置螺旋绞吸头23，螺旋绞吸头23由固定在罩体22顶部的马达25驱动绕竖直方向转动。罩体22底部沿圆周方向设置有四个滚轮26，使绞吸头21左右摆动绞吸淤泥时能够在地面滚动，减小摩擦阻力。

左右摆动绞吸机构的工作原理为：设置有罩体22的绞吸头21负责搅动和收集淤泥，罩体22顶部设置有抽吸淤泥的管道(即吸泥砂管24)，吸泥砂管24与泵送机构3相连，绞吸头21搅拌后的污泥通过吸泥砂管24进入设置在船体1上的泵送机构。泵送机构3主要由潜水电机和抽砂泵组成，通过抽砂泵将淤泥泵送到地面。

由于涵洞中除淤泥外，还会存在石块和树枝，在船体1的左右两侧还设置有收集篓27，收集篓27前端开口，船体前行过程中，收集篓27如同撮箕一样收集石块和树枝；等涵洞的淤泥收集和泵送结束后，收集篓27前端开口上扬，避免石块和树枝滑出篓子，通过收集篓27将石块和树枝直接带回地面。

当渠道的吸淤系统完成清淤后，可以将吸淤系统拆除，在旋转底座17上安装清淤机构7，再到渠道进行大石块的拾取。如图6所示，清淤机构7为五轴机械臂，五轴机械臂的一端与安装座18相连，通过旋转底座17带动机械臂绕竖直方向转动，实现机械臂在周向不同位置操作。机械臂在控制单元的控制下实现水下石块和树枝的拾取，旋转底座17负责整个机械臂的旋转，从而拾取前方的石块和树枝后，向后旋转到设置在平台框架9(平台框架9设置在船体1上)上的收集筐6里面，最后由清淤机器人带回到地面。

如图7所示，为防止水下清淤机器人整车撞坏涵洞内的墙壁，在平台框架9上设置有防撞导向装置，防撞导向装置包括：对称设置在平台框架9左右两侧的胶轮组，每侧的胶轮组包括四个在竖直面内呈矩形分布的防撞轮47，防撞轮47的轴线沿竖直方向，具体安装方式为：支撑架46的一端与平台框架9相连，另一端通过轴承与旋转轴48相连，防撞轮47通过轴承套装在与旋转轴48外部。防撞导向装置的主要作用是当履带底盘跑偏时，可以防止水下清淤机器人整车撞坏涵洞内的墙壁；同时清淤机器人在行进时可以一侧或两紧贴涵洞墙面顺着墙边行驶，实现定轨道淤泥的清理和障碍的清除。如针对3米的涵洞，假设设计车身1.5米宽，可以直接将防撞导向装置两边各设计为0.7米宽，由此，水下清淤机器人可以直接依靠两边的各四个胶轮顺着涵洞前行，实现定轨道淤泥的清理和障碍的清除。对于大于3米小于等于6米的涵洞，可以让一边的四个胶轮贴墙，顺着墙边行驶，完成定距离的清淤后，再让另外一边的四个胶轮也贴墙顺着墙边行驶，完成另外一半的定距离的清淤。由此通过两次的进出涵洞，就可以完成涵洞的定距离清淤工作。

如图8所示，视觉单元包括：安装在平台框架9上的前置声纳39、前置照明/摄像单元40、后置前照明/摄像单元41和后置后照明/摄像单元42。其中前置声纳39设置在平台框架9前端中部，在平台框架9上收集筐6前端的左右两侧各设置一个镜头朝向前方的前置照明/摄像单元40，平台框架9上收集筐6后端的中间位置分别设置后置前照明/摄像单元41和后置后照明/摄像单元42，其中后置前照明/摄像单元41的镜头朝向前方，后置后照明/摄像单元42的镜头朝向后方。视觉单元中的用于将通过照明/摄像单元采集水下的图像以及通过声纳探测得到的图像轮廓，通过水下清淤机器人尾端的光电复合电缆传输到地面的上位机，通过上位机的多屏幕显示器显示在屏幕上，便于地面人员根据图像操控上位机的操纵杆和数据处理系统联合向下位机(即清淤机器人的控制单元)发出指令，指导清淤机器人水下执行机构(吸淤泥机构和清淤机构)工作。

控制单元为设置在平台框架上的下位机，下位机与地面上的上位机配合，实现对清淤机器人的控制，控制单元包括液压控制单元和电控单元，液压控制单元用于控制该清淤机器人上的液压部分，如绞吸头21中的马达25，五轴机械臂也采用液压动力源，清淤机器人上的电子元器件均受控于电控单元。水下清淤泥机器人尾端联有给下位机(即船体1上的电子舱)提供光纤和动力电缆的光电复合电缆，还有保证水下泥水输送的管线(与泵送机构相连)。

该清淤机器人有两种应用环境如下：

第一种：人工的河道是明渠，笔直的，水流顺流而下，水流截面为倒梯形蓝。个别时候也要经过横在河道的桥梁或者暗洞。要求水下设备不可将河道两边的岸堤或桥墩碰坏。更不能将涵洞的四面墙壁碰坏，也不能人工下水去救助水下设备，而是要水下设备自行返回地面。需要水下设备实现河道淤泥的清理和障碍(石头或树枝，编织物)的清除。

第二种：人工河道本身是横穿明渠下方，且在明渠之下的倒梯形涵洞，且是满水状态下，水流截面是正方形，倒梯形涵洞本身总长在几百米左右。通常称为穿渠涵洞。河水浑浊。可以明确知道的是穿渠涵洞自身内部所有尺寸(如洞长，倒梯形坡度，坡度俯视长度，纵坡面样貌和所有相关尺寸)。要求水下设备不可将倒梯形涵洞四面墙壁碰坏，也不能人工下水去救助水下设备，而是要水下设备自行返回地面。需要水下设备实现涵洞淤泥的清理和障碍(石头或树枝，编织物)的清除。

为保证清淤机器人能够可靠的进行淤泥的清理和障碍的清除，防止其跑偏，在该清淤机器人上设置轨迹纠正单元，如图9所示，轨迹纠正单元包括：四个拖杆57。在平台框架9横向两侧的同一水平面上各设置一根与涵洞的两侧面相平行的纵梁，每根纵梁的前后两端各设置一个绞轴，共计四个绞轴，每个绞轴内部安装一个角度传感器58，在每个绞轴处安装一根拖杆57，拖杆57一端铰接在绞轴上，另一端向斜后方延伸后与对应侧的涵洞侧壁接触。为保证不破坏涵洞侧壁，拖杆57与涵洞侧壁接触端设置有滚轮，拖杆57通过滚轮与涵洞侧壁接触。同侧的两根拖杆57与涵洞侧壁的夹角为相同的设定值。角度传感器58实时监测其所在位置拖杆57与涵洞侧壁的夹角，并发送给岸边上位机。

为了保证清淤机器人向前运行时，拖杆57端部始终紧贴在涵洞侧壁上，需要给其与绞轴的连接处安装大力矩扭簧，或者，在纵梁和拖杆57之间安装伸缩油缸，目的在于保证拖杆57的一端始终紧贴涵洞的侧面。

轨迹纠正单元的工作原理为：当水下清淤机器人正常前行时，平台框架同一层水平面的两根梁上绞轴联接的四根拖杆57与涵洞两侧壁紧密贴紧，而且同一侧面的的两根拖杆57与涵洞侧臂的夹角在水下机器人不跑偏情况下，应该是相等的，一旦出现跑偏，假设向右边跑偏，这样，就会导致左侧平台框架前端拖杆与涵洞侧壁的夹角增大，后端拖杆与涵洞侧壁夹角减小。角度传感器实时监测各个拖杆与涵洞侧壁的夹角，并发送给上位机，当通过监测的夹角判断水下机器人跑偏时，通过控制履带底盘(即控制履带底盘的马达)实现对清淤机器人的纠偏，确保同侧两根拖杆的夹角的数据相差不断减小，直到相等，由此实现纠偏，可以有效避免清淤机器人撞到涵洞的侧面墙壁。

该轨迹纠正单元特别适合涵洞的横截面较小情况下使用。

在实现上述轨迹纠正功能的基础上，可以在平台框架9上安装姿态传感器和测高仪实现水下清淤机器人在涵洞里的定位。具体为：测高仪安装在平台框架9前端中间位置，测高仪为长量程测高仪，自定位过程为：姿态传感器实时监测清淤机器人在x轴、y轴、z轴(z轴与竖直方向一致)的倾斜角度并反馈到地面的上位机，测高仪实时将测量数据反馈到地面的上位机；依据所述姿态传感器所监测的姿态数据能够获知清淤机器人当前处于涵洞进口下斜坡段、平面段或涵洞出口上斜坡段，如当水下清淤机器人从涵洞进口往下走斜坡时，姿态传感器向上位机提供一个机身向下倾斜的数据，表明此时清淤机器人位于涵洞进口的下斜坡上；当向下的斜坡走完，姿态传感器向下倾斜的数据可能接近为零，相当于开始走倒梯形底边，因为进口斜坡的俯视距离比较短，也是事先已知，唯一不能确认的是水下清淤机器人距离涵洞入口的距离，此时平台框架前端的长量程测高仪能够测量出自身到涵洞出口斜坡的距离，并发送给上位机，上位机依据已知的涵洞的总长能够反算水下清淤机器人距离涵洞入口的距离，由此能够实现水下清淤机器人的自身定位，从而开展涵洞的清理淤泥和障碍工作。

实施例2：

在上述实施例1基础上，增加清洗系统，所述清洗系统包括机械臂、绑缚在机械臂上的高压水枪以及设置在地面与高压水枪通过水管相连的高压清洗泵。

清洗系统的功能如下：

(1)由于现有涵洞均具有内倒角，清淤机器人很难用清淤机构将其完全清干净，当在完成涵洞主要清淤工作后，在五轴机械臂上绑缚高压水枪，实现对涵洞左右两边内倒角处淤泥的冲洗清理，将其冲洗到涵洞的中央，然后再通过清淤机器人的左右摆动绞吸机构4进行收集和泵送，将涵洞内残留的淤泥泵送到地面的泥水分离设备中。

(2)当涵洞内壁附着有贝壳类的生物时，由于附着力不强，涵洞两侧面和顶部可以通过高压水枪冲洗的方式将贝壳类的附着物直接冲洗清理后，再由清淤机器人的左右摆动绞吸机构4进行淤泥和贝壳的收集和泵送，完成涵洞内的清淤工作。

(3)由于清淤机器人是一机两用，即在渠道里使用，又要在涵洞里使用，因此，当清淤机器人从涵洞里使用完毕后，通过高压水枪对清淤机器人进行冲水清洗后，再到明渠里进行淤泥的收集和泵送。

实施例3：

在上述实施例1的基础上，由于目前部分地区的涵洞内壁四周出现附着的贝壳生物，附着力不强，直径在10-60毫米之间。针对这种特殊淤积物，水下清淤机器人衍生出铲刮系统，具体为，在清淤机器人的五轴机械臂的末端安装铲刮板，通过五轴机械臂下的旋转平台旋转，使得五轴机械臂垂直涵洞的侧壁，通过安装在其前端的铲刮板，再通过五轴机械臂的前伸实现对涵洞两侧内壁的贝壳等附着物的铲刮，最后通过清淤机器人的左右摆动绞吸机构4进行淤泥和贝壳的收集和泵送，完成涵洞内的清淤工作。涵洞顶端的贝壳生物还是需要依靠上述实施例3中高压水枪的冲洗，将贝壳附着生物冲洗下来，再通过清淤机器人清理。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。