本发明涉及一种水下非开挖穿缆机器人作业系统及作业方法，属于水下工程技术领域。
背景技术：
我国的水域面积广阔，航运业和海洋开发业发展迅猛，是我国经济的重要组成部分。沉没于重要港口或者航道的船舶、物品等不仅会降低港口或者航道的通行能力，严重时还会危及过往船只的安全，而水下打捞就可以达到清理港口和航道的目的，避免沉船沉物成为来往船只通航的障碍。在沉船沉物的打捞中，非常重要的一个环节就是在沉船或沉物的下方泥土环境中攻打千斤洞。将水下非开挖穿缆机器人应用于沉船沉物的打捞可以提高打捞工作的效率和安全性，降低打捞成本，进一步加快我国海运事业和海洋开发领域的发展。
此外，本专利还可应用于需要泥下非开挖穿缆的工程领域。例如通信电缆、管线的非开挖铺设等。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供一种水下非开挖穿缆机器人作业系统及作业方法，解决的技术问题是针对目前潜水员水下作业进行水下打捞攻打千斤洞或泥下非开挖穿缆的现状，提高沉船沉物打捞攻打千斤洞以及泥下非开挖穿缆的效率和安全性，进一步提高我国海运业和海洋开发领域的发展。
本发明的目的是这样实现的：包括辅助作业系统和设置在辅助作业系统内的机器人本体，所述机器人本体包括依次连接的转向装置、冲击装置、前节间连接装置、前支撑装置、推进装置、后节间连接装置和后支撑装置，所述转向装置包括回转液压缸、通过连接件与回转液压缸输出端连接的冲击头支撑板、设置在冲击头支撑板上的俯仰液压缸、设置在冲击头支撑板上的一对支撑件、设置在一对支撑件中的冲击头俯仰运动轴、设置在冲击头俯仰运动轴外的冲击头壳体、设置在冲击头壳体内的滑道、设置在滑道中的滑块，滑块与俯仰液压缸的输出端连接，所述滑道穿过所述冲击头俯仰运动轴；所述前支撑装置和后支撑装置结构相同，均包括：支撑液压缸、设置在支撑液压缸缸筒输出端面上的四个扇形连接块、四个直角杠杆、四个直角滑块、四个支撑板，相邻两个扇形连接块之间设置有一对立板，每对立板之间设置有一根销轴，四个直角杠杆的中间位置设置在对应的销轴上，且每个直角杠杆的两端部均为圆形结构，所述支撑液压缸的活塞杆上、四个直角滑块上分别对称设置有四个凹槽，四个直角杠杆的两端部分别设置在对应的直角滑块的凹槽中和支撑液压缸活塞杆的凹槽中，四个支撑板分别和四个直角滑块固连；回转液压缸的端部与冲击装置连接，冲击装置的端部与前间接连接装置连接，前间接连接装置的端部与前支撑装置的连接块连接，前支撑装置的支撑液压缸的端部连接推进装置，推进装置的端部连接后连接装置，后连接装置的端部与后支撑装置的连接块连接。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述辅助作业系统包括辅助作业系统框架、设置在辅助作业系统框架内的液压油源和液压阀箱以及姿态调节机构、设置在辅助作业系统框架内顶端的缆线绞轮、设置在姿态调节机构输出端上的导入机构，所述机器人本体设置在导入机构内。
2.所述前间接连接装置和后间接连接装置均为虎克铰。
3.所述推进装置是双作用液压缸或做好防水防泥措施的电机丝杠螺母机构。
4.一种水下非开挖穿缆机器人作业方法，包括作业系统，步骤如下：
(1)将机器人本体安置在辅助作业系统的导入装置中，利用辅助作业系统的角度调节机构对机器人的入泥角度进行调节，以便按照预先规划的运动路径进入泥土环境实施作业任务；
(2)机器人本体以及辅助作业系统在工作母船和rov协助下到达预定水下作业地点，准备开始实施水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务；
(3)机器人本体的支撑装置支撑导入装置内壁，为冲击装置首次冲击泥土提供轴向的稳定性，冲击装置往复运动带动冲击头冲击前方泥土形成孔道，完成第一个冲击行程；
(4)前支撑装置脱离导入装置的内壁，后支撑装置保持支撑导入装置内壁的姿势不变，推进装置推动前支撑装置前进一个冲击行程，后支撑装置支撑导入装置内壁产生的静摩擦力来抵抗推进时产生的反作用力；
(5)后支撑装置脱离导入装置的内壁，前支撑装置转变为支撑导入装置内壁的姿势，推进装置拉动后支撑装置前进一个冲击行程，前支撑装置支撑导入装置内壁产生的静摩擦力用于抵抗推进装置拉动后支撑装置时产生的轴向反作用力；
(6)继续进行(3)～(5)的作业流程，直到机器人本体整体进入水下泥土环境之中；
(7)机器人本体全部进入泥土环境之后，继续执行(3)～(5)的作业流程，不同的是支撑装置由支撑导入装置内壁改为支撑在泥土中形成的孔道内壁，直到机器人本体在预设位置从泥土环境中爬出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在工作母船上将水下非开挖穿缆机器人本体安置在辅助作业系统的导入机构中，利用辅助作业系统的姿态调节机构对机器人的入泥角度进行调节，以便按照预先规划的运动轨迹进入泥下实施作业任务；其次，机器人本体以及辅助作业系统在工作母船和rov的协助下到达预定水下作业地点；然后，水下非开挖穿缆机器人进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务；最后，机器人本体在预设的位置从泥下爬出。本发明提供了一种水下非开挖穿缆机器人作业系统，在进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆等作业任务时，只需将本发明放置在规划好的水下作业地点，其就可以自主地进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务，工作效率和安全系数高。
附图说明
图1是本发明机器人本体结构示意图；
图2是本发明总体结构示意图；
图3是本发明转向装置示意图；
图4是本发明蠕动推进装置示意图；
图5是本发明支撑装置示意图；
图6是本发明支撑液压缸缸体的细节示意图；
图7是本发明支撑装置装配细节示意图；
图8是本发明支撑装置装配细节剖视示意图；
图9是本发明节间连接装置示意图；
图中主要标号说明：1.冲击装置，2.转向装置，3.支撑装置，4.节间连接装置，5.推进装置，6.辅助作业系统，201.冲击头壳体，202.滑块，203.冲击头俯仰运动轴，204.俯仰液压缸，205.支撑件，206.支撑件，207.冲击头支撑板，208.连接件，209.回转液压缸，301.支撑液压缸，302.连接块，303.直角滑块，304.支撑板，305.支撑液压缸活塞杆，306.直角杠杆，307.销轴，308.安装孔(立板上的)，309.安装孔，310.滑槽，401.半节间连接装置，402.半节间连接装置，403.外端盖，404.十字形轴，405.内端盖，406.半节间连接装置，601.辅助作业系统框架，602.液压阀箱，603.液压油源，604.姿态调节机构，605.导入机构，606.缆线绞轮。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的水下非开挖穿缆机器人作业系统主要由冲击装置1、转向装置2、支撑装置3、节间连接装置4、推进装置5和辅助作业系统6等组成，支撑装置、节间连接装置和推进装置等三部分共同实现水下非开挖穿缆机器人泥下的蠕动推进，水下非开挖穿缆机器人的各个组成部分均采用液压驱动，主要用于完成水下打捞攻打千斤洞及泥下穿缆的作业任务。由于水下非开挖穿缆机器人作业系统采用液压驱动，比气动方式拥有更大的驱动力，在冲击装置冲击形成孔道后，支撑装置的支撑板进一步挤压孔道内壁，使孔道更大更牢固，有利于缆线的穿引。
本发明主要用于水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业，可提高水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业的效率和安全性。在进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务时，首先在工作母船上将机器人本体置于辅助作业系统6的导入机构605中，利用辅助作业系统6的角度调节机构604对机器人的入泥角度进行调节，以便按照预先规划的运动轨迹进入泥下实施水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务；其次，机器人本体以及辅助作业系统在母船吊放设备及rov的协助下到达预定作业地点；然后，水下非开挖穿缆机器人进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务；最后，机器人本体在预设的位置从泥下爬出，完成水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务。
所述的转向装置2主要由冲击头壳体201、滑块202、冲击头俯仰运动轴203、俯仰液压缸204、支撑件205、支撑件206、冲击头支撑板207、连接件208、回转液压缸209等组成。机器人的转向装置为一个俯仰运动机构和一个绕本体轴向的回转运动机构的组合，俯仰运动和回转运动组合即可实现水下非开挖穿缆机器人沿规划轨迹进行转向。
所述的支撑装置3主要由支撑液压缸301、连接块302、直角滑块303、支撑板304、支撑液压缸活塞杆305、直角杠杆306、销轴307等组成，支撑装置3是水下非开挖穿缆机器人实现蠕动推进的重要装置，支撑装置3基于杠杆原理进行设计，将支撑液压缸活塞杆305的往复运动转变成为支撑板304沿径向的伸缩运动，用于支撑或者脱离千斤洞孔道内壁。
所述的支撑装置3有两个，分别为前支撑装置和后支撑装置，靠近冲击装置1的为前支撑装置，远离冲击装置1的为后支撑装置，前支撑装置与后支撑装置交替支撑孔道内壁，实现水下非开挖穿缆机器人在泥下的蠕动推进，具体作业方式如下：首先，前支撑装置3与后支撑装置3均张开支撑板304，支撑导入装置605或千斤洞内壁，为冲击装置1冲击泥土提供轴向的稳定性，冲击装置1冲击前方泥土前进一个冲击行程；其次，前支撑装置3收回支撑板304，使其脱离导入装置605或千斤洞内壁，后支撑装置3保持张开支撑板304的姿态不变，推进装置5推动前支撑装置3前进一个冲击行程，后支撑装置3支撑导入装置605或千斤洞内壁产生静摩擦力来抵抗推进时产生的反作用力；然后，后支撑装置3收回支撑板304，前支撑装置张开支撑板304，支撑导入装置605或千斤洞内壁，推进装置5拉动后支撑装置3前进一个冲击行程，前支撑装置3支撑导入装置304或千斤洞内壁产生静摩擦力来抵抗推进时产生的反作用力。以上为水下非开挖穿缆机器人一次蠕动推进的完整动作流程。最后，水下非开挖穿缆机器人继续进行以上的作业流程，实现水下非开挖穿缆机器人泥下的蠕动推进。
所述的节间连接装置4由半节间连接装置401、402、406组成，有效解决了十字轴404装配困难的问题。
所述的辅助作业系统6主要由液压阀箱602、液压油源603、姿态调节机构604、导入机构605、缆线绞轮606连接在辅助作业系统框架601上形成一个整体，姿态调节机构604主要用于调节水下非开挖穿缆机器人本体的入泥角度，使其能够按照规划轨迹进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务；导入机构605主要用于为水下非开挖穿缆机器人本体提供一段孔道，使其能够完成蠕动前进并顺利入泥作业；缆线绞轮606主要用于实现水下非开挖穿缆机器人在进行水下打捞攻千斤或泥下穿缆时液压油管和缆线的收放工作。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明主要用于水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务。水下非开挖穿缆机器人作业系统主要由机器人本体和辅助作业系统6组成，机器人本体又由冲击装置1、转向装置2、支撑装置3、节间连接装置4和推进装置5组成，支撑装置3、节间连接装置4和推进装置5共同实现水下非开挖穿缆机器人的泥下蠕动推进，在实施作业任务之前，机器人本体被安置在辅助作业系统6的导入机构605中，系统各个装置相互配合实现水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务。
机器人本体的转向装置2，主要由冲击头壳体201、滑块202、冲击头俯仰运动轴203、俯仰液压缸204、支撑件205、支撑件206、冲击头支撑板207、连接件208、回转液压缸209等组成。机器人的转向装置为一个俯仰运动机构和一个绕本体轴向的回转运动机构的组合，俯仰运动和回转运动相结合即可实现水下非开挖穿缆机器人按规划轨迹转向的需求。俯仰液压缸204分别与滑块202、冲击头支撑板207铰接，滑块202在冲击头壳体201的滑道内往复运动，俯仰液压缸204的活塞杆伸缩并通过与其铰接的滑块202带动冲击头壳体201绕冲击头俯仰运动轴203做俯仰运动，冲击头俯仰运动轴203和支撑件205、206上设计有限位块，使冲击头壳体201可以实现±45°的俯仰运动。此外，回转液压缸209可以实现机器人的回转运动。俯仰运动与回转运动相结合，控制冲击头的姿态，从而实现水下非开挖穿缆机器人向各个方向转动的目的，满足其作业过程中按规划轨迹转向的要求。
机器人本体的前支撑装置和后支撑装置3结构相同，主要由支撑液压缸301、连接块302、直角滑块303、支撑板304、直角杠杆306、销轴307等组成。支撑液压缸301上设置有销轴307的安装孔308、连接块302的安装孔309和直角滑块303的滑槽310。直角杠杆306的两端设计成圆形的结构，用于分别与支撑液压缸活塞杆305上面的凹槽、直角滑块303上面的凹槽相配合，直角杠杆306两端的圆形结构、支撑液压缸活塞杆305上面的凹槽和直角滑块303上面的凹槽均通过严格计算，运动过程中直角杠杆306两端不会从凹槽内脱出。直角杠杆306的一端安装在液压缸活塞杆305的凹槽内，直角杠杆306的另一端安装在直角滑块303的凹槽内，直角杠杆306通过销轴307连接在支撑液压缸301上。支撑液压缸活塞杆305在液压驱动下做往复运动，活塞杆305的往复运动带动四个相同的直角杠杆306绕四个相同的销轴307转动，四个直角杠杆306又分别驱动一个直角滑块303沿支撑液压缸301的滑槽310径向滑动，每个直角滑块303分别固连一个支撑板304，这样就把支撑液压缸活塞杆305的往复运动转变成了支撑板304沿径向的张开或收缩运动，实现了支撑板支撑孔道内壁和与孔道内壁分离的动作。
机器人本体的节间连接装置4，主要用于冲击装置1和前支撑装置3以及推进装置5和后支撑装置3之间的连接。
机器人本体的推进装置5，主要用于推动靠近冲击装置1的前支撑装置3前进一个冲击行程或拉动远离冲击装置1的后支撑装置3前进一个冲击行程。在实际应用中，推进装置5可以为双作用液压缸或做好防水防泥措施的电机丝杠螺母机构。冲击装置1也可以为双作用液压缸或做好防水防泥措施的电机丝杠螺母机构。
水下非开挖穿缆机器人作业系统在进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务时，(1)将水下拱泥机器人本体安置在辅助作业系统6的导入装置605之中，利用辅助作业系统6的角度调节机构604对机器人的入泥角度进行调节，以便按照预先规划的运动路径进入泥土环境实施作业任务，同时，做好相关附属设施的调试与准备工作；(2)机器人本体以及辅助作业系统在工作母船和rov协助下到达预定水下作业地点，准备开始实施水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务；(3)机器人本体的支撑装置3支撑导入装置605内壁，为冲击装置1首次冲击泥土提供轴向的稳定性，冲击装置1的液压缸活塞杆往复运动带动冲击头冲击前方泥土形成孔道，完成第一个冲击行程；(4)靠近冲击装置1的前支撑装置3脱离导入装置605的内壁，远离冲击装置1的后支撑装置3保持支撑导入装置605内壁的姿势不变，推进装置5推动靠近冲击装置1的支撑装置3前进一个冲击行程，远离冲击装置1的后支撑装置3支撑导入装置内壁产生的静摩擦力来抵抗推进时产生的反作用力；(5)远离冲击装置1的后支撑装置3脱离导入装置605的内壁，靠近冲击装置1的前支撑装置3转变为支撑导入装置内壁的姿势，推进装置5拉动远离冲击装置1的后支撑装置3前进一个冲击行程，前支撑装置3支撑导入装置内壁产生的静摩擦力用于抵抗推进装置5拉动远离冲击装置1的后支撑装置3时产生的轴向反作用力；(6)继续进行(3)～(5)的作业流程，直到机器人本体整体进入水下泥土环境之中；(7)机器人本体全部进入泥土环境之后，继续执行(3)～(6)的作业流程，唯一的不同是支撑装置3由支撑导入装置内壁改为支撑在泥土中形成的孔道内壁，直到机器人本体在预设位置从泥土环境中爬出。至此，水下非开挖穿缆机器人作业系统完成水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务。
综上，本发明提供一种水下非开挖穿缆机器人作业系统，主要由冲击装置、转向装置、支撑装置、节间连接装置、推进装置和辅助作业系统等组成，可以自主地在水下泥土环境(以下简称泥下)形成一条穿引缆线的孔道，可应用于水下打捞攻打千斤洞或泥下非开挖穿缆等作业任务。水下非开挖穿缆机器人在进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业任务时，首先，将水下非开挖穿缆机器人本体安置在辅助作业系统的导入机构中，机器人本体以及辅助作业系统在工作母船和rov的协助下到达预定水下作业地点，准备实施水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务；其次，利用辅助作业系统的姿态调节机构对机器人的姿态进行调节，使其按照预先规划的运动轨迹进入泥下实施作业任务；然后，机器人开始进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务；最后，机器人按照规划的运动轨迹从泥下爬出，完成水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆的作业任务。本专利的水下非开挖穿缆机器人作业系统对冲击装置、转向装置、支撑装置、节间连接装置、推进装置和辅助作业系统等进行了设计，降低了潜水员进行水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业的危险性和劳动强度，提高了水下打捞攻千斤或泥下非开挖穿缆作业的工作效率。