一种多段履带式水下智能清理机器人的制作方法

本发明涉及一种清理机器人，特别涉及一种多段履带式水下智能清理机器人。

背景技术：

当前，各种规模的水利工程、海洋平台以及船只发展迅速，随之产生了各类水下工程设备都附着有大量海洋生物，难以清理且严重影响设备工作的问题，例如PX泵房的水闸门导轨和矩形密封框长期处于海水下，长有大量海蛎子等海生物，致使水闸门无法关闭到位甚至卡住，也使其无法完全密封以致造成漏水，因此需要对导轨及密封框上的海生物等进行清理。现如今大多采用人工清理的方法，耗时较长，风险较高。随着现代机器人的发展，水下设备的清理和检测也正逐步实现自动化。专利201310545280.X公开了一种全向浮游爬壁水下机器人，该机器人只具备检测功能，无法实现水下设备清理。专利201420494666.2公开了一种船底清洁机系统，该系统包括水面浮舱和清洁机，清洁机采用磁吸附，只适用于铁质表面，使用范围有限，同时该清洁机的整体结构也限制其运动和清理的范围，无法完成类似于通过90度转角等复杂运动。因此，亟需针对水闸门导轨提供合理的清理方式。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决PX泵站水闸门在清理过程中使用人工操作，比较费时、费力以及危险性较大的问题而提供的一种多段履带式水下智能清理机器人。

本发明提供的多段履带式水下智能清理机器人包括有控制机体、执行机体、多面辊刷清理系统和单自由度清洗盘系统，其中控制机体与执行机体之间通过旋转尾架相连接，多面辊刷清理系统设在执行机体的前端，单自由度清洗盘系统设在控制机体和执行机体之间，控制机体上设有控制系统，控制系统通过内部的单片机控制执行机体、多面辊刷清理系统和单自由度清洗盘系统的工作。

控制机体和执行机体均安设有履带轮，履带轮由履带驱动电机进行驱使转动，履带轮外绕设有履带，控制机体和执行机体上还设有正压吸附系统，正压吸附系统分别设在控制机体和执行机体的两侧，是由螺旋桨和吸附电机组成，螺旋桨与吸附电机相连接并由吸附电机控制工作，控制机体和执行机体内的底盘上部均设有浮体，控制机体和执行机体的下部设有滑槽，滑槽能够与闸门上的角钢相啮合。

控制机体的顶部设有控制箱，控制系统设在控制箱内，控制箱内还设有旋转电机，旋转电机的输出轴与执行机体的旋转尾架相连接，执行机体由旋转电机进行驱使转动，控制箱的后端设有后置水下高清摄像头，控制箱上还设有防水开关，控制箱的后端连接有水下电缆，通过水下电缆使控制箱内的控制系统以及各驱动电机与岸上辅助设备相连接，控制机体的后端装配有尾灯。

执行机体的顶部设有前置水下高清摄像头。

多面辊刷清理系统设有两组，分别设在角钢的左右两侧，每组均由辊刷驱动电机通过齿形带带动进行工作，每组的刷体均由端面辊刷、中间辊刷和角钢辊刷组成，端面辊刷位于外侧，外圆面及端面均有刷丝，用于清理导轨底面和垂直密封面；中间辊刷的外圆面设有刷丝，用于清理导轨底面；角钢辊刷位于内侧，外圆面及端面均有刷丝，用于清理导轨底面和角钢。

单自由度清洗盘系统包括搭载尾翼、驱动臂、执行臂、永磁体和清洗盘，其中搭载尾翼安装在旋转尾架上，其侧向垂直面开设有侧边槽，顶部水平面开设顶面槽；驱动臂固定在搭载尾翼上；执行臂在驱动臂中的电机带动下能够进行旋转，其静止和旋转270度后的状态分别由顶面槽和侧边槽限定，永磁体安装在执行臂的表面，清洗盘安装在执行臂上，通过执行臂内部的电机带动对门楣进行清理，执行臂的头端设有激光传感器和中央水下高清摄像头。

控制系统中的单片机分别与前置水下高清摄像头、中央水下高清摄像头和后置水下高清摄像头相连接，其中前置水下高清摄像头用于观察机体行进表面的清理状况，同时在差速变轨运动过程中通过观测并反馈图像以修正机体的水下位置；中央水下高清摄像头用于观察门楣的清理情况以及使用情况；后置水下高清摄像头用于观察导轨、垂直密封面和底坎的清理情况和使用情况，单片机还连接有姿态传感器、高度计、激光传感器、吸附用压力传感器和保护用压力传感器，其中姿态传感器分别安装在控制机体和执行机体的内部，用于检测控制机体和执行机体运动速度、加速度以及偏移位置，使控制机体和执行机体实现差速变轨运动以及位置修正；高度计安装在控制箱内部，用于反馈问题表面的位置深度；激光传感器安装在执行臂上，通过测量清洗盘与垂直密封面、门楣的间距，并反馈加以修正，吸附用压力传感器分别安装在控制机体和执行机体上，用于检测吸附力大小，便于在各种水流环境下对正压吸附系统加以控制，保证运行稳定性；保护用压力传感器安装在中间辊刷旁的保护轮毂上，通过其测量并反馈的压力信号，使旋转电机控制执行机体的旋转，避免过度下降损坏机器人。

本发明的工作原理：

先由操作人员将本发明提供的机器人放置在闸门导轨与水面接触的位置，使控制机体与执行机体底部的滑槽与角钢配合。打开防水开关，机器人自动调整吸附电机转速达到预定吸附力后，开始沿角钢向底坎进行爬壁运动(如图8所示)，运动的同时打开多面辊刷清理系统，清理闸门导轨以及垂直密封面。

执行机体到达底坎时，开始直角过弯运动(如图9所示)。多面辊刷清理系统中的保护轮毂会先接触底坎，而后通过其上的保护用压力传感器测量到压力并反馈信号，关闭执行机体的吸附装置，驱动执行机体的旋转电机带动执行机体旋转的同时，控制机体继续向前运动，直至执行机体旋转并落在底坎上时，打开执行机体的吸附装置，关闭控制机体的吸附装置，执行机体在底坎上继续前行，此时驱动执行机体的旋转电机反转，则控制机体旋转并缓慢恢复原状，当控制机体也落在底坎上后，打开其吸附装置，机器人继续向前运动，同时多面辊刷清理系统继续清理底坎以及行进面。

机器人在底坎上运动一段后，开始差速变轨运动(如图10所示)。通过姿态传感器传输给单片机的信号，控制机器人两侧履带驱动电机，使两侧履带形成速度差，机器人开始逐渐向闸门口内侧运动，偏移一段预定距离后，继续沿直线向前运动，当另一侧闸门导轨位于前置水下高清摄像头可视范围内时，通过观测闸门导轨与机器人的相对位置，反馈图像并对机器人的位置进行修正，使机器人能够顺利通过底部直角并沿闸门口内侧垂直面向上进行爬壁运动。

机器人全部运动到闸门口内侧垂直面上后(如图11所示)，运行单自由度清洗盘系统清理垂直密封面，驱动臂驱动执行臂旋转270度，打开清洗盘使其旋转，并通过激光传感器检测清洗盘与垂直密封面的间距，反馈后进行修正，保证清理质量。

机器人沿闸门口内侧垂直面向上爬升至顶部直角，由于控制机体和执行机体内部的浮体产生的浮力与机器人自重抵消，因此顶部直角过弯(如图12所示)与底部直角过弯运动相同，机器人完全吸附在闸门口内侧顶面后，清洗盘可对门楣进行清理(如图13所示)。如图14所示，到达另一侧并通过转角后，再沿闸门口内侧垂直面下降，直至底坎后收起清洗盘，关闭单自由度清洗盘系统，再在底坎上变回初始轨道，由前置水下高清摄像头反馈的图像修正机器人位置，使机器人顺利通过底部直角弯，并在导轨中沿角钢向上爬升至水面。

机器人清理过程中，可通过前置水下高清摄像头、中央水下高清摄像头和后置水下高清摄像头对被清洗表面进行观察，如果未清理干净，机器人可来回或停止对其进行专项清理，保证清理完全。同时，中央水下高清摄像头及后置水下高清摄像头可在清理完成后对表面使用情况进行检查，如若出现裂纹等缺陷，由高度计反馈该位置的水下深度，等待维修。

控制系统中的相关部件均为现有设备的组装，因此具体型号和规格没有进一步进行赘述。

本发明的有益效果：

1、水下智能清理机器人具有吸附爬壁的功能，并设计成两段式整体结构，前后机体可单独运动，并且内部浮体可以平衡机器人自重，采用该种结构可以简单有效的通过直角区域。

2、机器人体积较小、结构紧凑，呈扁平状，可栖息在导轨里运动，且在水下运动时受阻力小，性能稳定。

3、机器人采用正压吸附方式与履带运动方式，可适用在水下各种材质及一定程度崎岖的表面上运动，同时可根据水流的流速调节吸附力的大小，提高了智能清理机器人的使用范围。

4、两部分清洗系统不仅可以随着机器人的向前运动对表面进行清理，同时还可以通过水下高清摄像头对表面进行观察，而后对某一个区域进行定向清理，保证了清理的效果。

5、多面辊刷分三部分，可以实现同时对导轨底面、角钢面、垂直密封面等多个表面的清理，同时三部分辊刷的外圆面刷丝均设计一定角度，向机器人两侧倾斜，使得清理下来的海洋生物均被处理到两侧，保证了重要表面的洁净程度，避免二次污染。

6、多面辊刷处设计了保护轮毂，其直径稍大于多面辊刷的直径，可自由转动，当机器人运动到底坎时，保护轮毂接触底坎，并通过保护用压力传感器反馈信号，控制前执行机体旋转，开始进行过直角弯的运动，该结构有效保护了多面辊刷的外圆。

7、单自由度清洗盘可对门楣以及垂直密封面进行清理，实现一个机构多个用途，永磁体可避免清洗盘脱离清洗表面，同时通过激光传感器测距，保证清洗效果。

8、通过水下电缆给机器人供电，动力充足，续航时间长，并且水下电缆的接头处被固定，同时可以承受一定的拉力，可对机器人在发生突发状况时进行保护和回收。

9、机器人先由导轨向水底运动，到达底坎后进行变轨，再顺着闸门内侧面运动，环绕一圈后回到底坎，变轨至初始轨道，最后沿着导轨向水面运动，该路线可实现同时对导轨及矩形密封框垂直面、底坎、门楣的全面清理，方便易操作。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明所述控制机体和执行机体内部结构示意图。

图3为本发明所述控制箱内部结构示意图。

图4为本发明所述多面辊刷传动系统结构示意图。

图5为本发明所述单自由度清洗盘系统结构示意图。

图6为本发明所述控制系统原理图。

图7为本发明所述闸门结构示意图。

图8为机器人爬壁运动示意图。

图9为机器人直角过弯运动示意图。

图10为机器人差速变轨运动示意图。

图11为机器人在闸门口内侧垂直面工作示意图。

图12为机器人顶部直角过弯示意图。

图13为机器人对门楣进行清理示意图。

图14为机器人清理门楣后下行示意图。

1、控制机体 2、执行机体 3、多面辊刷清理系统 4、单自由度清洗盘系统

5、旋转尾架 6、单片机 7、履带轮 8、履带驱动电机 9、履带

10、螺旋桨 11、吸附电机 12、浮体 13、滑槽 14、角钢 15、控制箱

16、旋转电机 17、后置水下高清摄像头 18、防水开关 19、水下电缆

20、尾灯 21、前置水下高清摄像头 22、辊刷驱动电机 23、齿形带

24、端面辊刷 25、中间辊刷26、角钢辊刷 27、导轨底面 28、垂直密封面

29、搭载尾翼 30、驱动臂 31、执行臂 32、永磁体 33、清洗盘

34、侧边槽 35、顶面槽 36、门楣 37、激光传感器

38、中央水下高清摄像头 39、导轨 40、底坎 41、姿态传感器

42、高度计 43、吸附用压力传感器 44、保护用压力传感器

45、保护轮毂 46、闸门口内侧垂直面 47、闸门口内侧顶面。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示：

本发明提供的多段履带式水下智能清理机器人包括有控制机体1、执行机体2、多面辊刷清理系统3和单自由度清洗盘系统4，其中控制机体1与执行机体2之间通过旋转尾架5相连接，多面辊刷清理系统3设在执行机体2的前端，单自由度清洗盘系统4设在控制机体1和执行机体2之间，控制机体1上设有控制系统，控制系统通过内部的单片机6控制执行机体2、多面辊刷清理系统3和单自由度清洗盘系统4的工作。

控制机体1和执行机体2均安设有履带轮7，履带轮7由履带驱动电机8进行驱使转动，履带轮7外绕设有履带9，控制机体1和执行机体2上还设有正压吸附系统，正压吸附系统分别设在控制机体1和执行机体2的两侧，是由螺旋桨10和吸附电机11组成，螺旋桨10与吸附电机11相连接并由吸附电机11控制工作，控制机体1和执行机体2内的底盘上部均设有浮体12，控制机体1和执行机体2的下部设有滑槽13，滑槽13能够与闸门上的角钢14相啮合。

控制机体1的顶部设有控制箱15，控制系统设在控制箱15内，控制箱15内还设有旋转电机16，旋转电机16的输出轴与执行机体2的旋转尾架5相连接，执行机体2由旋转电机16进行驱使转动，控制箱15的后端设有后置水下高清摄像头17，控制箱15上还设有防水开关18，控制箱15的后端连接有水下电缆19，通过水下电缆19使控制箱15内的控制系统以及各驱动电机与岸上辅助设备相连接，控制机体1的后端装配有尾灯20。

执行机体2的顶部设有前置水下高清摄像头21。

多面辊刷清理系统3设有两组，分别设在角钢14的左右两侧，每组均由辊刷驱动电机22通过齿形带23带动进行工作，每组的刷体均由端面辊刷24、中间辊刷25和角钢辊刷26组成，端面辊刷24位于外侧，外圆面及端面均有刷丝，用于清理导轨底面27和垂直密封面28；中间辊刷25的外圆面设有刷丝，用于清理导轨底面27；角钢辊刷26位于内侧，外圆面及端面均有刷丝，用于清理导轨底面27和角钢14。

单自由度清洗盘系统4包括搭载尾翼29、驱动臂30、执行臂31、永磁体32和清洗盘33，其中搭载尾翼29安装在旋转尾架5上，其侧向垂直面开设有侧边槽34，顶部水平面开设顶面槽35；驱动臂30固定在搭载尾翼29上；执行臂31在驱动臂30中的电机带动下能够进行旋转，其静止和旋转270度后的状态分别由顶面槽35和侧边槽34限定，永磁体32安装在执行臂31的表面，清洗盘33安装在执行臂31上，通过执行臂31内部的电机带动对门楣36进行清理，执行臂31的头端设有激光传感器37和中央水下高清摄像头38。

控制系统中的单片机6分别与前置水下高清摄像头21、中央水下高清摄像头38和后置水下高清摄像头17相连接，其中前置水下高清摄像头21用于观察机体行进表面的清理状况，同时在差速变轨运动过程中通过观测并反馈图像以修正机体的水下位置；中央水下高清摄像头38用于观察门楣36的清理情况以及使用情况；后置水下高清摄像头17用于观察导轨39、垂直密封面28和底坎40的清理情况和使用情况，单片机6还连接有姿态传感器41、高度计42、激光传感器37、吸附用压力传感器43和保护用压力传感器44，其中姿态传感器41分别安装在控制机体1和执行机体2的内部，用于检测控制机体1和执行机体2运动速度、加速度以及偏移位置，使控制机体1和执行机体2实现差速变轨运动以及位置修正；高度计42安装在控制箱15内部，用于反馈问题表面的位置深度；激光传感器37安装在执行臂31上，通过测量清洗盘33与垂直密封面28、门楣36的间距，并反馈加以修正，吸附用压力传感器43分别安装在控制机体1和执行机体2上，用于检测吸附力大小，便于在各种水流环境下对正压吸附系统加以控制，保证运行稳定性；保护用压力传感器44安装在中间辊刷25旁的保护轮毂45上，通过其测量并反馈的压力信号，使旋转电机16控制执行机体2的旋转，避免过度下降损坏机器人。

本发明的工作原理：

先由操作人员将本发明提供的机器人放置在闸门导轨39与水面接触的位置，使控制机体1与执行机体2底部的滑槽13与角钢14配合。打开防水开关18，机器人自动调整吸附电机11转速达到预定吸附力后，开始沿角钢14向底坎40进行爬壁运动(如图8所示)，运动的同时打开多面辊刷清理系统3，清理闸门导轨39以及垂直密封面28。

执行机体到达底坎40时，开始直角过弯运动(如图9所示)。多面辊刷清理系统3中的保护轮毂45会先接触底坎40，而后通过其上的保护用压力传感器44测量到压力并反馈信号，关闭执行机体2的吸附装置，驱动执行机体2的旋转电机16带动执行机体2旋转的同时，控制机体1继续向前运动，直至执行机体2旋转并落在底坎40上时，打开执行机体2的吸附装置，关闭控制机体1的吸附装置，执行机体2在底坎40上继续前行，此时驱动执行机体2的旋转电机16反转，则控制机体1旋转并缓慢恢复原状，当控制机体1也落在底坎40上后，打开其吸附装置，机器人继续向前运动，同时多面辊刷清理系统3继续清理底坎40以及行进面。

机器人在底坎40上运动一段后，开始差速变轨运动(如图10所示)。通过姿态传感器41传输给单片机6的信号，控制机器人两侧履带驱动电机8，使两侧履带9形成速度差，机器人开始逐渐向闸门口内侧运动，偏移一段预定距离后，继续沿直线向前运动，当另一侧闸门导轨39位于前置水下高清摄像头21可视范围内时，通过观测闸门导轨39与机器人的相对位置，反馈图像并对机器人的位置进行修正，使机器人能够顺利通过底部直角并沿闸门口内侧垂直面46向上进行爬壁运动。

机器人全部运动到闸门口内侧垂直面46上后(如图11所示)，运行单自由度清洗盘系统4清理垂直密封面28，驱动臂30驱动执行臂31旋转270度，打开清洗盘33使其旋转，并通过激光传感器37检测清洗盘33与垂直密封面28的间距，反馈后进行修正，保证清理质量。

机器人沿闸门口内侧垂直面46向上爬升至顶部直角，由于控制机体1和执行机体2内部的浮体12产生的浮力与机器人自重抵消，因此顶部直角过弯(如图12所示)与底部直角过弯运动相同，机器人完全吸附在闸门口内侧顶面47后，清洗盘33可对门楣36进行清理(如图13所示)。如图14所示，到达另一侧并通过转角后，再沿闸门口内侧垂直面46下降，直至底坎40后收起清洗盘33，关闭单自由度清洗盘系统4，再在底坎40上变回初始轨道，由前置水下高清摄像头21反馈的图像修正机器人位置，使机器人顺利通过底部直角弯，并在导轨39中沿角钢14向上爬升至水面。

机器人清理过程中，可通过前置水下高清摄像头21、中央水下高清摄像头38和后置水下高清摄像头17对被清洗表面进行观察，如果未清理干净，机器人可来回或停止对其进行专项清理，保证清理完全。同时，中央水下高清摄像头38及后置水下高清摄像头17可在清理完成后对表面使用情况进行检查，如若出现裂纹等缺陷，由高度计42反馈该位置的水下深度，等待维修。