一种大型隧洞附着海生物清理机器人的制作方法

本发明涉及隧道机器人领域，尤其涉及一种大型隧洞附着海生物清理机器人。

背景技术：

现有技术中的大型隧洞附着海生物清理机器人因结构设计不合理，主要存在如下技术缺陷：

1、现有大型隧洞附着海生物清理机器人的执行装置为仿隧洞直径设计，对于非接近标准圆形隧洞并不适用，且当隧洞直径变化时，例如：隧洞直径变小时，可能会发生卡死或破坏隧洞表面；或者，当隧洞直径变大时，清理效果会大大下降。

2、现有大型隧洞附着海生物清理机器人的清理方式一般为：车体移动带动自转的执行装置清洗隧洞，升降台上下移动调整执行装置与隧洞的相对位置，整个机器人的自由度少，在车体跑偏的情况下很难获得最佳清理效果。

3、现有大型隧洞附着海生物清理机器人对隧洞表面及执行器自身缺少保护措施，存在一定的安全隐患。

4、此外，仍有大型隧洞附着海生物清理机器人的动力与通讯采用长脐带缆传输的方式，在数千米长隧洞工况下，有线方式动力输送成本太高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种大型隧洞附着海生物清理机器人，能够实时感知自身的姿态及周围环境信息，在高频微变的状况下可自适应调整自身的姿态；精准控制清理装置与隧洞内壁的接触力，具有过载保护功能；清理装置适应性广，可实现安全可靠、可视监测及高效的清洗。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供了一种大型隧洞附着海生物清理机器人，用以替代人工清理隧洞内海生物、淤泥及其它杂质，其特征在于，包括：可移动的车体；设置在车体上，用以获取机器人在隧洞内相对位置信息的距离传感装置；设置在车体上，能够在俯仰、摇摆、旋转以及伸缩方向进行调整的清理机械臂；连接在清理机械臂上，用以清理隧洞内壁的清理装置，其中：清理装置包括：用以清理隧洞顶壁的圆盘式清理装置和用以清理隧洞侧壁的滚筒式清理装置，圆盘式清理装置和滚筒式清理装置可分别连接在清理机械臂的兼容连接口上且可进行拆卸更换。

其中，距离传感装置位于车体前行方向的前部，设置在车体的两侧，其包括多个用以测量出与隧洞内壁壁面距离的传感器。

其中，清理机械臂包括：可旋转的第一支撑臂，第一支撑壁上具有第一伸缩油缸；连接在第一支撑臂上，且可相对于第一支撑臂进行旋转的第二支撑臂；分别连接在第二支撑臂的两端部，且可相对于第二支撑臂进行旋转的第三支撑臂，第三支撑臂上具有第二伸缩油缸，兼容连接口设置在第三支撑臂上；连接在第三支撑臂末端，且可相对于第三支撑臂进行伸缩的第四支撑臂，其中：改变第一支撑臂、第二支撑臂、第三支撑臂以及第四支撑臂之间的相对位置以调整清理机械臂的姿态。

其中，兼容连接口为法兰接口，圆盘式清理装置和滚筒式清理装置分别通过法兰盘连接在法兰接口上。

其中，清理机械臂设置在车体前行方向的后部。

其中，清理机械臂的末端设置压力传感器，根据压力传感器获取的清理机械臂与隧洞内壁的接触力测量值与存储的压力参考值之间的差值，控制调节清理机械臂的姿态，使清理装置与隧洞内壁的接触力保持在稳定的范围内。

其中，清理装置上设有用以补偿清理机械臂的小变化量且高频率偏心的偏心量的调节油缸；清理装置上设有限位组件和防碰撞组件。

其中，圆盘式清理装置上设有旋转刀架，旋转刀架上设有可拆卸的刀片，在相邻两刀片之间的区域设有硬质毛刷。

其中，滚筒式清理装置上设有旋转滚刷，旋转滚刷上间隔设置可拆卸的刀片和硬质毛刷；滚筒式清理装置上还具有位于旋转滚刷外侧的硬质刮片。

其中，还包括：设置在车体中部位置和/或清理机械臂顶部的用以检测隧洞内海生物生长情况，且可对清理后效果进行评价的视频装置。

本发明所提供的大型隧洞附着海生物清理机器人，具有如下有益效果：

第一、清理装置包括用以清理隧洞顶壁的圆盘式清理装置和用以清理隧洞侧壁的滚筒式清理装置，圆盘式清理装置和滚筒式清理装置可分别连接在清理装置的兼容连接口上且可进行拆卸更换，两种清理装置适用于清理大直径标准圆形或非标准圆形隧洞，可对隧洞内壁附着的海生物进行多重清理，清扫适应性更强；能够实时感知自身的姿态及周围环境信息，在高频微变的状况下可自适应调整自身的姿态。

第二、车体及清理机械臂上设置摄像装置和传感装置，能够根据传感器获取的清理机械臂与隧洞内壁的接触力测量值与存储的压力参考值之间的差值，控制调节清理机械臂的姿态，使清理装置与隧洞内壁的接触力保持在稳定的范围内，同时解决可视检测的问题。

第三，结构精简，可实现安全、高效及可靠的清洗，具有过载保护功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例大型隧洞附着海生物清理机器人的结构示意图。

图2是本发明实施例大型隧洞附着海生物清理机器人的圆盘式清理装置的结构示意图。

图3是本发明实施例大型隧洞附着海生物清理机器人的圆盘式清理装置的作业结构示意图。

图4是本发明实施例大型隧洞附着海生物清理机器人的滚筒式清理装置的结构示意图。

图5是本发明实施例大型隧洞附着海生物清理机器人的滚筒式清理装置的作业结构示意图。

图6是本发明实施例大型隧洞附着海生物清理机器人的两种清理装置的清扫范围示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合参见图1-图6所示，为本发明大型隧洞附着海生物清理机器人的实施例一。

本实施例中的大型隧洞附着海生物清理机器人1，用以替代人工清理无水条件下的大直径隧洞内的海生物、淤泥及其它杂质，以便海生物收集车进行收集，运出隧洞。其包括：车体11、距离传感装置12、清理机械臂13、清理装置14以及视频装置15。

具体地，车体11能够在隧洞内移动，本实施例中是通过在车体11的底部安装移动履带实现，其它实施方式中，不限定车体的1的形状以及使其移动的具体结构。

距离传感装置12的作用是获取机器人在隧洞内的相对位置信息，通过获取位置信息能够评估出机器人偏离理论位置，例如隧洞的中心的程度，再辅助清理机器人所具有的控制系统及时对机器人的运动方向进行调整，防止机器人跑偏。本实施例中的距离传感装置12位于车体11前行方向的前部，设置在车体11前部的相对两侧，其包括多个用以测量出与隧洞内壁壁面距离的传感器。

进一步的，清理机械臂13的作用是在清理机器人所具有的控制系统的控制下带动清理装置14移动，例如俯仰、摇摆、旋转以及伸缩等动作，使清理装置能够与隧洞内壁相适应。

本实施例中的清理机械臂13为可折叠伸缩式多自由度的机械臂结构，其包括：连接在车体11且可相对于车体11进行旋转的第一支撑臂131，第一支撑壁上131具有第一伸缩油缸131a，在第一伸缩油缸131a的作用下可实施第一支撑臂131相对于车体11所进行的旋转；

连接在第一支撑臂131的端部上，且可相对于第一支撑臂131进行旋转的第二支撑臂132；其中，第二支撑臂132相对于第一支撑臂131进行旋转的角度范围在0-360°；

分别连接在第二支撑臂132的两端部，且可相对于第二支撑臂132进行旋转的第三支撑臂133，第三支撑臂133上具有第二伸缩油缸133a，在第二伸缩油缸133a的作用下可实施第三支撑臂133相对于第二支撑臂132所进行的旋转。

连接在第三支撑臂末端的第四支撑臂134，在第四支撑臂134上具有第三伸缩油缸，使得第四支撑臂134相对于第三支撑臂133进行一定位移的变化。

具体实施时，通过改变第一支撑臂131、第二支撑臂132、第三支撑臂133以及第四支撑臂134之间的相对位置便能够调整清理机械臂13的姿态。也就是说，通过上述结构能够实现可折叠伸缩式多自由度的机械臂结构，完成例如俯仰、摇摆、旋转以及伸缩等动作。如此，也能够同时补偿变化量较大的机械臂偏心量，保证清理装置14到达隧洞内壁待清理位置，保证清理效率。可以理解的是，通过设置第一伸缩油缸131a、第二伸缩油缸133a以及第三伸缩油缸134a，使得清理机械臂具有一定的伸缩功能，使得清理机器人在直径变化的隧洞内依然能够适用。

优选的，清理机械臂13设置在车体11前行方向的后部。如此，清理下来的海生物不会阻碍机器人前进的道路。

进一步的，清理机械臂13末端设置压力传感器，例如：设置在第三支撑臂133和清理装置14之间。实施时，根据上述压力传感器的作用是获取清理机械臂13与隧洞内壁的接触力测量值，清理机器人所具有的控制系统根据上述接触力测量值与其自身存储的压力参考值之间的差值，控制调节清理机械臂13的姿态，也就是上述第一支撑臂131、第二支撑臂132、第三支撑臂133以及第四支撑臂134之间的相对位置，使清理装置14与隧洞内壁的接触力保持在稳定的范围内。

清理装置14是用以清理隧洞内壁上附着的海生物的装置。本实施例中的清理装置14设置为以下的两种结构，一种是用以清理隧洞顶壁的圆盘式清理装置141和用以清理隧洞侧壁的滚筒式清理装置142。

圆盘式清理装置141清理的位置大致为隧洞顶壁0-30°的壁面范围T1，其上设有旋转刀架1411，旋转刀架1411上设有可拆卸的刀片1412，在相邻两刀片1412之间的区域设有硬质毛刷。具体实施时，旋转刀架1411上具有多条设有一定弧度的条状刀片1412，本实施例中为4条，且其相互之间等距均匀设置，用以在圆盘式清理装置141自转时形成均匀且稳定的清理和粉碎隧洞表面坚硬、附着力强的海生物的清除外力。此外，条状刀片1412因其设置一定的弧度，使其在圆盘式清理装置141自转时形成一弧面，该弧面的弧度与待清理隧洞顶壁的弧度大致相同，作用是：可以实现对隧洞顶壁的圆弧面进行大面积的清理，提升清理效率。

此外，刀片1412设为可拆卸，以便于维修和维护。进一步的，毛刷设置在相邻的两条刀片1412之间的区域，本实施例中的毛刷为用以深度刷洗残余海生物的硬质毛刷。具体实施时，刀片1412可以将隧洞表面坚硬、附着力强的顽固海生物进行清理或者粉碎，而硬质毛刷可以对隧洞残余的体型较小、易粘附在隧洞表面的海生物进行深度刷洗，两者互补可对隧洞面交替进行多重方式清洗，解决了单一清洗元件对多种海生物清理效果不同而产生的清理效果不均匀的问题，可实现对隧洞内壁的高质量清洗。

滚筒式清理装置142清理的位置大致为隧洞侧壁紧邻顶壁T1的150°的壁面范围T2，滚筒式清理装置142上设有旋转滚刷1421，旋转滚刷1421上间隔设置可拆卸的刀片1422和硬质毛刷1423；滚筒式清理装置142上还具有位于旋转滚刷外侧的硬质刮片1424。具体实施时，可拆式刀片1422和硬质毛刷1423等距均匀设置，可拆式刀片1422可以将隧洞表面坚硬、附着力强的顽固海生物进行清理或者粉碎，硬质毛刷1423可以对隧洞残余的体型较小、易粘附在隧洞表面的海生物进行深度刷洗，两者互补可实现对隧洞海水物实现高质量清洗。

进一步的，圆盘式清理装置141和滚筒式清理装置142可分别连接在清理机械臂的兼容连接口上且可进行拆卸更换。具体实施时，兼容连接口设置在第三支撑臂133上，兼容连接口为法兰接口，圆盘式清理装置141和滚筒式清理装置142分别通过法兰盘连接在该法兰接口上。如此设置，精简结构的同时，能够使清扫幅度最大化，提高清理效率。

进一步的，清理装置上设有用以补偿清理机械臂的小变化量且高频率偏心的偏心量的调节油缸；清理装置上设有限位组件和防碰撞组件。如此，可以使清理装置与隧洞内壁的接触力保持在最佳清理效果时的接触力范围，解决了力反馈高效清理的问题，并能够防止清理装置损坏隧洞内壁。

进一步的，还包括视频装置15：视频装置15设置在车体中部位置和/或清理机械臂顶部，其作用是检测隧洞内海生物生长情况，且可对清理后效果进行评价。例如：实时监测海生物的清理情况，对机器人周边环境的实时观察，并计算机器人在隧洞中的相对位置等。

本发明的大型隧洞附着海生物清理机器人在具体实施时，清理机器人步进至隧洞的入口，视频装置15对隧洞内壁海生物的生长情况及隧洞内作业环境进行监视，初步判断隧洞内壁海生物的生长情况。紧接着，安装圆盘式清理装置141，展开清理机械臂13，将圆盘式清理装置141抵靠在隧洞内壁上，并保持一定的接触力。清理机械臂13动作，机器人前进，同时圆盘式清理装置141自转，带动刀片1412和毛刷旋转，将隧洞内壁顶部区域T1的海生物清理下来至T3区域。

圆盘式清理装置141将隧洞顶部清理完后，快换滚筒式清理装置142，清理机械臂13，滚筒式清理装置142到位，清理机械臂13前进并旋转，滚筒式清理装置142的旋转滚刷1421自转，带动刀片1422和硬质毛刷1423，将隧洞内壁上区域T2的海生物清理下来至底部区域T3，清理海生物后可通过视频装置15对隧洞内壁的清理效果进行评估。

在此过程中，视频装置15可自动录像保存、控制系统的操作可自动生成日志文件,并以无线方式传输到隧洞外的终端。同时，上述流程可以选择手动模式或自动模式，自动模式下机器人可按照预设置的程序自动作业。手动模式可以驾驶操作，也可以依赖于无线通讯在隧洞外远程遥控操作。

实施本发明的大型隧洞附着海生物清理机器人，具有如下有益效果：

第一、清理装置包括用以清理隧洞顶壁的圆盘式清理装置和用以清理隧洞侧壁的滚筒式清理装置，圆盘式清理装置和滚筒式清理装置可分别连接在清理装置的兼容连接口上且可进行拆卸更换，两种清理装置适用于清理大直径标准圆形或非标准圆形隧洞，可对隧洞内壁附着的海生物进行多重清理，清扫适应性更强；能够实时感知自身的姿态及周围环境信息，在高频微变的状况下可自适应调整自身的姿态。

第二、车体及清理机械臂上设置摄像装置和传感装置，能够根据传感器获取的清理机械臂与隧洞内壁的接触力测量值与存储的压力参考值之间的差值，控制调节清理机械臂的姿态，使清理装置与隧洞内壁的接触力保持在稳定的范围内，同时解决可视检测的问题。

第三，结构精简，可实现安全、高效及可靠的清洗，具有过载保护功能。