水下除污机器人的制作方法

本申请涉及清理机器人技术领域，尤其涉及一种水下除污机器人。

背景技术：

对于海上设备来说，海洋污损生物会吸附在设备的水下部分，附着的海洋生物不仅破坏美观性，更增加了海上设备的总重量，导致设备的燃料成本、维修成本上升，同时，海洋生物长期附着在设备表面也加剧了海洋环境对海上设备的腐蚀，给安全生产带来巨大威胁。除此以外，还会引起二氧化碳排放增加的环境问题以及外来物种入侵的生态问题，因此，海上设备的水下部分需要进行定期清理。

目前，海上设备水下部分的的清洗工作主要依赖于潜水员潜入水底，手拿水射流喷枪，采用高压水射流进行清洗。但是，人工清理的劳动强度大，清理成本高，效率低且易受天气影响，特别是在深度大、水质差等复杂环境的水域作业时，会对潜水员的生命安全产生严重的威胁。

技术实现要素：

本申请提供了一种水下除污机器人，以解决目前水下管道清洗工作依赖于人工作业，具有危险性高、工作效率低、人力成本大的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请实施例公开了一种水下除污机器人，包括机器人本体及与所述机器人本体连接的水上控制设备，其中，

所述机器人本体包括载体框架、电气仓、推进装置、移动装置、清理装置与智能控制装置，所述载体框架包括第一框架、第二框架、框架管、侧板与第三框架，所述框架管的两端分别与所述第一框架、所述第二框架的中心位置连接；所述侧板对称设置于所述第一框架的两侧，所述侧板的两端分别与所述第一框架、第二框架连接；所述第三框架垂直于所述侧板，所述第三框架的两端分别与所述第一框架、第二框架连接；

所述移动装置固定于所述第三框架上，用于在水下管道上移动；

所述推进装置包括多个对称设置的水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器，所述水平螺旋桨推进器固定于所述第二框架上，所述垂直螺旋桨推进器固定于所述第一框架上；

所述清理装置固定于所述第三框架上，所述清理装置包括移动机构、转动机构与喷头滑块，所述移动机构驱动所述喷头滑块左右移动，所述转动机构驱动所述喷头滑块前后转动；

所述电气仓固定于所述第一框架靠近所述第二框架的一侧，所述推进装置与所述清理装置分别与所述电气仓连接，所述电气仓与所述水上控制设备连接；

所述智能控制装置包括传感器与控制系统，所述传感器分别固定于所述载体框架与所述电气仓内，所述电气仓与所述传感器分别与所述控制系统连接。

可选的，所述移动机构包括第一驱动组件与导向组件，所述导向组件的两端设有固定支架；

所述导向组件包括相互平行的往复丝杆与导杆，所述导杆的两端分别与所述固定支架固定连接；

所述第一驱动组件包括第一电机与减速器，所述第一电机的输出轴与所述减速箱的输入轴连接，所述减速箱的输出轴与所述往复丝杆连接；

所述喷头滑块套设在所述导杆与所述往复丝杆上，所述往复丝杆带动所述喷头滑块沿所述导杆往复移动。

可选的，所述转动机构包括第二驱动组件、转动平台与多个转动副，所述固定支架固定于所述转动平台上；

所述第二驱动组件包括第二电机与传动轴，所述第二电机的输出轴与所述传动轴连接，所述传动轴与所述转动副连接；

所述转动副包括第一转动副与第二转动副，所述第一转动副固定于所述第三框架上，所述第二转动副固定于所述转动平台远离所述移动机构的一侧。

可选的，所述传动轴靠近所述第二转动副的一侧设有键，所述第二转动副上设有键槽，所述键嵌入所述键槽内。

可选的，还包括观测照明装置，所述观测照明装置包括至少两组摄像头与照明灯，所述摄像头与所述照明灯分别通过固定组件固定于所述框架管上；

所述固定组件包括卡箍与固定板，所述卡箍卡在所述摄像头与照明灯上；所述卡箍上设有旋转杆，所述卡箍通过所述旋转杆安装于所述固定板上；所述固定板固定于所述框架管上。

可选的，还包括浮体块，所述浮体块固定于所述第一框架远离所述第二框架的一侧。

可选的，所述浮体块的中心位置处设有安装孔，所述第一框架上设有与所述安装孔对应的悬挂架，所述悬挂架穿过所述安装孔。

可选的，所述移动装置包括多个对称设置的万向轮，所述万向轮分别固定于所述第三框架的四周。

可选的，所述传感器包括超声波避障传感器、深度传感器与角度传感器，所述超声波避障传感器固定于所述第三框架靠近所述第一框架的位置；所述深度传感器固定于所述框架管上；所述角度传感器固定于所述电气仓内。

可选的，所述控制系统包括控制板与plc控制器，所述摄像头、所述照明灯、所述超声波避障传感器、所述深度传感器、所述角度传感器、所述推进装置、所述清理装置分别与所述控制板连接；所述控制板与所述plc控制器连接。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的水下除污机器人包括机器人本体及与机器人本体连接的水上控制设备，其中，机器人本体包括载体框架、电气仓、推进装置、移动装置、清理装置与智能控制装置，推进装置包括多个对称设置的水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器，清理装置包括移动机构、转动机构与喷头滑块，智能控制装置包括传感器与控制系统，当除污机器人潜入到海里时，依靠多个螺旋桨推进器进行推进、升沉、横移、转艏、纵倾、横倾等360度等姿态调整，使除污机器人推进到油井平台水下管道附近；再利用除污机器人背面上的垂直螺旋桨推进器推力，将除污机器人压附在管道壁面上，使移动装置与管道紧密接触；随后，清理装置依靠移动机构、转动机构驱动喷头滑块往复运动与转动，喷头射出的高压水射流能够清洗一定范围内的圆弧壁面；喷射的同时移动装置通过与水平螺旋桨推进器、垂直螺旋桨推进器的组合推进，实现机器人在管道壁上攀爬。当需要清洗管道其他壁面时，除污机器人依靠推进装置脱离壁面，再次调整好位置和姿态后重新压附在所需清洗的管道壁面上，进行下一轮的清洗工作。该水下除污机器人能够代替人的清洗工作，具有运动灵活、清洗效率高、安全可靠等优点，适用于复杂多变的海洋情况。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的一种水下除污机器人的工作示意图；

图2为本申请实施例提供的水下除污机器人的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的水下除污机器人中载体框架的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的水下除污机器人中清理装置的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的水下除污机器人中清理装置的转动机构结构示意图；

图6为本申请实施例提供的水下除污机器人中清理装置的第二转动副的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的水下除污机器人中摄像头的安装结构图；

图8为本申请实施例提供的水下除污机器人中智能控制装置的控制框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

水下管道清洗工作是一种技术难度大又极具市场潜力的领域，目前该领域还十分依赖于潜水员潜入海底进行作业，人工作业具有危险性高、工作效率低、人力成本大等缺陷。针对现有技术缺陷，本申请提出一种水下除污机器人，其能够代替人的清洗工作，具有运动灵活、清洗效率高、安全可靠等优点。

如图1所示，本申请实施例提供的水下除污机器人包括机器人本体20及与机器人本体20连接的水上控制设备10，其中，

水上控制设备10可通过带缆40与机器人本体20连接，用于控制机器人本体20清洗水下管道30；水上控制设备10也可无线控制机器人本体20，实现机器人本体20的自动清理工作。

如图2所示，机器人本体20包括载体框架1、电气仓7、推进装置2、移动装置3、清理装置4与智能控制装置，其中，

如图3所示，载体框架1包括第一框架11、第二框架12、框架管13、侧板14与第三框架16，载体框架1共有两个框架管13，每个框架管13的两端分别与第一框架11、第二框架12的中心位置焊接在一起，用于支撑固定第一框架11与第二框架12。侧板14对称设置于第一框架11的两侧，侧板14的两端分别与第一框架11、第二框架12连接，且侧板14为高密度聚乙烯(hdpe)制成的侧板，用于支撑及保护机体，此种材料耐磨性、电绝缘性、韧性及耐寒性较好。第三框架16垂直于侧板14，第三框架16的两端分别与第一框架11、第二框架12连接，清理装置4安装于第三框架16上。

第一框架11、第二框架12与第三框架16的材料为304不锈钢，具有良好的耐腐性、耐热性，低温强度和机械特性，冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象(使用温度-196℃～800℃)，适合海下作业环境。

移动装置3固定于第三框架16上，用于在水下管道30上移动。移动装置3包括4个对称设置的万向尼龙轮，万向尼龙轮固定在第三框架16的四周，万向轮通过与推进装置2的组合推进，实现机器人本体20在管道壁上的攀爬，且可防止机器人本体20与管道壁发生碰撞。

推进装置2包括多个对称设置的水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器，水平螺旋桨推进器固定于第二框架12上，垂直螺旋桨推进器固定于第一框架11上。本示例中，推进装置2包括4个水平螺旋桨推进器与4个垂直螺旋桨推进器，水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器组合推进可驱动机器人本体20进行360度转动。第二框架12朝向第一框架11的一侧对称设置多个推进器支架17，水平螺旋桨推进器通过该推进器支架17固定于第二框架12上，可推动机器人本体20进行水平推进、横移等姿态调整。同理，垂直螺旋桨推进器通过推进器支架固定于第一框架11上，可推动机器人本体20进行升沉、转艏等姿态调整。水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器同时工作时，可推动机器人本体20进行纵倾、横倾等姿态调整。因此，在水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器的作用下，机器人本体20可进行360度姿态调整，方便机器人本体20靠近水下管道30。

推进装置2采用pf1015-n-al型水下推进器，该水下推进器额定工作电压310vdc，输出功率850w，能够提供正向15kgf的水下推力，反向约6kgf的水下推力。在正向或横向或垂直运动时均可提供正向15kgf的推力，满足在1标准大气压额定工作水深200m的要求，动力传输部分应用了磁耦合技术，在保证传动效率的同时将动密封转换为静密封，大幅提高了工作可靠性。

如图4所示，清理装置4包括移动机构、转动机构与喷头滑块，移动机构包括第一驱动组件与导向组件，导向组件的两端设有固定支架45。导向组件包括相互平行的往复丝杆42与导杆44，导杆44的两端分别与固定支架45固定连接。第一驱动组件包括第一电机41与减速器，第一电机41的输出轴与减速箱的输入轴连接，减速箱的输出轴与往复丝杆42连接。喷头滑块43套设在导杆44与往复丝杆42上，第一电机41驱动往复丝杆42转动，往复丝杆42带动喷头滑块43沿导杆44往复移动，使得喷头滑块43在导向组件上左右移动。

转动机构包括第二驱动组件、转动平台46与多个转动副49，固定支架45固定于转动平台46上。第二驱动组件包括第二电机47与传动轴48，第二电机47的输出轴上套设有第一齿轮，传动轴48上套设有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合连接，即第二电机47通过第一齿轮与第二齿轮驱动传动轴48转动。

如图5、图6所示，转动副49包括第一转动副491与第二转动副492，第一转动副491与第二转动副492均套设在传动轴48上，且第一转动副491固定于第三框架16上，第二转动副492固定于转动平台46远离移动机构的一侧。第一转动副491不随传动轴48转动，只是对传动轴48起到支撑作用；传动轴48靠近第二转动副492的一侧设有键，第二转动副492上设有键槽493，键嵌在键槽493内，使得第二转动副492随传动轴48转动，从而带动转动平台46转动，进而带动喷头滑块43做圆弧运动，方便喷头滑块43发射的高压水射流能够清洗一定范围的圆弧面。

由于水下管道错综复杂，对水下除污机器人性能要求比较高，首先研究选择什么方式进行清理，高压水枪方式特点：后作用力大、高压水泵对水质要求高；机械刮除方式特点：效率高，但是要求控制精度高，易破坏水下管道外表面，结构复杂；空话射流清洗方式特点：靠喷枪喷出的气泡爆破力把污浊物清除，后作用力小。

本示例中，机器人本体20还包括观测照明装置8，观测照明装置包括至少两组摄像头与照明灯，摄像头与照明灯分别通过固定组件固定于框架管13上，一组摄像头与照明灯朝向第一框架11，另一组摄像头与照明灯朝向第二框架12，即一组与水平方向呈倾斜向上，另一组与水平方向呈倾斜向下，可同时监测机器人本体上部与下部的工作环境。

如图7所示，固定组件包括卡箍与固定板82，固定板82固定于框架管13上，卡箍卡在摄像头81与照明灯上；卡箍上设有旋转杆83，卡箍通过旋转杆83安装于固定板82上，使得摄像头81可以倾斜180°旋转，平移360°无限循环，配合els-q01s照明灯，可以将试下作业图像清晰地传动给水上控制设备10，水上操作人员可通过水上控制设备10的液晶屏上显示的图像对机器人本体20进行操控。

本示例中，摄像头81采用obs-03深水网络摄像头，obs-03深水网络摄像头是一款针对水下设备研发的实用观测产品，其防水深度可达300米，表面采用铝合金材质并使用阳极氧化处理，该产品采用200万像素高清数字摄像头，图像输出可达输出1080p(1920*1080)并拥有自动变焦功能。

els-q01s照明灯是一款针对水下设备观测为提供充足照明度而研发的水下照明灯，其采用铝合金材质，表面氧化黑色处理，产品无螺钉，避免生锈，推荐防水深度达到300米，采用钢化玻璃镜片，透光好，耐碰撞和划伤，利用外壳散热，散热效果优秀，可通过pwm调节亮度，最大提供3500流明光通量，光照角度宽至130°。

机器人本体20还包括浮体块5，浮体块5固定于第一框架11远离第二框架12的一侧；浮体块5的中心位置处设有安装孔，第一框架11上设有与安装孔对应的悬挂架15，悬挂架15通过安装孔。浮体块5安放在机器人本体20的顶部，即第一框架11上方，中间为第一框架11顶部的悬挂架15留出间隙。为保证机器人本体20在水中保持水平，浮体块5由0.08g/cm²的发泡材料和0.424g/cm²的玻璃微珠拼接而成，靠近第三框架16的一端为发泡材料，另外一端为玻璃微珠。

浮体块5用于增加机器人本体20的浮力，辅助推进装置2实现机器人本体20的沉浮，当除污机器人完成清理工作后，机器人本体20可根据浮体块上浮，无需驱动推进装置2即可收回机器人本体20。

本示例中，电气仓7固定于第一框架11靠近第二框架12的一侧，推进装置2与清理装置4分别与电气仓7连接，电气仓7通过带缆40与水上控制设备10连接。电气仓7内安装有机器人本体20的传感器与控制元件，用于控制推进装置2的水平螺旋桨推进器与垂直螺旋桨推进器，驱动机器人本体20进行360度姿态调整，用于控制清理装置4的电机，驱使喷头滑块43往复移动，清洗一定范围的圆弧面。

智能控制装置包括传感器6与控制系统，传感器6包括超声波避障传感器、深度传感器与角度传感器，机器人本体20通过采用摄像头81、超声波避障传感器、深度传感器与角度传感器等多种传感器采集信息，方便操作人员实时掌握机器人的工作状况。

超声波避障传感器固定于第三框架16靠近第一框架11的位置，可以将机器人本体20与水下管道30之间的距离返回到水上控制设备10，实现机器人本体20与水下管道30之间的定距操作。深度传感器(压力变送器)安装在框架管13上，它采用不锈钢隔离膜片的oem压力传感器作为信号测量元件，并经过计算机自动测试，用激光调阻工艺进行了宽温度范围的零点和灵敏度温度补偿，将传感器信号转换为标准输出信号，信号反馈到水上控制设备10上，可显示机器人本体20的下潜深度。角度传感器(三维电子罗盘)安放在电气仓7内，采用硬磁和软磁校准算法，使罗盘在有磁场干扰的环境中也能通过校准算法消除海水下磁场的影响，反馈机器人本体20的工作角度。

控制系统包括控制板与plc控制器，如图8所示，摄像头81、照明灯、超声波避障传感器、深度传感器、角度传感器、推进装置2、清理装置4分别与控制板连接，控制板与plc控制器连接，其中，超声波避障传感器用来测量距离信息及管壁信息，并辅助保证机器人本体20与管壁保持适当距离，进而构成模糊神经网络；摄像头81在照明灯的辅助作用下捕获与处理图像。

控制系统以嵌入式控制芯片stc8a8k64s4a12c为核心，主要由控制电路(上位机)、工作电路(下位机)以及控制台组成，能够实现可视化数据显示、一键启/停控制、故障报警检测、控制台控制等多方位便捷功能。

以清理油井平台导管架为例，本申请实施例提供的水下除污机器人的运行原理为：

上位机通过摄像头、超声波避障传感器、深度传感器、角度传感器等多传感器采集的数据，操作用户控制除污机器人进行石油管道附着物清理。当水下除污机器人潜入到海里时，依靠8个螺旋桨推进器进行推进、升沉、横移、转艏、纵倾、横倾等360度等姿态调整，使水下除污机器人推进到油井平台水下管道附近；再利用水下除污机器人背面上的四个垂直螺旋桨推进器推力，将水下除污机器人压附在管道壁面上，使四个万向轮与管道紧密接触；随后，清洗装置依靠电机驱动往复丝杆与传动轴转动，使喷头滑块在导杆上往复移动、转动，使喷头射出的高压水射流能够清洗一定范围内的圆弧面；同时，外向轮通过与4个水平螺旋桨推进器、4个垂直螺旋桨推进器的组合推进，实现机器人本体在管道壁上的攀爬。当需要清洗管道其他壁面时，机器人本体依靠推进装置脱离壁面，再次调整好位置和姿态后重新压附在所需清洗的管道壁面上，进行下一轮的清洗工作。

以完成水下附着海洋生物清理为应用目标的水下除污机器人，在水下管道上作业时不但要克服运动阻力，而且还要携带仪器和电缆等负载，遇到障碍时需要完成越障等动作，这需要吸附机构能提供足够大的吸附力，与普通爬壁机器人相比较，其对吸附技术性能的要求更高。本申请提供的除污机器人设计了一种非接触变磁力吸附技术，推进装置的推进组合驱动机器人靠近管壁，再由移动机构实现机器人本体的攀爬运动，并且，本申请所采用的喷头滑块往复式清理能够获得更大的清理范围，清洗更加省时高效。

本申请所提出的吸附技术，使机器人移动和转向阻力小，运动灵活性好，机器人具有良好的负载能力，既保证了壁面运动的可靠性和稳定性，也使机器人运动能力得到提高。

并且水下环境复杂多变，为应对复杂的作业环境，水下作业机器人需要装配尽量完善的环境检测系统，本申请采用摄像头、超声波避障传感器、深度传感器、角度传感器等多传感器作为监测设备，除能获得机器人的准确定位外，还能从声波、图像等多维度观察，获取水下环境图像和数据、机器人运动状态等信息，使操作员全面了解水下作业情况。

除此之外，本申请还配有智能控制装置，各传感器与上位机相连接，上位机将收集的数据传至pc端，通过数据可视化处理，在pc端展示动态数据与水中作业图像，全方位呈现作业状况，帮助操作员更精准地远程操作机器人完成清洗任务。在出现紧急情况时，智能控制装置还能实现一键启/停控制、故障报警检测、控制台控制等应急措施，将机器操纵风险降至最低。

我国海洋水下管道的清理工作，主要依赖潜水员潜入海底，采用高压水射流进行清理，考虑潜水员身体承受能力，水深15m内连续工作不能超过4小时，水深超过20m时仅可工作1.5小时，水深超过40m时作业时间不能超过40分钟，尤其是北方水域水温较低，其水深超过20m时潜水员一天仅能工作1小时，平均每小时清理4-5m²，而本申请提供的水下除污机器人不受限于自然气候条件，平局每小时可清理8-10m²，大大提高了清理效率。

本申请提供的除污机器人通过10倍变焦摄像机远程监控，作业人员只需在陆地进行操作，和现有人工清理方式相比，既减少了喷砂处理时对人体造成的污染，又减少了高压水枪对潜水人员的威胁，还彻底避免了复杂海水环境带来的风险，大大提高了安全性能。

本申请提供的除污机器人通过射力的封闭控制，提高了清理精度，避免了人工作业时因为海水浑浊导致的清理不全面问题，同时空话水射流通过强大的微射流冲击力，能够彻底清理导管架表面顽固的海洋生物附着物与坚硬污垢，大大提高了清理质量。

本申请提供的除污机器人清洗过程中不造成污染，且可直接使用海水进行清洗，与对水质要求严格的高压水射流清洗技术相比，不浪费水资源，保护了海洋环境。

本申请提供的除污机器人通过空化射流气泡溃灭产生的微射流冲击海洋附着物，压力比现有手持高压水枪小，压力较小的清洗射流既能保证除掉污垢，又能保护被处理表面上的清漆和油漆防污防腐涂层，不伤害管道。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里实用新型的公开后，将容易相当本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除