一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人及系統的制作方法

1.本發明涉及水下作業機器人技術領域，具體涉及一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人及系統。


背景技術：

2.我國海洋油氣資源開發、海上風電、橋梁等大型海洋工程構筑物的生產建設如火如荼，大型海洋工程結構物損傷檢測與修復等全壽命服役安全問題面臨巨大挑戰。水下結構在波浪作用下長期不間斷顛簸、臺風等惡劣天氣影響、甲板大載荷生產作業條件下，結構容易因疲勞產生焊縫裂紋等缺陷。當前主流的探傷監測主要用水下超聲檢測法來檢測船體及鋼結構海上平臺的腐蝕情況，歐美海洋先進國家在進行水下超聲檢測時，一般至少需要2名工作人員協同作業，一名潛水員負責水下具體的檢測操作，另一名人員則需要在中控室隨時監控水下狀態，校準檢測系統，解析反饋的信號并指導潛水員操縱探頭等。該探傷檢測方法需要花費較長的時間和支出不菲的費用，更重要的是海洋構筑物水線遍布海生物，僅依靠潛水員無法做到實時檢查，這樣的結構缺損嚴重威脅平臺自身和生產相關人員的安全。


技術實現要素：

3.針對現有技術存在的不足，本發明目的是提供一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人及系統。
4.本發明的目的可以通過以下所述技術方案來實現：一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人，包括履帶行進模塊、機器人框架和電驅推進器模塊，履帶行進模塊通過可調式連桿柔性連接于機器人框架的兩側，機器人框架的上側設置有浮力模塊，浮力模塊中部設置有起吊點，電驅推進器模塊包括設置于機器人框架四個對角位置的水平推進器以及設置于浮力模塊上的豎直推進器，機器人框架的前側安裝有作業工具模塊以及與作業工具模塊配合的機械手模塊，機器人框架的后側安裝有用于驅動履帶行進模塊和作業工具模塊運動的液壓系統模塊，機器人框架內安裝有水下電氣控制系統，水下電氣控制系統用于控制水下機器人進行水下工程作業。
5.作為上述技術方案的進一步描述，浮力模塊通過螺栓或雙頭螺柱與機器人框架連接，且浮力模塊的本體上預埋連接件，機器人框架上設置有浮力模塊安裝板和支架。
6.作為上述技術方案的進一步描述，浮力模塊由復合泡沫塑料制成，且浮力模塊的表面噴涂有保護層。
7.作為上述技術方案的進一步描述，作業工具模塊包括工具撬、清洗刷、高壓水射流、無損探傷儀、打磨工具和水下焊槍。
8.作為上述技術方案的進一步描述，履帶行進模塊包括履帶梁、履帶鏈輪、履帶鏈條、隨動輪、履帶板、惰輪以及驅動單元，驅動單元包括集成變量柱塞液壓馬達和駐車制動器的水下一體化齒輪箱。
9.作為上述技術方案的進一步描述，機器人框架的前側還安裝有監視系統模塊，監視系統模塊包括固定式照明燈、固定式高清攝像頭、云臺和視覺傳感器。
10.作為上述技術方案的進一步描述，機器人框架的下側安裝有導航定位系統模塊，導航定位系統模塊包括聲納、dvl多普勒儀、深度傳感器和超短基線。
11.作為上述技術方案的進一步描述，液壓系統模塊包括液壓動力源、集中控制閥箱、壓力補償器、液壓馬達和多路大流量控制閥組。
12.作為上述技術方案的進一步描述，水下電氣控制系統包括臍帶纜終端、水下電子倉和布置于集中控制閥箱內的傳感器和監測儀器。
13.本發明還提供一種多功能作業級水下機器人系統，包括一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人、水面平臺以及設置于水面平臺上的控制臺和臍帶纜絞車，臍帶纜絞車與水下機器人通過臍帶纜連接，水下機器人與控制臺通信連接，控制臺用于控制水下機器人進行水下工程作業。
14.與現有技術比，本發明的有益效果：
15.1、本發明提供一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人適用于多場景的水下作業，通過機器人框架搭載的作業工具模塊和機械手模塊可實現水下結構物表面上附著的異物進行清理、打磨、探傷和修復；對鋪設或埋敷與海底的管纜執行巡檢作業；對各類水下生產系統開展介入作業。通過創新的結構設計、推進器布局并輔以推力分配控制，實現水下機器人的橫傾、縱搖以及定深、定高，尤其是翻身姿態的實現。從而滿足水下不同形貌結構物上的可靠作業。具體的豎直推進器產生的壓力緊貼結構物表面，在此之后，可以通過水平推進器和履帶行進模塊沿結構物表面自由移動，實現機器人的轉移，從而實現對整個區域的清潔、打磨、探傷和修復，提高水下機器人的機動性和清潔、修復效果。
16.2、本發明提供一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人優異的水動力結構和電液雙驅動力，也非常適用于海底電纜和管線的快速檢測；通過水下液壓系統模塊驅動的履帶行進模塊，讓機器人在各類水下生產系統的介入作業也能發揮作用，尤其是淺海海域。
17.發綜上所述，本發明提供的電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人能夠替換現有的人工水下作業，因此極大地提高了水下作業的效率，也大大降低了水下施工的成本。
附圖說明
18.利用附圖對本發明作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本發明的任何限制，對于本領域的普通技術人員，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據以下附圖獲得其它的附圖。
19.圖1為本發明電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人的結構示意圖。
20.圖2為本發明電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人的另一結構示意圖。
21.圖3為本發明電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人底部的結構示意圖。
22.圖4為本發明實施例中監視系統模塊的組成示意圖。
23.圖5為本發明實施例中導航定位系統模塊的組成示意圖。
24.圖6為本發明實施例中液壓系統模塊的組成示意圖。
25.圖7為本發明實施例中作業工具模塊的組成示意圖。
26.圖8為本發明多功能作業級水下機器人系統中水下機器人的布放回收示意圖。
27.圖9為本發明多功能作業級水下機器人系統中水下機器人在水下多模式移動轉場示意圖。
28.圖中所示標號表示為：1、履帶行進模塊；2、機器人框架；3、浮力模塊；4、起吊點；5、水下電氣控制系統；6、監視系統模塊；6.1、固定式照明燈；6.2、固定式高清攝像頭；6.3、云臺；6.4、視覺傳感器；7、導航定位系統模塊；7.1、聲納；7.2、dvl多普勒儀；7.3、深度傳感器；7.4、超短基線；8、水平推進器；9、液壓系統模塊；9.1、液壓動力源；9.2、集中控制閥箱；9.3、壓力補償器；9.4、液壓馬達；9.5、多路大流量控制閥組；10、機械手模塊；11、作業工具模塊；11.1、工具撬；11.2、清洗刷；11.3、高壓水射流；11.4、無損探傷儀；12、豎直推進器。
具體實施方式
29.需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后
……
)，則該方向性指示僅用于解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
30.另外，若本發明實施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，則該“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護范圍之內。
31.下面將結合具體實施例，對本發明的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通的技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明的保護范圍。
32.如圖1至圖7所示，本發明的結構為：一種電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人，包括履帶行進模塊1、機器人框架2和電驅推進器模塊，履帶行進模塊1通過可調式連桿柔性連接于機器人框架2的兩側，機器人框架2的上側設置有浮力模塊3，浮力模塊3中部設置有起吊點4，電驅推進器模塊包括設置于機器人框架2四個對角位置的水平推進器8以及設置于浮力模塊3上的豎直推進器12，機器人框架2的前側安裝有作業工具模塊11以及與作業工具模塊11配合的機械手模塊10，機器人框架2的后側安裝有用于驅動履帶行進模塊1運動的液壓系統模塊9，機器人框架2內安裝有水下電氣控制系統5，水下電氣控制系統5用于控制水下機器人進行水下工程作業。本發明的電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人，上部采用浮力模塊3，下部采用開架式框架結構，機器人框架2的兩側連接履帶行進模塊，通過機器人框架2搭載的作業工具模塊11和機械手模塊10對水下結構物表面上附著的異物進行清理，通過豎直推進器12產生的壓力緊貼結構物表面，在此之后，可以通過水平推進器8和履帶行進模塊1沿結構物表面自由移動，實現機器人的轉移，從而實現對整個區域的清潔，提高水下機器人的機動性和清潔效果。
33.具體的，如圖1所示，浮力模塊3通過螺栓或雙頭螺柱與機器人框架2連接，且浮力模塊3的本體上預埋連接件，機器人框架2上設置有浮力模塊安裝板和支架，使安裝簡單、可
靠，拆卸方便。進一步的，浮力模塊3和機器人框架2相結合，構成水下機器人的上表面，為了減小起吊狀態下框架結構變形對浮力模塊3的影響，除了在浮力模塊3之間留有一定的間隙外，還采取適當加大浮力模塊3安裝螺栓孔的直徑和增加橡膠墊圈等措施。
34.進一步的，浮力模塊3由復合泡沫塑料制成，且浮力模塊3的表面噴涂有保護層，浮力模塊3由復合泡沫塑料組成，此類復合泡沫塑料由封閉微球鑄造到環氧樹脂外殼中。為了防止浮力模塊3與其他物體發生碰撞而損壞，浮力模塊3的表面噴涂聚亞胺醋保護層，能夠有效保護浮力材料不受損壞。
35.具體的，如圖7所示，作業工具模塊11包括工具撬11.1、清洗刷11.2、高壓水射流11.3和無損探傷儀11.4，進一步的，作業工具模塊11還包括打磨工具和水下焊槍，水下機器人作業時，先用預先掛載于機械手模塊10上的高壓水射流11.3對結構物表面的附著物進行初步清理；然后機械手模塊10取出放于底盤的清洗刷11.2做進一步清刷；待清刷完畢后，使搭載平臺靜止并用底部的無損探傷儀11.4通過推進掃描的方式對結構物進行缺陷檢測；若存在缺陷，則在用機械手模塊10在水下切換為打磨工具對待焊部位進行打磨后，使用水下焊槍進行焊接。
36.具體的，如圖1所示，履帶行進模塊1包括履帶梁、履帶鏈輪、履帶鏈條、隨動輪、履帶板、惰輪以及驅動單元，驅動單元包括集成變量柱塞液壓馬達和駐車制動器的水下一體化齒輪箱，可以實現高扭矩、低轉速下的良好控制，同時也能實現高速行駛。
37.具體的，如圖1、圖4所示，機器人框架2的前側還安裝有監視系統模塊6，監視系統模塊6包括固定式照明燈6.1、固定式高清攝像頭6.2、云臺6.3和視覺傳感器6.4，固定式照明燈6.1、固定式高清攝像頭6.2和視覺傳感器6.4均安裝在云臺6.3上，云臺6.3是監控系統中常用于安裝、固定攝像頭的支撐設備，并由云臺6.3來控制攝像頭或其它設備的轉動方向，通過固定式高清攝像頭6.2和視覺傳感器6.4進行全方位觀察，利用固定式照明燈6.1提供照明，便于清晰地在水中進行觀察。
38.如圖3、圖5所示，機器人框架2的下側安裝有導航定位系統模塊7，導航定位系統模塊7包括聲納7.1、dvl多普勒儀7.2、深度傳感器7.3和超短基線7.4，通過導航定位系統模塊7實現機器人水下位置的控制，確保機器人的運行安全。
39.如圖6所示，液壓系統模塊9包括集成泵控制的液壓動力源9.1、集中控制閥箱9.2、壓力補償器9.3、液壓馬達9.4和多路大流量控制閥組9.5。
40.進一步的，水下電氣控制系統5包括臍帶纜終端、水下電子倉和布置于集中控制閥箱9.2內的傳感器和監測儀器。
41.如圖8、圖9所示，本發明還提供一種多功能作業級水下機器人系統，包括水下機器人、水面平臺以及設置于水面平臺上的控制臺和臍帶纜絞車，臍帶纜絞車與水下機器人通過臍帶纜連接，水下機器人與控制臺通信連接，控制臺用于控制水下機器人進行水下工程作業，水下機器人通過臍帶纜絞車從水面平臺(船或浮式平臺)上進行布放，潛入水下后，通過水平推進器8行駛到預定工作地點，在豎直推進器12產生的力矩作用下，調整自身姿態使其翻轉90度，保持垂向，然后由豎直推進器12產生的壓力緊貼結構物表面，在此之后，可以通過水平推進器8和履帶行進模塊1沿結構物表面自由移動。
42.水下機器人作業時，先用預先掛載于機械手模塊10上的高壓水射流11.3對結構物表面的附著物進行初步清理；然后機械手模塊10取出放于底盤的清洗刷11.2做進一步清
刷；待清刷完畢后，使搭載平臺靜止并用底部的無損探傷儀11.4通過推進掃描的方式對結構物進行缺陷檢測；若存在缺陷，則在用機械手模塊10在水下切換為打磨工具對待焊部位進行打磨后，使用水下焊槍進行焊接。整個作業流程通過水面的控制臺進行操控，如有需要，可以啟動自主循跡功能。
43.具體使用時，本發明電液混動型履帶式多功能作業級水下機器人的總體結構采用高強度鋁合金，整機采用不銹鋼緊固件，可拆卸式側邊防護板，方便維修并進行器件更換，特制配重托盤，配重調節簡單方便，采用高強度耐腐性框架，全部管線帶有標記便于識別，水下機器人采用頂部單點起吊，起吊點4位置具有可調節功能，前部具有便捷固定點，用于前部作業工具模塊搭載。采用牢固的全寬度防撞欄，帶有d型橡膠條，顯著降低沖擊力。從浮力模塊3到各類設備都設計圓角保護，配備后視固定式高清攝像頭，防止線纜拉扯。綜合考慮行駛速度、水深、自重對動力系統影響穩定性、機動性等多方面因素，設計了兩種共存的驅動方案：
44.(1)電驅推進器模塊，該功能是基于水下機器人在入水以后和出水之前，需要在浮游狀態下行駛，并調整自身姿態，同時，本裝備對機動性要求很高，故而采用8臺推進器，均掛載于主體框架上，其中水平推進器4個，呈45度角矢量布置，并安裝于機器人的四個對角靠邊緣位置；豎直推進器4個，位置相對居中均布；8臺推進器均為伺服直流電機驅動，相比交流電機驅動，在啟動時對系統的電流沖擊較小，同時便于實現靈活控制。
45.(2)履帶行進模塊，履帶行進模塊通過可調式連桿柔性連接于機器人框架底部位置，行進功能通過液壓馬達驅動履帶的方式，具有很強的靈活性，可跟隨規劃路徑隨時自主調整行進方向，保證檢測和清理的穩定效率；不易出現打滑，行駛平穩，航向保持穩定。同時，該方案還具有檔位切換與無級變速，設置高低檔位兩檔，即大扭矩低轉速和高轉速小扭矩，并可通過比例閥控制液壓馬達實現無級變速。
46.以上借助具體實施例對本發明做了進一步描述，但是應該理解的是，這里具體的描述，不應理解為對本發明的實質和范圍的限定，本領域內的普通技術人員在閱讀本說明書后對上述實施例做出的各種修改，都屬于本發明所保護的范圍。