适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法，包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述清理工具模块位于底盘顶部前端，包括工具安装架和机械臂，工具安装架上设有六边形凹槽，每个凹槽内设有可控电磁铁，至少可容纳高压水枪和旋转钢刷；机械臂通过基座安装于底盘顶部前端，机械臂呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，机械臂末端设有夹爪和六维力传感器；以提出的水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的构造方法，可保证壁面缺陷位置的全覆盖清理，安全高效、清洗效果好、自动化程度高，有利于后续的修复作业。复作业。复作业。

【技术实现步骤摘要】
适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法


[0001]本专利技术属于水下机器人检测与作业
，尤其涉及一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法。
[0002]
技术介绍

[0003]隧洞是一种具有灌溉、发电、供水、泄水、输水等功能的大型基础设施，在我国的水利工程中占据重要地位。由于隧洞具有隐蔽性、地质条件复杂、工程施工难度大、运行条件差等特点，隧洞水下的混凝土表面易产生破损，若无法及时检测和修复隧洞缺陷，则会造成隧洞断裂垮塌、管路沉降等事故。
[0004]隧洞水下表面缺陷的处理流程主要包括：表面清理、扩缝、埋设灌浆管、灌浆和粘贴防渗模块。表面清理作为处理流程的第一步，主要进行水下混凝土破损表面附着物和疏松层的清理，保证壁面缺陷完全显露，以便后续工艺的进行。现有的水下表面清理方式主要包括人工清理和水下机器人清理。人工清理是指技术人员携带刮铲、转刷、水枪等工具，潜入水下进行手动清理；相比之下，水下机器人通过遥控或自主控制的方式进行清理，具有高效率、工作时间长等特点，但是目前隧洞水下作业机器人的清理工具单一，清理过程的自动化程度较低，难以同时实现隧洞水下破损表面的检测和全自动清理，清理的效果也不是很理想，因此需要一种高效率、高自动化程度并具有良好清理效果的隧洞水下破损表面附着物清理方法，以及能够实现该方法的水下作业机器人。
[0005]
技术实现思路

[0006]本专利技术正是针对现有技术中隧洞水下作业机器人清理工具单一、检测不准确、无法自动化清理且清理效果不佳的问题，提供一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人及使用方法，包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，以提出的水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的一种构造方法，可保证壁面缺陷位置的全覆盖清理，安全高效、清洗效果好、自动化程度高，有利于后续的修复作业。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述运动模块包括一对行走轮和相对应的履带，两个行走轮分别位于底盘两侧，以底盘中心呈对称分布，履带覆盖于相对应的行走轮上，用于驱动清理机器人的运动；所述视觉模块位于底盘顶部中间，包括电动升降杆和连接于电动升降杆顶端的云台摄像头；所述清理工具模块位于底盘顶部前端，包括工具安装架和机械臂，所述工具安装架上设有六边形凹槽，每个凹槽内设有可控电磁铁，至少可分别容纳放置高压水枪和旋转
钢刷；所述机械臂通过基座安装于底盘顶部前端，机械臂呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，机械臂末端设有夹爪和六维力传感器；所述控制通信模块分别与运动模块、视觉模块和清理工具模块相连接，用于接收和计算视觉模块的图像信息、向运动模块和清理工具模块发送指令。
[0008]作为本专利技术的一种改进，所述高压水枪设有网状进水口和增压喷头，其内部还集成设有增压装置，水流依次通过网状进水口、增压装置和增压喷头后，形成高压圆柱形水流；所述高压水枪表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。
[0009]作为本专利技术的一种改进，所述旋转钢刷包括可旋转的钢丝刷头和集成电机，钢丝刷头和集成电机通过联轴器相连接，所述旋转钢刷表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。
[0010]作为本专利技术的另一种改进，还包括导航定位模块，所述导航定位模块位于底盘前端，与控制通信模块相连接。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术还采取的技术方案是：一种适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，包括如下步骤：S1，将清理机器人放入水下隧洞中，通过视觉模块获取隧洞水下破损壁面的画面信息，将画面信息传入控制通信模块进行识别，根据已识别的隧洞水下壁面缺陷位置，在壁面所处二维平面中构造该缺陷的最小外接矩形并扩展，生成待清理区域；S2，在待清理区域内进行栅格地图建模，分别以高压水枪和旋转钢刷的内接正方形作为单个栅格，保证单点清理可覆盖整个栅格，所述栅格地图建模的规则为：栅格地图各边与待清理区域对应边的差值不超过单个栅格边长；S3，针对步骤S2获得的栅格地图，分别生成高压水枪和旋转钢刷的清理轨迹，所述清理轨迹以栅格地图中左上角栅格中心点为起点，采用Zigzag遍历法，生成之字形的清理轨迹，实现对所有栅格的遍历；S4，控制通信模块基于清理轨迹驱动运动模块，将机器人运动至对应位置，对清理工具模块中的工具安装库进行电磁铁断电，机械臂夹爪从工具安装架上抓取高压水枪，启动高压水枪，对起点栅格进行清洗，按照高压水枪的清理轨迹进行遍历，直至依次覆盖所有栅格后，机械臂夹爪将高压水枪放回工具安装架，工具安装架通电吸附高压水枪；S5，再次对工具安装库中放置旋转钢刷的凹槽进行电磁铁断电，机械臂夹爪从工具安装库中抓取旋转钢刷，按照步骤S3中旋转钢刷的清理轨迹进行遍历，直至依次覆盖所有栅格，所述旋转钢刷工作过程中，机械臂上六维力传感器的同方向分力持续不为零；S6，清理工作结束后，机械臂夹爪将旋转钢刷放回工具安装架，工具安装架通电吸附旋转钢刷，控制通信模块驱动运动模块，将清理机器人带回起始点与现有技术相比：本专利技术的隧洞水下破损表面附着物清理方法及机器人，避免了人工实施水下清理作业，具有高安全性、高效率、清理效果优良、自动化程度高等优点。其中，清理方法中以提出的水下作业机器人为载体，使用了高压水枪和旋转钢刷两种清理工具，并使用基于位置的阻抗控制方法，有利于互补优势，提高清理效果；针对水下壁面缺陷，提出了清理区域和清理轨迹的一种构造方法，可保证壁面缺陷位置的全覆盖清理，有利于后续的修复作业。
附图说明
[0012]图1为本专利技术实施例中隧洞水下破损表面清理机器人的整体结构示意图；图2为本专利技术实施例中机械臂的结构示意图；图3为本专利技术实施例中高压水枪的结构示意图；图4为本专利技术实施例中旋转钢刷的结构示意图；图5为本专利技术实施例中工具安装架的结构示意图；图6为本专利技术实施例中机器人在隧洞水下清理壁面裂缝周围区域的状态图；图7为本专利技术实施例中清理方法的工作流程图；图8为本专利技术实施例中由壁面裂缝构造栅格地图的示意图；图9为本专利技术实施例中由栅格地图构造清理轨迹的示意图；图10为本专利技术实施例中用于旋转钢刷的基于位置的阻抗控制模型示意图；附图标识列表：1、底盘；2、履带；3、行走轮；4、电动升降杆；5、云台摄像头；6、工具安装架；6
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1、凹槽；6
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2、可控电磁铁；7、旋转钢刷；7
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1、钢丝刷头；7
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2、联轴器；7
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3、集成电机；7
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4、旋转钢刷把手；8、高压水枪；8
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1、网状进水口；8
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2、增压装置；8
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3、增压喷头；8
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4、六边形把手；9、机械臂；9
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1、基座；9...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：包括底盘、运动模块、视觉模块、清理工具模块和控制通信模块，所述运动模块包括一对行走轮和相对应的履带，两个行走轮分别位于底盘两侧，以底盘中心呈对称分布，履带覆盖于相对应的行走轮上，用于驱动清理机器人的运动；所述视觉模块位于底盘顶部中间，包括电动升降杆和连接于电动升降杆顶端的云台摄像头；所述清理工具模块位于底盘顶部前端，包括工具安装架和机械臂，所述工具安装架上设有六边形凹槽，每个凹槽内设有可控电磁铁，至少可分别容纳放置高压水枪和旋转钢刷；所述机械臂通过基座安装于底盘顶部前端，机械臂呈电驱动关节一体化，外裹防水密封膜层，机械臂末端设有夹爪和六维力传感器；所述控制通信模块分别与运动模块、视觉模块和清理工具模块相连接，用于接收和计算视觉模块的图像信息、向运动模块和清理工具模块发送指令。2.如权利要求1所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：所述高压水枪设有网状进水口和增压喷头，其内部还集成设有增压装置，水流依次通过网状进水口、增压装置和增压喷头后，形成高压圆柱形水流；所述高压水枪表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。3.如权利要求1或2所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：所述旋转钢刷包括可旋转的钢丝刷头和集成电机，钢丝刷头和集成电机通过联轴器相连接，所述旋转钢刷表面还设有与工具安装架上凹槽相匹配的六边形把手，把手表面覆盖导磁材料层。4.如权利要求3所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：还包括导航定位模块，所述导航定位模块位于底盘前端，与控制通信模块相连接。5.如权利要求4所述的适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人，其特征在于：还包括距离监测模块，所述距离监测模块位于底盘前端，与控制通信模块相连接，清理机器人四周设有防碰撞条。6.适用于隧洞水下破损表面附着物的清理机器人的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将清理机器人放入水下隧洞中，通过视觉模块获取隧洞水下破损壁面的画面信息，将画面信息传入控制通信模块进行识别，根据已识别的隧洞水下壁面缺陷位置，在壁面所处二维平面中构造该缺陷的最小外接...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋光明，纪梓潮，毛巨正，张鸣权，宋爱国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：