本發(fā)明涉及一種核電站冷卻水引水涵洞檢測機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)施方法，具體地說是涉及一種可以為水下或海洋工程提供工作端掛載的智能平臺(tái)，它可以適應(yīng)多變水下環(huán)境和復(fù)雜地形，可以準(zhǔn)確地指揮水下機(jī)器人到達(dá)水下指定位置，航程大、受天氣影響小，可以通過在執(zhí)行裝置上搭載不同的工作端，完成多種水下任務(wù)。

背景技術(shù)：

隨著海洋開發(fā)和研究的不斷深入，人類的腳步已從潛水層的活動(dòng)邁向深海甚至海底。目前大量的工程實(shí)施或者科學(xué)研究都需要水下機(jī)器人的幫助，此時(shí)水下機(jī)器人便成為了水下的一種重要交通工具，其功能多種多樣，不同類型的水下機(jī)器人用于執(zhí)行不同的任務(wù)，被廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)、海岸警衛(wèi)、海事、海關(guān)、核電、水電、海洋石油、漁業(yè)、海上救助、管線探測和海洋科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供了一種可以為水下或海洋工程提供工作端掛載的智能平臺(tái)，它可以適應(yīng)多變水下環(huán)境和復(fù)雜地形，可以準(zhǔn)確地指揮水下機(jī)器人到達(dá)水下指定位置，航程大、受天氣影響小，可以通過在執(zhí)行裝置上搭載不同的工作端，完成多種水下任務(wù)，完成人所不能及的工作任務(wù)的核電站冷卻水引水涵洞檢測。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種核電站冷卻水引水涵洞檢測機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)施方法，系統(tǒng)包括水面支持系統(tǒng)、中繼回收籠系統(tǒng)、水下機(jī)器人系統(tǒng)三部分；所述的水面支持系統(tǒng)包括起吊設(shè)備、恒張力絞車、操作工作站、電源系統(tǒng)、液壓源；所述的中繼回收籠系統(tǒng)包括主體框架、回收籠對(duì)接頭、機(jī)器人托架、臍帶纜換向機(jī)構(gòu)、4臺(tái)水下推進(jìn)器、觀察攝像機(jī)、吊鉤、壓載配重，其中回收籠對(duì)接頭位于中繼回收籠主體框架的前端，機(jī)器人托架位于底面，臍帶纜換向機(jī)構(gòu)位于主體框架的體外前端，4臺(tái)水下推進(jìn)器位于主體框架內(nèi)部，前后各兩臺(tái)，觀察攝像機(jī)位于主體框架內(nèi)部前端上部，吊鉤位于主體框架上端中部，壓載配重位于主體框架底部；所述的水下機(jī)器人系統(tǒng)具有艇身、機(jī)器人對(duì)接頭、艏相機(jī)、照明設(shè)備、4個(gè)激光輔助高清攝像機(jī)、密封艙、光纖羅經(jīng)、流速計(jì)、深度計(jì)、8個(gè)可獨(dú)立控制搭載的傳感器水翼，其中機(jī)器人對(duì)接頭和艏相機(jī)位于艇身的艏端，照明設(shè)備和4個(gè)激光輔助高清攝像機(jī)位于機(jī)器人艇身的中部；所述的水面支持系統(tǒng)中的起吊設(shè)備與中繼回收籠系統(tǒng)中的主體框架之間用液壓+電力的復(fù)合臍帶纜連接，水面支持系統(tǒng)中的恒張力絞車與水下機(jī)器人之間用光電復(fù)合臍帶纜連接，水下機(jī)器人位于中繼回收籠系統(tǒng)的機(jī)器人托架上，水下機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人對(duì)接頭與中繼回收籠系統(tǒng)的回收籠對(duì)接頭對(duì)接。

所述的水面支持系統(tǒng)中的操作工作站包括主控計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和水下通信接口及臍帶纜(電纜和光纜)、纜繩收放設(shè)備。

所述的水面支持系統(tǒng)中的恒張力絞車由卷筒軸、纜索卷筒、傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)張力控制系統(tǒng)、動(dòng)力源組成。

所述的中繼回收籠系統(tǒng)中的臍帶纜換向機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)滾輪和框架組成的，水下機(jī)器人的光電復(fù)合纜從恒張力絞車釋放，穿過臍帶纜換向機(jī)構(gòu)兩個(gè)滾輪之間的間隙，和水下機(jī)器人的艏部相連。

所述的中繼回收籠系統(tǒng)中的回收籠對(duì)接頭內(nèi)部有喇叭口鎖扣結(jié)構(gòu)，機(jī)器人對(duì)接頭有一倒鉤狀結(jié)構(gòu)，機(jī)器人對(duì)接頭進(jìn)入回收籠對(duì)接頭時(shí)就會(huì)與回收籠對(duì)接頭中的鎖扣鎖死。

所述的中繼回收籠系統(tǒng)中的機(jī)器人托架是由連桿和托盤組成的，水下機(jī)器人釋放前托盤與機(jī)器人的機(jī)身相連，釋放后連桿可自動(dòng)降落使整個(gè)托架安置在中繼回收籠系統(tǒng)的籠底。

所述的水下機(jī)器人中的密封艙是由端蓋、圓艙身、光端交換機(jī)、電源板、主板、密封圈、控制板、驅(qū)動(dòng)板和慣性導(dǎo)航模塊組成，端蓋與圓艙身之間采用螺栓連接方式，圓艙身四周用密封圈密封，艙內(nèi)空間注滿變壓器油。

所述的水下機(jī)器人中的8個(gè)可獨(dú)立控制搭載的傳感器水翼，其分布為4個(gè)艏水翼位于機(jī)器人艇身的艏端，環(huán)繞機(jī)器人艇身艏部360度方向上均布，4個(gè)尾水翼位于機(jī)器人艇身的尾端，環(huán)繞機(jī)器人艇身尾部360度方向上均布。

本發(fā)明克服了水下機(jī)器人的關(guān)鍵部位防水問題，能夠長時(shí)間水下工作，不僅能在各種環(huán)境的水中作業(yè)，也可以在地形復(fù)雜的水底工作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的中繼回收籠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖（機(jī)器人托架1、主體框架2、吊鉤3、觀察攝像機(jī)4、回收籠對(duì)接頭5、臍帶纜換向機(jī)構(gòu)6、4臺(tái)水下推進(jìn)器7、壓載配重8）；

圖2為本發(fā)明提供的水下機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖（照明設(shè)備9、4個(gè)尾水翼10、艇身11、4個(gè)激光輔助高清攝像機(jī)12、4個(gè)艏水翼13、艏相機(jī)14、機(jī)器人對(duì)接頭15）。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

為了便于說明，僅僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。

一種核電站冷卻水引水涵洞檢測機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)施方法，其特征在于，系統(tǒng)包括水面支持系統(tǒng)、中繼回收籠系統(tǒng)、水下機(jī)器人系統(tǒng)三部分；所述的水面支持系統(tǒng)包括起吊設(shè)備、恒張力絞車、操作工作站、電源系統(tǒng)、液壓源；所述的中繼回收籠系統(tǒng)包括主體框架2、回收籠對(duì)接頭5、機(jī)器人托架1、臍帶纜換向機(jī)構(gòu)6、4臺(tái)水下推進(jìn)器7、觀察攝像機(jī)4、吊鉤3、壓載配重8，其中回收籠對(duì)接頭5位于中繼回收籠主體框架2的前端，機(jī)器人托架1位于底面，臍帶纜換向機(jī)構(gòu)6位于主體框架2的體外前端，4臺(tái)水下推進(jìn)器7位于主體框架2內(nèi)部，前后各兩臺(tái)，觀察攝像機(jī)4位于主體框架2內(nèi)部前端上部，吊鉤位于主體框架2上端中部，壓載配重8位于主體框架2底部；所述的水下機(jī)器人系統(tǒng)具有艇身11、機(jī)器人對(duì)接頭15、艏相機(jī)14、照明設(shè)備9、4個(gè)激光輔助高清攝像機(jī)12、密封艙、光纖羅經(jīng)、流速計(jì)、深度計(jì)、8個(gè)可獨(dú)立控制搭載的傳感器水翼，其中機(jī)器人對(duì)接頭15和艏相機(jī)14位于艇身11的艏端，照明設(shè)備9和4個(gè)激光輔助高清攝像機(jī)12位于機(jī)器人艇身11的中部；所述的水面支持系統(tǒng)中的起吊設(shè)備與中繼回收籠系統(tǒng)中的主體框架2之間用液壓+電力的復(fù)合臍帶纜連接，水面支持系統(tǒng)中的恒張力絞車與水下機(jī)器人之間用光電復(fù)合臍帶纜連接，水下機(jī)器人位于中繼回收籠系統(tǒng)的機(jī)器人托架上1，水下機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人對(duì)接頭15與中繼回收籠系統(tǒng)的回收籠對(duì)接頭5對(duì)接。

所述的水面支持系統(tǒng)中的操作工作站包括主控計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和水下通信接口及臍帶纜(電纜和光纜)、纜繩收放設(shè)備。

所述的水面支持系統(tǒng)中的恒張力絞車由卷筒軸、纜索卷筒、傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)張力控制系統(tǒng)、動(dòng)力源組成。

所述的中繼回收籠系統(tǒng)中的臍帶纜換向機(jī)構(gòu)6是由兩個(gè)滾輪和框架組成的，水下機(jī)器人的光電復(fù)合纜從恒張力絞車釋放，穿過臍帶纜換向機(jī)構(gòu)6兩個(gè)滾輪之間的間隙，和水下機(jī)器人的艏部相連。

所述的中繼回收籠系統(tǒng)中的回收籠對(duì)接頭5內(nèi)部有喇叭口鎖扣結(jié)構(gòu)，機(jī)器人對(duì)接頭15有一倒鉤狀結(jié)構(gòu)，機(jī)器人對(duì)接頭15進(jìn)入回收籠對(duì)接頭5時(shí)就會(huì)與回收籠對(duì)接頭5中的鎖扣鎖死。

所述的中繼回收籠系統(tǒng)中的機(jī)器人托架1是由連桿和托盤組成的，水下機(jī)器人釋放前托盤與機(jī)器人的機(jī)身相連，釋放后連桿可自動(dòng)降落使整個(gè)托架安置在中繼回收籠系統(tǒng)的籠底。

所述的水下機(jī)器人中的密封艙是由端蓋、圓艙身、光端交換機(jī)、電源板、主板、密封圈、控制板、驅(qū)動(dòng)板和慣性導(dǎo)航模塊組成，端蓋與圓艙身之間采用螺栓連接方式，圓艙身四周用密封圈密封，艙內(nèi)空間注滿變壓器油。

所述的水下機(jī)器人中的8個(gè)可獨(dú)立控制搭載的傳感器水翼，其分布為4個(gè)艏水翼13位于機(jī)器人艇身11的艏端，環(huán)繞機(jī)器人艇身11艏部360度方向上均布，4個(gè)尾水翼10位于機(jī)器人艇身11的尾端，環(huán)繞機(jī)器人艇身11尾部360度方向上均布。

下面對(duì)該檢測機(jī)器人系統(tǒng)及實(shí)施方法各部分做詳細(xì)說明。

操縱站主要提供機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、中繼回收籠的控制、人機(jī)交互，為整套系統(tǒng)提供電源與通訊的保障。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理軟件在操縱站服務(wù)器中運(yùn)行。

起吊設(shè)備可以是可移動(dòng)吊車或構(gòu)筑物處原有的龍門起吊設(shè)備，主要用于中繼回收籠的起吊。岸上同時(shí)配有該套設(shè)備專用的恒張力絞車，該絞車主要對(duì)機(jī)器人臍帶纜進(jìn)行收放，可根據(jù)設(shè)定的臍帶纜張力進(jìn)行纜繩的自動(dòng)收放，機(jī)器人在涵洞中的速度由該絞車控制。

恒張力絞車具有放纜長度測量傳感器，因?yàn)闄C(jī)器人臍帶纜為一種鎧裝具有高強(qiáng)度的水下浮力電纜，在水中處于懸浮狀態(tài)。機(jī)器人受到水流的力量會(huì)將臍帶纜繃緊，通過絞車放纜長度數(shù)據(jù)即可獲得機(jī)器人在涵洞中的相對(duì)位置。

中繼回收籠是保障機(jī)器人從盾構(gòu)井垂直升降的保障裝置。因?yàn)橹欣^回收籠在從盾構(gòu)井中布放的時(shí)候，由于冷卻水匯入并流入引水涵洞，因此在盾構(gòu)井中必然會(huì)存在湍流。為了保證在該過程中回收籠的問題因此回收籠通過大質(zhì)量配重來提高其自身的穩(wěn)定性，并且配有4臺(tái)大功率水下推進(jìn)器程矢量布置來進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整來保證回收籠可以穩(wěn)定的在盾構(gòu)井中升降。4組推力矢量組合可以實(shí)現(xiàn)在水平面的各個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力和沿著垂直軸的旋轉(zhuǎn)力矩。回收籠為了保證機(jī)器人布放與回收的可靠性，機(jī)器人臍帶纜將穿過回收籠的對(duì)接頭裝置，隨著收攬的進(jìn)行，機(jī)器人前端會(huì)進(jìn)入對(duì)接頭的喇叭口，機(jī)器人艏部有一倒鉤狀結(jié)構(gòu)，隨著機(jī)器人進(jìn)入對(duì)接頭將會(huì)與對(duì)接籠中鎖扣鎖死，此時(shí)機(jī)器人托架由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)抬起，支撐與固定機(jī)器人主體。釋放過程則是這個(gè)逆過程，對(duì)接頭中鎖扣打開，機(jī)器人受水流作用會(huì)對(duì)纜繩產(chǎn)生拉力，此時(shí)釋放落下托架，絞車釋放臍帶纜機(jī)器人自動(dòng)控制姿態(tài)即可出籠。

機(jī)器人不帶有動(dòng)力，機(jī)器人動(dòng)力由涵洞來流產(chǎn)生。力量大小可以通過其上8個(gè)舵翼配合改變阻力面積來調(diào)整阻力，同時(shí)通過舵翼的配合可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的俯仰、滾轉(zhuǎn)、平移、升沉等運(yùn)動(dòng)。隨著放纜機(jī)器人將深入涵洞。該過程可由人員操縱完成或根據(jù)預(yù)先設(shè)定程序設(shè)定后整套系統(tǒng)自主運(yùn)行。操作人員手動(dòng)操作時(shí)可以設(shè)定機(jī)器人的俯仰角度、橫滾角度、深度，機(jī)器人可以根據(jù)設(shè)定自動(dòng)穩(wěn)定在相應(yīng)狀態(tài)。

機(jī)器人機(jī)身具有5部攝像機(jī)，機(jī)器人艏部具有一臺(tái)攝像機(jī)，該攝像機(jī)主要用于機(jī)器人在釋放回收過程中的操作。機(jī)體四周的4部攝像機(jī)為具有線性激光器的攝像機(jī)，該攝像機(jī)可以返回距離信息，同時(shí)配合LED水下照明系統(tǒng)，可以進(jìn)行對(duì)洞壁高清錄像與拍照。機(jī)器人尾部具有一個(gè)安裝控件可以安裝360°激光測距儀、全向測量聲納等。整個(gè)過程機(jī)器人的供電、控制數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及其他傳感器均有臍帶纜完成。臍帶纜為一種鎧裝密度等于水的光電復(fù)合纜。

機(jī)器人的8個(gè)水翼均可以獨(dú)立控制。機(jī)器人內(nèi)部有高精度光纖羅經(jīng)可對(duì)機(jī)器人姿態(tài)進(jìn)行反饋。流速計(jì)對(duì)相對(duì)水流進(jìn)行測量可獲得相對(duì)流速，并且通過4個(gè)測距攝像機(jī)的檢測可以獲得機(jī)器人在涵洞截面中的相對(duì)位置。

進(jìn)一步地，在進(jìn)行具體的工作時(shí)，分為機(jī)器人的釋放、運(yùn)行、回收三部分。

1.釋放過程為吊車下降中繼回收籠，同時(shí)絞車伴隨釋放臍帶纜，直至整個(gè)回收籠調(diào)整好方位姿態(tài)坐底為止。該過程回收籠的動(dòng)力定位系統(tǒng)會(huì)根據(jù)水流產(chǎn)生的擾動(dòng)自動(dòng)完成補(bǔ)償穩(wěn)定工作。

2.機(jī)器人在涵洞中運(yùn)行

調(diào)整阻力面

當(dāng)需要調(diào)整機(jī)器人的牽引力時(shí)既為增大機(jī)器人的阻力面積。此時(shí)各水翼的升力在水平和數(shù)值兩個(gè)方向抵消為0，同時(shí)滾轉(zhuǎn)方向的力矩也將抵消為零。則實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的阻力面積的增加，確不會(huì)改變機(jī)器人的狀態(tài)從而達(dá)到增加拉力的目的。

調(diào)整姿態(tài)

為了令機(jī)器人可以適應(yīng)涵洞的斜度，機(jī)器人需具備調(diào)整姿態(tài)的能力。在增加阻力面的基礎(chǔ)上疊加需要調(diào)整機(jī)器人力的方向進(jìn)行打舵，實(shí)現(xiàn)艏水翼合力不為0、尾水翼合力不為0，這兩個(gè)合力與機(jī)器人在水中的重力與浮力、纜繩的牽引力合成一個(gè)合力最終讓機(jī)器人在一個(gè)姿態(tài)下穩(wěn)定達(dá)到調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)的目的。

調(diào)整位置

通過調(diào)整前后水翼的合力即可令機(jī)器人在涵洞中平移、升沉、調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)涵洞的斜度等。

3.回收過程即為布放的逆過程。