本發明屬于海洋平臺海生物清理技術領域，涉及一種環抱式水下鋼結構管道外表面海生物清理機器人。

背景技術：

隨著海洋資源的廣泛利用，世界上海洋平臺的數量不斷增加。在海平面±5m的范圍內，由于潮漲潮汐的影響，海洋平臺中鋼結構管道的外表面會周期性地接觸空氣和海水，使得許多海生物在鋼結構管道外表面快速繁殖、生長，例如海蠣子、藤壺等，這些海生物不僅增加了海洋平臺的重量，也使得海洋平臺受海流的作用面積增大，產生了巨大的安全隱患，因此，必須定期清理鋼結構管道外表面的海生物。

目前，普遍采用的水下鋼結構管道外表面海生物清理方式為人工水下清理，即由潛水員潛入水下，利用攜帶的噴砂工具打磨管道外表面，以清理管道外表面的海生物。該方式存在如下弊端：

(1)潛水員存在人身安全隱患，隨時可能會有危險發生；

(2)受天氣及海洋狀況的影響較大，天氣及海況稍有變化，便無法開展清理工作，使得該方式在應用時具有較大局限性；

(3)海洋平臺的水下鋼結構管道交錯布設，管架結構復雜，使得人工清理的工作量極大；

(4)噴砂時，在清理掉海生物的同時也會破壞管道外表面的保護層，必須重新上漆才能防止腐蝕，因此加大了后續的工作量，增加了維護成本；

(5)噴砂清理方式還會加重海洋平臺上的灰塵污染和噪聲污染。

申請公布號為CN103883840A的中國發明專利公開了一種管道防腐層清理機器人，該管道防腐層清理機器人包括：管架體，其中，管架體由截面為半圓的兩個管體對接而成，在管架體內設置第一架體和第二架體；驅動組設置在第一架體上；清理機構，設置在第二架體上；打磨機構，設置在第二架體上，且與清理機構相對設置；控制機構，設置在管架體上。上述專利公布的技術方案中，管道防腐層清理機器人能夠在一定程度上減輕人工清理的工作量，但其需要預先將兩個半圓的管體套設在管道外表面，并通過銷軸連接形成管架體，安裝與拆卸不便，且不適用于水下工作，無法對水下鋼結構管道外表面海生物進行清理。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種靈活性好且易于拆裝的環抱式水下鋼結構管道外表面海生物清理機器人。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種環抱式水下鋼結構管道外表面海生物清理機器人，該機器人包括機器人行走單元以及設置在機器人行走單元上的移動式清理單元，所述的機器人行走單元包括相互平行設置的上弧形固定板、下弧形固定板以及分別設置在上弧形固定板與下弧形固定板之間的懸磁吸附組件、行走驅動機構及抬升機構，所述的移動式清理單元包括設置在上弧形固定板上的弧形固定支架、設置在弧形固定支架上的弧形齒條以及沿周向移動設置在弧形固定支架上并與弧形齒條相嚙合的空化水噴射機構，所述的機器人通過懸磁吸附組件吸附在管道表面，在行走驅動機構的作用下沿管道軸向運動，并由空化水噴射機構除去管道外表面的海生物。抬升機構便于將機器人從管道表面取下。

上弧形固定板與下弧形固定板的兩端通過側邊框相連，上弧形固定板與下弧形固定板之間還設有主電路腔固定板以及分別設置在主電路腔固定板上的主電路腔、線纜固定座，主電路腔內部設有主控板及分別控制各個步進電機的步進電機驅動器，主控板包含一個姿態傳感器，用于監測機器人的姿態，并對軸向行走輪的轉速進行反饋控制。所述的主電路腔固定板上還設有用于監測機器人位置的液位變送器。

所述的懸磁吸附組件包括多個沿周向分別布設在上弧形固定板與下弧形固定板之間的永磁塊組，所述的永磁塊組與管道表面相連一側的磁場強度大于背離管道表面一側的磁場強度。

作為優選的技術方案，所述的永磁塊組中，沿軸向依次相連的多個永磁塊的磁化方向按照“右、下、左、上”的順序依次循環排列，使永磁塊組靠近管道表面的一側的磁場強度較大，使機器人能夠吸附在管道表面，同時，永磁塊組背離管道表面的一側磁場強度較小，降低了永磁塊組對管道以外的其它鐵質物體的吸引力，避免水中的雜物吸附在機器人上影響機器人的正常工作，因而提高了安全性。

作為優選的技術方案，所述的懸磁吸附組件包括6個沿周向分別布設在上弧形固定板與下弧形固定板之間的永磁塊組，且左邊3個永磁塊組與右邊3個永磁塊組關于上弧形固定板與下弧形固定板的豎直中軸線對稱設置，6個永磁塊組中，最左端的永磁塊組與最右端的永磁塊組分別設置在上弧形固定板與下弧形固定板之間的左右兩端，其它的4個永磁塊組集中分布在上弧形固定板與下弧形固定板之間的中部。

所述的行走驅動機構包括并列設置在上弧形固定板與下弧形固定板之間的第一軸向行走輪安裝板、第二軸向行走輪安裝板、設置在第一軸向行走輪安裝板與第二軸向行走輪安裝板之間的軸向行走輪、設置在第二軸向行走輪安裝板外側的軸向行走輪步進電機安裝筒以及設置在軸向行走輪步進電機安裝筒內并與軸向行走輪傳動連接的軸向行走輪步進電機。軸向行走輪步進電機帶動軸向行走輪在管道外表面沿軸向前進或后退，軸向行走輪步進電機安裝筒將軸向行走輪步進電機密封在內部，防止軸向行走輪步進電機中進水而影響正常工作。

作為優選的技術方案，所述的行走驅動機構共設有兩個，并關于上弧形固定板與下弧形固定板的豎直中軸線對稱設置，以保證軸向運動的平衡穩定。

所述的軸向行走輪步進電機安裝筒上設有第一水密接插件。軸向行走輪步進電機通過第一水密接插件與軸向行走輪步進電機安裝筒外部的導線連接，以傳遞電源和信號，保證了水密性，能夠有效地防止電機進水。

所述的抬升機構包括設置在上弧形固定板與下弧形固定板之間的抬升機構連接座、一對沿上弧形固定板與下弧形固定板的徑向分別設置在抬升機構連接座上的絲杠固定塊、設置在兩絲杠固定塊之間的絲杠、移動設置在絲杠上并位于兩絲杠固定塊之間的絲桿螺母、固定設置在絲桿螺母上的徑向抬升輪安裝架以及設置在徑向抬升輪安裝架上的徑向抬升輪。絲杠的轉動帶動絲桿螺母沿上弧形固定板與下弧形固定板的徑向運動，帶動徑向抬升輪安裝架上的徑向抬升輪沿徑向運動并逐漸接觸管道外表面，之后頂在管道外表面上，并將機器人抬起，使永磁塊組脫離管道外表面，便于將機器人從管道外表面取下。

作為優選的技術方案，所述的抬升機構共設有兩個，并關于上弧形固定板與下弧形固定板的豎直中軸線對稱設置，以保證機器人抬升時的平穩和高效。

作為優選的技術方案，所述的徑向抬升輪安裝架上還設有防腐鋅塊。

所述的抬升機構連接座上還設有與絲杠相平行的導軌以及滑動設置在導軌上并與徑向抬升輪安裝架固定連接的滑塊。滑塊上開設有圓柱形凹槽，滑塊通過圓柱形凹槽套設在導軌上，并可沿導軌滑動。徑向抬升輪安裝架上的滑塊與絲桿螺母同步運動，保持徑向抬升輪安裝架及徑向抬升輪的穩定運動。

所述的弧形固定支架包括設置在上弧形固定板上的下弧形固定支架、一對分別設置在下弧形固定支架兩端的弧形固定支架連接板以及設置在兩弧形固定支架連接板之間并位于下弧形固定支架上方的上弧形固定支架，所述的弧形齒條設置在上弧形固定支架與下弧形固定支架之間并與弧形固定支架連接板固定連接。兩個弧形固定支架連接板能夠對空化水噴射機構進行周向限位。

所述的空化水噴射機構包括設置在上弧形固定支架與下弧形固定支架之間的滾輪連接架、分別設置在滾輪連接架上下兩端的上滾輪組件、下滾輪組件、設置在上滾輪組件與下滾輪組件之間并與弧形齒條相嚙合的周向直齒輪驅動組件、設置在滾輪連接架上的空化水噴嘴連接板以及設置在空化水噴嘴連接板上的空化水噴嘴。空化水噴嘴通過高壓水管與空化水水源連接，由空化水噴嘴噴射出的空化水對管道外表面的海生物進行清理。其中，空化水射流是一種高效的高壓水射流，利用了水力機械“汽蝕”的原理，通過人為地在水射流流束內制造許多空泡，利用空泡破裂所產生的強大沖擊力來增強射流的作用效果。空化水的水壓優選為16Mpa，空化水噴嘴的出口直徑優選為1.5mm。

所述的上滾輪組件包括設置在滾輪連接架上端的上滾輪固定板以及分別設置在上滾輪固定板上的外上滾輪、內上滾輪，所述的內上滾輪及外上滾輪分別位于上弧形固定支架的內外兩端并可沿上弧形固定支架的端面滾動；

所述的下滾輪組件包括設置在滾輪連接架下端的下滾輪固定板以及分別設置在下滾輪固定板上的外下滾輪、內下滾輪，所述的內下滾輪及外下滾輪分別位于下弧形固定支架的內外兩端并可沿下弧形固定支架的端面滾動；

所述的周向直齒輪驅動組件包括設置在滾輪連接架上的周向直齒輪步進電機安裝筒、設置在周向直齒輪步進電機安裝筒內的周向直齒輪步進電機以及與周向直齒輪步進電機傳動連接并與弧形齒條相嚙合的周向直齒輪。周向直齒輪步進電機帶動周向直齒輪在弧形齒條表面沿著弧形齒條的周向移動，使空化水噴嘴能夠對管道外表面的各個區域均勻噴射空化水，保證對管道外表面各個區域的海生物均進行清理。在周向直齒輪移動的過程中，內上滾輪及外上滾輪分別沿著上弧形固定支架的內端面或外端面滾動，內下滾輪及外下滾輪分別沿著下弧形固定支架的內端面或外端面滾動，保持空化水噴射機構運動時的平衡并能夠將空化水噴射機構移動設置在弧形固定支架上。

所述的周向直齒輪步進電機安裝筒上設有第二水密接插件。

空化水噴射機構的兩側還設有軸向密毛刷及徑向密毛刷，用于及時清理海水中進入移動式清理單元中的雜物，保證移動式清理單元的穩定流暢工作。

該裝置還包括設置在空化水噴射機構上的第一水下攝像頭以及對稱設置在下弧形固定板上的第二水下攝像頭、第三水下攝像頭。第一水下攝像頭能夠對空化水噴射機構周圍的水下環境及前方待清理區域進行實時監控，第二水下攝像頭及第三水下攝像頭能夠對機器人后方周圍的水下環境及已清理區域進行實時監控，保證清理效果以及清理過程的安全性，并根據實際情況控制清理的進程。第一水下攝像頭通過第一水下攝像頭固定架設置在空化水噴射機構上，第二水下攝像頭及第三水下攝像頭分別通過第二水下攝像頭固定架、第三水下攝像頭固定架設置在下弧形固定板上。

本發明在實際應用時，將機器人套設在管道外部，并通過懸磁吸附組件吸附在管道外表面，行走驅動機構帶動機器人沿管道軸向運動，同時空化水噴射機構沿管道周向往復移動，對管道外表面的海生物進行清理；清理結束后，抬升機構中的徑向抬升輪沿徑向移動并頂在管道外表面，將機器人抬起，使懸磁吸附組件脫離管道外表面，即可將機器人從管道表面取下。

與現有技術相比，本發明具有以下特點：

1)采用空化水射流的方式對水下鋼結構管道外表面的海生物進行清理，具有比傳統機械清理更高的清理效率，并比高壓水射流更加節能，更加適應水下作業環境，不僅減少了潛水員的工作量，同時降低了潛水員人工清理的安全隱患，并能夠適用于各種天氣及海況，應用范圍廣，清理效果好，清理成本低；

2)上弧形固定板、下弧形固定板及弧形固定支架形成的環抱式結構與管道的曲率相適配，能夠使機器人與管道外表面良好貼合，并通過懸磁吸附組件將機器人吸附在管道外表面，保證了機器人工作的穩定性和安全性，避免發生側翻；

3)空化水噴射機構與弧形齒條相嚙合，便于沿管道周向往復移動，減少了行走驅動機構的工作量，提高了清理效率和工作穩定性；

4)懸磁吸附組件與抬升機構相配合，既能夠保證機器人與管道表面的強吸附力，提高工作穩定性，又便于將機器人輕松地從管道表面取下，靈活性好。

附圖說明

圖1為實施例中機器人的整體結構示意圖；

圖2為實施例中機器人的俯視結構示意圖；

圖3為實施例中懸磁吸附組件的結構示意圖；

圖4為實施例中永磁塊組的磁化方向排列示意圖；

圖5為實施例中行走驅動機構的結構示意圖；

圖6為實施例中抬升機構的結構示意圖；

圖7為實施例中空化水噴射機構的結構示意圖；

圖8為實施例中空化水噴射機構的俯視結構示意圖；

圖9為實施例中空化水噴射機構的右視結構示意圖；

圖中標記說明：

1—上弧形固定板、2—下弧形固定板、3—弧形固定支架、4—弧形齒條、5—第一軸向行走輪安裝板、6—第二軸向行走輪安裝板、7—軸向行走輪、8—軸向行走輪步進電機安裝筒、9—軸向行走輪步進電機、10—第一水密接插件、11—抬升機構連接座、12—絲杠固定塊、13—絲杠、14—絲桿螺母、15—徑向抬升輪安裝架、16—徑向抬升輪、17—導軌、18—滑塊、19—滾輪連接架、20—上滾輪固定板、21—外上滾輪、22—下滾輪固定板、23—外下滾輪、24—空化水噴嘴連接板、25—空化水噴嘴、26—周向直齒輪步進電機安裝筒、27—周向直齒輪步進電機、28—周向直齒輪、29—內上滾輪、30—內下滾輪、31—下弧形固定支架、32—弧形固定支架連接板、33—上弧形固定支架、34—第一水下攝像頭、35—第二水下攝像頭、36—第三水下攝像頭、37—永磁塊組。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例：

如圖1-2所示的一種環抱式水下鋼結構管道外表面海生物清理機器人，該機器人包括機器人行走單元以及設置在機器人行走單元上的移動式清理單元，機器人行走單元包括相互平行設置的上弧形固定板1、下弧形固定板2以及分別設置在上弧形固定板1與下弧形固定板2之間的懸磁吸附組件、行走驅動機構及抬升機構，移動式清理單元包括設置在上弧形固定板1上的弧形固定支架3、設置在弧形固定支架3上的弧形齒條4以及沿周向移動設置在弧形固定支架3上并與弧形齒條4相嚙合的空化水噴射機構，該裝置還包括設置在空化水噴射機構上的第一水下攝像頭34以及對稱設置在下弧形固定板2上的第二水下攝像頭35、第三水下攝像頭36。機器人通過懸磁吸附組件吸附在管道表面，在行走驅動機構的作用下沿管道軸向運動，并由空化水噴射機構除去管道外表面的海生物。

如圖3所示，懸磁吸附組件包括多個沿周向分別布設在上弧形固定板1與下弧形固定板2之間的永磁塊組37，永磁塊組37與管道表面相連一側的磁場強度大于背離管道表面一側的磁場強度，永磁塊組37的磁化方向排列如圖4所示。

如圖5所示，行走驅動機構包括并列設置在上弧形固定板1與下弧形固定板2之間的第一軸向行走輪安裝板5、第二軸向行走輪安裝板6、設置在第一軸向行走輪安裝板5與第二軸向行走輪安裝板6之間的軸向行走輪7、設置在第二軸向行走輪安裝板6外側的軸向行走輪步進電機安裝筒8以及設置在軸向行走輪步進電機安裝筒8內并與軸向行走輪7傳動連接的軸向行走輪步進電機9。軸向行走輪步進電機安裝筒8上設有第一水密接插件10。

如圖6所示，抬升機構包括設置在上弧形固定板1與下弧形固定板2之間的抬升機構連接座11、一對沿上弧形固定板1與下弧形固定板2的徑向分別設置在抬升機構連接座11上的絲杠固定塊12、設置在兩絲杠固定塊12之間的絲杠13、移動設置在絲杠1上并位于兩絲杠固定塊12之間的絲桿螺母14、固定設置在絲桿螺母14上的徑向抬升輪安裝架15以及設置在徑向抬升輪安裝架15上的徑向抬升輪16。抬升機構連接座11上還設有與絲杠13相平行的導軌17以及滑動設置在導軌17上并與徑向抬升輪安裝架15固定連接的滑塊18。

弧形固定支架3包括設置在上弧形固定板1上的下弧形固定支架31、一對分別設置在下弧形固定支架31兩端的弧形固定支架連接板32以及設置在兩弧形固定支架連接板32之間并位于下弧形固定支架31上方的上弧形固定支架33，弧形齒條4設置在上弧形固定支架33與下弧形固定支架31之間并與弧形固定支架連接板32固定連接。

如圖7-9所示，空化水噴射機構包括設置在上弧形固定支架33與下弧形固定支架31之間的滾輪連接架19、分別設置在滾輪連接架19上下兩端的上滾輪組件、下滾輪組件、設置在上滾輪組件與下滾輪組件之間并與弧形齒條4相嚙合的周向直齒輪驅動組件、設置在滾輪連接架19上的空化水噴嘴連接板24以及設置在空化水噴嘴連接板24上的空化水噴嘴25。

上滾輪組件包括設置在滾輪連接架19上端的上滾輪固定板20以及分別設置在上滾輪固定板20上的外上滾輪21、內上滾輪29，內上滾輪29及外上滾輪21分別位于上弧形固定支架33的內外兩端并可沿上弧形固定支架33的端面滾動；下滾輪組件包括設置在滾輪連接架19下端的下滾輪固定板22以及分別設置在下滾輪固定板22上的外下滾輪23、內下滾輪30，內下滾輪30及外下滾輪23分別位于下弧形固定支架31的內外兩端并可沿下弧形固定支架31的端面滾動；周向直齒輪驅動組件包括設置在滾輪連接架19上的周向直齒輪步進電機安裝筒26、設置在周向直齒輪步進電機安裝筒26內的周向直齒輪步進電機27以及與周向直齒輪步進電機27傳動連接并與弧形齒條4相嚙合的周向直齒輪28。

機器人在實際應用時，將機器人套設在管道外部，并通過懸磁吸附組件吸附在管道外表面，行走驅動機構帶動機器人沿管道軸向運動，同時空化水噴射機構沿管道周向往復移動，對管道外表面的海生物進行清理；清理結束后，抬升機構中的徑向抬升輪16沿徑向移動并頂在管道外表面，將機器人抬起，使懸磁吸附組件脫離管道外表面，即可將機器人從管道表面取下。

上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。